As a modern tomographic technique, Positron-Emission-Tomography (PET) enables non-invasive imaging of metabolic processes in living organisms. It allows the visualization of malfunctions which are characteristic for neurological, cardiological, and oncological diseases. Chemical tracers labeled with radioactive positron emitting isotopes are injected into the patient and the decay of the isotopes is then observed with the detectors of the tomograph. This information is used to compute the spatial distribution of the labeled tracers. Since the spatial resolution of PET devices increases steadily, the whole sensitive process of tomograph imaging requires minimizing not only the disturbing effects, which are specific for the PET measurement method, such as random or scattered coincidences, but also external effects like body movement of the patient. Methods to correct the influences of such patient movement have been developed in previous studies at the PET center, Rossendorf. These methods are based on the spatial correction of each registered coincidence. However, the large amount of data and the complexity of the correction algorithms limited the application to selected studies. The aim of this thesis is to optimize the correction algorithms in a way that allows movement correction in routinely performed PET examinations. The object-oriented development in C++ with support of the platform independent Qt framework enables the employment of multiprocessor systems. In addition, a graphical user interface allows the use of the application by the medical assistant technicians of the PET center. Furthermore, the application provides methods to acquire and administrate movement information directly from the motion tracking system via network communication. Due to the parallelization the performance of the new implementation demonstrates a significant improvement. The parallel optimizations and the implementation of an intuitive usable graphical interface finally enables the PET center Rossendorf to use movement correction in routine patient investigations, thus providing patients an improved tomograph imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein modernes medizinisches Diagnoseverfahren, das nichtinvasive Einblicke in den Stoffwechsel lebender Organismen ermöglicht. Es erfasst Funktionsstörungen, die für neurologische, kardiologische und onkologische Erkrankungen charakteristisch sind. Hierzu werden dem Patienten radioaktive, positronen emittierende Tracer injiziert. Der radioaktive Zerfall der Isotope wird dabei von den umgebenden Detektoren gemessen und die Aktivitätsverteilung durch Rekonstruktionsverfahren bildlich darstellbar gemacht. Da sich die Auflösung solcher Tomographen stetig verbessert und somit sich der Einfluss von qualitätsmindernden Faktoren wie z.B. das Auftreten von zufälligen oder gestreuten Koinzidenzen erhöht, gewinnt die Korrektur dieser Einflüsse immer mehr an Bedeutung. Hierzu zählt unter anderem auch die Korrektur der Einflüsse eventueller Patientenbewegungen während der tomographischen Untersuchung. In vorangegangenen Studien wurde daher am PET Zentrum Rossendorf ein Verfahren entwickelt, um die nachträgliche listmode-basierte Korrektur dieser Bewegungen durch computergestützte Verfahren zu ermöglichen. Bisher schränkte der hohe Rechenaufwand den Einsatz dieser Methoden jedoch ein. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Aufgabe, durch geeignete Parallelisierung der Korrekturalgorithmen eine Optimierung dieses Verfahrens in dem Maße zu ermöglichen, der einen routinemässigen Einsatz während PET Untersuchungen erlaubt. Hierbei lässt die durchgeführte objektorientierte Softwareentwicklung in C++ , unter Zuhilfenahme des plattformübergreifenden Qt Frameworks, eine Nutzung von Mehrprozessorsystemen zu. Zusätzlich ermöglicht eine graphische Oberfläche die Bedienung einer solchen Bewegungskorrektur durch die medizinisch technischen Assistenten des PET Zentrums. Um darüber hinaus die Administration und Datenakquisition der Bewegungsdaten zu ermöglichen, stellt die entwickelte Anwendung Funktionen bereit, die die direkte Kommunikation mit dem Bewegungstrackingsystem erlauben. Es zeigte sich, dass durch die Parallelisierung die Geschwindigkeit wesentlich gesteigert wurde. Die parallelen Optimierungen und die Implementation einer intuitiv nutzbaren graphischen Oberfläche erlaubt es dem PET Zentrum nunmehr Bewegungskorrekturen innerhalb von Routineuntersuchungen durchzuführen, um somit den Patienten ein verbessertes Bildgebungsverfahren bereitzustellen.

As a modern tomographic technique, Positron-Emission-Tomography (PET) enables non-invasive imaging of metabolic processes in living organisms. It allows the visualization of malfunctions which are characteristic for neurological, cardiological, and oncological diseases. Chemical tracers labeled with radioactive positron emitting isotopes are injected into the patient and the decay of the isotopes is then observed with the detectors of the tomograph. This information is used to compute the spatial distribution of the labeled tracers. Since the spatial resolution of PET devices increases steadily, the whole sensitive process of tomograph imaging requires minimizing not only the disturbing effects, which are specific for the PET measurement method, such as random or scattered coincidences, but also external effects like body movement of the patient. Methods to correct the influences of such patient movement have been developed in previous studies at the PET center, Rossendorf. These methods are based on the spatial correction of each registered coincidence. However, the large amount of data and the complexity of the correction algorithms limited the application to selected studies. The aim of this thesis is to optimize the correction algorithms in a way that allows movement correction in routinely performed PET examinations. The object-oriented development in C++ with support of the platform independent Qt framework enables the employment of multiprocessor systems. In addition, a graphical user interface allows the use of the application by the medical assistant technicians of the PET center. Furthermore, the application provides methods to acquire and administrate movement information directly from the motion tracking system via network communication. Due to the parallelization the performance of the new implementation demonstrates a significant improvement. The parallel optimizations and the implementation of an intuitive usable graphical interface finally enables the PET center Rossendorf to use movement correction in routine patient investigations, thus providing patients an improved tomograph imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein modernes medizinisches Diagnoseverfahren, das nichtinvasive Einblicke in den Stoffwechsel lebender Organismen ermöglicht. Es erfasst Funktionsstörungen, die für neurologische, kardiologische und onkologische Erkrankungen charakteristisch sind. Hierzu werden dem Patienten radioaktive, positronen emittierende Tracer injiziert. Der radioaktive Zerfall der Isotope wird dabei von den umgebenden Detektoren gemessen und die Aktivitätsverteilung durch Rekonstruktionsverfahren bildlich darstellbar gemacht. Da sich die Auflösung solcher Tomographen stetig verbessert und somit sich der Einfluss von qualitätsmindernden Faktoren wie z.B. das Auftreten von zufälligen oder gestreuten Koinzidenzen erhöht, gewinnt die Korrektur dieser Einflüsse immer mehr an Bedeutung. Hierzu zählt unter anderem auch die Korrektur der Einflüsse eventueller Patientenbewegungen während der tomographischen Untersuchung. In vorangegangenen Studien wurde daher am PET Zentrum Rossendorf ein Verfahren entwickelt, um die nachträgliche listmode-basierte Korrektur dieser Bewegungen durch computergestützte Verfahren zu ermöglichen. Bisher schränkte der hohe Rechenaufwand den Einsatz dieser Methoden jedoch ein. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Aufgabe, durch geeignete Parallelisierung der Korrekturalgorithmen eine Optimierung dieses Verfahrens in dem Maße zu ermöglichen, der einen routinemässigen Einsatz während PET Untersuchungen erlaubt. Hierbei lässt die durchgeführte objektorientierte Softwareentwicklung in C++ , unter Zuhilfenahme des plattformübergreifenden Qt Frameworks, eine Nutzung von Mehrprozessorsystemen zu. Zusätzlich ermöglicht eine graphische Oberfläche die Bedienung einer solchen Bewegungskorrektur durch die medizinisch technischen Assistenten des PET Zentrums. Um darüber hinaus die Administration und Datenakquisition der Bewegungsdaten zu ermöglichen, stellt die entwickelte Anwendung Funktionen bereit, die die direkte Kommunikation mit dem Bewegungstrackingsystem erlauben. Es zeigte sich, dass durch die Parallelisierung die Geschwindigkeit wesentlich gesteigert wurde. Die parallelen Optimierungen und die Implementation einer intuitiv nutzbaren graphischen Oberfläche erlaubt es dem PET Zentrum nunmehr Bewegungskorrekturen innerhalb von Routineuntersuchungen durchzuführen, um somit den Patienten ein verbessertes Bildgebungsverfahren bereitzustellen.

Positron emission tomography (PET) is a well-established functional imaging method used in nuclear medicine. It allows for retrieving information about biochemical and physiological processes in vivo. The currently possible spatial resolution of PET is about 5 mm for brain acquisitions and about 8 mm for whole-body acquisitions, while recent improvements in image reconstruction point to a resolution of 2 mm in the near future. Typical acquisition times range from minutes to hours due to the low signal-to-noise ratio of the measuring principle, as well as due to the monitoring of the metabolism of the patient over a certain time. Therefore, patient motion increasingly limits the possible spatial resolution of PET. In addition, patient immobilisations are only of limited benefit in this context. Thus, patient motion leads to a relevant resolution degradation and incorrect quantification of metabolic parameters. The present work describes the utilisation of a novel motion compensation method for clinical brain PET acquisitions. By using an external motion tracking system, information about the head motion of a patient is continuously acquired during a PET acquisition. Based on the motion information, a newly developed event-based motion compensation algorithm performs spatial transformations of all registered coincidence events, thus utilising the raw data of a PET system - the so-called `list-mode´ data. For routine acquisition of this raw data, methods have been developed which allow for the first time to acquire list-mode data from an ECAT Exact HR+ PET scanner within an acceptable time frame. Furthermore, methods for acquiring the patient motion in clinical routine and methods for an automatic analysis of the registered motion have been developed. For the clinical integration of the aforementioned motion compensation approach, the development of additional methods (e.g. graphical user interfaces) was also part of this work. After development, optimisation and integration of the event-based motion compensation in clinical use, analyses with example data sets have been performed. Noticeable changes could be demonstrated by analysis of the qualitative and quantitative effects after the motion compensation. From a qualitative point of view, image artefacts have been eliminated, while quantitatively, the results of a tracer kinetics analysis of a FDOPA acquisition showed relevant changes in the R0k3 rates of an irreversible reference tissue two compartment model. Thus, it could be shown that an integration of a motion compensation method which is based on the utilisation of the raw data of a PET scanner, as well as the use of an external motion tracking system, is not only reasonable and possible for clinical use, but also shows relevant qualitative and quantitative improvement in PET imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein in der Nuklearmedizin etabliertes funktionelles Schnittbildverfahren, das es erlaubt Informationen über biochemische und physiologische Prozesse in vivo zu erhalten. Die derzeit erreichbare räumliche Auflösung des Verfahrens beträgt etwa 5 mm für Hirnaufnahmen und etwa 8 mm für Ganzkörperaufnahmen, wobei erste verbesserte Bildrekonstruktionsverfahren eine Machbarkeit von 2 mm Auflösung in Zukunft möglich erscheinen lassen. Durch das geringe Signal/Rausch-Verhältnis des Messverfahrens, aber auch durch die Tatsache, dass der Stoffwechsel des Patienten über einen längeren Zeitraum betrachtet wird, betragen typische PET-Aufnahmezeiten mehrere Minuten bis Stunden. Dies hat zur Folge, dass Patientenbewegungen zunehmend die erreichbare räumliche Auflösung dieses Schnittbildverfahrens limitieren. Eine Immobilisierung des Patienten zur Reduzierung dieser Effekte ist hierbei nur bedingt hilfreich. Es kommt daher zu einer relevanten Auflösungsverschlechterung sowie zu einer Verfälschung der quantifizierten Stoffwechselparameter. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Nutzbarmachung eines neuartigen Bewegungskorrekturverfahrens für klinische PET-Hirnaufnahmen. Mittels eines externen Bewegungsverfolgungssystems wird während einer PET-Untersuchung kontinuierlich die Kopfbewegung des Patienten registriert. Anhand dieser Bewegungsdaten führt ein neu entwickelter event-basierter Bewegungskorrekturalgorithmus eine räumliche Korrektur aller registrierten Koinzidenzereignisse aus und nutzt somit die als "List-Mode" bekannten Rohdaten eines PET Systems. Für die Akquisition dieser Daten wurden eigens Methoden entwickelt, die es erstmals erlauben, diese Rohdaten von einem ECAT Exact HR+ PET Scanner innerhalb eines akzeptablen Zeitraumes zu erhalten. Des Weiteren wurden Methoden für die klinische Akquisition der Bewegungsdaten sowie für die automatische Auswertung dieser Daten entwickelt. Ebenfalls Teil der Arbeit waren die Entwicklung von Methoden zur Integration in die klinische Routine (z.B. graphische Nutzeroberflächen). Nach der Entwicklung, Optimierung und Integration der event-basierten Bewegungskorrektur für die klinische Nutzung wurden Analysen anhand von Beispieldatensätzen vorgenommen. Es zeigten sich bei der Auswertung sowohl der qualitativen als auch der quantitativen Effekte deutliche Änderungen. In qualitativer Hinsicht wurden Bildartefakte eliminiert; bei der quantitativen Auswertung einer FDOPA Messung zeigte sich eine revelante Änderung der R0k3 Einstromraten eines irreversiblen Zweikompartment-Modells mit Referenzgewebe. Es konnte somit gezeigt werden, dass eine Integration einer Bewegungskorrektur unter Zuhilfenahme der Rohdaten eines PET Systems sowie unter Nutzung eines externen Verfolgungssystems nicht nur sinnvoll und in der klinischen Routine machbar ist, sondern auch zu maßgeblichen qualitativen und quantitativen Verbesserungen in der PET-Bildgebung beitragen kann.

Positron emission tomography (PET) is a well-established functional imaging method used in nuclear medicine. It allows for retrieving information about biochemical and physiological processes in vivo. The currently possible spatial resolution of PET is about 5 mm for brain acquisitions and about 8 mm for whole-body acquisitions, while recent improvements in image reconstruction point to a resolution of 2 mm in the near future. Typical acquisition times range from minutes to hours due to the low signal-to-noise ratio of the measuring principle, as well as due to the monitoring of the metabolism of the patient over a certain time. Therefore, patient motion increasingly limits the possible spatial resolution of PET. In addition, patient immobilisations are only of limited benefit in this context. Thus, patient motion leads to a relevant resolution degradation and incorrect quantification of metabolic parameters. The present work describes the utilisation of a novel motion compensation method for clinical brain PET acquisitions. By using an external motion tracking system, information about the head motion of a patient is continuously acquired during a PET acquisition. Based on the motion information, a newly developed event-based motion compensation algorithm performs spatial transformations of all registered coincidence events, thus utilising the raw data of a PET system - the so-called `list-mode´ data. For routine acquisition of this raw data, methods have been developed which allow for the first time to acquire list-mode data from an ECAT Exact HR+ PET scanner within an acceptable time frame. Furthermore, methods for acquiring the patient motion in clinical routine and methods for an automatic analysis of the registered motion have been developed. For the clinical integration of the aforementioned motion compensation approach, the development of additional methods (e.g. graphical user interfaces) was also part of this work. After development, optimisation and integration of the event-based motion compensation in clinical use, analyses with example data sets have been performed. Noticeable changes could be demonstrated by analysis of the qualitative and quantitative effects after the motion compensation. From a qualitative point of view, image artefacts have been eliminated, while quantitatively, the results of a tracer kinetics analysis of a FDOPA acquisition showed relevant changes in the R0k3 rates of an irreversible reference tissue two compartment model. Thus, it could be shown that an integration of a motion compensation method which is based on the utilisation of the raw data of a PET scanner, as well as the use of an external motion tracking system, is not only reasonable and possible for clinical use, but also shows relevant qualitative and quantitative improvement in PET imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein in der Nuklearmedizin etabliertes funktionelles Schnittbildverfahren, das es erlaubt Informationen über biochemische und physiologische Prozesse in vivo zu erhalten. Die derzeit erreichbare räumliche Auflösung des Verfahrens beträgt etwa 5 mm für Hirnaufnahmen und etwa 8 mm für Ganzkörperaufnahmen, wobei erste verbesserte Bildrekonstruktionsverfahren eine Machbarkeit von 2 mm Auflösung in Zukunft möglich erscheinen lassen. Durch das geringe Signal/Rausch-Verhältnis des Messverfahrens, aber auch durch die Tatsache, dass der Stoffwechsel des Patienten über einen längeren Zeitraum betrachtet wird, betragen typische PET-Aufnahmezeiten mehrere Minuten bis Stunden. Dies hat zur Folge, dass Patientenbewegungen zunehmend die erreichbare räumliche Auflösung dieses Schnittbildverfahrens limitieren. Eine Immobilisierung des Patienten zur Reduzierung dieser Effekte ist hierbei nur bedingt hilfreich. Es kommt daher zu einer relevanten Auflösungsverschlechterung sowie zu einer Verfälschung der quantifizierten Stoffwechselparameter. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Nutzbarmachung eines neuartigen Bewegungskorrekturverfahrens für klinische PET-Hirnaufnahmen. Mittels eines externen Bewegungsverfolgungssystems wird während einer PET-Untersuchung kontinuierlich die Kopfbewegung des Patienten registriert. Anhand dieser Bewegungsdaten führt ein neu entwickelter event-basierter Bewegungskorrekturalgorithmus eine räumliche Korrektur aller registrierten Koinzidenzereignisse aus und nutzt somit die als "List-Mode" bekannten Rohdaten eines PET Systems. Für die Akquisition dieser Daten wurden eigens Methoden entwickelt, die es erstmals erlauben, diese Rohdaten von einem ECAT Exact HR+ PET Scanner innerhalb eines akzeptablen Zeitraumes zu erhalten. Des Weiteren wurden Methoden für die klinische Akquisition der Bewegungsdaten sowie für die automatische Auswertung dieser Daten entwickelt. Ebenfalls Teil der Arbeit waren die Entwicklung von Methoden zur Integration in die klinische Routine (z.B. graphische Nutzeroberflächen). Nach der Entwicklung, Optimierung und Integration der event-basierten Bewegungskorrektur für die klinische Nutzung wurden Analysen anhand von Beispieldatensätzen vorgenommen. Es zeigten sich bei der Auswertung sowohl der qualitativen als auch der quantitativen Effekte deutliche Änderungen. In qualitativer Hinsicht wurden Bildartefakte eliminiert; bei der quantitativen Auswertung einer FDOPA Messung zeigte sich eine revelante Änderung der R0k3 Einstromraten eines irreversiblen Zweikompartment-Modells mit Referenzgewebe. Es konnte somit gezeigt werden, dass eine Integration einer Bewegungskorrektur unter Zuhilfenahme der Rohdaten eines PET Systems sowie unter Nutzung eines externen Verfolgungssystems nicht nur sinnvoll und in der klinischen Routine machbar ist, sondern auch zu maßgeblichen qualitativen und quantitativen Verbesserungen in der PET-Bildgebung beitragen kann.