Post on 08-Apr-2019
Positron-Emissions-Tomographie(PET)
Edward Bickmann
6.Juni 2016
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Positronen-Emissions-Tomographie
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Übersicht
1. Physikalische Grundlagen:• -Zerfälle• Annihilation• Zyklotronstrahlung /Erzeugung von Radionukliden2. Szintillatoren• Arten/Nachweis von Photonen ->Verstärkung3. PET• Aufbau• Detektion/Konfiguration• Probleme der Datenerfassung• Moderne Systeme• Fazit• Anhang
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Motivation
• Lokalisation von Aktivität in Gewebe
• Darstellung dynamischer Prozesse im Körper(nicht invasiv)
• Rückschlüsse auf Fehlfunktion von Organen/Gewebe durch Anreicherung von Radionukliden
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PET-ScannerGeschichte
• 1951-1953 erste Ideen im New England Journal
• 1957 Hal Oscar Anger entwickelt die nach ihm benannte Kamera
• 1975 erster PET Tomograph
• 1978 erste kommerzielle PET
• 1983 Compton Kamera
• 1990 Verbreitung in alter BRD erweitert
• 1995 Yu und Nahimas nutzen Cäsium 137als Tracer
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-Zerfälle
• einer von 6 verschiedenen Kernzerfällen
• -Strahlung(Heliumkerne)
• -Strahlung
• Protonen/Neutronenstrahl
• (Photonen)
bei angeregten Kernen
)(),( ee
Quelle: https://lp.uni-goettingen.de/get/text/4955
n
p
5
-Zerfälle
6
eN
A
ZN
A
Z eXX
11
-Atomkern wandelt Proton in Neutron umAussenden eines Positrons und eines Neutrinos
ahlNeutronenz
Massenzahl
hlOrdnungsza Element
Annihilation
• Schwerpunktsenergie = Ruhemasse beider Teilchen (511 keV pro Teilchen)
• Teilchen und Antiteilchen löschen sich aus
Energie(Photonen)
• (mit Ѳ=180°,zw. Photonen)
• Linienintegrale durch Koinzidenzen der Photonen definiert
Radon-Transformation anwendbar
2 ee
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Radionuklide/Tracer
Nuklid
2 11 110 20 1,25 68 9,7 360
Ο15 N13C11F18 Rb82
Ga68 Cu62
Tcm99
)(2
1 Min
Die häufigsten Radionuklide in der Medizin
8
eitHalbwertsz2
1
Anwendung Radionuklide
Radionuklid Biochem. Molekül Zielorgan/Gewebe
Flourdesoxyglukose Tumorzellen
Gas Lunge
Ammoniak Herzmuskel
Cholin Prostata
DOTATOC Bauchspeicheldrüse
Chlorid Herzmuskel
Verschiedene Biomoleküle Niere, Herz, Leber, Gehirn
F18
O15
N13
C11
Ga68
Rb82
Tcm99
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Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Positronen-Emissions-Tomographie
DOTATOC: Somatostatin-Analogon
Zyklotron
-E-Feld mit Frequenz f beschleunigt geladene Kerne auf Spiralbahnen-Kollision führt zu Kernreaktionen
Beispielreaktion:
m
qBf
2
m
RBqE
2
222
HeNaHMg 422224
Quelle: http://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/cyklotron02_beweggeladteilch_aus.gif 10
q= Ladung des Ionsm= Masse des IonsB= Stärke des MagnetfeldsR= Bahnradius des Ionsf= Frequenz der WechselspannungE=Energie des Ions
B
Isotopengenerator
• Für zu kurzlebige Isotope• Grundlage: „langlebige“
Mutterisotope• z.B. für , • Elutions(Lösungs)-mittel
reagiert chem. nur mit Tochterisotop
• Gebundenes Tochterisotop setzt sich am Boden ab
Tcm99 Mo99
11
dMo 7,2)(99
2
1
Szintillatoren
Stoffe die bei Kontakt mit hochenergetischen Photonen selbst Photonen aussenden( E kleiner)
Anorganisch(Kristallin)• Kristalle besitzen aktive Zentren(Dotierte Stellen)• Freie Elektronen oder Löcher wandern zu diesen nach
Ionisation durch PhotonenEnergieabgabe durch Strahlung
Organisch• Moleküle floureszieren(Abgabe UV-Licht)Wellenlängenschieber nötig
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Anorganische Szintillatoren
Stoff (mm) (ns)
NaI 30,7 230
CsI 22 800
11 3000
LSO ( ) 12 40
BGO ( ) 11 350
Bleiwolframat ( ) 8,7 15
schrtott
4CdWO
3124 SiOLu
1234 OGeBi
4PbWO
Gesucht:-geringe Totzeit( )-geringe Schwächungslänge( )-Resonanz bei E=511keV
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tottschr
Organische Szintillatoren
• Gelöst in Toluol(flüssig)• Gelöst in Polysterol(plastisch)Nachteil:-geringe Haltbarkeit
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Szintillatoren
• Aufnehmen sekundärer Photonen mit Photomultiplier(PMT)
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PET-ScannerAufbau
Quelle: https://nuserv.uni-muenster.de/minipet/Bilder/PET-schema.png16
PET-ScannerAufbau
Quelle: Pat Zanzonico, Positron Emission Tomography: A Review of Basic Principles, Scanner Design and Performance and Current Systems, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York,NY, 2004
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PET-ScannerAufbau
Quelle: Pat Zanzonico, Positron Emission Tomography: A Review of Basic Principles, Scanner Design and Performance and Current Systems, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York,NY, 2004
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Noise-Equivalent Count Rate
RST
TNECR
2
• T=True, S=Scatter, R=Random• Qualitätsmaß für PET-Geräte• Für 2D Scans:• lineare Abhängigkeit zur Aktivität des Radionuklids• Für 3D Scans:• T,S linear• R quadratisch
Ideal: Real: NECR < 1
1NECR
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Detektion
• Block-Detektor
• Szintillator mit Fläche: 2*2cm² oder 3*3cm²
• Dicke:2-3cm
• Pro Szintillator 2*2 PMTs
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Detektion
21Quelle: Pat Zanzonico, Positron Emission Tomography: A Review of Basic Principles, Scanner Design and Performance and CurrentSystems, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York,NY, 2004
Detektion
• Ringdetektoren: 100-200 Blöcke
• Schnitte erhöhen Anzahl Bildelemente
weniger PMTs
• PMTs an Kanten mehrerer Szintillatoren(siehe Anhang)
• Field of View 50-70cm*20-30cm
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Konfiguration
Quelle: http://www.unige.ch/cyberdocuments/theses2000/ZaidiH/images/image048.gif
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2D PET
• Ringscanner mit Bleiwänden(Kollimatoren) an Innenseite
• Random und Scatter- Ereignisse werden reduziert
Nachteil:
• viele True-Ereignisse werden ausgesiebt
• Geringe Sensitivität für Photonen
Entfernen bestimmter Kollimatoren
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2D PET
• Direkte und gekreuzte Ereignisse sichtbar
Vorteil:
• Weniger True-Ereignisse gehen verloren
Nachteil:
• Sensitivität besitzt Sprünge
• Auflösung verringert sich
Heute:
• räumliche Auflösung von mmmm 58,075,5
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3D PET
• Keine Bleiwände
viele Scatter-Ereignisse
neuer Algorithmus
• Schnellere Szintillatoren nötig
Nachteil:
• Sensitivität ähnelt einer Gaußkurve
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Probleme der Datenerfassung
• Szintillatoren besitzen eine „Totzeit“(t=6-12ns)
• Selbst gleichzeitig entstandene Photonen haben Zeitdifferenz(verschiedene Absorptionsgrößen)
• Ausfälle an PMTs
• Strukturen in großen Patienten verwischen
Ursache:
• Größere Strukturen(gleiche Auflösung)
• Erhöhte Streuung/Absorption
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Totzeit: Zeit in der ein Szintillator keine weiteren Photonen detektieren kann
Moderne Systeme
• Fusion von CT(Computertomographie) und PET
• ermöglicht Strukturen(0,35mm) und dynamische Prozesse gleichzeitig zu erkennen
• Untersuchungszeit 15-30min
• Entwicklung um 1995
• Erste Geräte um 2001
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PET-CT
Quelle: http://www.uniklinikum-saarland.de/fileadmin/UKS/Einrichtungen/Kliniken_und_Institute/Radiologie/Nuklearmedizin/Fotos/PET-CT_2011.pdf
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Moderne Systeme
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Gesund
Nach Entzündung
Nach Infarkt
Quelle: SPECT, Klaus Lehnertz, Klinik für EpileptologieBonn,2016
PET Bilder eines Herzes
Moderne Systeme
• Seit 2007 kombinierte MRT-PET Systeme
• Keine PMTs sondern Dioden(starkes B-Feld)
• Keine Hounsfield-Skala notwendig
• Nicht für Onkologie gedacht
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MRT-PET
Quelle: http://nuklmed.uniklinikum-leipzig.de/nuklearmed.site,postext,pet-mrt,a_id,404.html 32
Links: MRT-Bild, Rechts: Überlagerung MRT mit PET(hier Hirntumor)
Fazit
Vorteile:• Gute Darstellung dynamischer Prozesse• Spezifische Anlagerung möglichNachteile:• Auflösung begrenzt auf 2mm(Reichweite von
in Wasser• Weitreichende interdisziplinäre Arbeit• Zyklotron muss in Nähe seinhohe KostenPET: 1500€/PatientMRT: 700€/PatientCT: 150€/Patient
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e
• Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Anhang:Anger-Kamera
Quelle: http://epileptologie-bonn.de/cms/upload/homepage/lehnertz/NukMed1.pdf
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Anhang:Compton Kamera
Quelle: http://pe2bz.philpem.me.uk/Comm01/-%20-%20Ion-Photon-RF/-%20-%20Scintillation/Site-000-Misc/ComptonCamera/compton.html 36
Anhang: Szintillatoren
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Quelle: Molecular Imaging with Positron Emission Tomography, Michael E. Phelps, Department of Molecular and Medical Pharmacy, UCLA School of Medicine, California,2002