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Recently the radioactive PET tracer 18F NaF previously used in skeletal imaging found acardiac application it shows uptake in vulnerable high-risk atherosclerotic plaques likely torupture and cause myocardial infarction Subsequent studies revealed that coronary 18F NaFuptake provides a powerful predictor of myocardial infarction fatality in patients with coronaryartery disease PET acquisition times for 18F NaF scans of the coronary arteries however are of the order of half an hour and therefore cardiac and respiratory motion can stronglyaffect the PET image quality These motion artefacts includeblurring of the uptake as wellas misalignment of PET emission data and attenuation correction map Motion compensationapproaches such as motion-gating are limited to plaques withlarge uptakes as they rely on ahigh number of PET counts in the gated data - however the uptakes in the coronary arteriesare small New approaches are needed to make use of all acquired data and motion-correctthem to the right anatomical location while mitigating the artefacts A suitable candidate for the implementation of such techniques is PET MR a hybrid modalityallowing the simultaneous acquisition of the fast high-resolution anatomical images of MRand the complementary metabolic information of PET The overall aim of this thesis wasto use MR-based cardio-respiratory motion correction to improve the visualisation andquantification of coronary plaques imaged with simultaneous 18F NaF PET MR To enhancethe quality of the motion-models a 3D fat-water separation sequence was extended to samplek-space along a novel trajectory that is better suited for cardiac and respiratory resolvedimaging Motion-correction was incorporated into a high-resolution 3D model-based fat-waterseparated MR reconstruction Furthermore a simulation framework for dynamic PET MRdata with motion ground truth information was developed Itwas used to assess the accuracyof synergistic image registration that were employed to generate cardiac and respiratorymotion models The developed techniques were first validated in a stand-alone cardiac MR application wherethey could improve the local sharpness of 3D epicardial fat structures in patients by 40 usingmotion correction Afterwards they were applied to 18F NaF PET MR patients sufferingfrom atherosclerosis In the detected coronary 18F NaF -positive lesions in patients the useof cardio-respiratory motion correction yielded an increase in target-to-background ratio ofup to 14 and an average reduction of plaque width of 23 Furthermore artefacts dueto attenuation misalignment could be mitigated The techniques developed in the scope ofthis thesis could be a step towards more reliable and more reproducible imaging of high-riskcoronary plaques using 18F NaF PET MR They can contribute to an improved diagnosticquality of coronary artery disease and allow for its patient-specific treatment Vor kurzem hat der radioaktive PET-Tracer 18F NaF aus der Knochenbildgebung eine Anwendungim Herzen gefunden er verzeichnet Aufnahme in vulnerablen atherosklerotischen Plaques die mithoher Wahrscheinlichkeit abrei en und potenziell einen Herzinfarkt verursachen Die PET-Aufnahmef r 18F NaF -Scans der Koronararterien ben tigen jedoch eine halbe Stunde oder l nger weshalbHerz- und Atembewegung die PET-Bildqualit t verschlechtern k nnen Zu den auftretenden Bewe-gungsartefakten geh ren eine Unsch rfe in der Darstellung des Tracer sowie ein fehlerhafter berlappvon PET-Daten und der Schw chungskarte Herk mmliche Ans tze zur Bewegunsunterdr ckung wiebeispielsweise das Gating sind auf eine hohe Z hlrate in den aufgenommenen PET-Datenoder einestarke lokale Ansammlung von PET-Tracer im Plaque angewiesen In den Koronararterien sind diesejedoch klein Daher werden neue Bewegungskorrekturverfahren ben tigt die alle aufgenommenenDaten nutzen k nnen und diese in einen Zustand ohne Bewegung zur ckversetzen Eine geeignete Modalit t f r die Umsetzung solcher Techniken ist PET MR ein Hybrid welcherdie gleichzeitige Aufnahme schneller und hochaufgel ster anatomischer Bildgebung von MRund derkomplement ren Informationen ber Stoffwechselprozesse durch PET erm glicht Das bergeordneteZiel dieser Arbeit war die Verbesserung der Darstellung und Quantifizierung von Plaques in denKo-ronararterien durch eine MR-basierte Korrektur der Herz-Atembewegung in simultan aufgenommenen 18F NaF -PET MR Daten Dazu wurde eine MR-Sequenz zur Darstellung von Wasser- und Fettgewebemodifiziert um den k-Raum entlang einer neuen Trajektorie abzutasten welche besser f r diebewegungsaufgel ste Bildgebung geeignet ist Bewegungskorrektur wurde in eine hochaufl sende3D-Modell-basierte Fett-Wasser MR-Rekonstruktion integriert Zudem wurde eine Simulationsumgebungf r dynamische PET MR-Daten mit Ground-Truth Informationen entwickelt Diese wurde genutzt um die Genauigkeit von synergistischen Bildregistrierung zu messen welche zur Erstellung von Herz-Atmungsbewegungs-Modellen eingesetzt wurde Die entwickelten Methoden wurden zun chst in einer eigenst ndigen Herz-MR-Anwendung validiertund verbesserten die lokale Sch rfe von 3D epikardialen Fettstrukturen durch Bewegungskorrekturum 40 Daraufhin wurden die entwickelten Techniken auf 18F NaF PET MR Patienten mitkoronarer Herzkrankheit angewandt Bei den detektierten koronaren 18F NaF -positiven Plaques derPatienten f hrte die Anwendung der Herz-Atembeweguns-Korrektur zu einer Erh hung des Signal-zu-Hintergrund Verh ltnisses um bis zu 14 und zu einer durchschnittlichen Reduktion der Plaqueweiteum 23 Zudem konnten Artefakte aufgrund von fehlerhafter Schw chungskorrektur verringert werden Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Techniken k nnten ein Schritt zu einer zuverl ssigerenund reproduzierbareren Bildgebung von Hochrisiko-Plaques in den Koronararterien mittels 18F NaF-PET MR sein Sie k nnen einen Beitrag f r eine verbesserte Diagnose und Therapiekontrolle liefern und die individuelle Behandlung von Plaques erm glichen DFG 289347353 GRK 2260 BIOQIC - Biophysikalisch fundierte quantitative Bildgebung f r die klinische Diagnose

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Imaging vulnerable coronary plaques using 3D motion-corrected simultaneous PET/MR / Bildgebung koronarer Hochrisiko-Plaq...

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