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.

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’évaluation de la fonction pulmonaire est important pour la réduction des complications radio-induites des traitements de radiothérapie. En effet, plus de 30% des patients souffriront de pneumonie des suites de leur traitement [1]. L’implantation de la fonction pulmonaire dans la planification de traitement pourrait limiter les complications médicales. La ventilation pulmonaire, l’une des deux métriques permettant de caractériser la fonction pulmonaire, est habituellement obtenue à partir de mesures SPECT. Cependant, cette méthode demande d’effectuer des acquisitions de mesure supplémentaires sur les patients. L’objectif de ce projet est de valider l’utilisation de CT 4D afin d’extraire la ventilation pulmonaire. La preuve de concept a été effectuée sur une cohorte de 25 patients atteints de cancer du poumon. Grâce à des recalages déformables effectués à l’aide du logiciel ANTs, la ventilation a été extraite. Les valeurs obtenues ont été comparées à celles déterminées à partir des données de SPECT, analysées par un logiciel clinique nommé Hermès. Une corrélation modérée a été observée, avec un coefficient de Pearson de r =0:59 avec p<0:05. Les valeurs de ventilation obtenues par CT 4D ont été validées par les coefficients de Dice (DC > 0:9), la distance de Hausdorff (HD < 2 mm), le positionnement de marqueurs anatomiques et les valeurs de jacobien des transformations. Des incertitudes provenant de l’acquisition de données et l’initialisation des paramètres des recalages déformables peuvent expliquer ces résultats. / The assessment of pulmonary functionality is of prime importance to avoid radioinduced complications after radiotherapy treatments of lung cancer. Indeed, more than 30% of patients will suffer from a radiation-induced pneumonia following the treatment [1]. Implementing functionality in treatment planning could limit the medical complications. The current community standard for measuring the ventilation - one of the two metrics concerning pulmonary functionality - is SPECT imaging. However, this method requires to perform additional image acquisitions on patients. The objective of this work is to validate an image analysis method that provides deformable image registration allowing us to estimate lung ventilation for each voxel with four-dimensional computed tomography imaging (4DCT). The proof of concept is performed on a cohort of 25 patients with lung cancer. Each patient is required to a 4DCT scan before their radiotherapy treatment. Those scans were processed retroactively with Advanced Normalized Tools (ANTs) registration to evaluate the lungs deformation between the respiratory maxima. A vector field representing the deformation is produced for all voxels. Local behavior is estimated by the Jacobian of those vector fields. The deformation allows us to estimate the lung capacity to contain air, which can be linked to the ventilation. We showed that the values obtained with the 4DCT method are moderately correlated with those obtained by SPECT (r = 0:59; p < 0:05).Those results were validated using Dice coefficients (DC > 0:9), Hausdorff distance (HD < 2 mm) and targets registration error. The results of the lung ventilation obtained by 4DCT and with SPECT scans are moderately correlated. The uncertainties pertaining to data acquisition and deformable registration initialization might explain those differences.