Gerätekunde-Tomographie

Transkript

1 Gerätekunde-Tomographie Inhalt Technologische Konzepte der Tomographie (Emission und Transmission), sowie wichtige infrastrukturelle Komponenten Transmissions CT Detektoren Emissions CT Datenakquisition in SPECT und PET Radionuklid Maßnahmen des Strahlenschutzes Folie 2 1

2 Spiral CT kontinuierliche Rotation von Röhre und Detektor (Schleifringe) dauernde Datenerfassung und übertragung stetiger Tischvorschub verringerte mechanische Belastung des Systems Schicht <1s beliebige Schichtposition Folie 3 Somaton Sensation Cardiac 64 im ZRI des AKH-Linz Gemeinsam mit der FH-Hagenberg schaffte das AKH-Linz im November 2005 ein 64-Zeilen Multislice-CT an. Folie 4 2

3 Gasdetektoren + - Röntgenstrahlung tritt in gasgefüllte Ionisationskammer ein (Xe) Hüllenelektronen herausgeschlagen Hochspannung beschleunigt e - zur Anode Elektrisches Signal proportional zur Strahlung Xe: Edelgas, hohe Massenzahl, hoher Wirkungsquerschnitt Wechselwirkung erhöhen -> hoher Druck, lange Kammer 1mm x 100mm Inhärente Kollimation durch Septen 10kV Folie 5 Halbleiter-Detektor γ-quant Photonen elektrisches Signal CsJ- Szintillator asi- Halbleiter Glassubstrat Im Cäsium Jodid Kristall wird die Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umgewandelt. Die Quantenabsorption ist sehr hoch im Bereich keV. Die Photonen treffen auf die Photodiode auf und werden in ein elektrisches Signal transformiert. Die Zählausbeute des asi ist 100%. asi amorphes Silizium Folie 6 3

4 Multislice CT Mehrere Detektoren schichtweise nebeneinander Simultane Aufnahme mehrerer Schichten moderne Systeme messen 64 Schichten 16 * 0.75 mm slices 16 * 1.5 mm slices Folie 7 Definition der Schichten Blende definiert Schichtdicke Detektormatrix bestimmt Schichten Folie 8 4

5 Radon Transformation Die Information entlang einer Linie im Objektraum wird in einen Punkt im Projektionsraum aufsummiert (Multiplexing). Folie 9 Emissions-Tomographie In der Emissionstomographie wird die Verteilung von radioaktiven Tracern im Körper abgebildet. PET Tumordiagnostik (Akkumulation von Tracer) Metabolismus(dynamische Verteilung des Tracers) Nierenstudien Hämodynamik (Gehirn, Herz) Aufgrund der erzeugten Gammaquanten erfolgt die Unterscheidung zwischen SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) PET (Positron Emission Computed Tomography) Folie 10 5

6 SPECT- γ-kamera Prinzip nach Anger γ-quant emittiert Kollimator grenzt zählbare Ereignisse auf Gerade ein Kristall (NaJ-Szintillator) wandelt γ-quant in Licht um Lichtleiter bringen Licht zu Photomultiplieren (PMT) PMT erzeugen elektrisches Signal und verstärken es Positions-Logik berechnet aus PMT-Signalen (Schwerpunkt) Ort des Zählereignisses Folie 11 Photomultiplier Photon tritt in PMT ein löst Elektron aus Photokathode heraus wird durch Hochspannung beschleunigt schlägt kaskadenartig aus einer Serie von Dynoden Elektronen heraus (Lawineneffekt) Beschleunigung zwischen den Dynoden durch Hochspannung Am Ausgang liegt messbares Signal an. Folie 12 6

7 PMT-Array im Kamerakopf Im hochgeklappten Kopf einer Schilddrüsenkamera sind nach dem Entfernen des Kollimators die Positionen der einzelnen PMTs auf der Kristall-Schutzhülle sichtbar. Folie 13 Projektionen Kameraköpfe rotieren 360 o um den Patienten und detektieren ein Projektionsbild. Folie 14 7

8 Einkopf Kamera Schilddrüden Kamera -kleines Gesichtsfeld -möglichst nahe Positionierung am Patienten Folie 15 Doppelkopf-System zwei Köpfe in 180 o 50% Reduktion der Aufnahmezeit Detektorradien unabhängig voneineander Ganzkörperscan durch lineares Verschieben der Gantry Koinzidenzfunktion (low cost PET) Folie 16 8

9 Dreikopf-Kamera 3 Kamera Köpfe Matrixgrößen: 64, 128, 256 und 512 Positionierung der Köpfe: 90 o und 120 o Dreikopfsystem PRISM-IRIX (Philipps) mit Köpfen in 90 o Stellung Kreis oder Konturscan Typische Parameter für Hirn-SPECT: 128x128, t=30s, 120 Projektionen auf 360 o, Studiendauer 20min Folie 17 Prism-Irix Blick in die Gantry Folie 18 9

10 Kollimatoren Kollimatoren schränken die Richtung der einfallenden g-quanten ein Es werden vornehmlich Quanten normal zur Detektoroberfläche registriert Schief einfallende werden absorbiert Detektormaterial Blei, zwei Bauarten feine Bohrungen Wabenartige Struktur aus Bleiblech -> höhere Quantenausbeute Typen Beispiele: HRLEpar (high resolution low energy parallel) HEGPfan (high energy, general purpose, fan geometry) Folie 19 Kollimatoren Kollimatoren wegen hohen Gewichts auf Kollimatorwagen gelagert. Folie 20 10

11 Moderne Hybridsystem: SPECT+CT kombiniert SPECT/PET Attenuation Correction CT Inherent Image Registration Folie 21 SPECT - Perfusion I SPECT 120 projections/360 degrees 40s / step 128x128 matrix pixelsize 2.33 x 2.33 mm 2 LEUHR-PAR collimator 740 MBq Tc99m MR-FLAIR Matrix 256x256x25, 0.9x0.9x5.5mm 3 coronal transaxial sagittal Folie 22 11

12 SPECT - perfusion II Folie 23 SPECT beta-cit I SPECT: 120 projections/360 degrees 128x128 matrix pixelsize 2.33 x 2.33 mm 2 LEHR-PAR collimator, 185 MBq I123 MR-T2: 336x384x25, 0.6x0.6x6 mm 3 coronal transaxial sagittal Folie 24 12

13 SPECT beta-cit II Folie 25 Technetium Generator 99m Tc am häufigst verwendetes Nuklid in der Nuklearmedizin γ-strahler Energie 140 kev Halbwertszeit ca. 6h Bereitstellung Durch Zerfall des Nuklids 99 Mo wird Technetium generiert Halbwertszeit des Molybdäns ist 66h, daher Transport möglich 99 Mo ist fest am Kunstharzuntergrund fixiert 99m Tc ist wasserlöslich und wird für gebrauch mit HCl- Lösung ausgespült (eluiert) Folie 26 13

14 Technetium Generator HCl-Lösung (nicht strahlend) Eluat (strahlend) 99 Mo auf Substrat 99m Tc Lösung Bleiabschirmung Folie 27 Tc-Generator Detail HCl-Lösung und Eluatseinheit Abschirmung Folie 28 14

15 Tc-Generator Detail Eluatseinheit ohne Abschirmung Andockstelle für Eluatsfläschchen mit Kanülle Aufgesetztes Eluatsbehältnis Folie 29 Tc-Generator Detail Eluierungseinheit mit Abschirmung Abschirmung Folie 30 15

16 Heißer Raum Im heißen Raum werden die Radiopharmazeutika zur Applikation vorbereitet Abzug (Digestivum) Bleiburg mit Tc-Generator Bleikristall- Sichtfenster Folie 31 Strahlenschutz Bleiburg und Spritzenbehälter in den Kameraräumen, Strahlenschutz und Abschirmung gegenüber Akquisition Mobiles Dosimeter, tägliche Kontrolle des Strahlenbereichs Folie 32 16

17 Persönlicher Strahlenschutz Tägliche Messung von Händen und Fußsohlen mit dem Strahlungsmonitor. Kontrolle erfolgt zu Dienstschluss. Messwerte werden protokolliert. Folie 33 Positronen Emissions Tomographie (PET) physikalische Grundlage ist ß + -Zerfall ein Positron wird aus dem Kern geschossen und legt gewebeabhängig eine kurze Strecke zurück Positron trifft auf ein Elektron Annihilation zwei γ-quanten bewegen sich in nahezu 180 o voneinander weg Energie der Quanten entspricht der Ruheenergie der Teilchen (511keV pro Quant, hohe Durchdringungsfähigkeit) inhärente Fehler mittlere freie Wegstrecke des Positrons im Gewebe (z.b. einige mm in Lunge) nicht exakt 180 o zwischen den Bewegungsrichtungen Folie 34 17

18 PET Abbildungsprinzip 1. γ-quant wir in Detektor registriert 2. Zeitfenster τ geöffnet 3. Detektion des zweiten Quants innerhalb τ > Koinzidenz 4. Zählereignis wird Verbindungslinie zugeordnet Effizienzsteigerung: Aufgrund der Geometrie ausgewählte Detektoren werden zur Koinzidenz-messung zusammengeschaltet. Folie 35 Pet-Nuklide Herstellung von ß + -Strahlern durch Kernreaktionen im Zyklotron gebräuchliche Nuklide und Halbwertszeiten 18F : 110 Minuten 11C : 20,3 Minuten 13N : 10,1 Minuten 15O : 2,03 Minuten 68Ga : 68 Minuten 82Rb : 75 Sekunden (für Transport geeignet) FDG Bild des Gerhirns Folie 36 18

19 Detektor-Ring PET PET-Detektorring besteht aus kreisförmig angeordneten Detektorblöcken, üblicherweise werden 4 Ringe aneinandergereiht Detektorblock: 64-Szinitlations-Kristalle gekoppelt mit jeweils 4 PMTs. Kristalle hohen Schwächungskoeffizient -> große Ausbeute Folie 37 Modernes PET-CT Folie 38 19

20 PET-CT PET ist Grundlage moderne Tumor- Diagnostik. Folie 39 PET-CT klinische Studie Schilddrüsenkarzinom 5 Jahre nach der Behandlung Folie 40 20

21 Neueste Entwicklung: Time of Flight (ToF) PET Durch Messung der Zeitdifferenz (Δt= s) in einem Koinzidenzereignis kann das Zerfallsereignis auf einen Bereich von 7.5 cm (roter Bereich) eingeschränkt werden. -> exaktere Rekonstruktion der Verteilung Folie 41 ToF Pet: klinische Daten Abbildung einer Läsion im Vergleich von konventionellem PET und ToF PET. Die Läsion ist im CT klar zu erkennen Folie 42 21