Positronen Emissions Tomographie...

Nuklearmedizinische Bildgebung

Positronen EmissionsTomographie

(PET)


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



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.



1962: Hybrid-PET (2 Reihen a 9 Detektoren, je 3 Detektoren in Koinzidenz mit einem Detektor der gegenüberliegenden Seite)



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



1971-1976: PC-II (Physics Research Lab, U Washington)



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


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.


Positronen-Emissions-Tomographie (PET)PCR-I und II: ringförmige und zylindrische PET



Physics Research Laboratory, Massachusetts General Hospital Division of Radiological Sciences, Massachusetts Institute of Technology



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



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



Elektronische Kollimierung Koinzidenzdetektion

e+

e-

γ

γ

511 keV

511 keV

Koinzidenz(10 - 20 ns)

line o

f resp

onse

(LOR)



echte (A), gestreute (B), zufällige Koinzidenzen (C); Streuung (D)

** *

**

2τ ≈ 10 ns

A

C

BD

Koinzidenzdetektion



idealwahre + gestreute

alle

zufällige

wahre + gestreute

Aktivitätskonzentration [µCi/ml]

Zäh

lrate

[kH

z]



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



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)



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



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



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)



ca. 600 Detektorenauf einem Ringvon 1 m Durchmesser


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


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)


Positronen-Emissions-Tomographie 3D-AkquisitionsmodusUntergrund durch Quellen außerhalb

Gestreute innerhalb

Zufällige von außerhalb

Echte

Gestreute von außerhalb

Kristall

Kristall

Abschirmung


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


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


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)


Positronen-Emissions-Tomographie (PET)Bildrekonstruktion Wahl des Rekonstruktionsfilters



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



Abbildungsfehler

- Linienintegrale von Ereignissen, die nicht durchdas Zentrum gehen, werden immer breiter

- Absorption

- zufällige Koinzidenzen

- Nachweis gestreuter Quanten



Vorteile

- hohe Empfindlichkeit (pmol)

- hohe Spezifität (molekulares Targeting)

- biologisch aktive Substanzen (F-18, C-11)

- keine Beeinflussung des untersuchten Prozesses

- keine toxische Wirkung



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



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



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



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

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