Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Universiẗat, Diss., 2000--Tübingen.

Cette thèse se cadre dans le développement de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique. Étant donné la complexité des distributions de dose de radiation qu’impliquent les techniques modernes de traitement en radiothérapie externe, il est nécessaire d’avoir des outils cliniques offrant une mesure complète d’une distribution tridimensionnelle (3D) de dose administrée par un accélérateur linéaire médical. Des solutions prometteuses, ayant une capacité de mesure intéressante autant spatialement que temporellement, résident dans la dosimétrie à scintillation volumétrique. Dans le but de faciliter le développement de prototypes expérimentaux, cette thèse met de l’avant un processus de conception généralisé qui exploite les fonctionnalités de tracé réel de rayons d’un logiciel de conception optique. L’approche proposée permet une modélisation optique complète de systèmes tomographiques employant multiples caméras — de type standard ou plénoptique — pour imager la lumière fluorescente émise d’un volume scintillant sous l’effet de la radiation. La thèse fournit le bagage à la fois contextuel et théorique de la physique médicale et de l’ingénierie optique nécessaire à la compréhension et l’appréciation des travaux présentés, tout en cadrant la motivation de ceux-ci dans une réalité clinique, soit celle de la radiothérapie externe. Les contributions principales de la thèse se divisent en trois portions. D’abord, des travaux de simulation valident le processus généralisé de modélisation optique de systèmes à imageurs multiples et le calcul de leur modèle tomographique au moyen d’un logiciel de conception optique. Ensuite, à partir du processus de simulation de prototypes virtuels, une étude de faisabilité démontre la mise en application d’un prototype expérimental employant de multiples caméras plénoptiques pour des mesures volumétriques en dosimétrie à scintillation. Enfin, une analyse comparative entre l’emploi des caméras standards versus plénoptiques dans le contexte de tomographie à émission est présentée, puis des pistes à explorer sont discutées afin de mieux élucider la question de leur apport tomographique respectif. En somme, le processus de conception généralisé mis de l’avant dans cette thèse découple et simplifie les étapes de développement expérimental, offrant une flexibilité accrue de design de futurs outils cliniques pour la dosimétrie 3D. Ce travail ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique. / This thesis simplifies and generalizes the developmental workflow of volumetric scintillation dosimetry systems. Due to the high complexity of radiation dose distributions delivered to patients by means of modern radiotherapy treatment techniques, it is essential to have clinical tools capable of measuring the full three-dimensional (3D) dose distributions delivered by medical linear accelerators. Imaging-based volumetric scintillation dosimetry offers promising solutions with potential for both high spatial and temporal resolution. To ease the development of experimental prototypes, this thesis puts forth a generalized design workflow based on the real ray tracing capabilities of optical design software. The proposed method allows for a complete and precise optical modeling of tomographic systems composed of multiple cameras, either standard or plenoptic, used to image the fluorescent light emission induced by radiation in translucent scintillator volumes. This thesis provides the reader with both the contextual and theoretical background in medical physics and optical engineering to understand fully and to appreciate the work carried out in the context of external beam radiation therapy. The main contributions of the thesis are three-fold. First, a simulative study serves to validate the generalized workflow for optical and tomographic modeling of multiple imager-based scintillation dosimetry systems using optical design software. Subsequently, a feasibility study demonstrates the simulation-to-experimental implementation of a tomographic-based prototype using multiple plenoptic camera images of a plastic scintillator volume for volumetric dose measurements. Finally, a comparative analysis between the use of sandard versus plenoptic cameras in the context of emission computed tomography is carried out, leading to the discussion of potential future work needed to better define and quantify the tomographic contribution of each respective type of imaging system. Concretely, the generalized design workflow based on the innovative use of optical design software elaborated within the pages of this thesis both simplifies and decouples the phases of prototype development, offering increased flexibility in designing future clinical tools for 3D dosimetry. This work thus paves the way for developing next-generation measurement systems in volumetric scintillation dosimetry and other tomography-based imaging applications.

Bei einer Vielzahl von natürlichen und technischen Strömungsvorgängen besteht das strömende Medium aus mehreren Phasen. Bei der Förderung derartiger Medien mit Kreiselpumpen führen bislang nicht genügend bekannte Vorgänge bei bestimmten Betriebsbedingungen zu einer starken Verringerung der Förderleistung und einem Anstieg des Leistungsbedarfs. Bei der Förderung von gasbeladenen Flüssigkeiten kann ein zu hoher Gasanteil zum vollständigen Zusammenbruch der Förderung führen. Zusätzlich führt die erosive Wirkung von Kavitation zu einer starken Minderung der Lebensdauer der Pumpe. Diese Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren, das es erstmals gestattet, die Methode der Gamma-Tomographie zur Bestimmung der örtlichen Phasenverteilung innerhalb von rotierenden Pumpenläufern und ähnlichen Bauteilen anzuwenden. Dabei wird eine Zeitauflösung von ca. 100 µs erreicht, mit der die Gasverteilung wesentlich genauer als bisher erfaßt werden kann. Mit dem Tomographen wurden die Vorgänge innerhalb des Läufers einer Axialpumpe bei Förderung eines Luft-Wasser-Gemischs visualisiert. Es wird gezeigt, wie sich die Änderung äußerer Strömungsparameter und die Variation des Arbeitspunktes auf die räumliche Phasenverteilung innerhalb des Läufers auswirkt.

Thèse d'exercice : Médecine. Chirurgie vasculaire : Paris 12 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 117-122.

Bei einer Vielzahl von natürlichen und technischen Strömungsvorgängen besteht das strömende Medium aus mehreren Phasen. Bei der Förderung derartiger Medien mit Kreiselpumpen führen bislang nicht genügend bekannte Vorgänge bei bestimmten Betriebsbedingungen zu einer starken Verringerung der Förderleistung und einem Anstieg des Leistungsbedarfs. Bei der Förderung von gasbeladenen Flüssigkeiten kann ein zu hoher Gasanteil zum vollständigen Zusammenbruch der Förderung führen. Zusätzlich führt die erosive Wirkung von Kavitation zu einer starken Minderung der Lebensdauer der Pumpe. Diese Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren, das es erstmals gestattet, die Methode der Gamma-Tomographie zur Bestimmung der örtlichen Phasenverteilung innerhalb von rotierenden Pumpenläufern und ähnlichen Bauteilen anzuwenden. Dabei wird eine Zeitauflösung von ca. 100 µs erreicht, mit der die Gasverteilung wesentlich genauer als bisher erfaßt werden kann. Mit dem Tomographen wurden die Vorgänge innerhalb des Läufers einer Axialpumpe bei Förderung eines Luft-Wasser-Gemischs visualisiert. Es wird gezeigt, wie sich die Änderung äußerer Strömungsparameter und die Variation des Arbeitspunktes auf die räumliche Phasenverteilung innerhalb des Läufers auswirkt.

L'usage de méthodes d'imagerie telles que la tomographie par émission de positons (TEP) à des fins de diagnostic repose sur l'hypothèse que des indicateurs fiables de la présence ou non d'une pathologie peuvent être dérivés des caractéristiques des images produites. Une entrave possible à la découvrabilité et à l'exactitude de ces indicateurs est la présence d'une source de signal sans lien direct avec la pathologie étudiée et contribuant à une proportion excessive du signal total mesuré à proximité des régions contenant l'information critique au diagnostic. Cette étude aborde le problème récurrent de l'accumulation du radiotraceur dans l'urine sur des images TEP utilisées pour le diagnostic du cancer de la prostate. Cette accumulation entraîne la présence d'une source de signal large et intense dans la vessie à proximité de la prostate, ce qui peut y rendre plus difficile la détection de lésions cancéreuses et biaiser l'analyse quantitative de ces lésions en raison du débordement du signal. Deux aspects de la solution sont étudiés, soit la segmentation et la soustraction du signal urinaire. Les images utilisées proviennent de six patients mâles ayant reçu un examen TEP/TDM de la cavité abdomino-pelvienne avec le radiotraceur $^\textup{18}\mathit{F}$-fluorocholine et une reconstruction TEP dynamique. Le signal provenant de la vessie est segmenté par un seuillage suivi d'un post-traitement morphologique. Une quantité nommée taux d'accumulation du signal (TAS) est proposée en remplacement du SUV comme quantité seuillée afin d'exploiter l'information provenant d'une reconstruction dynamique. Pour divers seuils sur le SUV et le TAS, les résultats sont comparés à des segmentation manuelles de la vessie et de la prostate avec un indice de Dice. L'usage du TAS dans la méthode d'Otsu offre une augmentation de 434% de l'indice moyen de la vessie (*p* = 0,01). De plus, dans la recherche d'un seuil populationnel maximisant l'indice de la vessie sur tous les patients à la fois tout en maintenant une limite fixe sur l'indice de la prostate, l'usage du TAS augmente l'indice moyen de la vessie de 23,6% (*p* = 0,04). Le signal urinaire segmenté est soustrait en effectuant une projection tomographique 3D des images suivie d'une reconstruction avec l'algorithme OSEM au cours de laquelle un biais correspondant à la projection du signal urinaire isolé est introduit dans le modèle de projection. Les images obtenues démontrent une réduction de près de 100% du signal urinaire. L'impact de la soustraction sur le signal mesuré dans la prostate est généralement minime, mais pour certains patients, une diminution du SUV maximal allant jusqu'à 3,7% est mesurée. / The use of imaging methods such as Positron Emission Tomography (PET) for diagnostic purposes is based on the assumption that reliable indicators of the presence or absence of pathology can be derived from the characteristics of the images produced. A possible obstacle to the discoverability and accuracy of these indicators is the presence of a signal source not directly linked to the pathology under study and contributing to an excessive proportion of the total signal measured near the regions containing information critical to the diagnosis. This study addresses the recurrent problem of the accumulation of radiotracer in urine on PET images used for the diagnosis of prostate cancer. This accumulation results in the presence of a large and intense signal source in the bladder in the vicinity of the prostate, which can make the detection of cancerous lesions more difficult and bias the quantitative analysis of these lesions due to spill-in counts. Two aspects of the solution are studied, namely the segmentation and subtraction of the urinary signal. The images used come from six male patients who received a PET/CT examination of the abdominopelvic cavity using the $^\textup{18}\mathit{F}$-fluorocholine radiotracer and a dynamic PET reconstruction. The signal from the bladder is segmented by a thresholding step followed by a morphological post-processing. A quantity named Signal Accumulation Rate (SAR) is proposed to replace the SUV as a thresholded quantity in order to exploit the information coming from a dynamic reconstruction. For various thresholds on the SUV and TAS, the results are compared to manual segmentations of the bladder and prostate using a Dice index. The use of the TAS in the Otsu method provides a 434% increase in the bladder index (*p* = 0.01). Additionally, in the search for a population threshold maximizing the bladder index on all patients at once while maintaining a fixed limit on the prostate index, the use of the TAS increases the bladder index by 23.6% (*p* = 0.04). The segmented urinary signal is subtracted by performing a 3D tomographic projection of the images followed by a reconstruction using the OSEM algorithm during which a bias cor- responding to the projection of the isolated urinary signal is introduced into the projection model. The images obtained demonstrate a reduction of almost 100% of the urinary signal. The impact of subtraction on the signal measured in the prostate is generally minimal, but for some patients, a decrease in maximum SUV of up to 3.7% is measured.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen genaueren Aufschluss über die Erfassung der mikrovaskulären Integrität von Myokardinfarkten nach erfolgreicher koronarer Revaskularisierung mittels kardialer MR-Bildgebungstechniken zu geben. Dazu wurde zuerst das Auftreten des „no-reflow“ in der FPP und im LE sowie zu verschiedenen Zeitintervallen untersucht. Die Untersuchungen hierzu ergaben ein häufigeres Auftreten des „no-reflow“ in den FPP-Untersuchungen und eine Abnahme des beobachtbaren „no-reflow“, je später die Untersuchung nach Kontrastmittelgabe erfolgte. Zusätzlich zeigte sich, dass das Auftreten eines „no-reflow“ in der LE-Untersuchung immer mit einem Auftreten in der FPP einherging. Weiterhin wurden die Auswirkungen des Infarktausmaßes auf das „no-reflow“ überprüft. Bei den Untersuchungen wurde zwischen Infarktvolumen und transmuraler Infarktgröße unterschieden. Dabei zeigte sich, dass das Auftreten eines „no-reflow“ in der FPP- und LE-Untersuchung besser mit dem relativen Infarktvolumen als mit dem transmuralen Infarktausmaß korrelierte. Infarkte mit einem relativen Volumen kleiner neun Prozent ließen kein „no-reflow“ im LE beobachten, wobei bei einem Infarktvolumen > 15 % ein „no-reflow“ sowohl in der FPP- als auch in der LE-Untersuchung beobachtbar war. Die Untersuchungen zum transmuralen Infarktausmaß zeigten, dass ein „no-reflow“ auch bei nicht transmuralen Infarkten auftrat. Daneben konnte beobachtet werden, dass auch transmurale Infarkte ohne „no-reflow“ auftreten. Des Weiteren wurden die Auswirkungen eines beobachtbaren „no-reflow“ auf die EF überprüft. Die EF wurde hierzu 14 Tage und drei Monate nach Myokardinfarkt bestimmt und mit dem „no-reflow“ in der FPP und im LE der Erstuntersuchung verglichen. Hierbei zeigten zum ersten Untersuchungszeitpunkt in der FPP-Untersuchung mehr als 50 % der Infarkte sowohl bei einer EF < 55 % als auch bei einer EF > 55 % ein „no-reflow“. Dagegen war in der LE-Untersuchung bei einer EF < 55 % kein Unterschied bezüglich der Beobachtung eines „no-reflow“ feststellbar, während bei einer EF > 55 % über 70 % der Infarkte kein „no-reflow“ aufwiesen. In der „Untersuchung nach drei Monaten“ zeigten in der FPP-Untersuchung bei einer EF < 55 % knapp 75 % der Infarkte ein „no-reflow“, während es bei einer EF > 55 % ungefähr 25 % waren. In der LE-Untersuchung war, ähnlich dem ersten Untersuchungszeitpunkt, bei einer EF < 55 % kein wesentlicher Unterschied festzustellen, wohingegen bei einer EF > 55 % über 75 % der Infarkte kein beobachtbares „no-reflow“ im LE zeigten. Für die FPP- und LE-Untersuchung ergab sich bei beiden Untersuchungszeitpunkten kein statistischer signifikanter Unterschied bezüglich der EF der Patienten, die „no-reflow“ zeigten, zu den Patienten, die kein „no-reflow“ zeigten. Ohne Zweifel ist die kardiale MRT aufgrund des nichtinvasiven dreidimensionalen Charakters und des guten Gewebekontrastes ohne Einsatz von Röntgenstrahlung ein viel versprechendes bildgebendes Verfahren der Zukunft. Der Vorteil der Anwendung dieses Verfahrens bei Patienten mit Myokardinfarkt ist die präzise Bewertung des transmuralen Ausmaßes der myokardialen Nekrose sowie des „no-reflow“ und die gleichzeitige Erfassung der Herzfunktionsparameter. Der Stand der Erfassung und Bewertung des „no-reflow“ in MRT-Bildern reicht jedoch zurzeit noch nicht für den Einsatz in der klinischen Routinediagnostik aus. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse sollen einen Beitrag für diese Weiterentwicklung leisten. Für einen späteren Standard zur Erfassung der mikrovaskulären Integrität beim Akuten Koronarsyndrom sind jedoch weitere Studien nötig. Hierbei wären genauere Untersuchungen zum Schweregrad des „no-reflow“ sowie zum Auftreten zu verschiedenen Zeitpunkten sinnvoll. Außerdem sollten exaktere Aussagen über die Korrelation des Auftretens des „no-reflow“ und den Herzfunktionsparametern erhoben werden. Es ist anzunehmen, dass sich durch eine Weiterentwicklung der kardialen MRT der Informationsgehalt in Zukunft stetig steigern wird und dadurch eine eindrucksvolle Ergänzung der kardiologischen Differentialdiagnostik sein. Dabei könnte eine multimodale Akquisition der kardialen Makro- und Mikrozirkulation, pathologischer Gewebeveränderungen und myokardialer Funktionsstörungen in einem Untersuchungsgang mit einem kurzen zeitlichen Aufwand erreicht werden. Durch Integration der MRT-Untersuchungen zum „no-reflow“ in den klinischen Alltag könnte somit eine Bestimmung des individuellen Risikos sowie ein risikoadaptiertes Behandlungskonzept erreicht werden. / The aim of this work was to provide a clear overview of the acquisition of microvascular integrity of myocardial infarction after successful coronary revascularization using cardiac MR imaging techniques. At first the occurrence of the "no-reflow" in the FPP and the LE and at different time intervals was investigated. The investigations showed a more frequent occurrence of "no-reflow" in the FPP studies and an increase of the observable "no-reflow" the later the investigation after application of contrast medium is done. Further could be showed that the occurrence of a "no-reflow" in LE always relates with an occurrence in FPP. Beyond the impact of the size of the infarction on the "no-reflow" was verified. The investigation distinguished between volume of infarction and extension of infarction. The results were that the occurrence of a "no-reflow" in FPP-and LE correlates better with the relative volume of infarction than with transmural extension of infarction. Infarcts with a relatively small volume of nine percent had no "no-reflow" in LE, while at a volume of infarction > 15% "no-reflow" in FPP as well in LE were observable. The investigations to transmural extension of infarction showed that "no-reflow" as well appears in non transmural infarction. Additional to that, transmural infarcts without "no-reflow" were also seen. Furthermore the effects of an observable "no-reflow" on the EF were investigated. For this purpose the EF was determinated 14 days and three months after myocardial infarction and was compared with the occurrence of "no-reflow" in FPP and LE of the initial investigation. At this juncture for the first time of investigation showed "no-reflow" in FPP more than 50% of infarcts both at EF <55% and at EF> 55%. On the other hand, in the investigation of LE was at EF <55% no difference in the observation of "no-reflow" detectable, while at EF> 55% over 70% of infarcts didn’t show "no-reflow”. The "investigation after three months" showed in FPP at EF <55% just under 75% of infarcts "no-reflow", while at EF> 55% about 25% showed “no-reflow”. In the investigation of LE was similar to the first time of the investigation: at EF <55% no significant difference was noted, while at EF> 55% over 75% of infarcts didn’t show "no-reflow" in LE. For the investigations of FPP-and LE resulted in both times of investigation no statistical significant difference in EF of patients, who showed "no-reflow" compared to patients who didn’t showed "no-reflow". There’s no doubt the Cardiac MRI is because of the three-dimensional non-invasive nature and good contrast of tissue without the use of X-rays a promising imaging technique of the future. The advantage in using this operation in patients with myocardial infarction is the accurate transmural assessment of extent of myocardial necrosis, as well as "no-reflow" and the simultaneous detection of parameters of cardiac function. The state of acquisition and evaluation of "no-reflow" in MRI images is actually not sufficient for use in clinical routine diagnostics. The presented results of this work should contribute to this development. However, to meet a standard for acquisition and assessment of microvascular integrity of myocardial infarction further studies are needed. For these purposes more accurate studies on the severity of "no-reflow" and the appearance at different times would be useful. Furthermore accurate statements about the correlation of the incidence of "no-reflow" and cardiac function parameters should be collected. It is to be accepted that by a further development of cardiac MRI, the information content in the future will steadily increase and thus an impressive complement of cardiac differential diagnosis will be possible. At this juncture a multi-modal acquisition of cardiac macro-and micro-circulation, pathological tissue changes and myocardial dysfunction in an investigation course with a short time effort could be achieved. By integrating the MRI examinations to the "no-reflow" in the clinical routine a provision of individual risk and a risk adapted treatment concept could be achieved.