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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen EmissionsTomographie
(PET)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
• Radioaktive Markierung einer biologischen Substanzmit Positronenstrahlern (11C, 13N, 15O, 18F, 30P)
z.B. 15O- Wasser, 18F- Deoxyglukose
• Messung der aus dem Körper austretenden γ-Strahlung
• Rekonstruktion von überlagerungsfreien Schnittbildern
• Quantitative Bestimmung der Aktivitätskonzentration
• Biokinetische Modelle zur Messung von Transport-und Stoffwechselraten
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
1953: erstes klinisches PET (Brownell (links) und Aronow)
Aus: BROWNELL, G.L., W.H. SWEET, Localization of brain tumors with positron emitters, Nucleonics 1953, 11:40-45.
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
1962: Hybrid-PET (2 Reihen a 9 Detektoren, je 3 Detektoren in Koinzidenz mit einem Detektor der gegenüberliegenden Seite)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
1968-1971: PC-I, der erste Tomograph
Brain study using PC-I and 68Ga. Two lines on 2D-image show the levels of tomographic slices. A tumor is clearly observable in the lower transverse slice. Original images were presented by David Chesler at theMeeting on Tomographic Imaging in Nuclear Medicine, September 15-16, 1972
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
1971-1976: PC-II (Physics Research Lab, U Washington)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Top level: A-P anatomical illustration of heart and major vessels (left). Anatomical transverse section at the level shown in left. Lower level: Transverse section image of blood pool using inhalation of 60Co corresponding the image on top right, uncorrected for absorption (left). Same as left with absorption correction (right).
PC-II
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET) PC-II
Brain study using 68Ga-ATP. Lower panel shows 4 tomographic coronal slices and the arrow points the tumor.
Brain study of the normal control patient using 18F 2-fluoro-2-deoxy-D-glucose and PC-II.
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)PCR-I und II: ringförmige und zylindrische PET
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Physics Research Laboratory, Massachusetts General Hospital Division of Radiological Sciences, Massachusetts Institute of Technology
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Physikalische Grundlagen
Positronenemission:Umwandlung eines Protons in ein Neutron unter Emission einesPositrons und eines Neutrinos
p → n + e+ + ν (z.B.: )
Positron/Elektron Annihilation:
Eγ = 511 keV (Energieerhaltung)α = 180° (Impulserhaltung) ∆α = +0,3° (stat. Verteilung
des Restimpuls)
?++→ +eBC 115
116
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
HWZ Emax Rmax Ravg[min] [MeV] [mm] [mm] (in H2O)
11C 20,4 0,97 5,0 0,3
13N 9,9 1,19 5,4 1,4
15O 2,1 1,72 8,2 1,5
18F 109,7 0,64 2,4 0,2
Mittlere freie Weglänge der e+ zum Annihilationsort bestimmt das Auflösungsvermögen der PET
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Elektronische Kollimierung Koinzidenzdetektion
e+
e-
γ
γ
511 keV
511 keV
Koinzidenz(10 - 20 ns)
line o
f resp
onse
(LOR)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
echte (A), gestreute (B), zufällige Koinzidenzen (C); Streuung (D)
** *
**
2τ ≈ 10 ns
A
C
BD
Koinzidenzdetektion
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
idealwahre + gestreute
alle
zufällige
wahre + gestreute
Aktivitätskonzentration [µCi/ml]
Zäh
lrate
[kH
z]
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Koinzidenzdetektion
durch Ausnutzung der Kollinearität (elektronische Kollimierung)keine Bleikollimatoren notwendig
dadurch höhere Empfindlichkeit:Faktor > 1000 gegenüber SPECT (geringere notwendige Isotopenmenge)
intrinsische Auflösung eines Koinzidenzdetektorpaares:- abh. von Größe der Detektoren- entspricht der halben Breite des Detektors
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Szintillationskristalle und Detektoren
gegeben: hochenergetische Strahlung (511 keV)
Anforderungen:
- hohe Dichte und Ordnungszahl(großer Wechselwirkungsquerschnitt für Photoabsoprtion)
- hohe Lichtausbeute(effiziente Diskriminierung gegen Untergrundereignisse)
- hohe Ortsauflösung
- kurze Abklingzeit des Szintillationslicht(Zeitauflösung, Zählratenverhalten (max. 106 Ereignisse/sec) enge Koinzidenzfenster)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Szintillationskristalle
erste PET:Thallium-dotiertes Natriumjodid (NaJ:Tl)hohe Lichtausbeute, Wellenlänge: 410 nm; Szint.-Abklingzeit: 230 ns; Schwächungslänge (511 keV): 30 mm, dadurch geringe Nachweisempfindlichkeit für γ-Quanten (durch dickere Kristalle schlechtereOrtsauflösung)
am häufigsten verwendet:Wismutgermanat (Bi4Ge3O12=BGO)hohe Nachweisempfindlichkeit durch hohe Ordnungszahl; aber nur 15 % der Lichtausbeute von NaJ:Tl; Wellenlänge: 480 nm; Szint.-Abklingzeit: 300 ns; Schwächungslänge (511 keV): 11 mm
seit 1992:Cer-dotiertes Lutetium-Oxyorthosilikat (LSO:Ce)hohe Nachweisempfindlichkeit durch hohe Ordnungszahl; 75 % der Lichtausbeute von NaJ:Tl; Wellenlänge: 420 nm; Szint.-Abklingzeit: 40 ns; Schwächungslänge (511 keV): 12 mm
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Detektoren
− γ-Quant im Kristall: Photoeffekt, Compton-Streuung
- Elektron → Energiedeposition → Szintillationslicht
- Lichtverstärkung durch Photo-Multiplier-Tubes (PMT)
- Signal (Ausgang) ~ Lichtmenge ~ γ-Energie
- Zersägen eines Kristalls in kleinere Einzeldetektoren (6 mm x 6 mm; 4 mm x 4 mm)- Auslesen mit 4 PMTs- Auslegung der Sägeschnitte bestimmt Verteilung des Szintillationslichtes auf PMT (Wägeverfahren)
(dadurch Zuordnung des Einzeldetektors möglich)- Vorteil: dichtere Packung als bei vielen kleinen Kristallen; geringere Anzahl von PMTs;
Größe der Subkristalle bestimmt Ortsauflösung
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Kristallidentifikation (Wägeverfahren; vgl. Anger-Kamera)
X
y
A
C D
B X =
y =
(B+D) - (A+C)(A+B+C+D)
(A+B) - (C+D)(A+B+C+D)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
ca. 600 Detektorenauf einem Ringvon 1 m Durchmesser
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie 2D-Akquisitionsmodus
Trennung der Detektorebenen durch Septen (Wolfram):
- geometrische Kollimierung
- erlaubt Koinzidenzen nur innerhalb einer Detektorebeneund zwischen direkten Nachbarn
- geringer Streuanteil
- geringe Sensitivität
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie 3D-Akquisitionsmodus
Wahlweises Herausnehmen derSepten:
- höherer Streuanteil; Faktor 2-3 (2D)
- höhere Sensitivität; Faktor 5 (2D)
- spezielle Algorithmen für Bild-rekonstruktion notwendig (verschiedene Winkel für Koinzidenzen zugelassen)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie 3D-AkquisitionsmodusUntergrund durch Quellen außerhalb
Gestreute innerhalb
Zufällige von außerhalb
Echte
Gestreute von außerhalb
Kristall
Kristall
Abschirmung
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)Bildrekonstruktion
Projektionen:Messung der Photonenpaare unter verschiedenen Winkeln (typisch: 0 - 256°)
Projektionswerte (primäre PET-Daten): summarische Zählung der im Detektor registrierten Koinzidenz-ereignisse (entlang einer Projektionslinie) innerhalb eines Meßintervalls (sec - min)
⇒ gefilterte Rückprojektion oder iterative Verfahren
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)Bildrekonstruktion
sei P(r,Θ) Projektionswert (wobei Θ = Projektionswinkel und r = tangentiale Zylinderkoordinate senkrecht zur Projektionsrichtung)und sei A(x,y) die gesuchte Radioaktivitätsverteilung im Körperinnern
∫
∫
∫
Θ
Θ
Θ
′−
=Θ=Θ
⋅=Θ
∫⋅=Θ Θ
),(
),(
),(
),(
),(/),(),(
),(),(
),(),( ),(
rL
Korr
rL
rL
dyx
dyxASFrPrP
SFdyxArP
edyxArP rL
l
l
llµ
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)Bestimmung des Schwächungsfaktors SFTransmissionsmessung mit um den Patienten rotierendenPositronenstrahlern
Koinzidenzmethode68Ge Stabquellen
hohe Rate
Einzelphotonenmethode137Cs Punktquelle (662 keV)
abgeschirmt
Beide Verfahren erfordern Leer-Transmissionsmessung (ohne Patient)
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)Bildrekonstruktion Wahl des Rekonstruktionsfilters
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Auflösungsvermögen:
- mittlere freie Weglänge der Positronen (einige mm)
- Halbwertsbreite der Winkelverteilung (180° ± 0,3°)
- Genauigkeit, mit der ein γ-Quant im Detektorringlokalisiert wird
Typische Auflösung heute: 3 mm - 5 mm
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Abbildungsfehler
- Linienintegrale von Ereignissen, die nicht durchdas Zentrum gehen, werden immer breiter
- Absorption
- zufällige Koinzidenzen
- Nachweis gestreuter Quanten
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Vorteile
- hohe Empfindlichkeit (pmol)
- hohe Spezifität (molekulares Targeting)
- biologisch aktive Substanzen (F-18, C-11)
- keine Beeinflussung des untersuchten Prozesses
- keine toxische Wirkung
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Herstellung der Isotope
- Zyklotron (typische Protonenenergien: 10 MeV)
- Kernreaktionen:11B(p,n)11C16O(p,α)13N15N(p,n)15O18O(p,n)18F
- kurze Halbwertszeit erfordert Nähe zum Scanner
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
häufig verwendete Tracer in der Neurologie
[O-15] Wasser Blutfluß
[O-15] Butanol Blutfluß
[F-18] FDG Glukosestoffwechsel
Demenz,Ischämie,Schlaganfall
[F-18] FDOPA präsynaptischedopaminerge Funktion
Parkinson-Krankheit
[C-11] Methionin Aminosäuretransportund Stoffwechsel
Hirntumoren
[C-11] Flumazenil Benzodiazepin-Rezeptor-Darstellung
Epilepsie
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
häufig verwendete Tracer in der Kardiologie
[N-13] Ammoniak Blutfluß
[F-18] FDG Glukosestoffwechsel
[C-11] Acetat Sauerstoffverbrauch
Ischämie,Vitalität
[C-11] Hydroxy-ephedrine (HED)
sympathischeNervenendigungen
Infarkt,DiabetesTransplantation
[C-11] CGP-12177 postsynaptische β-Rezeptoren
Kardio-myopathie
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Nuklearmedizinische Bildgebung
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
häufig verwendete Tracer in der Onkologie
[F-18] Fluoro-Deoxyglucose (FDG) Glukosemetabolismus
[O-15] Wasser Blutfluß
[F-18] Fluoroethyl-Tyrosine (FET) Aminosäuretransport
[C-11] Methionin Aminosäuretransportund Stoffwechsel
[F-18] Deoxy-fluoro-thymidin (FLT) Proliferation
[F-18] Fluoromisonidazol (FMISO) Hypoxie