Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, neue Messverfahren zu entwickeln, die eine umfassende Charakterisierung des Herzmuskels ermöglichen. Sowohl die Morphologie als auch die Funktion und der Gefäßstatus wurden am intakten und am krankhaft veränderten isolierten Herzmuskel der Ratte mit NMR-Mikroskopietechniken untersucht. / The goal of the present work is the development of new NMR techniques, which can be used for a broad characterization of the heart muscle. The morphology as well as the function and the status of coronary arteries was investigated in intact and in chronic infarcted hearts.

Das Ziel dieser Arbeit war es, Methoden und Techniken für die morphologische und funktionelle Bildgebung der menschlichen Lunge mittels Kernspintomographie bei Feldstärken von 0,2 Tesla und 1,5 Tesla zu entwickeln und zu optimieren. Bei 0,2 Tesla wurde mittels der gemessenen Relaxationszeiten T1 und T2* eine 2D und eine 3D FLASH Sequenz zur Untersuchung der Lungenmorphologie optimiert. Sauerstoffgestützte Messungen der Relaxationszeiten T1 und T2* sowie eine SpinLabeling Sequenz liefern funktionelle Informationen über den Sauerstofftransfer und die Perfusion der Lungen. Bei 1,5 Tesla wurde die Lungenperfusion mittels MR-Kontrastmittel mit einer 2D und einer 3D Sequenz unter Verwendung der Präbolus Technik quantifiziert. Zudem wurden zwei MR-Navigationstechniken entwickelt, die es ermöglichen Lungenuntersuchungen unter freier Atmung durchzuführen und aus den Daten artefaktfreie Bilder zu rekonstruieren. Diese Techniken können in verschiedenste Sequenzen für die Lungenbildgebung implementiert werden, ohne dass die Messzeit dadurch signifikant verlängert wird. / The purpose of this thesis was to make a contribution to the development of lung MRI. While we developed and implemented new sequences and procedures both in the area of low-field MRI (0.2 Tesla) and 1.5 Tesla, we also took existing technologies into account by modifying and optimizing them for the working conditions at hand. In the process, we focused on techniques for both morphological and functional examination of the lung. Lung scans using an open 0.2 Tesla tomograph were an important component of this. Our first objective was to develop various methods for morphological and functional lung MRI, adapt them to altered conditions and further optimize them. The second objective was to contribute more in-depth research of contrast agent-based quantification of lung perfusion for the clinical standard of 1.5 Tesla. Additionally, we developed navigation methods which allow for scans of the lung under conditions of free breathing and without the use of external measurement devices.

Das Multiple Myelom (MM) ist eine maligne hämatologische Erkrankung, die trotz großer Fortschritte in der Therapie immer noch eine schlechte Prognose hat. Bisher ist es nicht möglich, mit einem bildgebenden Verfahren alle Fragen der Diagnostik, der Stadieneinteilung, des Therapiemonitorings und der Evaluation der Prognose des Multiplen Myeloms zu klären. Da es sich beim Multiplen Myelom aber um eine stark heterogene Erkrankung handelt, die eine frühzeitige individuelle Therapie erfordert, ist es unbedingt nötig Verfahren zu entwickeln, die eine spezifische Charakterisierung der Erkrankung bei jedem einzelnen Patienten ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden die MM-Zelllinien INA-6, MM.1S und OPM-2 mit dem Proteasominhibitor MLN9708 behandelt. Behandelte und unbehandelte Zellen wurden mit dem Standardtracer 2-[18F]-Fluoro-2-Desoxy-D-Glukose (18F-FDG) oder dem in der Anwendung beim Multiplen Myelom neuen Aminosäuretracer [11C]-Methionin (11C-MET) inkubiert und die Aufnahme der Tracer zu bestimmten Zeitpunkten gemessen. Des Weiteren wurde die Ausprägung biologischer Merkmale der MM-Pathogenese bei behandelten und unbehandelten Zellen untersucht. Anschließend wurde ermittelt, ob ein Zusammenhang zwischen der Höhe der Traceraufnahme und der Ausprägung biologischer Merkmale der MM-Pathogenese bei behandelten und unbehandelten Zellen besteht. Hierdurch soll geklärt werden, ob 11C-MET besser zur Diagnostik, dem Therapiemonitoring und der Evaluation der Prognose des Multiplen Myeloms geeignet ist als der Standardtracer 18F-FDG. Es zeigte sich eine signifikant höhere 11C-MET-Aufnahme sowohl unbehandelter als auch behandelter Zellen im Vergleich zu 18F-FDG. Außerdem war eine Unterscheidung zwischen behandelten und unbehandelten Zellen mit 11C-MET besser möglich als mit 18F-FDG. Zwischen Traceraufnahme und biologischen Merkmalen der MM-Pathogenese, wie Proliferation, Expression von intrazellulären Leichtketten, CXCR4 und CD138, ergaben sich für behandelte und unbehandelte Zellen variable Zusammenhänge. Die Ergebnisse legen nahe, dass 11C-MET besser zur Diagnostik und zum Therapiemonitoring des Multiplen Myeloms geeignet ist als der Standardtracer 18F-FDG. Ob 11C-MET auch zur Stadieneinteilung und zur Evaluation der Prognose des Multiplen Myeloms besser geeignet ist als 18F-FDG, muss in weiteren Studien untersucht werden. / Despite new therapies Multiple Myeloma (MM) remains a hematologic malignancy with poor prognosis. Because of marked disease heterogeneity outcomes are extremely variable. The role of functional imaging, such as positron emission tomography for diagnosis, therapy monitoring, staging and prognostication is being investigated for a few years. This study evaluated the radiotracers 11C-Methionine (paraprotein-biosynthesis) and 18F-FDG (glucose-utilization) for diagnosis, therapy monitoring, staging and outcome prediction of MM. Influence of proteasome-inhibitor MLN9708 (Ixazomib) on radiotracer-uptake of different MM cell-lines was analyzed and related to tumor-biology. Both untreated and treated MM cells significantly took up more 11C-Methionine than 18F-FDG. Discrimination of treated and untreated cells was only possible with 11C-Methionine. Correlations between tracer uptake and tumor biology were variable for both tracers. These results suggest that 11C-Methionine is superior to 18F-FDG in diagnosis and therapy monitoring of MM. The suitability of 11C-Methionine for staging and prognostication has to be evaluated in further studies.

Zugl.: Würzburg, University, Diss., 2005.

Regensburg, Univ., Diss., 2010.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2006--Giessen.

Verwendung multimodaler Netzhautbilder (einschließlich quantitativer Fundusautofluoreszenz (QAF)) für die spektrale optische Kohärenztomographie (SD-OCT)-basierte Bildregistrierung und Ausrichtung. Für jede Altersdekade gesunder Erwachsener wurden normative QAF-Netzhautkarten erstellt und erweiterte Methoden zur QAF-Bildanalyse angewendet. / To use multimodal retinal images (including quantitative fundus autofluorescence (QAF)) for spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT)-based image registration and alignment. For each age decade of healthy adults, normative QAF retinal maps were generated and advanced methods for QAF image analysis were applied.

Die präklinische Forschung stellt den ersten wichtigen Meilenstein in der Klärung und Untersuchung klinisch-relevanter Erkrankungen dar. Darüber hinaus unterstützt die präklinische Forschung erheblich die Entwicklung von Therapien. Die Kleintier-Positronenemissionstomographie (µ-PET) spielt dabei eine wichtige Rolle, da sie in der Lage ist, funktionelle, physiologische und biochemische Prozesse in vivo darzustellen und zu quantifizieren. Trotz diverser etablierter PET-Datenauswertungs-Programme bleibt die Analyse von in vivo akquirierten Bilddaten aufgrund der Vielzahl an medizinischen Fragestellungen, der Komplexität der Krankheitsbilder, sowie der Etablierung neuer Radiotracer weiterhin eine große Herausforderung in der Medizin. Ziel dieser Doktorarbeit ist es daher, ein geeignetes, brauchbares Auswertungstool für eine einfache und effiziente Analyse von akquirierten µ-PET-Daten zu entwickeln und zu etablieren, welches das Spektrum bereits vorhandener Programme erweitert. Das entwickelte nuklearmedizinische Datenverarbeitungs-Analyseprogramm (engl. nuclear medicine data processing analysis tool, NU_DPA) wurde in Matlab implementiert und anhand dreier präklinischer Versuchs- bzw. Testreihen erprobt und etabliert. Bei den Datenreihen handelt es sich um µ-PET-Datensätze verschiedener Schlaganfall-Rattenhirnmodelle unter Verwendung folgender Radiotracer. Zum einen die im Gehirn homogen akkumulierende 2-[18F]Fluor-2-desoxy-glukose ([18F]FDG) zum anderen das spezifisch an P-Selektin anreichernde [68Ga]Fucoidan. Das NU_DPA umfasst die automatische Selektion des Zielvolumens (volume-of-interest, VOI) aus dem vollständigen PET-Bild und die anschließende Ausrichtung des VOI mit Hilfe eines PET-Templates (gemittelter PET-Datensatz). Dieses PET Template wird aus den eigenen akquirierten PET-Daten erstellt. Durch das Einbinden eines geeigneten anatomischen MRT-Atlas‘ (anpassbar) können die ausgerichteten PET-Daten einzelnen, Atlas-spezifischen Teilregionen zugeordnet werden. Eine solche Subklassifikation des VOI erlaubt eine genauere Betrachtung und Auswertung der Radiotracer-Akkumulation. Des Weiteren bietet NU_DPA die Möglichkeit einer semiquantitativen Auswertung der PET-Bilddaten anhand von drei unterschiedlichen Parametern, der normalisierten Aktivität, dem Standardized Uptake Value und der Uptake Ratio. Durch die Matlab-integrierten Statistik-Algorithmen ist zusätzlich eine Möglichkeit der statistischen Auswertung der zuvor berechneten Parameter gegeben. Das NU_DPA-Programm stellt somit ein semi-automatisiertes Datenauswertungs-Programm dar, das sowohl die Registrierung als auch die semiquantitative Auswertung von PET-Bilddaten innerhalb einer Versuchsreihe ermöglicht und bereits erfolgreich für die Radiotracer [18F]FDG und [68Ga]Fucoidan in Tiermodellen getestet wurde. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist kein Datenauswertungs-Programm bekannt, das PET-Bilddaten unter Verwendung des hinzugefügten Atlas‘ semi-automatisiert analysieren kann und potenziell für homogene und Target-spezifisch akkumulierende Radiotracer geeignet ist. / Preclinical research represents the first important milestone in the clarification and investigation of clinically relevant diseases. In addition, preclinical research significantly supports the development of therapies. Small animal positron emission tomography (µ-PET) plays an important role in this context, as it is able to image and quantify functional, physiological and biochemical processes in vivo. Despite various established µ-PET data analysis programs, the analysis of in vivo acquired image data remains a major challenge in medicine due to the multitude of medical questions, the complexity of disease patterns, and the establishment of new radiotracers. Therefore, the aim of this PhD thesis is to develop and establish a suitable, usable evaluation tool for a simple and efficient analysis of acquired µ-PET data, which extends the spectrum of already existing programs. The developed nuclear medicine data processing analysis tool (NU_DPA) was implemented in Matlab and tested and established on the basis of three preclinical experimental or test series. The data series are µ-PET datasets of different stroke rat brain models using the following radiotracers: 2-[18F]fluoro-2-deoxy-glucose ([18F]FDG), which accumulates homogeneously in the brain and [68Ga]fucoidan, which specifically accumulates at p-selectin. The NU_DPA involves automatic segmentation of a volume-of-interest (VOI) from the full PET image and the subsequent alignment of the VOI using a PET template (averaged PET dataset). This PET template is created from the own acquired PET data. By embedding a suitable anatomical MR atlas (customizable), the aligned PET data can be assigned to individual atlas-specific sub-regions. Such a sub-classification of the VOI allows a more detailed analysis and evaluation of the radiotracer accumulation. Furthermore, NU_DPA offers the possibility of a semi-quantitative evaluation of the PET image data based on three different parameters, the normalized activity, the standardized uptake value and the uptake ratio. The Matlab-integrated statistical algorithms provide an additional option for statistical evaluation of the previously calculated semi-quantitative parameters. The NU_DPA program thus represents a semi-automatic data evaluation program that enables both the registration and the semi-quantitative evaluation of PET image data within a series of experiments and it has already been successfully tested for the radiotracers [18F]FDG and [68Ga]fucoidan in animal models. To the best of our current knowledge, there is no known data analysis program that can semi-automatically analyze PET image data using the added atlas and is potentially suitable for homogeneous and target-specific accumulating radiotracers.

Molecular imaging of rats is of great importance for basic and translational research. As a powerful tool in nuclear medicine, SPECT can be used to visualize specific functional processes in the body, such as myocardial perfusion or bone metabolism. Typical applications in laboratory animals are imaging diagnostics or the development of new tracers for clinical use. Innovations have enabled resolutions of up to a quarter of a millimeter with acceptable sensitivity. These advances have recently led to significantly more interest in SPECT both clinically and preclinically. The objective of this thesis was to evaluate the performance of the new U-SPECT5/CT E-Class by MILabs with a dedicated ultra-high resolution multi-pinhole collimator for rats and its potential for in vivo imaging of rats. The unique features of the U-SPECT are the large stationary detectors and the new iterative reconstruction algorithm. In addition, compared to the conventional system, the "E-Class" uses only two detectors instead of three. First, the sensitivity, maximum resolution, and uniformity were determined as performance parameters. Thereafter, CNRs for different activity levels comparable to those of typical in vivo activities were examined. Finally, two example protocols were carried out for imaging with 99mTc-MIBI and 99mTc-HMDP in healthy rats to evaluate the in vivo capabilities. For this purpose, CNR calculations and an image quality assessment were performed. The focus was on image quality as a function of scan time and post-reconstruction filter across a wide range of realistically achievable in vivo conditions. Performance was reasonable compared to other systems in the literature, with a sensitivity of 567 cps/MBq, a maximum resolution of 1.20 mm, and a uniformity of 55.5%. At the lower activities, resolution in phantom studies decreased to ≥1.80 mm while maintaining good image quality. High-quality bone and myocardial perfusion SPECTs were obtained in rats with a resolution of ≥1.80 mm and ≥2.20 mm, respectively. Although limited sensitivity remains a weakness of SPECT, the U-SPECT5/CT E-Class with the UHR-RM collimator can achieve in vivo results of the highest standard despite the missing third detector. Currently, it is one of the best options for high-resolution radionuclide imaging in rats. / Die molekulare Bildgebung bei Ratten hat einen hohen Stellenwert in der Grundlagenforschung und der translationale Forschung. Dabei ist SPECT ein leistungsfähiges Instrument zur Visualisierung spezifischer funktioneller Prozesse im Körper, wie z. B. der Herzmuskeldurchblutung oder des Knochenstoffwechsels. Typische Anwendungsbereiche an Labortieren sind die bildgebende Diagnostik im Rahmen von Studien oder die Entwicklung neuer Tracer für den klinischen Einsatz. Durch Innovationen wurden Auflösungen von bis zu einem Viertelmillimeter bei akzeptabler Empfindlichkeit erreichbar. Diese Fortschritte haben in letzter Zeit zu einem deutlich gestiegenen Interesse an SPECT sowohl im klinischen als auch im präklinischen Bereich geführt. Ziel dieser Arbeit war es, die Leistung des neuen U-SPECT5/CT E-Class von MILabs mit einem speziellen ultra-hochauflösenden Multi-Pinhole-Kollimator für Ratten und das Potenzial für die In-vivo-Bildgebung bei Ratten zu untersuchen. Dabei sind die Besonderheiten des U-SPECTs die großen stationären Detektoren und der neue iterative Rekonstruktionsalgorithmus. Außerdem verfügt die von uns verwendete „E-Klasse“ im Vergleich zum konventionellen System nur über zwei statt drei Detektoren. Zunächst wurden die Sensitivität, die maximale Ortsauflösung und die Homogenität als Leistungsparameter bestimmt. Anschließend wurde das Kontrast-Rausch-Verhältnis für verschiedene Aktivitätsniveaus, die mit denen typischer In-vivo-Studien vergleichbar sind, untersucht. Schließlich wurden zwei Beispielprotokolle für die Bildgebung mit 99mTc-MIBI und 99mTc-HMDP bei gesunden Ratten durchgeführt, um die In-vivo-Kapazitäten zu erfassen. Zur Bewertung wurden eine Kontrast-Rausch-Analyse und eine Bildqualitätsumfrage genutzt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Bildqualität in Abhängigkeit von der Scanzeit sowie dem Postrekonstruktionsfilters für ein breites Spektrum realistisch erreichbarer In-vivo-Bedingungen. Die Leistung war mit einer Sensitivität von 567 cps/MBq, einer maximalen Ortsauflösung von 1,20 mm und einer Homogenität von 55,5% mit anderen in der Literatur beschriebenen Systemen vergleichbar. Bei niedrigeren Aktivitäten verringerte sich die Auflösung in Phantomstudien auf ≥1,80 mm bei gleichbleibend guter Bildqualität. Es wurden hochqualitative Knochen- und Myokardperfusions-SPECTs mit einer Auflösung von ≥1,80 mm bzw. ≥2,20 mm bei Ratten erzielt. Obwohl die begrenzte Empfindlichkeit nach wie vor eine Schwäche der SPECT ist, kann das U-SPECT5/CT E-Class mit dem UHR-RM-Kollimator, trotz des fehlenden dritten Detektors, In-vivo-Ergebnisse auf höchstem Niveau erzielen. Es ist derzeit eine der besten Optionen für die hochauflösende Radionuklid-Bildgebung bei Ratten.