Röntgenfloureszenz-Bildgebung

Die Computertomographie (CT) ist heute eines der wichtigsten und am häufigsten eingesetzten Diagnoseverfahren in der klinischen Praxis. Bei der CT, die auf der herkömmlichen Röntgenabsorptionsbildgebung basiert, fehlen jedoch funktionelle Informationen auf molekularer Ebene. Daher ist es sehr interessant, neue hochauflösende Techniken für die funktionelle CT zu entwickeln.
Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von funktionalisierten Goldnanopartikeln, die mit Biomolekülen verbunden sind. Für diese konnte bereits gezeigt werden, dass eine spezifische Tumordarstellung zumindest prinzipiell mit konventioneller CT möglich ist, allerdings bei einer Konzentration und Strahlendosis, die für die klinische Bildgebung viel zu hoch ist.
Unser Ansatz hingegen basiert auf dem Nachweis der Röntgenfluoreszenzemission dieser funktionalisierten Gold-Nanopartikel. Dies ermöglicht den Nachweis einer Konzentration des auf Goldnanopartikeln basierenden Tracers bis hinunter in den nanomolaren Bereich.
Dies würde letztlich Anwendungen der molekularen Bildgebung ermöglichen, die bisher nur in der nuklearmedizinischen Bildgebung möglich waren. Da die Funktionalisierung dieser Nanopartikel sehr flexibel ist, würde dies auch die Möglichkeit eröffnen, molekulare Bildgebungsverfahren für eine Vielzahl von Anwendungen mit allen Vorteilen der CT wie hohe Auflösung und gleichzeitige Darstellung der Anatomie zu entwickeln.

Es gibt mehrere Teilprojekte für Studierende:

1. Entwicklung eines Labor-Tischgerätes mit Kegelstrahl-XFCT:

Auf der Grundlage von Proof-of-Principle-Experimenten wird ein erweiterter Kegelstrahl-Bildgebungsaufbau konstruiert, der die 3D-Bildgebung von Röntgenfluoreszenzemissionen aus funktionalisierten Gold-Nanopartikeln ermöglicht. Diese Arbeit bietet eine große Chance für kreative Arbeit, da alle Teile der Bildgebungskette speziell für diese neue Bildgebungsmethode entwickelt werden müssen.
Der Studierende hat die Möglichkeit, an der Anordnung und Optimierung der Scan-Geometrie zu arbeiten, indem er experimentelle Studien zur Erfassung von Transmissions- und XRF-Daten durchführt. Eine solche Analyse ermöglicht eine umfassende Korrektur und Verbesserung der Mechanik und Datenerfassungstechnik des Abbildungsaufbaus.
Durchführung von Designuntersuchungen an der Röntgenoptik, die zur Erhöhung der räumlichen Auflösung des Systems und zur effektiven Rekonstruktion der GNP-Dichteverteilungen notwendig ist. Hierfür kann der Studierende einfache analytische Methoden verwenden, um die geometrischen Eigenschaften des optischen Systems zu bestimmen.
Darüber hinaus ist eine geometrische Kalibrierung des Systems notwendig, um die Messfehler im Scanprozess zu minimieren, die zu starken Rekonstruktionsartefakten führen können. Der Studierende kann sich mit der Schätzung und Korrektur verschiedener geometrischer Parameter beschäftigen, die den Freiheitsgraden der Systemmechanik entsprechen.

2. Spezieller und optimierter Ansatz für die Rekonstruktion von funktionalisierten Gold-Nanopartikeln:

Das Problem der tomographischen Rekonstruktion der GNP-Dichteverteilung unterscheidet sich von konventionellen transmissions-tomographischen Rekonstruktionsansätzen. Hier ist neben der anatomischen Morphologie auch die funktionelle Information aus stimulierten Fluoreszenzemissionen von Interesse. Dies wird durch eine Kombination von Transmissionsdetektoren und energieauflösenden Detektoren in einer einzigen Abtastgeometrie erreicht. Die Abtastgeometrie erfordert in diesem Fall aufgrund der begrenzten Anzahl von Detektoren und der Notwendigkeit, niedrigere Strahlungsdosen zu erreichen, eine spärliche Probenahme. Ziel ist es, eine räumlich-zeitliche 3D-Rekonstruktion der GNP-Verteilung mit Hilfe von Compressed-Sensing-Techniken zu erhalten und die Modellierungsfehler im Rekonstruktionsalgorithmus zu minimieren.
Entwicklung optimierter Dämpfungs- und Streuungskorrekturschemata für die detektierten XRF-Signale unter Verwendung analytischer oder iterativer Methoden.
Entwicklung von dynamischen oder gated Erfassungstechniken, um eine räumlich-zeitliche Rekonstruktion der GNP-Dichteverteilung zu ermöglichen.
Untersuchung/Implementierung/Entwicklung von Regularisierungsmethoden zur Bewältigung von Unzulänglichkeiten, die durch die geringe Anzahl von Proben entstehen, Entwicklung von iterativen Algorithmen zur Rauschglättung/-unterdrückung und physikalische Modellierung des Vorwärtsprojektionsprozesses.
Optimierung des Rekonstruktionsalgorithmus und des Bildaufnahmeprozesses/der Abtastgeometrie durch Monte-Carlo-Simulationen.
Erforderliche Kenntnisse: Grundlagen der linearen Algebra, C++ und Matlab/Python.

3. Monte-Carlo-Simulation eines Kegelstrahl-Röntgenfluoreszenz-CTs und Systemcharakterisierung:

Entwicklung und Erweiterung von Monte-Carlo-Simulationen auf dem Geant4-Toolkit für Kegelstrahl-XFCT-Bildgebungsanwendungen. Der Student wird mit den bereits existierenden Geant4-Basiscodes und Vorlagen arbeiten, die von der Gruppe bereits entwickelt wurden.
Die Aufgabe umfasst die Erweiterung von MC-Simulationen auf der Grundlage eines Prototypmodells des Kegelstrahl-Imaging-Aufbaus und der Scan-Geometrie sowie die Modellierung des Ausleseschemas der Röntgenfluoreszenzsignale. Das Forschungsziel besteht darin, die Durchführbarkeit, die Vorteile und die Nachteile der K-Schale/L-Schale-Messmethoden in unserer Kegelstrahl-XFCT-Implementierung zu analysieren.
Simulation eines Multimode-Hybridpixel-Röntgendetektors mit Energieauflösung und eines Signalsammelschemas, um geeignete Daten im Sinogramm-Raum zu erhalten, die für die Rekonstruktion der Verteilung funktionalisierter Gold-Nanopartikel benötigt werden.
Charakterisierung der Systemleistung erster Ordnung mit Kennzahlen wie erreichbare räumliche Auflösung, geschätzte Scanzeit, Signal-Rausch-Verhältnis, abgegebene Strahlungsdosis und minimale nachweisbare Konzentrationen der Gold-Nanopartikel, etc.
Voraussetzungen: Grundlegende Programmierkenntnisse in C++ und Matlab/Python. Grundlagen der Röntgen-Computertomographie.

4. Implementierung eines rotierenden Kollimators in eine Simulation eines Elektronenstrahlscanning-CT-Systems:

Die elektronische Abtastung eines Elektronenstrahls auf einer Ringanode würde eine sehr schnelle CT-Bildgebung ermöglichen und wurde in einem Prototyp in unserem Labor implementiert. Um dies für XFCT zu nutzen, könnte ein rotierender Kollimator für schnelles Scannen implementiert werden. Die studentische Arbeit würde sich darauf konzentrieren, die Durchführbarkeit dieser Methode zu testen und die Abbildungszeit und Empfindlichkeit zu analysieren.