Motion Corrected Quantitative Imaging in Multimodal Emission Tomography

dc.contributorHornegger, Joachim
dc.contributor.authorCachovan, Michal
dc.date.accessioned2016-03-01
dc.date.available2016-02-18
dc.date.created2016
dc.date.issued2016-03-01
dc.description.abstractNuclear medicine has been using single photon emission computed tomography (SPECT) for several decades in order to diagnose and enable the treatment of patients for various clinical applications. Traditionally, routine SPECT has been used for qualitative image interpretation based diagnosis which was not backed up with data on quantitative assessment of the encountered disease. However, latest research and development introduced a novel and yet unexplored feature of quantitative measurements to clinical practice. With the introduction of new quantitative reconstruction techniques many technological questions have to be answered. This thesis presents novel methods for enhancing quantitative iterative SPECT reconstruction by means of runtime and motion correction. These methods are evaluated with clinical practice and protocols in mind. Quantitative iterative reconstruction in SPECT is a computationally intensive process with clinical runtime burden. It becomes even more demanding when more precise system modeling is performed in order to improve quantitative accuracy of the reconstructed data. The latest graphics computational hardware of the year 2012 was successfully employed in this dissertation and a novel approach to tomographic reconstruction was proposed. The introduced method uses dedicated graphics hardware. It outperforms any currently known competing implementation by a factor eight and can therefore reconstruct high resolution quantitative images in clinically acceptable time. Patient motion during SPECT acquisition is a significant degrading factor in quantitative lesion detection, evaluation and therapy planning, yet few clinical products are available in the field that can correct for this effect. A contribution to the field of multimodal motion corrected emission tomography is proposed in this work, which is integrated within the reconstruction. This concept has the potential to improve lesion detectability by correcting motion induced defects and to reduce quantitative errors in the clinical environment. An implementation of the method on graphics cards is introduced, which fulfills clinically acceptable computation times. A quantitative evaluation of bone SPECT is introduced in this thesis and findings are reported that are new in the field of musculoskeletal clinical research. Correlations between bone turnover, bone density and dependence of these biological variables on patients’ age are reported. These results can potentially contribute to a better understanding of bone repair mechanisms in human anatomy and physiology.en
dc.description.abstractDie Einzel-Photonen Emissionstomographie (SPECT) wird in der Nuklearmedizin genutzt, um von Patienten mit verschiedenen metabolischen Störungen Diagnosen zu finden und Therapien zu überwachen. Die klinische Routine hat bis vor kurzem SPECT Aufnahmen vor allem von der qualitativen Seite aus betrachtet und Bilder nach ihrer visuellen Intensität ausgewertet. Die technische Forschung und Entwicklung der letzten Jahre hat die Einführung von quantitativer Auswertung in der klinischen Praxis ermöglicht. Die medizinische Evaluation quantitativer Auswertung ist jedoch noch ein unerschlossenes Thema. Ebenso müssen durch neue quantitativen Rekonstruktionsverfahren weitere technischen Probleme bewältigt werden. In dieser Dissertation werden neuartige Methoden für eine beschleunigte und bewegungskorrigierte tomographische Rekonstruktion vorgestellt. Diese Methoden werden mit dem Augenmerk auf die klinische Praxis evaluiert. Quantitative Rekonstruktion ist ein rechenintensiver Prozess, der sich den klinischen Zeitanforderungen unterwerfen sollte. Präzisere Modelle der zugrunde liegenden Physik tragen zu gestiegenen Anforderungen an Rechenleistung in der klinischen Praxis bei. In dieser Dissertation wurde die im Jahr 2012 aktuellste Graphikhardware erfolgreich eingesetz, um einen neuartigen Ansatz zur tomographischen Rekonstruktion zu implementieren, der die Laufzeit der Berechnungen um ein Faktor acht vermindert und eine hochauflösende tomographische Bildrekonstruktion in klinisch akzeptablen Zeit somit ermöglicht. Patientenbewegung während der SPECT-Aufnahme verschlechtert die Bildqualität, insbesondere die Läsionsdetektion und die quantitative Genauigkeit. Akzeptable klinische Lösungen für dieses Problem existieren kaum. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit liegt in der Einführung eines neuen Ansatzes der Bewegungskorrektur in die tomographische multimodale Emissionstomographie. Die vorgeschlagene Methode ist in die Rekonstruktion integriert. Sie bietet eine Korrektur bewegungsinduzierter Fehler, hat das Potenzial Läsionsnachweisbarkeit sowie quantitative Genauigkeit zu verbessern und wurde auf Graphikkarten implementiert, so dass klinische Zeitanforderungen erfüllt bleiben. Am Beispiel der Knochen SPECT werden Ergebnisse der quantitativen Bildgebung vorgestellt, welche bisher unbekannte Zusammenhänge in der muskuloskeletalen Funktion aufdecken. Insbesondere die Korrelationen zwischen den Knochenaufbauprozessen, der Knochendichte und dem Patientenalter werden berichtet. Diese Erkentnisse können zu einem besseren Verständnis der Knochenaufbauprozesse in der menschlichen Anatomie und der Physiologie beitragen.de
dc.format.extent144
dc.identifier.opus-id6922
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/6922
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-69226
dc.language.isoen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/deed.de
dc.subjectMotion Correction
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 61 Medizin und Gesundheit :: 610 Medizin und Gesundheit
dc.titleMotion Corrected Quantitative Imaging in Multimodal Emission Tomographyen
dc.titleBewegungskorrigierte quantitative Bildgebung in der multimodalen Emissionstomographiede
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted2015-05-21
local.sendToDnbfree*
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät
local.subject.gndSPECT
local.subject.gndCT
local.subject.gndTomography
local.subject.gndReconstruction
local.subject.gndGPU
local.subject.gndCPU
local.subject.gndMotion Capturing
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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