Kurzfassung
Röntgenfluoreszenz-Bildgebung (RFB) ist eine vielversprechende Methode für funktionale Bildgebung mit potentiellen Anwendungen im Bereich Tumorerkennung, Zellverfolgung und Pharmakokintetik. Bei der Bestrahlung von Materie mit einem externen Röntgenstrahl werden Fluoreszenzphotonen im Röntgenbereich emittiert, die charakteristisch für die elementare Zusammensetzung sind. Dieser Mechanismus erlaubt funktionale Bildgebung, in dem nicht-endogene mittel- oder hoch-Z Elemente als Marker verwendet werden.
Eine Herausforderung bei diesem Prinzip ist die Trennung zwischen Fluoreszenz- von Untergrundphotonen, die hauptsächlich durch Comptonstreuung entstehen. Um die höchste Sensitivität in RFB zu erreichen, ist daher ein mono-energetischer Röntgenstrahl nötig, weshalb ein Synchrotron die ideale Quelle ist. Allerdings müssen die speziellen Eigenschaften einer Synchrotronanlage bei der Planung des RFB-Experiments berücksichtigt werden.
In dieser Arbeit werden eine Reihe von Pilotstudien durchgeführt, mit dem Ziel alle benötigten Aspekte zu verstehen und optimieren, um durch RFB am P21.1 Messplatz des PETRA III Synchrotrons in-vivo Immunzellen zu verfolgen. Zusätzlich wird eine neue Methode zur dreidimensionalen Rekonstruktion der Fluoreszenzmarkerverteilung untersucht, durch die die Strahlendosis reduziert werden kann. Durch Kombination dieser Studien wird gezeigt, dass Organkonzentrationen bis 650 ng/ml mit einer in-vivo konformen Strahlendosis detektiert werden können, wordurch es ermöglicht wird, gleichzeitig mehrere Zellarten zu verfolgen.
X-ray-fluorescence imaging (XFI) is an emerging functional imaging modality promising benefits for tumor detection, cell-tracking and pharmacokinetics. When matter is irradiated by an external x-ray beam, fluorescence photons in the x-ray regime characteristic for the elemental composition are emitted. By using non-endogenous high- or medium-Z elements as markers, this principle can be employed in a functional imaging modality. One challenge in this method is separating the fluorescence photons from background events, mostly created by Compton scattering. For achieving the highest sensitivities in XFI, a mono-energetic incident beam is thus needed, making synchrotrons the ideal x-ray source for XFI. However, the special characteristics of a synchrotron beamline have to be taken into account for the design of the experimental setup. In the scope of this thesis, a series of pilot studies were performed to understand and optimize all aspects required to apply the principle of XFI to synchrotron-based in-vivo immune cell tracking at the P21.1 beamline at the Petra III synchrotron. Furthermore, a new reconstruction method is investigated which allows to reduce the radiation dose of three-dimensional spatial imaging of the fluorescence marker distribution. Combining the results, three-dimensional reconstruction of organ concentrations down to 650 ng/ml at in-vivo conform radiation levels are achievable, promising to allow tracking multiple types of cells simultaneously.