Kombinierte Spektral- und Bildrekonstruktion für Compton-Kameras zur Anwendung der Prompt-Gammabildgebung in der Partikeltherapie

Bei diesem Antrag geht es um die tomographische Rekonstruktion für Compton-Kameras im Rahmen der Reichweitebestimmung in der Partikeltherapie. Das Hauptziel ist, Ansätze zu entwickeln, die die räumliche und die spektrale Verteilung von Prompt-Gammas gleichzeitig rekonstruieren, sowie Information eines Hodoskops verwenden. Das Endziel besteht darin, mittels Software die Qualität der rekonstruierten Bilder für eine genauere Reichweitebestimmung zu verbessern. Derzeit ist die Prompt-Gamma--Bildgebung unter Verwendung von Compton-Kameras mehreren Herausforderungen ausgesetzt. Zunächst ist die erforderliche Bedingung photoelektrischer Absorption des gestreuten Photons oft nicht erfüllt. Diese Tatsache führt zu einer signifikanten Bildverschlechterung, wenn nur Zweier-Wechselwirkungsereignisse (2W) zur Bilderzeugung verwendet werden (was üblicherweise der Fall ist). Dieses Problem könnte mit Dreier-Wechselwirkungsereignissen (3W) überwunden werden; da die Letzteren viel weniger wahrscheinlich als 2W-Ereignisse sind, resultiert ein sehr verrauschtes Bild. Zusätzlich begrenzt die häufig kleine Größe der Kameras die Empfindlichkeit, was auch zu unvollständiger Abtastung (Trunkierung) führt. Demzufolge verschlechtert sich das Bild. Wir möchten diese Probleme wie folgt bewältigen: Die Dimension des Bildraums wird von 3D auf 4D erweitert, mit der Energie als 4. Dimension. Auf diese Weise ist die Annahme einer vollständigen Absorption für 2W nicht mehr erforderlich. Parallel dazu werden wir 2W und 3W in denselben Rekonstruktionsprozess einbauen. Dabei möchten wir den höheren Informationsgehalt der 3W und die höheren Statistiken der 2W zur Verbesserung des Bildes nutzen. Unsere Vorarbeiten unterstützen die geplante Annäherung wie folgt: Wir haben gezeigt, dass (a) Spektral-Bildrekonstruktion von 2W für die Prompt-Gamma-Bildgebung möglich ist; (b) eine kleine Menge hochauflösender Ereignisse, die zusammen mit Niederauflösungs-Ereignissen rekonstruiert wird, die Qualität der Bilder verbessern; (c) sich unter Verwendung der Total-Variation (TV) die Gesamtbildqualität erhöhen lässt, besonders für Daten mit niedriger Statistik, die oft zu schlechter Bildauflösung führen. Unser Ansatz wird in Kombination mit zwei Bildrekonstruktionsalgorithmen getestet, MLEM und SOE. Darüber hinaus werden wir untersuchen, ob ähnliche Bildqualität mit einem Standard-Bildrekonstruktionsalgorithmus in Kombination mit der TV-Norm zu erreichen ist. Zu diesem Zweck, gilt es die Algorithmen sowie die Systemantwortmodelle auf 4D zu erweitern. Besonderen Wert wird auf die spektrale Komponente der Systemantwort und auf die in den Daten beinhaltete spektrale Information gelegt. In einem weiteren omptSchritt wird die Hodoskop-Information verwendet, um den möglichen Herkunftsort der Promp-Gammas zu beschränken. Simulierte Daten werden zuerst zum Testen der Algorithmen benutzt, anschließend auch experimentelle Daten aus einer Compton-Kamera, die unsere Partner-Forscher aus Frankreich entwickeln.