PET Bildrekonstruktion
Motivation
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine funktionelle medizinische Bildgebungstechnik, die sich in Bereichen wie der Onkologie, Kardiologie und Neurologie bewährt hat. Durch den Einsatz radioaktiver Tracer ermöglicht PET eine detaillierte Visualisierung physiologischer Prozesse auf molekularer Ebene. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Optimierung der PET-Bildrekonstruktion durch Verbesserungen bei der Kalibrierung und Normalisierung der Scanner.
Forschungsthemen
PET-Scanner sind hochkomplexe Systeme, bei denen die Bildqualität entscheidend sowohl von einer genauen Systemkalibrierung als auch von einer robusten quantitativen Bildrekonstruktion abhängt. In der Praxis führen Abweichungen vom idealen Systemverhalten unmittelbar zu Rekonstruktionsartefakten und Quantifizierungsfehlern. Unsere Forschung betrachtet Kalibrierung und Rekonstruktion als gekoppeltes Gesamtproblem mit dem Ziel, die Bildqualität unter realistischen Aufnahmebedingungen zu verbessern.
In-System Kalibration
Nach der Montage weichen PET-Systeme typischerweise von ihrer idealen geometrischen und physikalischen Konfiguration ab, beispielsweise durch Positionierungsfehler der Detektoren, Orientierungsabweichungen sowie Variationen im Detektorverhalten. Diese Effekte beeinflussen die Positionsbestimmung von Gamma-Interaktionen, die Zeitmessung sowie die Energieabschätzung und führen letztlich zu falsch positionierten Lines of Response (LORs), was die räumliche Auflösung verschlechtert, Rekonstruktionsartefakte verursacht und die quantitative Genauigkeit reduziert. Daher müssen diese Abweichungen korrigiert werden, um ein konsistentes und quantitativ korrektes Systemverhalten sicherzustellen.
Dies wird insbesondere bei hochauflösenden PET-Systemen (z. B. präklinische oder dedizierte Gehirn-PET-Systeme) kritisch, da die akzeptablen Systemtoleranzen deutlich geringer sind und kleine geometrische Abweichungen nicht mehr vernachlässigt werden können. Zur Untersuchung dieser Fragestellungen analysieren und charakterisieren wir neuartige Detektordesigns sowohl in kontrollierten Benchtop-Messaufbauten als auch im vollständig aufgebauten Scanner. Unsere bisherigen Arbeiten umfassen Detektortopologien basierend auf segmentierten Kristallarrays, semi-monolithischen Kristallblöcken sowie versetzt angeordneten mehrlagigen Kristallarrays.
Unser Hauptfokus liegt auf der In-System-Kalibrierung des kompletten Scanners, bei der alle relevanten Parameter nach der Montage direkt aus Messdaten geschätzt werden. Dieser Ansatz ermöglicht den Aufbau eines konsistenten, physikalisch motivierten Systemmodells. In Kombination mit modernen Machine-Learning-Methoden bildet dies die Grundlage für eine zuverlässige und quantitative Bildrekonstruktion.
Durch die Verlagerung von Komplexität von der Hardwarepräzision hin zu datengetriebener Kalibrierung möchten wir eine schnellere und kosteneffizientere Scannerproduktion mit geringeren Produktionsanforderungen ermöglichen, ohne dabei die Bildgebungsleistung zu beeinträchtigen.
Figure 1: Lichtverteilungen und positionierte Koinzidenzen, visualisiert für ein am Institut aufgebautes PET-System mit semi-monolithischen Slab-Arrays.
Neuartige Rekonstruktionstechniken
Die tomographische Bildrekonstruktion kann als Lösung eines inversen Problems formuliert werden, das durch das Vorwärtsprojektionsmodell des Systems beschrieben wird. In der Praxis ist die Genauigkeit dieses Modells jedoch durch verbleibende Kalibrierunsicherheiten, Messrauschen, Modellungenauigkeiten sowie unvollständige Daten oder limitierte Winkelabdeckung eingeschränkt. Eine robuste Bildrekonstruktion erfordert daher Methoden, die eine präzise physikalische Systemmodellierung mit datengetriebenen Ansätzen kombinieren.
Unsere Forschung konzentriert sich auf neuartige Rekonstruktionsmethoden, die physikbasierte Modellierung mit modernen Machine-Learning-Verfahren verbinden. Dazu gehören Diffusionsmodelle sowie Deep-Image-Prior-Ansätze für die PET-Bildrekonstruktion, insbesondere für limitierte Winkelabdeckungen oder unvollständige Datensituationen, in denen klassische Rekonstruktionsverfahren häufig versagen oder starke Artefakte erzeugen.
Darüber hinaus entwickeln wir generische Methoden zur Systemmatrix- und Projektionsgenerierung, die beliebige Detektorgeometrien und Kristalltopologien unterstützen. Dies ermöglicht die Rekonstruktion für unkonventionelle PET-Systemdesigns und erleichtert die Entwicklung neuer Scannerkonzepte. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Integration von Kalibrier- und Positionierungsunsicherheiten auf Ebene einzelner LORs direkt in das Rekonstruktionsmodell, wodurch unsicherheitsbewusste Rekonstruktionsverfahren und eine verbesserte quantitative Robustheit ermöglicht werden.
Darüber hinaus arbeiten wir an effizienten Echtzeit-Datenstreaming- und Rekonstruktionsframeworks, die für den Einsatz auf Edge-Geräten und in verteilten Rechensystemen ausgelegt sind und Live-Rekonstruktion, Rapid Prototyping sowie skalierbare Verarbeitungspipelines für moderne PET-Systeme ermöglichen.
Hybride Bildgebung
In PET/MR-Systemen können komplementäre strukturelle und funktionelle Informationen aus der MRT direkt in den PET-Rekonstruktionsprozess integriert werden.
Wir untersuchen multimodale Rekonstruktionsverfahren, die MR-Informationen nutzen, um die Bildentstehung zu steuern, anatomische Priors zu integrieren, Bewegungen zu kompensieren und physikalische Effekte wie die Schwächung in einer datengetriebenen und physikalisch konsistenten Weise zu schätzen. Ziel unserer Arbeiten ist die Entwicklung gemeinsamer Rekonstruktions- und Modellierungsverfahren, die die Synergien zwischen PET und MRT vollständig ausnutzen, um Bildqualität, quantitative Genauigkeit und Robustheit gegenüber Bewegung zu verbessern.
Figure 2: Schematische Darstellung der am Institut untersuchten tomographischen Bildgebungsmodalitäten.
Abschlussarbeiten
Wir bieten eine Vielzahl von Themen für Abschlussarbeiten in diesem Projekt an. Wir suchen hochmotivierte und kreative Personen mit einem starken Hintergrund in Physik, Mathematik, Elektrotechnik, Informatik oder verwandten Bereichen. Wir bieten ein interdisziplinäres Arbeitsumfeld, in dem Sie praktische Erfahrungen im Bereich der PET-Bildgebung und Bildrekonstruktion sammeln können.
