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

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-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

7

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

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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