Tomographische Verfahren zur kombinierten photoakustischen Bildgebung

Abstract

Die photoakustische Tomographie stellt in der Bildgebung ein neuartiges, hoch-sensitives Verfahren dar, von der die Diagnose rheumatoider Arthritis profitieren könnte. Das Krankheitsbild ist geprägt durch chronische Entzündungen der Fingergelenke, die zum Abbau des Knorpels bis zur Immobilität der Gelenke führen können. Erste Indikatoren sind die verstärkte Durchblutung und Mikrovaskularisierungen, die eine Früherkennung ermöglichen. Die Photoakustik zeichnet sich gegenüber etablierten Methoden wie der Computertomographie und Doppler-Ultraschall durch die nicht-ionisierende, benutzerunabhängige und für Blutgefäße kontrastreiche Charakteristik aus und könnte mit dem hier verfolgten Ansatz der Tomographie erstmals den Weg in die klinische Routine finden. In der vorliegenden Arbeit wurden daher unterschiedliche Sende- und Detektionskonzepte sowie algorithmische Fragestellungen der Bildrekonstruktion, denen in der tomographischen Bildgebung besondere Bedeutung zukommen, mit dem Ziel der Auslegung eines Tomographen zur kombinierten Bildgebung an Fingergelenken erforscht. Sowohl optische als auch akustische Aspekte der Photoakustik wurden in den Untersuchungen adressiert. Die Auslegung des Systems erfolgte vor dem Hintergrund der Kombination mit Ultraschall, wodurch dem Anwender die gewohnte anatomische Orientierung verschafft wird. Für den klinischen Einsatz ist die Abbildungsgüte ein entscheidendes Kriterium. Anhand von Simulationen und der Realisierung eines tomographischen Aufbaus konnten auftretende Artefakte frühzeitig identifiziert, deren Entstehung mathematisch hergeleitet und Lösungsansätze entwickelt werden. Die Algorithmen ermöglichten die Kompensation abweichender Laufzeiten, die aus Wandlerfehlstellungen resultierten, was durch Validierungen am Phantom und am Kleintier bewiesen wurde. Die Bedeutung der Kompensation konnte schließlich in der Umsetzung des ausgelegten Tomographen eingebracht werden. Die Eignung des Systems für die echtzeitfähige, kombinierte photoakustische und Ultraschall-Bildgebung konnte an unterschiedlichen Phantomen eindrucksvoll nachgewiesen werden. Erste in-vivo-Bilder vom menschlichen Finger geben Anlass dazu, dass der Tomograph die frühzeitige Diagnose der Arthritis verbessern könnte.

Photoacoustic tomography is an emerging, high-sensitive modality from which the diagnosis of rheumatoid arthritis might benefit. The disease pattern is characterized by chronic inflammations of the finger joints that might lead to the degradation of cartilage to the immobility of the joints. Hyperperfusion and microvasculature are indications enabling the early diagnosis of the disease. Hybrid photoacoustic excels well-established imaging methods as computed tomography and Doppler imaging by its non-ionizing, user independent and high-contrast nature, especially for blood vessels, and therefore could find its way into clinical routine for the first time with the approach of tomography pursued here. In this work, different detection concepts, transmission strategies and algorithmic challenges of image reconstruction, which are particularly important in tomographic imaging, have been investigated with the aim of a tomograph intended for combined finger imaging. Both the optical and acoustic aspects of photoacoustic tomography were addressed in the investigations. The system was laid-out in consideration of the combination with ultrasound providing the user the accustomed anatomical orientation. For the clinical use of a system the imaging quality is a decisive criterion. By means of simulations and the implementation of a tomographic measurement setup, artefacts could be identified at an early stage, their occurrence mathematically described and solution approaches developed. These algorithms enabled the compensation of deviating time of flights, resulting from positioning mismatches, which was demonstrated by optimized tomographic images of phantoms and small animals. The importance of the compensation was transferred to the implementation of the tomograph. The suitability of the system for real-time, combined photoacoustic and ultrasound imaging was impressively demonstrated on different phantoms. First in-vivo images of a human finger give rise to the fact that the developed tomograph could contribute to the early diagnosis of rheumatoid arthritis.