Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Transkript

1

2 Überblick Kernphysikalische Grundlagen und Anwendungsgebiete Detektoren Datenaufnahme

3 PET-Einrichtungen in Deutschland

4 Atomkern und Atomhülle Der Kern besteht aus Nukleonen: Protonen(Z) und Neutronen(N) Die Atomhülle enthält Elektronen elektrisch neutrale Atome: Protonenzahl = Elektronenzahl elektrisch geladene Atome heißen auch Radikale Eigenschaften von Elektronen und Nukleonen Teilchen Ladung Masse[kg] Masse[ MeV ] c 2 e p n

5 Kernzerfälle Q = [m i m f ] c 2 Für spontanen Zerfall: Q > 0 β + -Zerfall p + n + e + + ν e Schwache Wechselwirkung Energiespektrum des Positrons ist kontinuierlich und kann Werte von 0 bis E max annehmen Masse des Mutteratoms muss mindestens 1,022 MeV (2 Elektronenmassen) größer sein, damit β + -Zerfall möglich ist β + -Zerfall konkurriert mit Elektroneneinfang radioaktives Zerfallsgesetz t T 1/2 A(t) = A(0)e ln2 Später von Bedeutung für Herstellung und Wahl der Präparate.

6 Annihilation Positronen verlieren ihre kinetische Energie schnell in Stößen mit Elektronen (Reichweite etwa cm) Kombinierung von Elektron und Positron zu Positronium (Lebensdauer s) Annihilation: Vernichtung des Elektron-Positron-Paares, Erzeugung zweier 511 kev Photonen Elektron und Positron nahezu in Ruhe bei Annihilation Energie und Impulserhaltung Abstrahlung der Photonen in Winkeln von etwa 180

7 Lebensdauer von Radionukliden Radionuklid Lebensdauer Herstellung Reaktion 11 C 20,3 min Zyklotron 14 N(p,α) 11 C 13 N 9,03 min Zyklotron 16 O(p,α) 13 N 15 O 2,07 min Zyklotron 14 N(d,n) 15 O N(p,n) 15 O 18 F 110 min Zyklotron 18 O(p,n) 18 F Ne(d,α) 18 F 68 Ga 68 min 68 Ga-Generator 69 Ga(p,2n) 68 Ge Ge+e 68 Ga+ν e

8 Anwendungen von Radionukliden I Radionuklid Pharmakon Anwendung 18 F Flourdesoxyglucose Tumor, Myokard Flourethyltyrosin Hirntumore Flourethylcholin Prostatakarzinom Flourdesoxythymidin Tumordiagnostik Flourmisonidazol Hypoxie von Tumoren Fluordopa Neurologie Flutemetamol Alzheimer 11 C Cholin Prostatakarzinom 68 Ga 68 Ga-Dotatoc neuroendokrine Tumore 68 Ga-Dotanoc neuroendokrine Tumore 68 Ga-Dotatate neuroendokrine Tumore

9 Anwendungen von Radionukliden II Onkologie Neurologie Kardiologie Pharmaforschung Tumorlokalisierung Tumorwachstumsraten Metastasierung Verlaufskontrolle bei der Therapie Epilepsiediagnostik Alzheimerdiagnostik Schlaganfall/Ischämie funktionelle Bildgebung Durchblutung und Stoffwechsel in Myokard Ischämie Infarktdiagnostik(Vitalitätsstudien) Aufklärung der Wirkungsweise von Medikamenten Entwicklung neuer Medikamente

10 Bestimmung des Wechselwirkungsortes I Detektion der beiden 511 kev Photonen bestimmt nur die Richtung und nicht den Ort der Annihilation Mit Time of Flight (TOF) Messung könnte der Abstand des Annihilationsortes zu den Detektoren bestimmt werden Problem: Zu schlechte Zeitauflösung der Detektoren Ortsauflösung von mehreren cm Aktuelles Forschungsthema

11 Bestimmung des Wechselwirkungsortes II Computed Tomography: Messung von gesamter Radioaktivität auf Linien (Line of Response) zwischen Detektoren unter vielen verschiedenen Winkeln Mathematische Algorithmen zur Bestimmung der Konzentration der Radionuklide

12 Fehlerbehaftete Näherungen I Positronsemissionsort Annihilationsort Die Radionuklide unterscheiden sich in der maximalen Energie ihrer emittierten Positronen Die Häufigkeit der Wechselwirkungen bis zur Annihilation ist energieabhängig, und somit auch die Reichweite der Positronen Reichweiten variieren zwischen 10 3 und 10 4 m

13 Fehlerbehaftete Näherungen II Nicht Kolinearität Aus der Annahme das Elektron und Positron in Ruhe sind bei der Annihilation und aus Energie und Impulserhaltung folgt die Abstrahlung der Photon im Winkel von 180 Da dies nicht exakt der Fall ist variieren die Winkelverteilungen um 180 Beide Näherungen verursachen kleine Fehler gegenüber der Detektorauflösung

14 Positronen Reichweiten der Radionuklide I Y (mm) Y (mm) X Y (mm) X Y (mm) Positronen besitzen in der Regel nur eine Reichweite von wenigen mm in Materie X X

15 Positronen Reichweiten der Radionuklide II

16 Wechselwirkung von Photonen mit Materie I Photoeffekt Photon gibt komplette Energie an Hüllenelektron ab und wird absorbiert Hüllenelektron besitzt nun genug Energie um aus Atom gelöst zu werden σ Z 4 E 3 Comptonstreuung Photon stößt an schwach gebundenem Elektron Aus Energie und Impulserhaltung folgt: E sc = σ Z E m e c 2 me c 2 +1 cos(θ) E

17 Wechselwirkung von Photonen mit Materie II Paarbildung Erzeugung eines Elektron-Positron- Paares E γ >1,022 MeV σ Z 2 ln E Lambert-Beer-Gesetz Wirkungsquerschnitte in Blei I(x) = I(0) e µx µ = µ photo + µ compton + µ pp E γ < 1, 022 MeV µ pp = 0

18 511 kev Photonen Detektoren Anforderungen: Hohe Effizienz für Messung von 511 kev Photonen Je besser die Ortsinformationen des Detektors, desto besser die Ortsauflösung des Bildes kleine Detektorelemente Segmentierung die beispielsweise durch Pulsformanalyse die Gewinnung von Ortsinformationen ermöglicht Gute Zeitauflösung, um Zeitdiffenz zwischen der Detektion von zwei Photonen gut bestimmen zu können und entscheiden zu können, ob das Event als zufällige Koinzidenz gewertet wird. Energieauflösung sollte gut genug sein, um zwischen gestreuten und ungestreuten Events unterscheiden zu können

19 Szintillationsdetektoren I Konvertierung von hoch energetischer Strahlung in Photonen im Bereich sichtbarer Wellenlänge, die dann mit Hilfe von Photomultipliertubes (PMT) als Spannungssignale detektiert werden können. Schnelle Ansprechzeiten kostengünstige Herstellung von großen Volumina Photomultiplier nicht in Kombination mit Magnetfeldern einsetzbar

20 Szintillationsdetektoren II Die relevanten Größen für Szintillatoren sind: Das Bremsvermögen Die Helligkeit, also die Anzahl der emittierten langwelligen Photonen Die Wellenlänge des emittierten Lichts, da Selbstabsorption vermieden werden soll Die Zeitauflösung

21 Anorganischer Szintillator Isolatoren mit Bandlücke zwischen 5-10 ev Fremdatome, sogenannte Aktivatorzentren, generieren zusätzliche Energieniveaus in der Bandlücke Oft reicht die Energie nicht aus, um Elektronen und Löcher vollständig zu trennen und die Elektronen ins Leitungsband zu heben. Dieser Zustand wird Exziton genannt, Elektronen und Löcher driften dennoch durch den Kristall Anregung des Aktivatorzentrums durch Stöße mit Elektronen

22 Szintillator Materialien

23 Photomultipliertube Einfallende γ-quanten schlagen Elektron an Photokathode aus Beschleunigung der Elektronen zur ersten Dynode Elektronen schlagen an der Dynode sekundäre Elektronen aus Beschleuningung zur nächsten Dynode die an höherem Potential anliegt Messung von Spannungssignal an der Anode

24 Quanten Effizienz photo cathode Q.E. λ max

25 Silizium Photodiode und Avalanche Photodiode Quateneffizienz von 60-80% In einem dünnen Stück Silizium wird durch Dotierung ein E-Feld erzeugt Anlegen einer externen Spannung verstärkt Feld Einfallende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare, die zu den Elektroden driften und gemessen werden können Abhängig von der Spannung treten Lawineneffekte auf

26 Blockdetektor 8x8 Segmente in einem Detektorblock über 4 PMTs Unterschiedlich tiefe optisch isolierende Schnitte Individuelle Photonenverteilung für jedes Segment auf die 4 Photomultiplier Sehr gute Ortsauflösung Kosteneinsparungen bei PMTs Fehler verringert sich mit steigender Helligkeit

27 Quadrant Sharing Detektor 8x8-fach segmentierter Detektorsblock auf einem Quadranten von 4 Detektoren weitere Verringerung der benötigten PMT-Zahl

28 Gamma Kamera Prinzip wie bei Blockdetektor, aber keine Segmentierung Nicht nur diskrete Ortswerte

29 Typische Detektor-Setups Meist verwendet: ringförmige Anordnung der Detektoren Zur Kostenminimierung können auch partielle Ringstrukturen unter verschiedenen Winkeln gemessen werden

30 Koinzidenz Detektion Detektion der γ-quanten im Detektor Verstärkung des Signals Überprüfung der Energie im Puls Höhen Analysator Erzeugung eines logischen Signals mit Länge der Zerfallsdauer Verknüpfung von Detektorblöcken mit gegenüberliegenden Detektorblöcken

31 Eventtypen Neben den Fehlern der nicht Kolinearität und Positronenreichweite können auch falsche Annahmen bei der Datenaufnahme für Fehler sorgen: Durch Comptonstreuung im Körper wird Line of Response falsch definiert. Auch zufällige Koinzidenzen können Fehlerquellen bei der Datenaufnahme sein. Finden zeitgleich mehrere Annihilationen statt so kann nicht definiert werden, welche beiden γ-quanten zusammen gehören.

32 Quellen Nuklear Chemie, Uni Rostock Prof. P.Reiter, Physics of Detectors, Uni Köln Univ.Doz.DI.Dr. Manfred Krammer, Detektoren in der Hochenergiephysik, Uni Wien Michael E. Phelps, PET Physics, Instrumentation and Scanners Prof. Dr. rer. nat. Klaus Lehnertz, Physics in Medicine: Physical Fundamentals of Medical Imaging, Uni Bonn Glenn F. Knoll, Radiation Detection and Measurement