Combination of X-ray Fluorescence Imaging with Computed Tomography in Preclinical Studies

Abstract

Die Röntgen-Fluoreszenzbildgebung (XFI) bietet eine hohe elementspezifische Sensitivität und eignet sich daher besonders für nicht-invasive, zeitaufgelöste pharmakokinetische Studien in der präklinischen Forschung. Durch den Nachweis charakteristischer Fluoreszenzphotonen von Tracerelementen ermöglicht die Methode die Lokalisierung sehr geringer Mengen nicht-radioaktiver Marker in biologischem Gewebe. Ein wesentliches Hindernis für eine quantitative dreidimensionale Bildgebung ist jedoch die noch unzureichende Korrektur von Absorptionseffekten. Sowohl der einfallende Anregungsstrahl als auch die emittierten Fluoreszenzphotonen werden tiefenabhängig abgeschwächt. Gängige Ansätze der Röntgen-Fluoreszenz-Computertomographie (XFCT) und der Röntgen-Fluoreszenz-Tomosynthese (XFTS) basieren häufig auf vereinfachten Modellen oder erfordern zusätzliche Computertomographie (CT) Aufnahmen, was die verwendete Strahlendosis erhöht. Diese Arbeit stellt eine Methode vor, mit der während eines XFTS- oder XFCT-Scans Materialdichtemodelle mittels abschwächungskorrigierter Compton-Computertomographie (CCT) direkt rekonstruiert werden können. Der Ansatz nutzt dabei die in XFI-Messungen ohnehin vorhandene Comptonsstreustrahlung aus und macht damit eine zusätzliche anatomische Bildgebung überflüssig. Diese Methode wurde anhand numerischer Simulationen und Phantommessungen an einem Synchrotron validiert. In drei Dimensionen konnten vollständige Materialdichtemodelle parallel zum Fluoreszenzsignal gewonnen werden, was eine alleinstehende quantitative Bildgebung ermöglicht. Zugleich liefert der CCT-Ansatz durch ein Dual-Energy-Verfahren ein erhöhte Gewebedifferenzierung gegenüber herkömmlicher Single-Energy-CT. Ergänzend wurden vergleichende Simulationsrechnungen durchgeführt, die die komplementären Fähigkeiten von XFI und konventioneller Röntgentransmissionsbildgebung für iodbasierte Marker in 2D und 3D untersuchen, Nachweisgrenzen bestimmen und zeigen, dass signifikante Rekonstruktionen auch aus einzeln nicht-signifikanten Projektionen möglich sind. Zudem wurden erste nicht-invasive präklinische 2D-Messungen der Pharmakokinetik von Cisplatin in einem Xenograft-Mausmodell simuliert und experimentell analysiert. Um in solchen Experimenten längere Messzeiten zu ermöglichen, wurden zudem Machbarkeitsstudien für XFI-Messungen mit kryokonservierten Proben durchgeführt. Insgesamt verbessern die in dieser Dissertation entwickelten Methoden die quantitative Genauigkeit von XFI und schaffen anatomischen Kontext, womit sie die praktische Anwendbarkeit von XFI für präklinische Studien in der Arzneimittelentwicklung erhöhen.

X-ray fluorescence imaging (XFI) offers high elemental sensitivity and is therefore well suited for non-invasive, time-resolved pharmacokinetic studies in preclinical research. By detecting characteristic fluorescence photons from tracer elements, this method allows the localization of very small quantities of non-radioactive markers in biological tissues. A major obstacle to quantitative three-dimensional imaging, however, is the insufficient correction of attenuation effects. Both the incident excitation beam and the emitted fluorescence photons experience depth-dependent absorption. Current approaches in X-ray fluorescence computed tomography (XFCT) and X-ray fluorescence tomosynthesis (XFTS) typically rely on simplified attenuation models or require an additional computed tomography (CT) scan, which increases radiation dose and measurement complexity. This thesis presents a method to obtain material density maps directly during an XFTS or XFCT scan using attenuation-corrected Compton computed tomography (CCT). The approach reconstructs attenuation information from the Compton-scattered radiation already present in XFI measurements, thereby eliminating the need for additional anatomical imaging. This method was evaluated using numerical simulations and phantom based synchrotron measurements. Complete material density maps were recovered in three dimensions parallel to the fluorescence signal, enabling stand alone quantitative imaging. In addition, the CCT approach provides enhanced tissue differentiation compared to standard single-energy CT by exploiting a specific dual-energy scheme. Beyond attenuation reconstruction, comparative simulation studies were conducted to compare the complementary capabilities of XFI and conventional X-ray transmission imaging. These studies examine iodine-based markers in two and three-dimensional imaging modalities, quantify detection limits, and demonstrate that statistically significant reconstructions can be obtained even when individual projections fall below the significance threshold. Furthermore, the first two-dimensional non-invasive preclinical measurements of cisplatin pharmacokinetics in a xenograft mouse model were both simulated and experimentally demonstrated, showing that the developed methods can be applied to biologically relevant scenarios. As acquisition times are still long in such experiments, feasibility tests for cryogenic XFI measurements were also conducted, increasing the possible measurement time of biological samples. Overall, the developments presented in this thesis improve the quantitative accuracy of XFI and provide anatomical context, thereby increasing the practical applicability of XFI for preclinical drug-development studies