Single photon emission computed tomography (SPECT) in small laboratory animals has become an integral part of translational medicine. It enables non-invasive validation of drug targeting, safety and efficacy in living organisms, which is progressively gaining importance in pharmaceutical industry.
The increasing demand for efficiency in pharmaceutical research could be addressed by novel multitracer study designs. Multi-isotope multi-pinhole sampling allows validation of multiple tracers in a single experiment and consolidation of consecutive research trials. Due to physical and technical limitations, however, image quality and quantification can be substantially reduced. Advanced corrective procedures are required to establish multi-isotope multi-pinhole SPECT as a reliable and quantitative imaging technique for widespread use.
For this purpose, the present work aimed to investigate the technical capabilities and physical limitations of multi-isotope multi-pinhole SPECT imaging in small laboratory animals. Based on experimental measurements and Monte Carlo simulations, specific error sources have been identified and procedures for quantitative image correction have been developed. A Monte Carlo simulation model of a state-of-the art SPECT/CT system has been established to provide a generalized framework for in-silico optimization of imaging hardware, acquisition protocols and reconstruction algorithms.
The findings of this work can be used to improve image quality and quantification of SPECT in-vivo data for multi-isotope applications. They guide through the laborious process of multi-isotope protocol optimization and support the 3R welfare initiative that aims to replace, reduce and refine animal experimentation.
Die Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT) in kleinen Labortieren hat sich als wichtiger Bestandteil der translationalen Medizin etabliert. Sie ermöglicht die nicht-invasive Validierung der Zielgenauigkeit, Wirksamkeit und Sicherheit von Wirkstoffen in lebenden Organismen und gewinnt zunehmend an Bedeutung in der pharmazeutischen Industrie.
Die Forderung nach mehr Effizienz in der pharmazeutischen Forschung könnte durch neuartige Multitracer-Studien adressiert werden. Die Multi-Isotopen Akquisition mit Multi-Pinhole Kollimatoren ermöglicht die Validierung mehrerer Tracer in einem einzelnen Experiment und die Konsolidierung konsekutiver Bildgebungsstudien. Aufgrund physikalischer und technischer Limitationen ist die Bildqualität und Quantifizierbarkeit bei diesem Verfahren jedoch häufig reduziert. Um die Multi-Isotopen SPECT als zuverlässige und quantitative Bildgebungsmethode für den breiten Einsatz zu etablieren sind komplexe Korrekturverfahren erforderlich.
Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, die technischen Möglichkeiten und physikalischen Limitationen der Multi-Isotopen SPECT-Bildgebung in kleinen Labortieren systematisch zu untersuchen. Mithilfe von experimentellen Messungen und Monte Carlo Simulationen wurden spezifische Fehlerquellen identifiziert und Verfahren zur quantitativen Bildkorrektur entwickelt. Zudem wurde das Monte-Carlo Modell eines neuartigen SPECT/CT-Systems etabliert, um eine Plattform für die in-silico Optimierung von Bildgebungshardware, Aufnahmeprotokollen und Rekonstruktionsalgorithmen zu schaffen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit können die Bildqualität und Quantifizierbarkeit von SPECT in-vivo Daten für Multi-Isotopen Anwendungen verbessern. Sie führen beispielhaft durch den Prozess der Multi-Isotopen Protokolloptimierung und unterstützen die 3R-Initiative mit dem Ziel, experimentelle Tierversuche zu vermeiden (Replace), zu vermindern (Reduce) und zu verbessern (Refine).
