Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2019

Entwicklung des MEGAlib Simulation Toolkit für medizinische Bildgebungsanwendungen

Prof. Dr. Katia Parodi
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Physik - Experimentalphysik/Medizinische Physik

Dr. Andreas Zoglauer
University of California, Berkeley
Berkeley Institute for Data Science


Die endliche Reichweite der Protonenstrahlen und eine lokalisierte maximale Dosis am Ende ihrer Flugbahn machen die Protonenstrahl-Therapie zu einer vielversprechenden Technik, um tiefsitzende Tumore genau anzuvisieren. Um den potenziellen Vorteil der Protonentherapie in der klinischen Praxis voll auszuschöpfen, muss die Reichweite des Protonenstrahls im Patienten während der Behandlung genau vorhergesagt und wünschenswerterweise überwacht werden. Zu diesem Zweck beabsichtigt das vorgeschlagene Projekt, die Möglichkeiten der Medium-Energy Gamma-ray Astronomy library (MEGAlib) weiter zu entwickeln, da es ein dediziertes Simulations- und Bildrekonstruktions-Framework für PET, Compton und γ-PET Bildgebung darstellt. Dies geschieht durch eine Verbesserung der Bildgebung und eine Verbesserung des künstlichen Intelligenzalgorithmus, der in MEGAlib (für die Ereignisrekonstruktion) verwendet wird. Dabei werden verschiedenen Bildrekonstruktionsfunktionen, z. B. die Korrektur der Dämpfung und Streuung sowie die Implementierung des Flugzeitansatzes (TOF) für die PET-Bildrekonstruktion, berücksichtigt.

Abschlussbericht
Die Protonen- und Ionenstrahltherapie hat sich in den letzten Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt. Die Untersuchung dieser aufkommenden Techniken an Kleintieren ist ein junges, aufstrebendes Feld, das fortgeschrittene Technologien erfordert, um auch auf der räumlichen Skala von Mäusen den gleichen Grad an Präzision wie beim Menschen zu erreichen. Da bei der Partikeltherapie die Primär Ionen im Bragg-Peak innerhalb des Tumorvolumens gestoppt werden, kommt der Detektion und Rekonstruktion der strahleninduzierten Sekundäremissionen, wie Prompt-Gamma (PG) und Positronen (ß+), eine Schlüsselrolle bei der Validierung der Dosisabgabe zu. In den vergangenen Jahren haben sich verschiedene Forschungsprojekte in der Abteilung Medizinische Physik der LMU auf die Entwicklung von Compton-basierten PG-, Positronen-Emissions-Tomographie (PET)- und hybriden Gamma-PET-Systemen konzentriert. Um die Hardware-Entwicklung und Optimierung von Prototyp-bildgebende-Systemen an der LMU zu unterstützen, wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Hauptentwickler des Medium-Energy Gamma-ray Astronomy library (MEGAlib) Toolkits, Dr. Andreas Zoglauer vom Space Science Laboratory der University of California Berkeley, die Anwendung des MEGAlib Toolkits im Bereich der medizinischen Bildgebung weiterentwickelt.

Zu diesem Zweck arbeiteten Wissenschaftler unseres Instituts mit Unterstützung von BaCaTec an:
1. Reduzierung der Unsicherheit bei der Lokalisierung der PET-Ereignisse durch Anwendung analytischer Korrekturen bei der Rekonstruktion jeder Line of Response (LOR) auf Basis der Flugzeit (TOF) zusammen mit Abschwächungswahrscheinlichkeit und Bewegungskorrekturen
2. Implementierung einer neuen analytischen Methode in das Ereignis-Rekonstruktionstool von MEGAlib zur genauen Klassifizierung der Art der simulierten Ereignisse [2][3].
3. Entwicklung eines eigenständigen analytischen Ereignisrekonstruktionstools zur Klassifizierung der experimentellen PET-Ereignisse [4].
4. Entwicklung einer vorläufigen statistischen Methode zur Vorhersage der Dosisverteilung während eines Protonentherapieverfahrens an Kleintieren, basierend auf der kombinierten PG-Verteilung und rekonstruierten PET-Daten [5].

[1] Safari M, Zoglauer A, Lovatti G, Anangnostatou V, Nitta M, Tashima H, …Parodi K, “Development of a novel simulation and image reconstruction toolkit for PET and PG. In: European Association of Nuclear Medicine” (EANM) Congress. Barcellona (2019).

[2] Safari M, Dedes G, Thirolf P, Zoglauer A, Yamaya T, Durante M, …Parodi K, “Toward hybrid ?-PET imaging of radioactive ion beams at FAIR,” In: GSI Scientific Report. Darmstadt (2019). p. 57.

[3] Safari M, Zoglauer A, Lovatti G, Anangnostatou V, Nitta M, Tashima H, …Parodi K, “Performance of a novel hybrid gamma-imaging technique toward future 3D reconstruction of proton beam range”. In: IEEE Medical Imaging Conference. Manchester (2019).

[4] G. Lovatti, M. Nitta, M.Safari, J. Bortfeldt, A. Zoglauer, H.G. Kang, T. Yamaya, P.G Thirolf, G. Dedes and K. Parodi, “Design study of a novel geometrical arrangement for an in-beam small animal PET scanner”. In: IEEE Medical Imaging Conference. Manchester (2019).

[5] G. Lovatti, M. Nitta, M. Safari, C. Gianoli, M. Pinto, A. Zoglauer, H.G. Kang, T. Yamaya, P.G. Thirolf, G. Dedes, K. Parodi, “An advanced simulation and reconstruction framework for a novel in-beam PET scanner for preclinical proton irradiation.” In: IEEE, Medical Imaging Conference. Virtual (2020). [Accepted in Conference Proceeding]