Positron-Emissions-Tomographie(PET)

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1 Positron-Emissions-Tomographie(PET) Edward Bickmann 6.Juni 2016 Quelle: Emissions-Tomographie 1

2 Übersicht 1. Physikalische Grundlagen: -Zerfälle Annihilation Zyklotronstrahlung /Erzeugung von Radionukliden 2. Szintillatoren Arten/Nachweis von Photonen ->Verstärkung 3. PET Aufbau Detektion/Konfiguration Probleme der Datenerfassung Moderne Systeme Fazit Anhang 2

3 Motivation Lokalisation von Aktivität in Gewebe Darstellung dynamischer Prozesse im Körper(nicht invasiv) Rückschlüsse auf Fehlfunktion von Organen/Gewebe durch Anreicherung von Radionukliden 3

4 PET-Scanner Geschichte erste Ideen im New England Journal 1957 Hal Oscar Anger entwickelt die nach ihm benannte Kamera 1975 erster PET Tomograph 1978 erste kommerzielle PET 1983 Compton Kamera 1990 Verbreitung in alter BRD erweitert 1995 Yu und Nahimas nutzen Cäsium 137 als Tracer 4

5 -Zerfälle einer von 6 verschiedenen Kernzerfällen -Strahlung(Heliumkerne) ( e ), ( e ) -Strahlung Protonen/Neutronenstrahl (Photonen) bei angeregten Kernen n p Quelle: 5

6 A Z X N -Zerfälle Massenzahl Element Ordnungszahl Neutronenzahl A X Z 1 N 1 e -Atomkern wandelt Proton in Neutron um Aussenden eines Positrons und eines Neutrinos e 6

7 Annihilation Schwerpunktsenergie = Ruhemasse beider Teilchen (511 kev pro Teilchen) Teilchen und Antiteilchen löschen sich aus Energie(Photonen) (mit Ѳ=180,zw. Photonen) e e 2 Linienintegrale durch Koinzidenzen der Photonen definiert Radon-Transformation anwendbar 7

8 Radionuklide/Tracer Die häufigsten Radionuklide in der Medizin Nuklid 15 Ο 13 N 18 F 11 C 82 Rb 68 Ga 62 Cu 99m Tc 1 ( Min) , , Halbwertszeit 8

9 Anwendung Radionuklide Radionuklid Biochem. Molekül Zielorgan/Gewebe 18 F m O N C Ga Rb Tc Flourdesoxyglukose Gas Ammoniak Cholin DOTATOC Chlorid Verschiedene Biomoleküle Tumorzellen Lunge Herzmuskel Prostata Bauchspeicheldrüse Herzmuskel Niere, Herz, Leber, Gehirn DOTATOC: Somatostatin-Analogon Quelle: Tomographie 9

10 Zyklotron 24 -E-Feld mit Frequenz f beschleunigt geladene Kerne auf Spiralbahnen -Kollision führt zu Kernreaktionen qb q B R f E 2 m 2m Beispielreaktion: Mg 2 H 22 Na 4 He B q= Ladung des Ions m= Masse des Ions B= Stärke des Magnetfelds R= Bahnradius des Ions f= Frequenz der Wechselspannung E=Energie des Ions Quelle: 10

11 Isotopengenerator Für zu kurzlebige Isotope Grundlage: langlebige Mutterisotope 99m Tc 99 Mo z.b. für, Elutions(Lösungs)-mittel reagiert chem. nur mit Tochterisotop Gebundenes Tochterisotop setzt sich am Boden ab ( 99 1 Mo) 2, 7d 2 11

12 Szintillatoren Stoffe die bei Kontakt mit hochenergetischen Photonen selbst Photonen aussenden( E kleiner) Anorganisch(Kristallin) Kristalle besitzen aktive Zentren(Dotierte Stellen) Freie Elektronen oder Löcher wandern zu diesen nach Ionisation durch Photonen Energieabgabe durch Strahlung Organisch Moleküle floureszieren(abgabe UV-Licht) Wellenlängenschieber nötig 12

13 Anorganische Szintillatoren Stoff r sch (mm) t tot (ns) NaI 30,7 230 CsI CdWO LSO ( Lu4O12Si3) BGO ( Bi Ge ) O12 Bleiwolframat ( PbWO 4 ) 8,7 15 Gesucht: -geringe Totzeit( t tot ) -geringe Schwächungslänge( r sch ) -Resonanz bei E=511keV 13

14 Organische Szintillatoren Gelöst in Toluol(flüssig) Gelöst in Polysterol(plastisch) Nachteil: -geringe Haltbarkeit 14

15 Szintillatoren Aufnehmen sekundärer Photonen mit Photomultiplier(PMT) 15

16 PET-Scanner Aufbau Quelle: 16

17 PET-Scanner Aufbau Quelle: Pat Zanzonico, Positron Emission Tomography: A Review of Basic Principles, Scanner Design and Performance and Current Systems, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York,NY,

18 PET-Scanner Aufbau Quelle: Pat Zanzonico, Positron Emission Tomography: A Review of Basic Principles, Scanner Design and Performance and Current Systems, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York,NY,

19 Noise-Equivalent Count Rate NECR T T S 2 R T=True, S=Scatter, R=Random Qualitätsmaß für PET-Geräte Für 2D Scans: lineare Abhängigkeit zur Aktivität des Radionuklids Für 3D Scans: T,S linear R quadratisch Ideal: NECR 1 Real: NECR < 1 19

20 Detektion Block-Detektor Szintillator mit Fläche: 2*2cm² oder 3*3cm² Dicke:2-3cm Pro Szintillator 2*2 PMTs 20

21 Detektion Quelle: Pat Zanzonico, Positron Emission Tomography: A Review of Basic Principles, Scanner Design and Performance and Current Systems, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York,NY,

22 Detektion Ringdetektoren: Blöcke Schnitte erhöhen Anzahl Bildelemente weniger PMTs PMTs an Kanten mehrerer Szintillatoren(siehe Anhang) Field of View 50-70cm*20-30cm 22

23 Konfiguration Quelle: ge048.gif 23

24 2D PET Ringscanner mit Bleiwänden(Kollimatoren) an Innenseite Random und Scatter- Ereignisse werden reduziert Nachteil: viele True-Ereignisse werden ausgesiebt Geringe Sensitivität für Photonen Entfernen bestimmter Kollimatoren 24

25 2D PET Direkte und gekreuzte Ereignisse sichtbar Vorteil: Weniger True-Ereignisse gehen verloren Nachteil: Sensitivität besitzt Sprünge Auflösung verringert sich Heute: räumliche Auflösung von 5,75mm 0, 58 mm 25

26 3D PET Keine Bleiwände viele Scatter-Ereignisse neuer Algorithmus Schnellere Szintillatoren nötig Nachteil: Sensitivität ähnelt einer Gaußkurve 26

27 Probleme der Datenerfassung Szintillatoren besitzen eine Totzeit (t=6-12ns) Selbst gleichzeitig entstandene Photonen haben Zeitdifferenz(verschiedene Absorptionsgrößen) Ausfälle an PMTs Strukturen in großen Patienten verwischen Ursache: Größere Strukturen(gleiche Auflösung) Erhöhte Streuung/Absorption Totzeit: Zeit in der ein Szintillator keine weiteren Photonen detektieren kann 27

28 Moderne Systeme Fusion von CT(Computertomographie) und PET ermöglicht Strukturen(0,35mm) und dynamische Prozesse gleichzeitig zu erkennen Untersuchungszeit 15-30min Entwicklung um 1995 Erste Geräte um

29 PET-CT Quelle: Fotos/PET-CT_2011.pdf 29

30 Moderne Systeme Gesund PET Bilder eines Herzes Nach Entzündung Nach Infarkt Quelle: SPECT, Klaus Lehnertz, Klinik für Epileptologie Bonn,

31 Moderne Systeme Seit 2007 kombinierte MRT-PET Systeme Keine PMTs sondern Dioden(starkes B-Feld) Keine Hounsfield-Skala notwendig Nicht für Onkologie gedacht 31

32 MRT-PET Links: MRT-Bild, Rechts: Überlagerung MRT mit PET(hier Hirntumor) Quelle: 32

33 Fazit Vorteile: Gute Darstellung dynamischer Prozesse Spezifische Anlagerung möglich Nachteile: Auflösung begrenzt auf 2mm(Reichweite von e in Wasser Weitreichende interdisziplinäre Arbeit Zyklotron muss in Nähe sein hohe Kosten PET: 1500 /Patient MRT: 700 /Patient CT: 150 /Patient 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 34

35 Anhang:Anger-Kamera Quelle: 35

36 Anhang:Compton Kamera Quelle: %20-%20Scintillation/Site-000-Misc/ComptonCamera/compton.html 36

37 Anhang: Szintillatoren Quelle: Molecular Imaging with Positron Emission Tomography, Michael E. Phelps, Department of Molecular and Medical Pharmacy, UCLA School of Medicine, California,