Nuklearmedizin. Gegenstand: Diagnostik und Therapie durch die Verwendung von radioaktiven Isotopen

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1 Nuklearmedizin Gegenstand: Diagnostik und Therapie durch die Verwendung von radioaktiven Isotopen Literatur: Morneburg, Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, Publicis MCD Verlag, München, 1995 Grimsehl, Lehrbuch der Physik - Band 4,Teubner, Leipzig, 1988 Stierstadt, Physik der Materie, VCH, Weinheim, 1989 Gerthsen, Physik, Springer, Berlin, Heidelberg,

2 radioaktiver Zerfall: Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich durch Aussendung von Energie (EM-Strahlung, Partikel) spontan umzuwandeln. Der Zerfall kann physikalisch oder chemisch nicht beeinflußt werden. Aktivität (A): Ist die SI-Einheit der Radioaktivität. [A] = Becquerel = Bq = Zerfall/s Die alte Einheit war das Curie ( 1 mci = 37 MBq ) Isotope: Atome gleicher Kernladungszahl (Z), aber verschiedener Massenzahl (A, A = N + Z). Z = const. A = varia z.b. 1 H Wasserstoff 2 H Deuterium 3 H Tritium (radioaktiv) Isobare: Atome gleicher Massenzahl. A = const. 2

3 Isotone: Atome gleicher Neutronenzahl (Z), aber verschiedener Massenzahl (A, A = N + Z). N = const. Isomere: Atome gleicher Kernladungs- und Massenzahl, die sich aber in unterschiedlichen Energiezuständen (angeregten Zuständen) befinden. Isomere gehen durch Aussendung von Strahlung in einen stabileren Zustand über. z.b. 99m Tc -> 99 Tc + γ (140 kev) α Zerfall: α : Z A A- 4 M-> Z - 2 T+2 4 He 4 He = a - Teilchen 2 - Heliumkerne - sehr geringe Reichweite - starke Wechselwirkungen mit Materie 3

4 β - Zerfall: β : Z A M-> Z +1 A T+b - +n b - = Elektron n = Elektronenantineutrino - geringe Reichweite -Wechselwirkungen mit Materie β + - Zerfall: β + : Z A M A -> Z - 1 T+b + +n b + = Positron n = Elektronenneutrino - Umwandlung 4

5 γ -Strahlung: γ: Am Z M-> A Z T+γ -durchdringt Gewebe -geringe Wechselwirkungen Elektroneneinfang: A EC: Z M+eHülle - -> A Z- 1 T + γ e - = Hüllenelektron k Hülle γ = charakt. Strahlung k -durchdringt Gewebe -geringe Wechselwirkungen 5

6 Nuklide für Diagnostik und Therapie: Nuklid E γ (kev) HWZ Zerfallsart 99m Tc h isomer d EC, Te (k Strahlung) 123 I 131 I 364 8,05 d β - mit γ Anteil 111 In 201 Tl 171, 245 2,8 d EC, Cd (k Strahlung) 135, d EC, Hg (k Strahlung) 11 C 20 min 13 N 15 O min 2 min β + Vernichtungsstrahlung 18 F 110 min Das Zerfallsgesetz: Radioaktive Elemente (Radionuklide) werden neben der Zerfallsart durch die Zerfallskonstante charakterisiert. Die Konstante kann von außen nicht beeinflußt werden. Die Zerfallswahrscheinlichkeit λ ist nur äbhängig von der Zeit. D. h.: dn/dt = λ N Zerfälle pro Zeiteinheit Anzahl der vorhandenen Kerne 6

7 Das Zerfallsgesetz: ln(n) N 0 0,5 N 0 N(t) N(t) = N 0 exp( -λt) N 0 -Anzahl der Kerne bei t=0 λ - Zerfallskonstante 0 T 1/2 t Üblicherweise wird die Halbwertszeit T 1/2 angegeben. Die physikalische Halbwertszeit: 1/2 = N(t)/N 0 = exp( -λt) ; t = T 1/2 T 1/2 = 1/λ *ln (2) <- Tabellierter Wert!! N(t) = N 0 exp[ (ln(2)*t) / T 1/2 ] Die Halbwertszeit nennt man auch die Lebensdauer eines Teilchens oder Zustandes. 7

8 physikalische Halbwertszeit vs. biologische Prozesse gegeben: physikalische HWZ bekannt Messung: Welche HWZ wird gemessen? 1 T eff. 1 = T nat. 1 + T biol. T eff. T = T phys. phys. T + T biol. biol. Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie Korpuskularstrahlung: - Ionisation - Anregung für Therapie Photonenstrahlung: - Photoeffekt - Comptoneffekt - Paarbildung für Diagnostik 8

9 Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie Photoeffekt: Photon trifft Hüllenelektron und gibt sein Energie an das Elektron ab. E ph > E B, e so verläßt das Elektron die Hülle als freies Photoelektron Comptoneffekt: Streuung eines Photons an einem Hüllenelektron. Energieübertag an das Elektron Paarbildung: bei Photonenenergien > 1,022 MeV Enstehung von e - /e + Paaren inverse Prozeß: Vernichtungsstrahlung E γ (kev) 99m Tc 131 I 18 F 9

10 Meßaufgabe Energieselektiver Nachweis der aus dem Patientenkörper stammenden γ-strahlung bei maximaler Unterdrückung von Fremdstrahlung (Stör- und Streustrahlung -> Untergrundstrahlung) Bei moderner Diagnostik soll dieser Nachweis in seiner örtlichen Verteilung und zeitlichen Dynamik erfolgen. -> Bildgebende Systeme Meßgeräte zum Nachweis ionisierender Strahlung 1. Ionisationskammer 2. Geiger-Müller-Zähler 3. Halbleiterdetektoren 4. Szintillationszähler Gasdetektoren Festkörperdetektoren Bei der Strahlungsmessung werden die folgenden Eigenschaften der Strahlung genutzt: Ionisation und Anregung 10

11 Ionisationskammer + Q I - Q U I Impuls-Spannungskennlinie für Gasdetektoren Proportionalzähler Geiger-Müller-Zähler Ionisationskammer 11

12 Szintillatoren - Nutzen die Emission von Licht aus der Spur eines ionisierenden Teilchens. - Die Emission erfolgt, wenn ein angeregtes Atom oder Ion in den Grundzustand zurückfällt Szintillatoren sind: NaJ(Tl), CsI, bestimmte Kunststoffe(Plexiglas) organische Flüssigkeiten (Toluen) In der Nuklearmedizin verwendet Materialien Dichte λ Abklingzeit Ausbeute [NaJ(Tl)=100] NaJ(Tl) 3,67 410nm 230ns 100 GSO 6,71 430nm 60ns 20 BGO 7,13 480nm 300ns 12 LSO 7,4 40ns 75 Photoverstärker (Sekundärelektronenvervielfacher) - Photon trifft Photokathode - äußerer lichtelektrischer Effekt - Elektronen werden zw. Photokathode und elektronischer Linse beschleunigt & fokussiert - Beschleunigung der Elektronen im elektr.feld zw. den Dynoden U - beim Aufschlagen auf das Dynodenmaterial werden weitere Elektronen freigesetzt (Sekundärelektronen) 12

13 Draufsicht auf einen Kamerakopf NaI(Tl)-Kistall SEV s Anger-Kamera Signalverteilung 13

14 Ortung nach Anger Meßanordnung Leuchtdichte Summensignale der SEV s Der Kollimator Ist eine Gesichtsfeldblende, welche die Projektionseigenschaften bestimmt. 14

15 Abbildungseigenschaften verschiedener Kollimatoren a Parallelloch, eng kollimiert b Parallelloch, weit kollimiert c divergenter Kollimator d konvergenter Kollimator Diagnostische Verfahren Sonden Kamera PET-Scanner statisch: Schilddrüsen -Uptake Probenmessungen planar statisch SD Ganzkörper Lungenventil. SPECT statisch Hirn, Herz Tumor, etc. statisch: Tumordiagnostik getriggert: Herz Hirnperfussion dynamisch: Hirnperfussion Herz-EF Nierenfunktion dynamisch Nierenfunktion RNV getriggert Herz 15

16 Kenngrößen für ein Gammakamerasystem - Gesichtsfeld -> Kollimator und Kristallgröße - Energiebereich/-auflösung -> Kolli, Abschirmung, Elektronik - Ausbeute -> Kristalldicke/-material, Kolli - Auflösung -> Kristalldicke/-material, Kolli - Homogenität -> differentielle und integrale -Linearität -> Abbildung einer Linienquelle - Zeitauflösung -> Totzeit des Systems - Abbildungsmaßstab -> Abstand zw. Punktquellen - Matrixgröße/Pixelgröße -> Rasterung der Detektorfläche - Rastermaßstab -> x/y Verhältnis eines Pixels - Ausgabemaßstab des Dokumentationssystems -> Abstand zw. Punktquellen auf Film oder Ausdruck Wie werden diese Parameter gemessen? Bleiabschirmung radioaktives Präparat Messung - Homogenität Kupferplatten 5 x max(ufov) ca. 2 x UFOV intrinsisch - ohne Kollimator Abstand ca. 5 x max(ufov) Quelle: ca MBq Tc-99m Gammakamera 16

17 Homogenitätsbilder vor Homogenitätskorrektur nach Homogenitätskorrektur Maßzahlen - Homogenität Integrale Homogenität : Integral Uniformity = ± 100* ((Max - Min) /(Max + Min)) Differentielle Homogenität: innerhalb einer 5er Umgebung wird spalten- und zeilenweise die größte Differenz zwischen zwei Pixeln gesucht. Differentiellel Uniformity = ± 100* ((Max - Min) /(Max + Min)) Die Werte werden für CFOV (Central Field of View) und UFOV (Useful Field of View) angegeben. 17

18 Messung der Intrinsische Auflösung und Linearität 30mm UFOV CFOV Mittelschlitz im UVOF Schlitzweite 1 mm Der Kristall wird durch eine Schlitzmaske abgedeckt. Messung der Linearität x-richtung y-richtung Angegeben wird die absolute (in Pixel) und die differentielle Linearität (in Prozent) über das gesamte UFOV für x- und y-richtung. 18

19 Linearität einer Angerkamera ohne Linearitätskorrektur mit Linearitätskorrektur Linearität einer Angerkamera keine Linearitätskorrektur inhomogene Pixelung des Detektors 19

20 Intrinsische Auflösung Maximum Peakwert FWHM (Full Wide at Half Maximum) Halbwertsbreite 0,5 Peakwert A E B FWTM (Full Wide at Tenth Maximum) Zehntelwertsbreite 0,1 Peakwert C D Zeitauflösung 1. minimale Dauer eines Frames (dynamische planare Studien) 2. Todzeitmessung 20

21 SPECT Auflösung Draufsicht Systemachse der Rotation 50 mm 50 mm 75 mm Patientenliege Punktquellen Glaskapillaren 3 Punktquellen, davon: 1x im COR (Center of Rotation) 2x exzentrisch Seitenansicht Patientenliege SPECT Auflösung zentral tangential radial tangential SPECT Auflösung wird bezüglich des verwendeten Kollimators angegeben. Die Auflösung wird gemessen in zentraler, radial und tangential Richtung. radial 21

22 Abbildungsmaßstab Quotient aus: Abstand zweier benachbarter Peaks im Szintigram dividiert durch den Abstand der Maskenschlitze Der Quotient wird angegeben in Pixel/mm. Matrix-/Pixelgröße Matrix: unterteilt das gesamte UFOV in n x m Pixel Pixelgröße: Kantenlängen eines Pixels Rastermaßstab wird angegeben als Verhältnis der Pixelkantenlängen x-richtung/y-richtung 22

23 Ausgabemaßstab Umrechnungsfaktor zwischen: - einem definierten Abstand im FOV der Kamera und - dem zugehörenden Abstand in der Dokumentation Der Ausgabemaßstab wird als dimensionslose Größe angegeben. (z.b. 5:1; 5 cm Abstand im FOV entsprechen 1 cm im Ausdruck) Phantom Ein Modell, welches bestimmte Eigenschaften (Aktivitäts- und Dichteverteilungen) der Realität definiert nachbildet. 23

24 Bleistreifenphantom 4,0 mm 4,8 mm 7,9 mm 6,4 mm Jaszek Phantom 24

25 Hoffman-Brain-Phantom 25

26 3D-Hoffman-Brain-Phantom Thorax-Phantom 26

27 Herzeinsatz für Thorax-Phantom füllbare Defekte 27

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29 (Z) 99m Tc 43 Z /N = 1 Z/N < 1 Isobare Isotope Isotone (N) 29