Die Kombination von Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Röntgen-Computertomographie (CT) in Form moderner PET/CT-Geräte ermöglicht die Nutzung der CT-Information zur Korrektur der Photonenschwächung in der PET. Allerdings können Bewegungen, die zum Beispiel durch die Atmung hervorgerufen werden können, zu einer fehlerhaften Schwächungskorrektur führen. Die Einführung von zeitlich aufgelöster Bildgebung für beide Modalitäten (4D-PET/4D-CT) ermöglicht nicht nur die Auflösung von periodischen Bewegungen, sondern auch die Reduktion dieser Fehler in der Schwächungskorrektur. Dazu werden die einzelnen Datensätze des 4D-PET, die jeweils einer bestimmten Bewegungsphase entsprechen, mit dem entsprechenden CT-Datensatz dieser Atemphase schwächungskorrigiert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese phasenkorrelierte Schwächungskorrektur des 4D-PET mit dem 4D-CT am Universitästsklinikum Dresden installierten PET/CT ermöglicht und anhand von Phantomexperimenten mit anderen Schwächungskorrekturmethoden für 4D-PET verglichen. Dazu musste zunächst die Aufnahme von 4D-CT an dem verwendeten PET/CT ermöglicht und dessen Synchronität mit dem 4D-PET hergestellt werden. Außerdem wurde ein vorhandenes Atemphantom so modifiziert, dass es typische Bewegungen von Bronchialkarzinomen in zwei Dimensionen und mit zwei möglichen Atemmustern simuliert. Die phasenkorrelierte Schwächungskorrektur führte zu einer quantitativ korrekten Wiederherstellung des Aktivitätsvolumens, der darin enthaltenen Aktivität sowie der Bewegungsamplitude und stellt somit die beste der hier verglichenen 4D-PET-Schwächungskorrekturmethoden dar. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass die phasenkorrelierte Schwächungskorrektur auch bei klinischer Anwendung eine signifikante Verbesserung in oben genannten Punkten darstellt. Dies sollte in Zukunft an Patientendaten überprüft werden. / The combination of Positron Emission Tomography (PET) and Computed Tomography (CT) in one device allows the use of CT-information for attenuation correction in PET. Though motion, for example induced by respiration, can cause inaccurate attenuation correction. The implementation of time-resolved imaging methods for both modalities (4D-PET/4D-CT) enables not only the resolution of motion but also the reduction of artifacts caused by attenuation correction. Therefore, the single datasets of the 4D-PET that are related to a individual respiratory phase, are attenuation corrected with the corresponding dataset of the 4D-CT. This phase correlated attenuation correction of the 4D-PET with the 4D-CT was implemented at the PET/CT installed at the Universitätsklinikum Dresden. For that purpose the acquisition of 4D-CT was implemented at the PET/CT and its synchronisation with the 4D-PET was verified. Furthermore the new attenuation correction method was compared with other attenuation correction methods by performing phantom experiments. Therefore an exisisting respiratory phantom had to be modified to perform typical lung tumor motion in two dimensions with two possible patterns of respiration. The phase correlated attenuation correction leads to a quantitatively correct restauration of the activity volume, its total activity and its motion amplitude. Compared with other correction methods, the phase correlated attenuation correction shows the best results in all examined criteria. This findings suggest that the clinical application of the phase correlated attenuation correction will also lead to a significant improvement in all mentioned points. This has to be verified by analyzing patient data.

L'imagerie simultanée IRM-TEP ouvre de nouvelles perspectives pour l'exploration in vivo des fonctions cérébrales. Pour une quantification du signal de tomographie par émission de positons, il est indispensable de corriger l'atténuation tissulaire des photons. En l'absence de mesure tomodensitométrique en IRM-TEP, les cartes de radiodensité ne sont pas disponibles. Il est nécessaire de trouver une méthode fiable et exacte pour générer une carte d'atténuation du sujet à partir des données disponibles TEP ou IRM. Nous avons développé une technique qui génère une carte d'atténuation propre à un sujet par une approche multi-atlas (MaxProb). Cette approche utilise uniquement l'image IRM T1 du sujet, couramment acquise dans les protocoles cliniques et de recherche, ainsi qu'une base de données d'atlas.L'évaluation de MaxProb montre de très bonnes performances, le biais de quantification de l'image TEP étant réduit à moins de 2%. Cette évaluation pratiquée sur une acquisition dynamique TEP a en outre montré qu'une carte d'atténuation imparfaite , combinée à une distribution spatiale inhomogène du traceur au cours du temps, peut produire un biais non-constant des cinétiques TEP. Cela impacte les paramètres biologiques estimés par modélisation sur les cinétiques TEP. La méthode MaxProb n'est cependant pas affectée par ce phénomène. MaxProb fournit une quantification fiable des paramètres physiologiques estimés par modélisation même lorsque le cervelet est utilisé comme région de référence. Notre évaluation a aussi porté sur la reproduction par simulation d'une étude réaliste d'imagerie TEP d'une décharge dynamique d'un neurotransmetteur. Par rapport à la méthode de correction d'atténuation standard (UTE), MaxProb améliore la sensibilité de détection des variations physiologiques, même faibles. Ceci ouvre la voie à de nouveaux protocoles d'imagerie dynamique et simultanée en IRM-TEP, augmentant la puissance de détection, et réduisant les nombres de sujets nécessaires à la mise en évidence d'un phénomène neurophysiologique ou d'un dysfonctionnement physiopathologique / Simultaneous PET-MR imaging brings new perspectives for understanding many aspects of brain function. To achieve PET-MR’s full potential, accurate brain attenuation correction (AC) is required for absolute PET quantification. In PET-MR scanners, radiodensity maps are not directly available unlike in PET/CT, and the attenuation map has to be derived from the MR data (MRAC methods). In this thesis, I have developed a multi-atlas procedure that produces a subject-specific µ-map for brain imaging (MaxProb) via multiple registrations of CT-MR atlas pairs to an MR target. The solution proposed only requires a T1-weighted MRI of the subject, commonly acquired in clinical and research protocols, and a CT-MR atlas database. The MaxProb method permits generating pseudo-CT images for brain MRAC with high accuracy. Results obtained show very good performance of the method and a bias in reconstructed PET of less than 2%. I have also demonstrated for the first time that an inaccurate attenuation correction map, combined with inhomogeneous spatial tracer distribution as is regularly encountered in dynamic brain PET, can lead to a non-constant bias of the activity measure across time, and this can distort kinetic parameter estimation. MaxProb AC is not affected by this phenomenon. Accurate quantification is also achieved with MaxProb on physiological parameters estimated from kinetic modelling, even when cerebellum (surrounded by bone) is used as reference region: In a simulation study, I have shown that compared to a standard approach (UTE), MaxProb multi-atlas MRAC enhances sensitivity to detect physiological variations in binding parameters, opening the way for new dynamic PET studies on simultaneous PET-MR systems

Nous proposons dans le cadre de cette thèse une nouvelle approche permettant de s'affranchir de l'atténuation mammaire en tomographie par émission monophotonique (TEMP) de perfusion myocardique. Elle est constituée de deux parties : - la première consiste à rendre les projections acquises consistantes. - la deuxième consiste à pondérer ces même les projections corrigées durant la reconstruction. Nous avons effectué l'étude de validité de nos méthodes sur quelques exemples de simulation TEMP de perfusion myocardique simulant l'atténuation mammaire et sur quelques exemples d'études patients réelles notamment : des cas d'atténuation mammaire, d'infarctus inférieure, d'infarctus apical, d'infarctus antérieur, d'ischémie antérieure et inférieure. Les résultats semblent encourageants. Il s'agit dans le proche avenir de mener une étude de validation chez les patients versus un gold standard (coronarographie, coroscanner) / We propose in this thesis a new approach to correct the breast attenuation in SPECT myocardial perfusion imaging. It consists of two parts: -The first is to make the acquired projections consistent with each other. - The second is to weight the corrected attenuated projection during the reconstruction. We conducted a validation of our methods on some examples of myocardial perfusion SPECT imaging simulating the breast attenuation and some examples of real patient studies including: breast attenuation, anterior myocardial infarction, inferior myocardial infarction, anterior myocardial ischemia and inferior myocardial ischemia. The obtained results are encouraging. At this step, it is interesting in the near future to conduct a validation study in patients versus a gold standard (angiography, coroscan).Key words: SPECT, tomographic reconstruction, breast attenuation, Iterative reconstruction, attenuation correction, myocardial perfusion imaging, nuclear medicine

A quantitative evaluation of single photon emission computed tomography (SPECT) and planar scintigraphic imaging may be valuable for both diagnostic and therapeutic purposes. For an accurate quantification it is usually necessary to correct for attenuation and scatter and in some cases also for septal penetration. For planar imaging a background correction for the contribution from over- and underlying tissues is needed. In this work a few correction methods have been evaluated and further developed. Much of the work relies on the Monte Carlo method as a tool for evaluation and optimisation. A method for quantifying the activity of I-125 labelled antibodies in a tumour inoculated in the flank of a mouse, based on planar scintigraphic imaging with a pin-hole collimator, has been developed and two different methods for background subtraction have been compared. The activity estimates of the tumours were compared with measurements in vitro. The major part of this work is attributed to SPECT. A method for attenuation and scatter correction of brain SPECT based on computed tomography (CT) images of the same patient has been developed, using an attenuation map calculated from the CT image volume. The attenuation map is utilised not only for attenuation correction, but also for scatter correction with transmission dependent convolution subtraction (TDCS). A registration method based on fiducial markers, placed on three chosen points during the SPECT examination, was evaluated. The scatter correction method, TDCS, was then optimised for regional cerebral blood flow (rCBF) SPECT with Tc-99m, and was also compared with a related method, convolution scatter subtraction (CSS). TDCS has been claimed to be an iterative technique. This requires however some modifications of the method, which have been demonstrated and evaluated for a simulation with a point source. When the Monte Carlo method is used for evaluation of corrections for septal penetration, it is important that interactions in the collimator are taken into account. A new version of the Monte Carlo program SIMIND with this capability has been evaluated by comparing measured and simulated images and energy spectra. This code was later used for the evaluation of a few different methods for correction of scatter and septal penetration of I-123 brain SPECT. The methods were CSS, TDCS and a method where correction for scatter and septal penetration are included in the iterative reconstruction. This study shows that quantitative accuracy in I-123 brain SPECT benefits from separate modelling of scatter and septal penetration.

Η διερεύνηση της διαγνωστικής και προγνωστικής αξία της διόρθωσης φωτονιακής εξασθένησης με χάρτες μέσω CT χαμηλής δόσης και ευκρίνειας στη στεφανιαία νόσο. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΣΚΕΛΟΣ Υλικό και Μέθοδος: Σε ομοίωμα Data Spectrum πραγματοποιήθηκαν SPECT/CT απεικονίσεις με 201Tl & 99mTc αφενός χωρίς ελλείμματα στο καρδιακό ένθεμα όπου μετρήθηκε ομοιογένεια εικόνας και κρούσεις και αφετέρου με την τοποθέτηση ελλειμμάτων, «διατοιχωματικών» & «υπενδοκαρδίων» όπου υπολογίστηκαν το μέγεθος (FWHM) και η αντίθεση του ελλείμματος. Κατόπιν οι AC & NAC απεικονίσεις συνεκρίθησαν κατά ζεύγη ως προς τις προαναφερθείσες παραμέτρους. Αποτελέσματα: Στις μετρήσεις χωρίς έλλειμμα ευνοήθηκε η μέθοδος με διόρθωση (AC) αυξάνοντας την ομοιογένεια της φυσιολογικής εικόνας και εξομαλύνοντας το λόγο κρούσεων κατωτέρου/προσθίου τοιχώματος. Στις απεικονίσεις με έλλειμμα η AC μέθοδος εμφάνισε καλύτερο FWHM ενώ η τεχνική χωρίς διόρθωση εξασθένησης (NAC) αποδείχθηκε ανώτερη ως προς την αντίθεση του ελλείμματος. ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΟ ΣΚΕΛΟΣ Υλικό και Μέθοδος: Διερευνήθηκαν αναδρομικώς 120 εξεταζόμενοι χαμηλού pre-test κινδύνου ΣΝ με αρνητικούς κλινικούς δείκτες και 120 πρώϊμα στεφανιογραφηθέντες (<60 ημέρες μετά MPI με 201Tl + CT-AC). Οι AC & NAC εικόνες εκτιμήθηκαν τυφλά τόσο ποιοτικά όσο και ημιποσοτικά (Summed Stress Score - SSS, Summed Difference Score - SDS). Κατόπιν, υπολογίστηκε το normalcy στον πληθυσμό χαμηλού κινδύνου ενώ στους στεφανιογραφηθέντες με gold standard τα αγγειογραφικά δεδομένα υπολογίστηκαν ευαισθησίες, ειδικότητες και διαγνωστικές ακρίβειες στο γενικό πληθυσμό και κατά φύλο στην επικράτεια του LAD και του συνδυασμού RCA/LCx οι οποίες συνεκρίθησαν με τη McNemar δοκιμασία. Τέλος, σχεδιάστηκαν ROC καμπύλες και έγινε σύγκριση μεταξύ τους κατά ζεύγη. Αποτελέσματα: Στον πληθυσμό χαμηλού κινδύνου η AC τεχνική υπερίσχυσε στο normalcy, ενώ στους στεφανιογραφηθέντες στατιστική σημαντικότητα παρατηρήθηκε στην περιοχή κατανομής της RCA/LCx στο γενικό πληθυσμό και στους άνδρες, όπου η NAC μέθοδος ήταν πιο ευαίσθητη και η AC πιο ειδική, χωρίς να προκύψουν στατιστικώς σημαντικά αποτελέσματα κατά τις συγκρίσεις ως προς τη διαγνωστική ακρίβεια και στις κατά ζεύγη συγκρίσεις των AUC στις ROC καμπύλες. ΠΡΟΓΝΩΣΤΙΚΟ ΣΚΕΛΟΣ Υλικό και Μέθοδος: Πρόκειται για προοπτική μελέτη με 637 συμμετέχοντες στους οποίους πραγματοποιήθηκε SPECT/CT απεικόνιση ρουτίνας και εκτιμήθηκαν ημιποσοτικά οι AC & NAC εικόνες (SSS – τυφλή ανάλυση). Μετά από κλινική παρακολούθηση κατεγράφησαν οι θάνατοι (πρωτεύον καταληκτικό σημείο), καθώς και οι συνδυασμοί θανάτων/ΟΕΜ και θανάτων/ΟΕΜ/οψίμων επαναγγειώσεων (δευτερεύοντα καταληκτικά σημεία). Κατόπιν, ορίστηκαν διαχωριστικές SSS τιμές του πληθυσμού βάσει της συχνότητας συμβαμάτων, και σχεδιάστηκαν Kaplan-Meier καμπύλες επιβίωσης στο γενικό πληθυσμό και στις SSS υποομάδες (AC & NAC) οι οποίες συνεκρίθησαν μεταξύ τους με την LogRank μέθοδο. Τέλος, οι κλινικές και απεικονιστικές παράμετροι αξιολογήθηκαν με την Cox μέθοδο, τόσο στο μονοπαραγοντικό (univariate) μοντέλο όσο και στην πολυπαραγοντική ανάλυση παλινδρόμησης (multivariate regression analysis). Αποτελέσματα: Κατά τη διάρκεια της κλινικής παρακολούθησης (ѱSD = 42.3±12.8 μήνες) σημειώθηκαν 24 θάνατοι (7 καρδιογενείς), 13 ΟΕΜ και 28 επαναγγειώσεις. Από την κατηγοριοποίηση του πληθυσμού προέκυψαν τρεις SSS υποομάδες για κάθε μέθοδο: 0-4, 5-13 και >13 (NAC) και 0-2, 3-9 και >9 (AC). Στην Kaplan-Meier ανάλυση η NAC παρήγαγε στατιστικώς σημαντικά αποτελέσματα μεταξύ των ομάδων 5-13 και >13 ως προς θανάτους και μεταξύ όλων των SSS υποπληθυσμών για αμφότερα τα δευτερεύοντα καταληκτικά σημεία, ενώ η AC κατάφερε να διαχωρίσει μεταξύ 0-2 & >9 ως προς θανάτους/ΟΕΜ και 0-2 & 3-9 ως προς συνολικά συμβάματα. Στο μονοπαραγοντικό Cox μοντέλο η NAC απεικόνιση κατάφερε στατιστική σημαντικότητα τόσο για SSS>4 όσο και >13 ως προς όλα τα καταληκτικά σημεία με την AC να παρουσιάζει ανάλογα αποτελέσματα για SSS>2 ως προς μείζονα και συνολικά συμβάματα και για SSS>9 ως προς το σύνολο των συμβαμάτων. Τέλος, στην πολυπαραγοντική ανάλυση παλινδρόμησης, η NAC αποδείχθηκε ανεξάρτητη προβλεπτική παράμετρος για θανάτους/ΟΕΜ και σύνολο συμβαμάτων, ενώ στην AC δεν παρατηρήθηκαν στατιστικώς σημαντικά αποτελέσματα. Συμπέρασμα: Η διόρθωση φωτονιακής εξασθένησης μέσω χαρτών εξασθένησης με CT δεν φαίνεται να προσαυξάνει τη διαγνωστική ακρίβεια ή την προγνωστική ισχύ του SPECT αιματώσεως μυοκαρδίου και η ανεπίλεκτη χρησιμοποίησή της στην κλινική πράξη μπορεί να οδηγήσει σε υποεκτίμηση της στεφανιαίας νόσου και του κινδύνου καρδιακών συμβαμάτων που αυτή συνεπάγεται. / To investigate the diagnostic and prognostic value of photon attenuation correction through maps derived from low-dose/low-resolution CT in coronary artery disease. EXPERIMENTAL PART Materials and Methods: SPECT/CT 201Tl and 99mTc imaging was performed on a Data Spectrum torso phantom, firstly without “myocardial” defects (assessment of overall and regional image uniformity and counts) and afterwards with the insertion of “subendocardial” and “transmural” defects (measurement of defect FWHM and contrast); subsequently, attenuation corrected (AC) & non-corrected (NAC) images were compared pairwise as regards the aforementioned parameters. Results: AC was favoured in the measurements without defects by increasing image uniformity and optimizing inferior-to-anterior wall count ratio. When defects were imaged, AC was superior at the assessment of FWHM whereas NAC achieved better defect contrast. DIAGNOSTIC PART Materials and Methods: One-hundred and twenty patients with negative clinical markers for CAD as well as 120 patients (90 males, 30 females) who were subjected to coronary angiography within 60 days post-MPI (201Tl SPECT/CT) were retrospectively reviewed. AC & NAC images were evaluated blindly both qualitatively and semi-quantitavely (Overall Summed Stress Score – SSS & Summed Difference Score – SDS as well as corresponding scores for LAD and RCA/LCx vascular domains). In the low-risk population, AC & NAC normalcy rate was assessed and in the population with angiographic reference sensitivity, specificity and diagnostic accuracy were calculated for both AC & NAC MPI which were compared with the McNemar test. Finally, ROC curves were created and the AUC were compared. Results: In the low-risk population AC increased normalcy rate while in the patients with angiographic correlation statistically significant results were obtained in the general and male population in the RCA/LCx territory, where NAC was more sensitive and AC displayed higher specificity without any significant results as regards diagnostic accuracy or ROC AUC comparisons. PROGNOSTIC PART Materials and Methods: 637 unselected patients underwent 201Tl MPI with CT-AC. AC & NAC images were interpreted blindly and summed stress scores (SSS) were calculated. Study endpoints were all-cause mortality and the composites of death/non-fatal acute myocardial infarction (AMI) and death/AMI/late revascularization. On the basis of the event rate distribution across SSS values SSS subgroups were created, Kaplan-Meier curves were drawn and compared by the use of the LogRank test and finally clinical and scintigraphic parameters were entered into the univariete and multivariate Cox regression model. Results: During a follow-up of 42.3±12.8 months 24 deaths, 13 AMIs and 28 revascularizations were recorded. Prognostic SSS groups formed were: 0-4,5-13,>13 for NAC and 0-2,3-9,>9 for AC. Kaplan-Meier functions were statistically significant between NAC SSS groups for all study endpoints. AC discriminated only between SSS 0-2 and >9 for death/AMI and between 0-2 and 3-9 for death/AMI/revascularization. In the univariate Cox regression, abnormal NAC achieved statistical significance for all endpoints whereas AC managed to do so only for SSS >2 & >9 regarding major and all events and for SSS>9 as regards all events. In the multivariate model, abnormal AC yielded no significance for either endpoint whereas abnormal NAC proved independent from other covariates for the composite endpoints. CONCLUSION: Photon attenuation correction with the use of CT-derived attenuation maps does not seem to increase the diagnostic accuracy or prognostic value of myocardial perfusion SPECT and its non-selective utilization in clinical practice may lead to underestimation of coronary artery disease and the subsequent risk of cardiac events.

Background: In PET/MRI, linear photon attenuation coefficients for attenuation correction (AC) cannot be directly derived, and cortical bone is, so far, usually not considered. This results in an underestimation of the average PET signal in PET/MRI. Recently introduced MR-AC methods predicting bone information from anatomic MRI or proton density weighted zero-time imaging may solve this problem in the future. However, there is an ongoing debate if the current error is acceptable for clinical use and/or research. Methods: We examined this feature for [18F] fluorodeoxyglucose (FDG) brain PET in 13 patients with clinical signs of dementia or movement disorders who subsequently underwent PET/CT and PET/MRI on the same day. Multiple MR-AC approaches including a CT-derived AC were applied. Results: The resulting PET data was compared to the CT-derived standard regarding the quantification error and its clinical impact. On a quantitative level, −11.9 to +2 % deviations from the CT-AC standard were found. These deviations, however, did not translate into a systematic diagnostic error. This, as overall patterns of hypometabolism (which are decisive for clinical diagnostics), remained largely unchanged. Conclusions: Despite a quantitative error by the omission of bone in MR-AC, clinical quality of brain [18F]FDG is not relevantly affected. Thus, brain [18F]FDG PET can already, even now with suboptimal MR-AC, be utilized for clinical routine purposes, even though the MR-AC warrants improvement.

Die Kombination von Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Röntgen-Computertomographie (CT) in Form moderner PET/CT-Geräte ermöglicht die Nutzung der CT-Information zur Korrektur der Photonenschwächung in der PET. Allerdings können Bewegungen, die zum Beispiel durch die Atmung hervorgerufen werden können, zu einer fehlerhaften Schwächungskorrektur führen. Die Einführung von zeitlich aufgelöster Bildgebung für beide Modalitäten (4D-PET/4D-CT) ermöglicht nicht nur die Auflösung von periodischen Bewegungen, sondern auch die Reduktion dieser Fehler in der Schwächungskorrektur. Dazu werden die einzelnen Datensätze des 4D-PET, die jeweils einer bestimmten Bewegungsphase entsprechen, mit dem entsprechenden CT-Datensatz dieser Atemphase schwächungskorrigiert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese phasenkorrelierte Schwächungskorrektur des 4D-PET mit dem 4D-CT am Universitästsklinikum Dresden installierten PET/CT ermöglicht und anhand von Phantomexperimenten mit anderen Schwächungskorrekturmethoden für 4D-PET verglichen. Dazu musste zunächst die Aufnahme von 4D-CT an dem verwendeten PET/CT ermöglicht und dessen Synchronität mit dem 4D-PET hergestellt werden. Außerdem wurde ein vorhandenes Atemphantom so modifiziert, dass es typische Bewegungen von Bronchialkarzinomen in zwei Dimensionen und mit zwei möglichen Atemmustern simuliert. Die phasenkorrelierte Schwächungskorrektur führte zu einer quantitativ korrekten Wiederherstellung des Aktivitätsvolumens, der darin enthaltenen Aktivität sowie der Bewegungsamplitude und stellt somit die beste der hier verglichenen 4D-PET-Schwächungskorrekturmethoden dar. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass die phasenkorrelierte Schwächungskorrektur auch bei klinischer Anwendung eine signifikante Verbesserung in oben genannten Punkten darstellt. Dies sollte in Zukunft an Patientendaten überprüft werden. / The combination of Positron Emission Tomography (PET) and Computed Tomography (CT) in one device allows the use of CT-information for attenuation correction in PET. Though motion, for example induced by respiration, can cause inaccurate attenuation correction. The implementation of time-resolved imaging methods for both modalities (4D-PET/4D-CT) enables not only the resolution of motion but also the reduction of artifacts caused by attenuation correction. Therefore, the single datasets of the 4D-PET that are related to a individual respiratory phase, are attenuation corrected with the corresponding dataset of the 4D-CT. This phase correlated attenuation correction of the 4D-PET with the 4D-CT was implemented at the PET/CT installed at the Universitätsklinikum Dresden. For that purpose the acquisition of 4D-CT was implemented at the PET/CT and its synchronisation with the 4D-PET was verified. Furthermore the new attenuation correction method was compared with other attenuation correction methods by performing phantom experiments. Therefore an exisisting respiratory phantom had to be modified to perform typical lung tumor motion in two dimensions with two possible patterns of respiration. The phase correlated attenuation correction leads to a quantitatively correct restauration of the activity volume, its total activity and its motion amplitude. Compared with other correction methods, the phase correlated attenuation correction shows the best results in all examined criteria. This findings suggest that the clinical application of the phase correlated attenuation correction will also lead to a significant improvement in all mentioned points. This has to be verified by analyzing patient data.

Positronemissionstomografi är en väl använd modalitet som kan hjälpa till att ge information om olika organs tillstånd. Ett problem som kan uppstå när man utför undersökningar är att patientrörelser, i synnerhet andning, förvränger de resulterande bilderna. Detta är ett vanligt problem och kan leda till komplikationer som inkorrekt diagnos och i sin tur felbehandling. Om rörelsen är för kraftig kan det till och med göra bilden värdelös, vilket tvingar patienten att genomgå en ny examination som är kostsam både för patientens hälsa och för sjukhuset som utför undersökningen. För att förhindra att detta inträffar har flera studier gjorts för att anpassa bilderna så att även om patienten rör sig skulle undersökningen fortfarande ge acceptabla bilder. Detta projekt är en fortsättning på det arbete som gjorts av en annan student på CBH-skolan vid KTH, som för sin masteruppsats tränade en djupinlärningsmodell att korrigera för patientrörelser. Denna modell tränades uteslutande på PET-fantomer och inte attenuerad data som genererats i simuleringar. I detta projekt prövades och implementerades tre olika metoder för att ta fram attenueringsmappar med hjälp av modellen för att utföra både rörelse- och attenueringskorrektion. Resultaten visade att metoden som direkt tillämpade deformationen mellan attenueringskarta och respektive PET-gate var överlägsen de andra, men den kunde fortfarande inte återge korrigerade bilder där lesionerna som fanns på fantomen är tydligt synliga. / Positron emission tomography is a widely used modality that can help provide information about how various parts of the body are functioning. An issue that can occur when performing these examinations is patient movement, usually breathing, distorting the resulting images. This is a common issue and can lead to complications such as misdiagnosis and in turn mistreatment. If the movement is too significant it can even render the scan useless, forcing the patient to undergo a new scan which is costly both for the patient’s health and for the hospital performing the examination. To prevent this from happening several methods have been tried to adapt the images so that even if the patient moved the scan would still produce acceptable images.  This project is a continuation of the work done by another student on the CBH-school at KTH who, for his master’s thesis, trained a deep-learning model to correct for patient movement. This model was trained exclusively on PET phantoms and not attenuated data generated in simulations. In this project three different methods were tested and implemented to acquire attenuation maps that could be used to perform movement- and attenuation correction. The results showed that the method that directly applied the deformation between attenuation map and respective PET-gate was superior to the others, but it could still not reconstruct corrected images with the lesions that were originally visible on the phantom.

L’introduction en clinique de la bimodalité combinant la tomographie d’émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM) a été un succès dans les années 2000. La multimodalité dans le contexte de l’imagerie médicale a souvent pour but de combiner une information physiologique à une information anatomique. Deux approches existent : la première étant d’acquérir séparément les modalités et de les combiner ultérieurement par fusion d’images sur ordinateur, la seconde s’affranchit des problèmes possibles du recalage en opérant une acquisition dans le même statif des deux modalités. Cependant, il existe des limites à l’imagerie TEP/TDM. L’idée de combiner l’imagerie par résonance (IRM) magnétique à la TEP offre des avantages par rapport à la TDM. Notamment, l’IRM offre un excellent contraste des tissus et offre l’accès à de l’information multidimensionnelle, fonctionnelle et morphologique grâce à la modularité offerte par l’acquisition IRM. Cette information pourrait permettre de mieux comprendre les processus physiopathologiques des maladies. De plus, l’IRM n’est pas ionisante, au contraire de l’imagerie TDM. L’introduction au début des années 2010 des premiers appareils d’acquisition simultanée TEP/IRM offre de nombreuses possibilités, mais il reste des défis à résoudre avant d’assister à la même diffusion en clinique que l’imagerie TEP/TDM de ces appareils. Notamment, l’atténuation photonique, qui doit être corrigée afin de permettre le caractère quantitatif de l’imagerie, est un problème. Dans ce travail, nous abordons cette question en proposant des solutions pour les différentes régions du corps. Une attention particulière est portée à la région pelvienne. L’état de l’art des méthodes disponibles expose un faible nombre de solutions pour cette région, pourtant riche en tissus osseux atténuants et zone d’occurrence du second cancer le plus commun chez l’homme : le cancer de la prostate. Nous évaluons l’impact de la solution proposée sur la correction des photons diffusés, toujours dans un objectif d’obtenir une imagerie quantitative. Les différentes méthodologies de correction et d’évaluation font intervenir des simulations numériques Monte Carlo. / The clinical introduction of the bimodality combining the positron emission tomography (PET) and the computed tomography (CT) has been a major success in the 2000s. Multimodality, in the context of medical imaging, often has the aim of associating a physiological information and an anatomical information. Two approaches exist : either the two modalities are acquired separately and then fused through computerized image fusion, or we discard the issues related to image registration by acquiring in the same system the two modalities. However, there remain limits to PET/CT imaging. The idea to combinemagnetic resonance imaging (MRI) to PET offers solutions and advantages compared to the use of TDM.MRI offers an excellent tissue contrast and offers an access to multidimensional functional and morphological information thanks to the modularity offered by MRI. This information could improve the understanding of the physiopathological processes involved in diseases. Moreover, MRI is non-ionizing modality, on the contrary to CT. The introduction in the early 2010s of the first simultaneous PET/MRI systems offers a lot of possibilities, but there remains challenged to solve before observing the same spread as the PET/CT in imaging facilities. In particular, the photon attenuation, which must be corrected to provide a quantitative imaging, remains an issue. In this work, we address this issue by proposing solutions for the different regions of the body. A special attention is drawn to the pelvic region. Indeed, the state of the art of available methods exposes a small number of solutions for this area ; even so it is rich in attenuation osseous tissues et area of occurrence of the second most common cancer in men : prostate cancer. We assess the impact of the proposed solution on the scattered photons correction, still in the aim of obtaining a quantitative imaging modality. The different methodologiesof correction and evaluation use Monte Carlo numerical simulations.

In translational medicine, complementary functional and morphological imaging techniques are used extensively to observe physiological processes in vivo and to assess structural changes as a result of disease progression. The combination of magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) provides excellent soft tissue contrast from MRI with exceptional sensitivity and specificity from PET. This thesis explores the use of sequentially acquired PET and MR images to improve the quantification of small animal PET data. The primary focus was to improve image-based estimates of the arterial input function (AIF), which defines the amount of PET tracer within blood plasma over time. The AIF is required to produce physiological parameters quantifying key processes such as metabolism or perfusion from dynamic PET images. The gold standard for AIF measurement, however, requires serial blood sampling over the course of a PET scan, which is invasive in rat studies but prohibitive in mice due to small total blood volumes. To address this issue, the geometric transfer matrix (GTM) and recovery coefficient (RC) techniques were applied using anatomical MR images to enable the extraction of partial volume corrected image based AIFs from mouse PET images. A non-invasive AIF extraction method was also developed for rats, beginning with the optimization of an automated voxel selection algorithm to assist in extracting MR contrast agent signal time courses from dynamic susceptibility contrast (DSC) MRI data. This procedure was then combined with dynamic contrast enhanced (DCE) MRI to track a combined injection of Gadolinium-based contrast agent and PET tracer through the rat brain. By comparison with gold standard tracer blood sample data, it was found that normalized MRI-based AIFs could be successfully converted into PET tracer AIFs in the first pass phase when fitted with gamma variate functions. Finally, a MR image segmentation method used to provide PET attenuation correction in mice was validated using the Cambridge split magnet PET/MR scanner?s transmission scanning capabilities. This work recommends that contributions from MR hardware in the PET field of view must be accounted forto gain accurate estimates of tracer uptake and standard uptake values (SUVs). This thesis concludes that small animal MR data taken in the same imaging session can provide non-invasive methods to improve PET image quantification, giving added value to combined PET/MR studies over those conducted using PET alone.