Ziele des medizinischen Teils der Vorlesung Nuklearmedizin und Nuklearmedizinische Messtechnik 1 und 2

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1 Ziele des medizinischen Teils der Vorlesung Nuklearmedizin und Nuklearmedizinische Messtechnik 1 und 2 Kennenlernen der häufigsten nuklearmedizinischen Untersuchungen und Behandlungen Besprechen häufig auftretender Krankheiten des Menschen Einführung in die medizinische Terminologie Hinweise auf andere bildgebende Verfahren F.D. Maul 1

2 Definition der Nuklearmedizin Die Nuklearmedizin umfasst die Anwendung radioaktiver Stoffe in der Medizin einschließlich den diese Anwendungen betreffenden Strahlenschutz auf den Gebieten der In-vivo Diagnostik (Anwendung am Menschen) In-vitro Diagnostik (im (Reagenz-)Glas, Labordiagnostik) Therapie Unterschied zur Diagnostik mit Röntgenstrahlen: - Die Strahlung läßt sich nicht an- oder abschalten wie eine Röntgenröhre F.D. Maul 2

3 Einige historische Daten zur Nuklearmedizin 1896 Entdeckung der Radioaktivität durch H.A.Becquerel 1923 radioaktive Markierung zu einer biologischen Untersuchung (G.CH. von Hevesy) 1928 Geiger-Müller-Zählrohr 1936 erste Radionuklid-Therapie mit 32 P 1938 Herstellung des künstlichen Radionuklids 99 Tc 1938 Herstellung des künstlichen Radionuklids 131 I 1938 erste Schilddrüsendiagnostik mit 131 I 1942 erste Therapie einer gutartigen Schilddrüsenerkrankung mit 131 I 1946 erste Therapie einer bösartigen Schilddrüsenerkrankung mit 131 I 1948 Entwicklung des NaI-Detektors 1958 erste Gamma-Kamera (H.O.Anger) 1962 Entwicklung des 99 Mo/ 99m Tc-Generators 1975 Einführung der Positronen-Emissions-Tomographie F.D. Maul 3

4 Prinzip der nuklearmedizinischen invivo Diagnostik Anwendung radioaktiver markierter Tracer (Spurensubstanzen), die sich gesunden oder kranken Geweben spezifisch anreichern Dadurch, daß nur Spurenmengen von Substanzen verwendet werden, kommt es mit wenigen Ausnahmen zu keinen Nebenwirkungen (pharmakodynamischen Effekten) Da die benutzten radioaktiven Stoffe spezifische Funktionen (Schlüsselfunktionen) oder ihre Störungen (pathophysiologische Auswirkung) darstellen spricht man auch von Radioindikatoren F.D. Maul 4

5 Nuklearmedizinische Messsysteme Aktivimeter Nach dem Prinzip einer Ionisationskammer gebaut Bei regelmäßiger Kallibrierung für verschiedene Radionuklide dient es der Messung der zu applizierenden Aktivitäten Bohrloch NaI-Kristall mit zentraler Bohrung um ein Reagenzglas aufnehmen zu können, zur Aktivitätsmessungen von Aktivität in Körperflüssigkeiten oder bei Laboruntersuchungen Sondenmessplatz Kollimierter NaI-Detektor für die flächenhafte Aktivitätsmessung ohne Abbildung Gamma-Kamera mit Kollimator (Lochblende) versehener Großflächendetektor zur flächenhaften Darstellung einer Aktivitätsverteilung im Körper mit Ganzkörperzusatz SPECT-fähig PET Vollringdetektoren zur Messung von 511 kev Photonenstrahlung, die von Positronenstrahlern ausgehen (2 Photonen, die in einem Winkel von 180 von ihrem Entstehungsort ausgehen und in Koinzidenz gemessen werden) F.D. Maul 5

6 Qualitätskontrolle nuklearmedizinischer Messsysteme Ist durch die Richtlinie Strahlenschutz in der Medizin verbindlich festgelegt Umfasst im einzelnen Backgroundmessung Kontrolle der Fensterlage Ausbeute Abbildungseigenschaften wie Homogenität und Liniarität Center of rotation bei SPECT-Akquisition Muss regelmäßig durch einen Medizin-Physik-Experten überwacht werden F.D. Maul 6

7 Die häufigsten Untersuchungen der Nuklearmedizin Die 4 häufigsten Untersuchungen in der Bundesrepublik (Praxen und Kliniken) 1) Schilddrüsenszintigraphie 51% Skelettszintigraphie 28% Myokardszintigraphie mit Belastung 7% Nierenfunktionsszintigraphie 4% Die häufigste PET-Untersuchung Onko-PET mit 18 F-Fluor-2-desoxy-D-glukose (FDG) 1) Prozentangaben nach Daten von 1992 (alte Bundesländer). Insgesamt 2,3 Mill. nukl.-med. Unters./Jahr. Das entspricht 35 Patienten/1.000 Einwohner. Davon waren 77% älter als 40 Jahre F.D. Maul 7

8 Andere in die Routine eingeführten Bildgebende Verfahren in der Medizin Ultraschall Sehr gute Bed-side Methode Sehr leistungsfähig bei speziellen Fragen Hohe Auflösung bei oberflächennahen Befunden, schlechtere Auflösung bei tief liegenden Befunden Keine Strahlenexposition! Konventionelles Röntgen, Angiographie und Digitale Subtraktionsangiographie (DAS) Bilder mit sehr hoher Auflösung aber der Überlagerung unterschiedlicher anatomischer Strukturen Kontrastverstärkung durch Gabe spezieller Röntgenkonstrastmittel Durch Einbringung von Kontrastmitteln in Gefäße (Angiographie und DSA) Minimierung des Überlagerungseffektes zur Gefäßdarstellung CT Hohe Auflösung Kontrast dichteabhängig. Muß ggf. durch Kontrastmittel verstärkte werden MRT Darstellung von Stoffverteilungen auf der Basis von physikochemischen (Nuklearmagnetische Resonanz) Es lassen sich unterschiedliche Kontrasteigenschaften bei guter Auflösung erreichen Keine Strahlenexposition! F.D. Maul 8

9 Nuklearmedizinische Untersuchungsverfahren Sondenmessung zur Funktionsdiagnostik oder Dosimetrie Planare Szinigraphie: flächenhafte Darstellung einer Aktivitätsverteilung (eines radioaktiven Tracers) im Körper Sequenzszintigraphie: Erfassung dynamischer Verteilungsvorgänge durch schnelle sequentielle Akquisition planarer Einzelszintigramme mit Aufnahmezeiten im Sekunden- bis Minutenbereich Ganzkörperszintigraphie: Ausweitung der Aktivitätsdarstellung auf den gesamten Körper durch speziellen Zusatz SPECT: überlagerungsfreie schichtweise Darstellung einer Aktivitätsverteilung im Körper durch die Akquisition planarer Aufnahmen vieler Projektionen (z.b. 128) eines Körperabschnittes und anschließender Bildrekonstruktion PET: Detektion von 2 entgegengesetzt laufenden Gammastrahlen nach Positronenzerfall durch Koinzidenzmessung in einem ringförmigen Detektor F.D. Maul 9

10 Die am häufigsten benutzten Tracer in der Nuklearmedizin 99m TcO I 99m Tc-Phosphonate 99m Tc-Sestamibi 99m Tc-Tetrofosmin 201 Tl-Clorid 99m Tc-MAG 3 18 F-F-deoxyglukose Äquivalent für die Iodidaufnahme in die Schilddrüse direkte Darstellung des Iodstoffwechsels zeigen die Knochenerneuerung (-umbau) korreliert mit der Durchblutung des Myokards korreliert mit der Durchblutung des Myokards korreliert mit der Durchblutung des Myokards bis 30 min p.i. spiegelt die Vitalität des Myokards wieder ab 3 h p.i. spezifische Aufnahme und Elimination durch die Tubuluszellen der Niere zur spezifischen Messung von Nierenpartialfunktionen FDG ist derzeit der wichtigste PET-Tracer F.D. Maul 10

11 Planare Szintigraphie ohne Quantifizierung Farbverlauf: Sollte immer mitabgebildet werden Ziel der planaren Szintigraphie: biologische Charakterisierung von Gewebeeigenschaften. Bei Schilddrüsenszintigramm mit 123 I oder 99m Tc z.b. ist der heiße Knoten eine gutartige zur Überfunktion führende Neubildung. Bei kalten Knoten handelt es sich bei 5% um bösartige Schilddrüsentumore F.D. Maul 11

12 Bedeutung der Farbe bei szintigraphischen Darstellungen Graustufenbild Topographie und Morphologie Farbbild Intensität des Prozesses F.D. Maul 12

13 Planare Szintigraphie mit Quantifizierung Ziel: Einfache In-vivo Quantifizierung von Organfunktionen Die 123 I/ 99m Tc-Aufnahme in die Schilddrüse (Thyroid Uptake) ist eine charakteristische in-vivo Funktion. Sie hängt von der Stimulation bzw. dem Blutspiegel des Hormon TSH (Thyroidea stimulierendes Hormon) ab. Unter Berücksichtigung beider Funktionsparameter kann unabhängig von dem szintigraphischen Bild diagnostiziert werden, ob eine Autonomie der Schilddrüse vorliegt und wie relevant sie ist. Dabei handelt es sich um die Krankheit die am häufigsten zu einer Überfunktion führt F.D. Maul 13

14 Sequenzszintigraphie Venöser Abfluß Dynamische Szintigraphie von Aktivitätsverteilungen, die sich in einer charakteristischen Weise ändern können. Hier als Beispiel der erste Einstrom des Tracers in den Schädel und das Gehirn von der Seite. Es bildet die Perfusion ab und wird bei szintigraphischen Untersuchungen als Zusatzinformation benutzt. Oft kann ein einziges Szintigramm aus einer Sequenz zur Beurteilung völlig ausreichen, wie an dem Beispiel rechts dargestellt. Es zeigt die tumortypische Hyperperfusion (grüner Pfeil) eines Osteosarkoms (vor allem im Kindesalter vorkommender Knochentumor) F.D. Maul 14

15 Funktionsszintigraphie (Quantifizierung der dynamischen Szintigraphie) Ziel: quantitative Bestimmung von regionalen Clearance- oder Eliminationsfunktionen hier am Beispiel der seitengetrennten Nierenclearance. Die Auswertung erfolgt durch das Generieren von Zeitaktivitätskurven über ausgewählten Regionen (Regions of interest, ROI s). Hier am Beispiel einer kindlichen Harnstauungsniere. Die rote Kurve repräsentiert die linke Niere und zeigt eine ansteigende Aktivität, weil der Harn nicht aus dem Nierenbecken abfließen kann. Es handelt sich um eine Harnstauungsniere. Günstigerweise ist in diesem Falle die Clearancefunktion, die sich in dem ersten Kurventeil niederschlägt, ist noch nicht beeinträchtigt F.D. Maul 15

16 Ganzkörperszintigraphie pathologischer Befund Keine weiteren pathologische Befunde im Skelett Ziel: Suche nach Krankheitsherden im ganzen Skelett. Dies Ziel setzt eine hohe Empfindlichkeit der Methode voraus. Pathologische Befunde müssen weiter abgeklärt werden F.D. Maul 16

17 Ganzkörperszintigraphie Ventrales und dorsales Ganzkörperszintigramm in 2 unterschiedlichen Scalierungen Ein Normalbefund Am häufigsten wird die Ganzkörperszintigraphie im Rahmen der Skelettszintigraphie durchgeführt, die mit knapp 30 % aller nuklearmedizischen Untersuchungen, die 2. häufigste szintigraphische Untersuchung ist F.D. Maul 17

18 Ganzköper-Skelettszintigraphie Beispiel eines metastasierenden Prostata-Ca Häufige Indikationen Suche nach Skelettmetastasen Suche nach entzündlichen Veränderungen des Knochens und/oder der Gelenke F.D. Maul 18

19 SPECT ohne Quantifizierung SPECT Planare Szintigraphie transversal coronal bzw. frontal Ziel: überlagerungsfreie Darstellung in mehreren Ebenen. Die planare Szintigraphie ist detailreicher. Durch die Überlagerung verschiedener Strukturen ist die Beurteilung aber beeinträchtigt F.D. Maul 19

20 Myokardszintigraphie als häufigste SPECT- Untersuchung Max. Belastung Ruhe Die Indikation der Myokardszintigraphie ist der Nachweis einer durch eine Belastung induzierbaren Ischämie. Bei dieser Indikation ist 99mTc-MIBI oder Tetrofosmin am besten geeignet, weil es mit einer niedrigeren Strahlenexposition verbunden ist. Ca. 7% aller nuklearmedizinischer Untersuchungen F.D. Maul 20

21 SPECT mit Quantifizierung am Beispiel der Myokardszintigraphie als Funktionsbilder dargestellte relative Quantifizierung Zunahme der Aktivität in Ruhe Darstellung der Umverteilung im Myokard zwischen Belastung- und Ruheuntersuchung. Belastung Ruhe Differenz Ziel: relative!! Quantifizierung der regionalen Aktivität. Die Höhe der Aktivität ist farbkodiert.die Säulen rechts entsprechen der Auswertung der Perfusionsreduktion in verschiedenen Myokardregionen. So kann der Unterschied zwischen Ruhe und Belastung erfasst werden F.D. Maul 21

22 Abbildungseigenschaften von PET und SPECT am Beispiel eines metastasierenden Carcinoids PET mit FDG SPECT mit mibg Die PET verfügt über eindeutig bessere Abbildungseigenschaften als SPECT. Die Darstellung der Befunde ist kontrastreicher und schärfer. Außerdem steht mit FDG ein PET-Tracer zur Verfügung, der von mehreren malignen Tumoren stark angereichert wird F.D. Maul 22

23 PET ohne Quantifizierung mit FDG Herz Blase Ziel: Suche von auch kleinen Herden mit biologisch spezifischen Tracern im ganzen Körper. Wenn Herde gefunden werden, können sie gezielt mit bildgebenden Verfahren untersucht werden. Die vielen Herde außer Herz und Blase sind Metastasen (Tochtergeschwülzte) eines malignen Tumors F.D. Maul 23

24 PET mit Quantifizierung Vor Behandlung Nach 6 Zyklen Dieser Herd nimmt trotz Behandlung in seiner Aktivität zu. Man spricht von einem mixed SUV: 4,0 response. Dies erfordert ein neues Therapiekonzept. Die Änderung kann SUV: 8,2 quantitative erfasst werde. Dieser Herd bleibt verschwunden Ziel: Exakte Quantifizierung in-vivo. Ist in dieser Form derzeit nur mit PET F.D. möglich Maul 24

25 Die häufigsten nuklearmedizinischen Therapien Radioiodtherapie benigner Schilddrüsenerkrankungen Radioiodtherapie maligner Schilddrüsenerkrankungen Radiosynoviorthese (Behandlung entzündlicher Gelenkerkrankungen) palliative Schmerzbehandlung von Skelettmetastasen 1992 wurden in der Bundesrepublik (alte Bundesländer) 1/2000/a Behandlungen durchgeführt F.D. Maul 25

26 Radioiodtherapie einer Autonomen Struma vor Radioiodtherapie nach Radioiodtherapie Obwohl scheinbar nur wenig autonomes Gewebe vor der Therapie speichert, ist die Iodaufnahme vor der Therapie (ITU 3,8%) höher, die Schilddrüse ist aktiver und führt zu einer Schilddrüsen-Überfunktion. nach Radioiodtherapie F.D. Maul 26

27 Maximale Reichweite der ß - -Strahlung bei 131 I Autonomes Gewebe Das gesunde Gewebe kann sich nach der Radioiodbehan dlung wieder erholen Das gesunden Gewebe wird bei der Radioiodtherapie geschützt, weil die Reichweite der Beta-Strahlung begrenzt ist. Die Anteile der Schilddrüse, die nicht erkrankt sind, nehmen nach der Behandlung ihre Funktion wieder auf. In der Skizze ist das gesunde, durch eine Überfunktion des autonomen Gewebes vor der Radioiodtherapie unterdrückte (Suppression) Gewebe geschützt, weil es kein Iod aufnimmt. Das autonome Gewebe ist in der Skizze rot dargestellt F.D. Maul 27

28 Prinzip der nuklearmedizinischen Therapie Selektive interne Bestrahlung von Geweben und Organen zur Funktionsreduktion, Organverkleinerung oder Tumorverkleinerung bzw. Tumorvernichtung Unter Benutzung radioaktiver Stoffe die mit einer möglichst hohen Selektivität in bestimmten Organen oder in Tumorgewebe stark angereichert werden (z.b. 131 I bis zu 50igfach in der Schilddrüse). Benutzenung von Beta-Strahlern oder zukünftig Alpha- Strahlern, um eine möglichst lokale Strahlenbelastung der Zielgewebe zu erreichen F.D. Maul 28