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Titel: Background Reduction for XFI with Human-Sized Phantoms
Sonstige Titel: Untergrundreduktion für Röntgenfluoreszenzbildgebung mit menschengroßen Phantomen
Sprache: Englisch
Autor*in: Blumendorf, Florian
Schlagwörter: Röntgenfluoreszenzbildgebung; X-ray fluorescence imaging
GND-Schlagwörter: Fluoreszenz; Bildgebendes Verfahren
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-01-20
Zusammenfassung: 
X-ray Fluorescence Imaging (XFI) is a functional medical imaging modality that can be used for, e.g., cancer diagnostics or pharmacokinetic tracking studies. This is achieved by the detection of fluorescence photons emitted from metabolized tracers with a high atomic number that are excited by an external X-ray source. While the concept of XFI has been known for almost a century, it has not made its way to daily clinical practice. This is due to the high intrinsic background in large phantoms caused by multiple Compton scattering. This thesis tries to overcome the sensitivity limit for a spatial resolution of 1mm without any a priori knowledge about the location of the tracer inside the phantom. Only the combined use of two filtering mechanisms enables the detection of tracer amounts as reported in small animal studies. First, a dedicated leaf-based collimator makes use of the inhomogeneity of the scattering positions inside the phantom to reduce the higher Compton scattering orders.
After that, a pixel selection algorithm exploits the anisotropy of the remaining lower scattering orders and that of the fluorescence photons (if also anisotropic) to reduce the detector solid angle until an optimum sensitivity is reached. In fact, simulations show that it is not optimal to use all detectable data for the signal analysis even if that means discarding fluorescence photons.
After the introduction of these spatial filtering concepts on the example of a 30 cm sphere, variations of the detector layout and experimental parameters, such as energy, bandwidth, phantom size or target position inside the phantom, are studied. To validate these simulations, experiments performed at the P07 beamline at PETRA III at DESY are then compared yielding good agreements. As more realistic phantoms, the background filtering methods are applied to human voxel models with realistic anatomical structure for different target positions. Since the necessary large solid angle detectors are not available yet, two small scale experiments for a human finger and a rat model are prepared using small detectors and compared to using large solid angle detectors with the same filtering mechanisms as for the large phantoms. As an outlook two further filtering concepts using the additional detection of the photon arrival
time in the detector and the polarization of the detected photons are discussed.

X-ray Fluorescence Imaging (XFI) ist eine Methode zur funktionalen medizinischen Bildgebung, die u.a. zur Krebsdiagnose oder für pharmakokinetische Studien angewandt werden kann. Hierfür wird ein verstoffwechselter Tracer mit hoher elementarer Ordnungszahl durch eine externe Röntgenquelle zur Fluoreszenz angeregt, welche anschließend detektiert wird. Obwohl dieses Konzept seit knapp einem Jahrhundert bekannt ist, hat es den Einzug in die regelmäßige klinische Anwendung bisher nicht geschafft. Dies liegt maßgeblich an dem hohen intrinsischen Signaluntergrund durch multiple Comptonstreuung in großen Objekten, welcher die Sensitivität limitiert. In dieser Arbeit wird der Versuch unternommen, diese Beschränkung unter Verwendung einer räumlichen Auflösung von 1mm ohne vorherige Kenntnis der räumlichen Verteilung des Tracers zu überwinden. Hierfür wird zunächst der mehrfach gestreute Comptonuntergrund durch einen geeigneten Fächerkollimator reduziert. Dieses wird durch die unterschiedlichen räumlichen Verteilungen der Streuorte im Phantom ermöglicht. Anschließend nutzt eine datenbasierte Pixelauswahl die Anisotropie der verbliebenen niedrigen Streuordnungen und der Fluoreszenzverteilung, sofern diese auch anisotrop ist, um eine optimale Teilmenge der auszuwertenden Detektorelemente zu ermitteln. Es stellt sich heraus, das es nicht optimal ist, einen möglichst großen Detektor für die Datenauswertung zu verwenden, selbst wenn man dadurch Fluoreszenzphotonen verliert. Nur durch die kombinierte Anwendung beider Filterungsmechanismen, wird die Detektion von biologisch relevanten Tracerkonzentrationen aus Kleintierstudien erst möglich.
Nach der Einführung dieser Filterungsmechanismen am Beispiel einer 30 cm Kugel, werden Parametervariation bezüglich des Detektoraufbaus und der experimentellen Größen, wie Strahlenergie, Energiebandbreite, Phantomgröße oder verschiedene Tracerpositionen im Phantom untersucht. Zur Validierung der verwendeten Computersimulationen werden einige Experimente an der P07 Beamline am PETRA III Synchrotron bei DESY durchgeführt und eine gute Übereinstimmung gezeigt. Als Schritt zu realitätsnäheren Phantomen werden die Filterungsmechanismen auf menschliche Voxelmodelle mit verschiedenen Tracerpositionen im Körper angewandt. Da die simulierten Detektoren zur Abdeckung des vollen Raumwinkels bisher nicht verfügbar sind, werden zwei Experimente im kleineren Maßstab mit einem Rattenmodell
und einem menschlichen Finger vorbereitet und als Ausblick mit den Filterungsmethoden für große Objekte verglichen. Abschließend werden zwei weitere Methoden zur Untergrundsreduktion diskutiert, wobei einmal der Detektionszeitpunkt und einmal die Polarisation der detektierten Photonen zusätzlich zur Energie verwendet wird.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6207
URN: urn:nbn:de:gbv:18-103071
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Grüner, Florian (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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