Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Möglichkeiten und Grenzen der Kombination von Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Magnetresonanztomographie (MR), zwei medizinischen Bildgebungsverfahren, die komplementäre in vivo Informationen liefern. Die kombinierte PET/MR-Bildgebung erlaubt es hierbei, die hohe Sensitivität der PET-Technik für die Darstellung von funktionellen Prozessen mit dem hervorragenden anatomischen Weichteilkontrast und den funktionellen Bildgebungseigenschaften der MR-Bildgebung zu verbinden. Dies wurde im Rahmen Arbeit an vier in vivo Studien demonstriert. Diese kumulative Dissertation beruht auf zwei zur Veröffentlichung angenommen Publikationen sowie weiteren noch nicht veröffentlichten Teilen. Durch die kombinierte Untersuchung des Cholinmetabolismus in einem exogenen, orthotopen Gehirntumormodell an Mäusen, konnte mit [11C]Cholin-PET gezeigt werden, dass dieser Tracer vorwiegend Prozesse im Tumor darstellt, die mit dem Zellmembranaufbau einhergehen. Im Gegensatz dazu zeigt die MR-Spektroskopie (MRS) Regionen hoher Cholinkonzentration, die auch durch Prozesse wie Gliose oder die Tumorinfiltration in gesundes Gewebe beeinflusst werden. Beide Verfahren zeigten daher einen Unterschied in ihrer Lokalisation innerhalb des Tumors. Durch Vergleich dieser in vivo Techniken mit ex vivo Methoden wie Histologie, "messenger Ribonucleic acid" (mRNA)-Expression durch "real-time Polymerase Chain Reaction" (rt-PCR) und Sekundärionenmassenspektrometrie konnten wichtige Informationen über die Komplementarität von PET und MR-Signalen gewonnen werden, die in diesem Umfang bisher nicht in der Literatur beschrieben wurden. Das Studium der Gehirnfunktion unter verschiedenen Stimuli ist ein wichtiger Bereich der neurologischen Forschung. Das zur Zeit in Forschung und Klinik etablierte bildgebende Verfahren ist die funktionelle MR-Bildgebung (fMRI), die eine gegenüber Änderungen der Blutsauerstoffsättigung empfindliche Messmethode, den sogenannten Blood Oxygen Level Dependent (BOLD)-Effekt verwendet. Es ist allerdings nicht geklärt wie gut diese fMRI-Methode mit PET-Techniken zur Messung der Gehirnaktivierung übereinstimmen. Deshalb wurde an gesunden Ratten der Glucosemetabolismus mit dem PET-Tracer [18F]2-Fluor-2-desoxy-D-glucose ([18F]FDG) gemessen und dabei simultan mit fMRI der BOLD-Effekt erfasst. Es zeigte sich, dass es zwar in den primären Gehirnaktivierungsarealen eine qualitative Übereinstimmung zwischen beiden Methoden gab, einige andere Gehirnareale allerdings starke Änderungen im [18F]FDG-Signal aufwiesen, die nicht im BOLD-fMRI beobachtet wurden. Dies lässt darauf schließen, dass die BOLD-Signaländerung entweder in manchen Gehirnregionen zu gering oder die Änderungen zu langsam sind, um erfasst zu werden. Es kann auch zu einer Entkopplung von Glucosemetabolismus und sauerstoffabhängigen Signalen kommen. Darüber hinaus identifizierte eine Independent-Component-Analyse (ICA) der dynamischen PET-Daten Regionen im Gehirn, die ein ähnliches Traceraufnahmeverhalten zeigten. Diese Regionen konnten in einigen Fällen denen einer entsprechenden fMRI-Analyse zugeordnet werden. Um schnelle Änderungen der Gehirnfunktion zu erfassen, kann der PET-Tracer [15O)]H2O mit einer Halbwertszeit von 122 s eingesetzt werden. Dieser liefert ein Signal das der Perfusion proportional ist. Bei einem kombinierten PET/MR-Experiment wurde deshalb [15O)]H2O-PET mit BOLD-fMRI verglichen. Ein quantitativer Vergleich ergab einen Ortsunterschied der Aktivierungsmaxima zwischen PET und fMRI von 2.5 +/- 1.4 mm. Die fMRI-Messung zeigte zudem eine höhere Signifikanz der Werte sowie größere, aktivierte Volumina. Die Studie zeigte, dass bei der genauen Lokalisation von Gehirnaktivierungen PET und MR unterschiedliche Ergebnisse liefern, was z.B. für die Planung von operativen Eingriffen wichtig ist. PET/MR bietet auch die Möglichkeit quantitative Messverfahren zu vergleichen. Dies wurde mit Hilfe von [15O)]H2O und Arterial-Spin-Labeling (ASL)-MR in Mäusen erprobt. Simultane Messungen der Gehirnperfusion zeigten hierbei, dass es bei hohen Blutflussraten ab ca. 100 mL/min/100g zu einer Abweichung beider Methoden kommt. Die [15O)]H2O-PETWerte sind hierbei niedriger als die ASL-MR-Perfusionswerte. Die vorliegende Arbeit konnte durch entsprechende Studien erstmals demonstrieren, dass in vielen Fragestellungen PET und MR komplementäre Informationen liefern. Hierfür waren neben der Entwicklung von neuen, kombinierten Aufnahmeprotokollen und Auswertetechniken auch zahlreiche Messungen und die Lösung vieler technischer Herausforderungen notwendig. Neu entwickelte Ansätze benötigen weitere Verfeinerungen und eine breite Anwendung auch außerhalb der Kleintierbildgebung. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass PET/MR ein hohes Potential besitzt, die medizinische Bildgebung in Forschung und klinischer Diagnose zu revolutionieren.
Aim of this work was to evaluate the possibilities and limitations of combined positron-emission-tomography (PET) and magnetic-resonance (MR) imaging, which are two medical imaging technologies revealing complementary information in vivo. Combined PET/MR allows to use the high sensitivity of PET-imaging to depict molecular, metabolic and functional processes in conjunction with the excellent soft tissue contrast and the functional imaging capabilities of MR. The potential applications of combined PET/MR were demonstrated in four different studies. This cumulative dissertation is based on two accepted publications, as well as on further parts that are not published. In the field of oncology a murine brain tumor model was evaluated. Here the aim was to demonstrate the relationship between choline metabolism measurements performed by [11C]choline-PET and choline MR spectroscopy (MRS). In this study it was shown that [11C]choline-PET mainly depicts parts of the tumor tissue with a high choline turnover connected to cell membrane synthesis, wheras the MRS technique yields areas of high endogenous choline concentration, indicating also tumor spread and gliosis. Therefore both methods are in some cases spatially and metabolically complementary. The in vivo imaging data were supplemented by histophathological correlations using immunohistochemistry, messenger riobnucleic acid (mRNA) expression using real-time polymerase chain reaction (rt-PCR) and secondary-ion-masspectrometry. This combination of methods was so far not described in literature and proved the unique potential of combined PET/MR to reveal the multifacetted nature of choline metabolism in tumors. The study of brain function using different stimuli is an emerging field that is not only impacting neuroscience itself but also spreads into multiple disciplines like psychology and other areas. Currently most of the studies to image brain function are performed using functional MRI (fMRJ) utilizing the blood oxygen level dependent (BOLD) contrast. However, only a few studies have so far addressed the interrelationship between BOLD-fMRI and PET imaging. Therefore in healthy rats the glucosemetabolism was assessed during brain activation using the PET tracer [18F]2-Fluor-2-deoxy-D-glucose ([18F]FDG) and at the same time applying BOLD-fMRI. Furthermore, dynamic PET data was evaluated for the first time in small animals using an independent component analysis (ICA). Results yielded regions in the brain, that have a similar PET tracer uptake behaviour. Some of these regions were also identified in an ICA of the fMRI data. These findings indicate the possibility to map functional connectivity inside the brain using PET methods and therefore to depict metabolic networks in the brain. These new findings in the animal brain, were demonstrated for the first time in this work, and show a huge potential in the realm of neuroscience. In a combined PET/MR experiment [15O)]H2O-PET and BOLD-fMRI during brain activation were compared. Qualitatively both methods showed similarities in the identified activated regions in the brain. However when comparing the location of the activation maxima a spatial offset on the order of 2.5 +/- 1.4 mm was found. Moreover fMRI showed in general larger and more statistical significant activations. The spatial offset can be attributed to the different physiological origin of both signals. The [15O)]H2O-PET signal arises from changes in the arterial space as well as capillary bed, whereas the BOLD-fMRI signal, using the gradient echo method is, more weighted towards the draining veins. The offset in statistical significance and volume stems from the fact that a typical fMRI experiment acquires far more imaging data per stimulation condition compared to PET. The results indicate that especially for the planning of surgical interventions in the brain the discrepancies between PET and MR need to be taken into account and can be assessed using combined PET/MR. PET/MR allows also to cross-calibrate different quantitative imaging methods. Perfusion can be assessed on the one hand using [15O]H2O-PET but also on the other hand using arterial-spin-labeling (ASL) MRI. This work was able to show in the respective studies for the first time the potential of combined PET/MR to yield complementary information about metabolism and function. In the field of oncology as well as neurology this work shows results that have not been described so far. Besides the development of novel, combined acquisition strategies and data evaluation techniques this work also required numerous measurements and the solution of many technical challenges, of which some still remain. In general it could be shown that PET/MR has a huge potential to revolutionize medical imaging in research as well as in clinical diagnosis.