Bildrekonstruktion für Compton-Kameras zur In-vivo-Dosimetrie in der Ionentherapie

Fragestellungen:

Mit Protonen und Ionen lassen sich tumorkonformere Dosisverteilungen als mit Photonen erzielen [1]. Dieser Vorteil erfordert allerdings eine hohe Präzision der Bestrahlung. Um diese zu gewährleisten, ist eine Kontrolle der bei der Bestrahlung applizierten Dosis wünschenswert. Vorgeschlagene Methoden dafür basieren auf Wechselwirkungen von Ionenstrahl und Gewebe: Zum einen werden Positronenemitter gebildet, die durch Partikel-Therapie Positronen-Emissions-Tomographie (PT-PET) die Bildgebung der bei der Bestrahlung erzeugten Aktivität ermöglichen. Zum anderen kommt es zur Emission prompter Gammastrahlung, welche mit Einzelphotonendetektoren gemessen wird (in-beam-SPECT).

PT-PET ist bereits klinisch etabliert. Aufgrund inhärenter physikalischer Beschränkungen ist es bisher nicht möglich, die applizierte Dosis direkt zu messen. In-beam-SPECT unterliegt nicht diesen Limitierungen; aus diesem Grund sollen die Möglichkeiten der Dosiskontrolle mittels der prompten Gammastrahlung evaluiert werden. Neben anderen Methoden [2] ist zur Messung dieser prompten Gammastrahlung die Compton-Kamera vorgeschlagen worden, welche eine „elektronische Kollimation“ nutzt und damit neue Rekonstruktionsmethoden verlangt.

Material und Methoden:

Die Bildrekonstruktion für Compton-Kameras teilt sich in die Aufgaben der Erstellung eines virtuellen Modells der Kamera in Form einer Systemmatrix (SM) und anschließend der Optimierung eines Emissionsbildes, welches möglichst gut zur aufgenommen Messreihe korreliert. Für Letzteres wurde der Standardalgorithmus MLEM (maximum likelihood expectation expectation maximization) [3] in der Derivation LM-MLEM (Listmode-MLEM) [4] verwendet.

Für die aufwändige Erstellung einer realitätsnahen Systemmatrix wurden sowohl – durch die Kinematik der Compton-Streuung bestimmte – grundsätzlich mögliche Herkunftsorte eines Photons, als auch verschiedene Ereigniswahrscheinlichkeiten – bestimmt durch die jeweiligen Wirkungsquerschnitte – berechnet. Da Messungen mit einem physikalischen System zwangsläufig mit Unsicherheiten behaftet sind, handelt es sich bei den Messwerten um Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Daher wurden alle Operatoren zur Verarbeitung von Verteilungen entworfen und implementiert. Zur Reduktion des Platz- und Zeitaufwandes wurden Operationen, soweit wie möglich, analytisch statt numerisch gelöst.
Bei MLEM handelt es sich um ein iteratives Verfahren; der Zugriff auf die SM geschieht mehrfach. Da die Erstellzeit der SM den IO-Aufwand zu ihrer persistenten Ablage übersteigt, wurde ein anpassungsfähiger Cachingmechanismus angewandt.

Ergebnisse:

Die genannten Algorithmen wurden auf experimentelle Messreihen und simulierten Daten angewandt.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen beispielhafte Ergebnisse. Abbildung 1 stellt die Rekonstruktion zweier Aufnahmen einer Punktquelle mit dem Prototyp einer Compton-Kamera [5] dar. Die Rekonstruktionen erreichen dabei Genauigkeiten von rund 6 mm bzw. 10 mm Halbwertsbreite für die zentrierte bzw. nicht-zentrierte Quelle. Abbildung 2 zeigt das Resultat der Rekonstruktion einer simulierten Flächenquelle, deren Strukturen bis zu einem gewissen Grad wiederhergestellt werden konnten.

Es ist ersichtlich, dass auch Quellorte außerhalb der Detektorgröße – hier 2² cm² [ebd.] – rekonstruiert werden können.

Zusammenfassung:

Es wurde gezeigt, dass mit dem vorgestellten Verfahren die Bildgebung, mittels der für den genannten Anwendungszweck entwickelten Compton-Kamera, grundsätzlich möglich ist. Die erfolgreiche Rekonstruktion des Emissionsbildes konnte sowohl an simulierten, als auch gemessenen Aufnahmen gezeigt werden.