Die Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) ermöglicht als einzigartige Methode die dreidimensionale Visualisierung der makromolekularen Struktur von Eis-eingebetteten Zellen in ihrem nativen Zustand [Baumeister 2005; Leis et al. 2009]. Ziel dieser Arbeit war es einen universellen Einsatz der Kryo-ET bei eukaryotischen Zellen zu ermöglichen. Dazu wurden neue Ansätze entwickelt bzw. bestehende Methoden optimiert. Da bei der Anwendung der Tomographie die Probendicke mit jedem Kippwinkel zunimmt, gilt momentan die Probendicke (< 1 µm) als limitierender Faktor bei der Kryo-ET. Während prokaryotische Zellen nahezu routinemäßig mittels Kryo-ET untersucht werden können, ist dies bei eukaryotischen Zellen nur partiell in peripheren Arealen oder Ausläufern der Zelle möglich. Dies konnte anhand der Untersuchung von intakten, pluripotenten Stammzellen (P19 Zellen) bestätigt werden. Aufgrund ihrer neuronen-ähnlichen dendritischen Morphologie können diese dünnen Bereiche mit dem Elektronenstrahl durchdrungen werden. So konnte in der 3D-Rekonstruktion eines Zellausläufers ein Mitochondrium in seiner nativen Umgebung visualisiert werden. Zudem wurden mehrere ATP-Synthasen in der Cristaemembran identifiziert, die erstmalig die Existenz von ATP-Synthasedimeren in situ bestätigen. Für die Untersuchung von zellmittigen (dicken) Bereichen müssen jedoch andere Methoden angewendet werden. So ermöglicht die Kryo-Ultramikrotomie das Herstellen von Dünnschnitten (< 100 nm) Eis-eingebetteter Proben. Mit Hilfe dieser Methode wurden in dieser Arbeit Kryo-Schnitte von HL-1 Kardiomyozyten erstellt und tomographisch analysiert. Da die Probe sehr heterogen verteilt ist, ist die Suche nach der Zielstruktur im Elektronenmikroskop sehr zeitaufwendig. Gleichzeitig ist die strahlenempfindliche Probe während der Suche dem Elektronenstrahl ausgesetzt, was die Struktur beeinträchtigen kann. Um die ‚Effizienz’ der Kryo-ET an Kryo-Schnitten zu erhöhen, wurden zwei neue Verfahren implementiert: Einerseits die korrelative Kryo-Fluoreszenzmikroskopie, welche sich zur Suche und Identifikation von Mitochondrien innerhalb des Dünnschnittes unter Flüssigstickstoff (LN2)-Temperatur eignet und andererseits eine neue Methode, die das Aufbringen von Goldkolloiden auf Kryo-Schnitten zum späteren Alignieren der Kippserie ermöglicht. Letztere setzt eine Synthese von 10 nm großem, kolloidalem Gold in Toluol voraus. Nach Zugabe von Isopentan werden die auf dem EM-Trägernetzchen (Grid) angehefteten Kryo-Schnitte bei einer Temperatur von -150°C in diese Suspension getaucht. Des Weiteren wurden verschiedene Trägermaterialien zur Kultivierung von Kardiomyozyten getestet und Osmolalitätsmessungen von unterschiedlichen Kryo-Schutz¬lösungen, welche für das Hochdruck-Verfahren notwendig sind, durchgeführt. Auch hier konnten in den 3D-Rekonstruktionen von Kardiomyozyten die ATP-Synthasen eindeutig in Kryo-Schnitten identifiziert werden. Darüber hinaus gelang die 3D-Visualisierung von zwei Mitochondrien, die sich in der Teilungs- oder Fusionsphase befanden. In einem dieser Mitochondrien sind inorganische Ablagerungen sichtbar. Im Verlauf dieser Dissertation wurde zusätzlich die Methode des Cryo-Planings entwickelt; eine Variante der Kryo-Ultramikrotomie. Bei dieser Technik wird die vitrifizierte Probe direkt auf dem EM-Grid gedünnt. Dieses Verfahren ermöglicht es, Material vom vitrifizierten Eisfilm mittels eines Diamantmessers zu entfernen. Dafür wurde ein spezieller Halter für das Kryo-Ultramikrotom konzipiert und hergestellt. Der Halter erlaubt das Zentrieren und Klemmen eines EM-Grids. Um das Abtragen kleinerer Bereiche der Eisoberfläche zu ermöglichen, wurde ein 1 mm breites Diamantmesser angefertigt. Die Analyse der gedünnten Proben mittels Kryo-Scanning Electron Microscopy (SEM) zeigte eine gleichmäßig abgetragene Oberfläche. Schneideartefakte, wie sie bei der Kryo-Ultramikrotomie auftreten, wurden nicht beobachtet. Zudem sind die zellulären Proben im gedünnten Bereich des Eisfilms sehr leicht identifizierbar. Brüche, die möglicherweise durch den Probeneinbau im Eisfilm entstehen, konnten mittels Kryo-SEM bis dato nicht beobachtet werden. Die theoretischen Betrachtungen ergaben, dass unter Verwendung des Cryo-Planings als alleinige Methode elektronentransparente Bereiche (< 1 µm Dicke) hergestellt werden können. Bisher konnte jedoch keine elektronentomographische Untersuchung einer geplanten Probe erfolgen, da sie sich als zu dick erwies. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit dem Stereomikroskop nur eine sehr grobe Abschätzung der tatsächlichen Dicke des abgetragenen Bereichs möglich ist.

Computed tomography (CT) has become a standard in pulmonary imaging which allows the analysis of diseases like lung nodules, emphysema and embolism. The improved spatial and temporal resolution involves a dramatic increase in the amount of data that has to be stored and processed. This has motivated the development of computer aided diagnostics (CAD) systems that have released the physician from the tedious task of manually delineating the boundary of the structures of interest from such a large number of images, a pre-processing step known as image segmentation. Apart from being impractical, the manual segmentation is prone to high intra and inter observer subjectiveness. Automatic segmentation of the lungs with atelectasis poses a challenge because in CT images they have similar texture and gray level as the surrounding tissue. Consequently, the available graphical information is not sufficient to distinguish the boundary of the lung. The present work aims to close the existing gap left by the segmentation of atelectatic lungs in volume CT data. A-priori knowledge of anatomical information plays a key role in the achievement of this goal.

Subjects participating in magnetic resonance imaging (MRI) examinations regularly report anxiety and stress related reactions. This may result in impaired data quality and premature termination of scans. Moreover, cognitive functions and neural substrates can be altered by stress. While prior studies investigated pre–post scan differences in stress reactions only, the present study provides an in-depth analysis of mood changes and hormonal fluctuations during the time course of a typical fMRI session. Thirty-nine subjects participated in the study. Subjective mood, salivary alpha-amylase (sAA) and cortisol were assessed at six time points during the lab visit. Associations between hormonal data and neural correlates of a visual detection task were observed using a region of interest approach applied to the thalamic region. Mood and hormonal levels changed significantly during the experiment. Subjects were most nervous immediately after entering the scanner. SAA was significantly elevated after MRI preparation. A subgroup of n = 5 (12.8%) subjects showed pronounced cortisol responses exceeding 2.5 nmol/l. Preliminary fMRI data revealed an association between sAA levels and left thalamic activity during the first half of the experiment that disappeared during the second half. No significant correlation between cortisol and thalamic activity was observed. Results indicate that an fMRI experiment may elicit subjective and neuroendocrine stress reactions that can influence functional activation patterns.

Although functional magnetic resonance imaging (fMRI) has gained increasing importance in investigating neural substrates of anxiety disorders, less is known about the stress eliciting properties of the scanner environment itself. The aim of the study was to investigate feasibility, self-reported distress and anxiety management strategies during an fMRI experiment in a comprehensive sample of patients with panic disorder and agoraphobia (PD/AG). Within the national research network PANIC-NET, n = 89 patients and n = 90 controls participated in a multicenter fMRI study. Subjects completed a retrospective questionnaire on self-reported distress, including a habituation profile and exploratory questions about helpful strategies. Drop-out rates and fMRI quality parameters were employed as markers of study feasibility. Different anxiety measures were used to identify patients particularly vulnerable to increased scanner anxiety and impaired data quality. Three (3.5%) patients terminated the session prematurely. While drop-out rates were comparable for patients and controls, data quality was moderately impaired in patients. Distress was significantly elevated in patients compared to controls; claustrophobic anxiety was furthermore associated with pronounced distress and lower fMRI data quality in patients. Patients reported helpful strategies, including motivational factors and cognitive coping strategies. The feasibility of large-scale fMRI studies on PD/AG patients could be proved. Study designs should nevertheless acknowledge that the MRI setting may enhance stress reactions. Future studies are needed to investigate the relationship between self-reported distress and fMRI data in patient groups that are subject to neuroimaging research.

Accumulating evidence suggests that the magnetic resonance imaging (MRI) scanner can act as a stressor, eliciting subjective and neuroendocrine stress responses. Approaches to familiarize subjects with the scanner could help minimizing unintended effects on neural activation patterns of interest. Controlled studies on the effects of a scanner training are however missing. Using a comparative design, we analyzed within- and between session changes in subjective and neuroendocrine stress parameters in 63 healthy, scanner-naïve adults who participated in a two-day training protocol in an MRI, mock, or lab environment. A habituation task was used to assess within-session changes in subjective and neuroendocrine (cortisol) stress parameters; between-session changes were indicated by differences between days. MRI and mock, but not lab training were successful in reducing subjective distress towards the scanner. In contrast, cortisol reactivity towards the training environment generally increased during day 2, and the percentage of cortisol responders particularly rose in the mock and MRI groups. Within-session habituation of subjective arousal and anxiety was observed during both days and irrespective of training condition. Present findings demonstrate that training in a scanner environment successfully reduces subjective distress, but may also induce sensitization of endocrine stress levels during repeated scanning. Subjective distress can further be stabilized by acclimating subjects to the environment prior to the MRI assessment, including a short habituation phase into the assessment protocol. If replicated, present findings should be considered by researchers employing repeated measurement designs where subjects are exposed to a scanner more than once.

Ion beam therapy (IBT) is a promising treatment option in radiotherapy. The characteristic physical and biological properties of light ion beams allow for the delivery of highly tumour conformal dose distributions. Related to the sparing of surrounding healthy tissue and nearby organs at risk, it is feasible to escalate the dose in the tumour volume to reach higher tumour control and survival rates. Remarkable clinical outcome was achieved with IBT for radio-resistant, deep-seated, static and well fixated tumour entities. Presumably, more patients could benefit from the advantages of IBT if it would be available for more frequent tumour sites. Those located in the thorax and upper abdominal region are commonly subjected to intra-fractional, respiration related motion. Different motion compensated dose delivery techniques have been developed for active field shaping with scanned pencil beams and are at least available under experimental conditions at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Germany. High standards for quality assurance are required in IBT to ensure a safe and precise dose application. Both underdosage in the tumour and overdosage in the normal tissue might endanger the treatment success. Since minor unexpected anatomical changes e.g. related to patient mispositioning, tumour shrinkage or tissue swelling could already lead to remarkable deviations between planned and delivered dose distribution, a valuable dose monitoring system is desired for IBT. So far, positron emission tomography (PET) is the only in vivo, in situ and non-invasive qualitative dose monitoring method applied under clinical conditions. It makes use of the tissue autoactivation by nuclear fragmentation reactions occurring along the beam path. Among others, β+-emitting nuclides are generated and decay according to their half-life under the emission of a positron. The subsequent positron-electron annihilation creates two 511 keV photons which are emitted in opposite direction and can be detected as coincidence event by a dedicated PET scanner. The induced three-dimensional (3D) β+-activity distribution in the patient can be reconstructed from the measured coincidences. Conclusions about the delivered dose distribution can be drawn indirectly from a comparison between two β+-activity distributions: the measured one and an expected one generated by a Monte-Carlo simulation. This workflow has been proven to be valuable for the dose monitoring in IBT when it was applied for about 440 patients, mainly suffering from deep-seated head and neck tumours that have been treated with 12C ions at GSI. In the presence of intra-fractional target motion, the conventional 3D PET data processing will result in an inaccurate representation of the β+-activity distribution in the patient. Four-dimensional, time-resolved (4D) reconstruction algorithms adapted to the special geometry of in-beam PET scanners allow to compensate for the motion related blurring artefacts. Within this thesis, a 4D maximum likelihood expectation maximization (MLEM) reconstruction algorithm has been implemented for the double-head scanner Bastei installed at GSI. The proper functionality of the algorithm and its superior performance in terms of suppressing motion related blurring artefacts compared to an already applied co-registration approach has been demonstrated by a comparative simulation study and by dedicated measurements with moving radioactive sources and irradiated targets. Dedicated phantoms mainly made up of polymethyl methacrylate (PMMA) and a motion table for regular one-dimensional (1D) motion patterns have been designed and manufactured for the experiments. Furthermore, the general applicability of the 4D MLEM algorithm for more complex motion patterns has been demonstrated by the successful reduction of motion artefacts from a measurement with rotating (two-dimensional moving) radioactive sources. For 1D cos^2 and cos^4 motion, it has been clearly illustrated by systematic point source measurements that the motion influence can be better compensated with the same number of motion phases if amplitude-sorted instead of time-sorted phases are utilized. In any case, with an appropriate parameter selection to obtain a mean residual motion per phase of about half of the size of a PET crystal size, acceptable results have been achieved. Additionally, it has been validated that the 4D MLEM algorithm allows to reliably access the relevant parameters (particle range and lateral field position and gradients) for a dose verification in intra-fractionally moving targets even from the intrinsically low counting statistics of IBT-PET data. To evaluate the measured β+-activity distribution, it should be compared to a simulated one that is expected from the moving target irradiation. Thus, a 4D version of the simulation software is required. It has to emulate the generation of β+-emitters under consideration of the intra-fractional motion, their decay at motion state dependent coordinates and to create listmode data streams from the simulated coincidences. Such a revised and extended version that has been compiled for the special geometry of the Bastei PET scanner is presented within this thesis. The therapy control system provides information about the exact progress of the motion compensated dose delivery. This information and the intra-fractional target motion needs to be taken into account for simulating realistic β+-activity distributions. A dedicated preclinical phantom simulation study has been performed to demonstrate the correct functionality of the 4D simulation program and the necessity of the additional, motion-related input parameters. Different to the data evaluation for static targets, additional effort is required to avoid a potential misleading interpretation of the 4D measured and simulated β+-activity distribu- tions in the presence of deficient motion mitigation or data processing. It is presented that in the presence of treatment errors the results from the simulation might be in accordance to the measurement although the planned and delivered dose distribution are different. In contrast to that, deviations may occur between both distributions which are not related to anatomical changes but to deficient 4D data processing. Recommendations are given in this thesis to optimize the 4D IBT-PET workflow and to prevent the observer from a mis-interpretation of the dose monitoring data. In summary, the thesis contributes on a large scale to a potential future application of the IBT-PET monitoring for intra-fractionally moving target volumes by providing the required reconstruction and simulation algorithms. Systematic examinations with more realistic, multi-directional and irregular motion patterns are required for further improvements. For a final rating of the expectable benefit from a 4D IBT-PET dose monitoring, future investigations should include real treatment plans, breathing curves and 4D patient CT images. / Die Ionenstrahltherapie (englisch: ion beam therapy, IBT) ist eine vielversprechende Behandlungsoption im Bereich der Strahlentherapie. Die charakteristischen physikalischen und biologischen Eigenschaften der Ionenstrahlen werden genutzt, um tumorkonformale Dosisverteilungen zu erzeugen. Die verbesserte Schonung des an den Tumor angrenzenden Normalgewebes und eventuell naheliegender Risikoorgane ermöglicht eine Dosissteigerung im Zielgebiet und somit potentiell höhere Tumorkontroll- und Überlebensraten. Für tiefliegende, gegenüber konventioneller Strahlung resistente, statische und gut fixierte Tumore wurden bereits beachtliche klinische Resultate erzielt. Wahrscheinlich könnten noch mehr Patienten von den Vorteilen der IBT profitieren, wenn diese auch für häufiger auftretende und intrafraktionell bewegliche Tumore uneingeschränkt nutzbar wäre. Verschiedene bewegungskompensierte Bestrahlungsmethoden wurden entwickelt und stehen zumindest unter experimentellen Bedingungen für weitere Untersuchungen am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt zur Verfügung. Um eine sichere und präzise Dosisapplikation in der IBT zu ermöglichen, werden hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung gesetzt. Sowohl auftretende Überdosierungen im Normalgewebe als auch Unterdosierungen im Tumor können den Therapieerfolg gefährden. Da bereits kleine, unerwartete anatomische Veränderungen, zum Beispiel durch Fehlpositionierung des Patienten, Schrumpfung des Tumors oder Schwellungen, zu erheblichen Abweichungen zwischen geplanter und applizierter Dosisverteilung führen können, gibt es Bestrebungen, die applizierte Dosis zumindest qualitativ zu verifizieren. Die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) ist derzeit die einzige, bereits klinisch erprobte Methode für ein in vivo, in situ und nicht-invasives qualitatives Dosismonitoring. Diese Methode ist im Stande, die Autoaktivierung des bestrahlten Gewebes zu erfassen, welche aufgrund von Kernfragmentierungsprozessen entlang des Strahlweges erzeugt wird. Unter anderem werden in diesen Reaktionen instabile Nuklide erzeugt, die entsprechend ihrer Halbwertszeit unter Emission eines Positrons zerfallen. Bei der anschließenden Positron-Elektron-Annihilation werden zwei 511keV Photonen in entgegengesetzter Richtung emittiert und können mittels eines geeigneten PET-Scanners als Koinzidenzereignis detektiert werden. Die im Patienten induzierte dreidimensionale (3D) β+-Aktivitätsverteilung kann aus den gemessenen Koinzidenzen rekonstruiert werden. Ein Vergleich der gemessenen mit einer erwarteten, mittels Monte-Carlo Simulation erzeugten β+-Aktivitätsverteilung erlaubt es, Schlussfolgerungen über die tatsächlich im Patienten deponierte 3D Dosisverteilung zu ziehen. Diese Art der Datenauswertung wurde erfolgreich für die qualitative Dosisverifikation von über 440 Patienten eingesetzt, deren Tumore (vorwiegend im Kopf- und Halsbereich) an der GSI mit 12C-Ionen bestrahlt wurden. Bei der konventionellen 3D IBT-PET-Datenverarbeitung wird eine mögliche intrafraktionelle Bewegung des Zielgebietes nicht berücksichtigt und fehlerhaft rekonstruierte β+-Aktivitätsverteilungen sind die Folge. Daher werden vierdimensionale, zeitaufgelöste (4D) Rekonstruktionsalgorithmen benötigt, die für die spezielle Geometrie eines in-beam PET-Scanner adaptiert wurden und eine Kompensation der bewegungsinduzierten Artefakte ermöglichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde für den an der GSI installierten Doppelkopf-PET-Scanner Bastei ein 4D Maximum-Likelihood-Expectation-Maximization (MLEM) Algorithmus implementiert. Die Funktionsfähigkeit des Algorithmus sowie dessen verbesserte Reduktion von Bewegungsartefakten im Vergleich zu einem bereits vorhandenen Koregistrierungsansatz wurde anhand verschiedener Messungen mit bewegten radioaktiven Quellen und bestrahlten Phantomen sowie einer vergleichenden Simulationsstudie dargelegt. Für die Experimente wurden entsprechende Phantomgeometrien (zumeist aus Polymethylmethacrylat (PMMA)) sowie ein Bewegungstisch für reguläre eindimensionale (1D) Bewegungsmuster entworfen und gefertigt. Zudem wurde durch die erfolgreiche, quasi-statische und nahezu artefaktfreie Rekonstruktion einer rotierenden und sich damit zweidimensional bewegenden Aktivitätsverteilung die prinzipielle Anwendbarkeit des 4D MLEM Algorithmus für komplexere Bewegungsmuster gezeigt. Systematische Punktquellenmessungen mit 1D cos^2- und cos^4-förmigen Bewegungsmustern haben deutlich gemacht, dass der Bewegungseinfluss mit der gleichen Anzahl an Bewegungsphasen besser kompensiert werden kann, wenn die Bewegungsphasen entsprechend der Bewegungsamplitude anstelle der -phase unterteilt sind. In jedem Fall können aber zufriedenstellende Rekonstruktionsergebnisse erzielt werden, wenn durch geeignete Parameterwahl eine mittlere Restbewegung pro Bewegungsphase von maximal etwa der halben Größe eines Detektorkristalls eingestellt wird. Durch weitere Experimente konnte gezeigt werden, dass nach der Rekonstruktion mit dem 4D MLEM Algorithmus die relevanten Parameter für die qualitative Dosisverifikation (Teilchenreichweite, laterale Feldposition und -gradienten) zuverlässig erfasst werden können. Dies ist auch dann der Fall, wenn nur eine verminderte Anzahl an Koinzidenzereignissen, so wie sie unter klinischen Bedingungen zu erwarten ist, für die Auswertung verwendet wird. Um die gemessene β+-Aktivitätsverteilung besser zu beurteilen, sollte sie mit einer simulierten, für die bewegungskompensierte Bestrahlung erwarteten Verteilung verglichen werden und es bedarf deshalb einer 4D Version der Simulationssoftware. Diese muss die Erzeugung sowie den Zerfall der Positronenemitter unter Berücksichtigung der intrafraktionellen Bewegung simulieren und aus den gültigen Koinzidenzereignissen Listmode-Datensätze erstellen. Eine derart überarbeitet Version des Simulationsprogramms wurde für den Bastei PET-Scanner erstellt und wird in dieser Arbeit vorgestellt. Informationen über den exakten Verlauf der bewegungskompensierten Bestrahlung werden durch das Therapiekontrollsystem geliefert. Diese Informationen sowie die intrafraktionelle Bewegung werden in die Simulation realistischer β+-Aktivitätsverteilungen bzw. der zugehörigen Listmode-Datensätze einbezogen. Anhand einer präklinischen Phantom-Simulationsstudie wurde die korrekte Funktionsweise des Simulationsprogramms sowie die Notwendigkeit der zusätzlichen Parameter gezeigt. Im Gegensatz zur Datenauswertung für statische Zielvolumina bedarf es bei intrafraktioneller Bewegung gegebenenfalls zusätzlichen Aufwand, um eine Fehlinterpretation aus dem Vergleich der gemessenen und simulierten β+-Aktivitätsverteilung zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit wird beispielhaft gezeigt, dass sich bei fehlerhafter Bewegungskompensation die gemessene und simulierte β+-Aktivitätsverteilung einander ähneln können, obwohl die applizierte Dosisverteilung deutlich von der geplanten abweicht. Im Gegensatz dazu können auch Abweichungen zwischen Messung und Simulation auftreten, die nicht auf anatomische Veränderungen, sondern auf eine ungenaue 4D Datenverarbeitung zurückzuführen sind. Es werden Vorschläge unterbreitet, um den Prozess der 4D IBT-PET Datenauswertung zu optimieren und somit Fehlinterpretationen zu vermeiden. Die vorliegende Dissertationsschrift enthält durch die Bereitstellung der benötigten 4D Rekonstruktions- und Simulationsprogramme grundlegende Arbeiten für eine mögliche zukünftige Anwendung der 4D IBT-PET als qualitatives Dosismonitoring bei intrafraktionell bewegten Zielvolumina. Für weitere Verbesserungen des Verfahrens sind zusätzliche systematische Betrachtungen mit realistischeren, mehrdimensionalen und unregelmäßigen Bewegungsmustern notwendig. Zukünftige Untersuchungen sollten außerdem echte Bestrahlungspläne, Atemkurven sowie 4D Patienten-CT-Daten einschließen, um den erwartbaren Nutzen eines 4D IBT-PET Dosismonitorings besser abschätzen zu können.

Das erste gestellte Ziel war es, die histologischen Strukturen eines Gewebedünnschnittes anhand der aufgenommenen FT-IR-Spektren sichtbar zu machen und diese mit dem konventionell gefärbten Schnitt und der autoradiographischen Aufnahme zu vergleichen. Dazu wurde ein Messsystem bestehend aus einem FT-IR-Spektrometer mit Mikroskop und einem computergesteuerten XY-Tisch aufgebaut und die notwendige Steuer- und Auswerte-Software entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die FT-IR-Spektren mit geeigneten Auswerteverfahren zur Darstellung der histologischen Strukturen nutzen lassen. Dazu wurden zwei verschiedene Methoden eingesetzt, die PCA und die Fuzzy-Clusterung (FCM). Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte ein Klassifikations-Algorithmus gefunden werden, mit dessen Hilfe sich Spektren von unbekannten Gewebeproben vorher definierten Modellen zuordnen lassen. Dazu wurde eine Spektren-Datenbank aus mehr als einhundert Gewebeproben angelegt. Aus dieser Datenbank wurden einige zehntausend Spektren ausgewählt und zu Modell-Datensätzen für sechs verschiedene Gewebetypen zusammengefasst. Für die Zuordnung unbekannter Spektren zu diesen Modellen wurde ein SIMCA-Klassifikations-Algorithmus entwickelt sowie ein LDA-Algorithmus eingesetzt. Für beide Methoden wurde die Klassi-fikations-Leistung anhand der Spezifität und Sensitivität bestimmt. Beide Klassifikations-Algorithmen führten zu guten Ergebnissen. Der SIMCA-Algorithmus erreichte eine Spezifität zwischen 97 % und 100 %, sowie eine Sensitivität zwischen 62 % und 78 % (bei einem Vertrauensintervall von 97,5 %). Der LDA-Algorithmus ermöglichte eine etwas bessere Sensitivität von 72 % bis 90 %, auf Kosten der Spezifität, welche zwischen 90 % und 98 % lag. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich die FT-IR-Mikrospektroskopie und die vorgestellten Auswerte-Algorithmen sehr gut zur Klassifizierung von Gewebedünnschnitten eignen.

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 &amp;quot;List-Mode&amp;quot; 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.

Eine erhöhte COX-2-Expression wird bei Krankheiten wie rheumatoider Arthritis aber auch Parkinson, Alzheimer und Krebs beobachtet. Die nichtinvasive Visualisierung und Quantifizierung der COX 2-Expression in vivo mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) könnte wertvolle Beiträge zur Diagnose dieser Krankheiten liefern. Zur Nutzung der PET-Technik werden geeignete COX-2-adressierende Radiotracer benötigt, deren Entwicklung auch die Identifizierung neuer, der Radiomarkierung zugänglicher COX-2-Inhibitoren als Leitstrukturen voraussetzt. Ziel dieser Arbeit war die Synthese von selektiven, der Radiomarkierung zugänglichen COX 2-Inhibitoren und deren In-vitro-Evaluierung, um Verbindungen zu identifizieren, die für eine weitere Entwicklung zu COX-2-adressierenden Radiotracern geeignet sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausgehend von literaturbekannten COX-2-Inhibitoren zwei grundlegende Strategien verfolgt: die Derivatisierung an der Peripherie sowie der Austausch von Strukturelementen im Grundgerüst der COX-2-selektiven Inhibitoren. In dieser Arbeit wird zum einen die Synthese der Zielverbindungen (Diphenyl-substituierte Indol-, Pyrazolo[1,5-b]pyridazin-, 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol- und Pyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivate sowie 2-Carbaboranyl-substituierte Indol-Derivate) und deren strukturanalytische Charakterisierung vorgestellt. Es konnte die McMurry-Cyclisierung als neuer Zugang für die Synthese von Carbaboranyl-substituierten Verbindungen und 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivaten sowie die Dehydrogenierung mittels DDQ als neue Variante zur Synthese von Pyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivaten etabliert werden. Durch Röntgeneinkristallstrukturanalyse wurde die Molekülstruktur von sechs Zwischenverbindungen und neun Zielverbindungen aufgeklärt. Zum anderen erfolgte die Charakterisierung der Verbindungen in vitro, wobei die COX-inhibitorischen Eigenschaften mit einem Fluoreszenz-basierten, einem Enzymimmunoassay (EIA)-basierten und einem [14C]Arachidonsäure-basierten COX-Assay bestimmt und zudem viele Verbindungen hinsichtlich ihrer Redoxeigenschaften untersucht wurden. Im Besonderen die hergestellten Indol-Derivate besitzen antioxidative Eigenschaften, die bei der Untersuchung der COX inhibitorischen Eigenschaften beachtet werden müssen. Die Derivatisierung an der Peripherie der bekannten Inhibitoren führte zur Identifizierung von zwei Aminosulfonyl-substituierten Indol-Derivaten und einem Fluorethoxy-substituierten Pyrazolo[1,5 b]pyridazin-Derivat, die grundsätzlich geeignete Kandidaten für eine weitere Entwicklung zum Radiotracer darstellen. Das Fluorethoxy-substituierte Pyrazolo[1,5 b]pyridazin-Derivat wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Fluor-18 markiert und die initiale Charakterisierung des Radiotracers in vitro durchgeführt. Der Austausch von Strukturelementen im Grundgerüst der literaturbekannten COX-2-Inhibitoren mit voluminöseren Gruppen führte zum einen bei Austausch eines Phenylrings gegen einen Carbaboranyl-Cluster zum Verlust der COX-inhibitorischen Eigenschaften, was eine weitere Entwicklung dieser Verbindungen zum Radiotracer ausschließt. Zum anderen wurde ausgehend von 2,3-Diphenyl-1H-indol-Derivaten die bicyclische auf eine tricyclische Kernstruktur vergrößert. Dies lieferte hoch affine und selektive COX-2-Inhibitoren. Unter den hergestellten Verbindungen wurden ein 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol- und drei Pyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivate als vielversprechende Kandidaten für die weitere Entwicklung zum Radiotracer identifiziert.