Grundlagen der nuklearmedizinischen Tomographieverfahren SPECT - PET

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1 Grundlagen der nuklearmedizinischen Tomographieverfahren SPECT - PET Ziel: Ergebnis: SPECT Single-Photon Emission Computed Tomography Räumliche Verteilung der applizierten Aktivität im Körper oder einzelnen Organen Scheiben von etwa 5 mm Dicke, die in etwa 5x5 mm Pixel aufgeteilt sind. Voxel 5x5x5 mm³ SPECT-Aufnahme In den Einzelaufnahmen 1-5 erscheint die Aktivität jeweils an anderen Stellen und in unterschiedlicher Countverteilung im Bild 1 A 5 Kamerakopf muss mindestens aus einem Winkelbereich von 180 Einzelaufnahmen machen, besser Vor dem Detektorkristall muss sich ein Kollimator befinden, der nur senkrecht auftreffende Strahlen hindurch lässt 1

2 SPECT-Aufnahme (animiert) SPECT-Video aus dem Internet SPECT-Aufnahme Kopf oder 128 Schritte Je mehr Köpfe Aber Kopf 1 Kopf 2 2x 180 nur halbe Schrittzahl Kopf 1 3x120 nur 1/3 Schritte kürzere Aufnahmezeit Gesamt Anforderungen an Homogenität der Köpfe untereinander höher SPECT-Aufnahme in Aktion (Zeitraffer) 2

3 KNuk Uni Rostock Dr. H. Künstner, D. J. Kurth: Unterricht für MTRA SPECT: Aufnahme-Rekonstruktion-Darstellung Darstellung Rekonstruktion Aufnahme Rückrechnung der räumlichen Verteilung der Zerfallsereignisse Erfolgt in Winkelschritten ca. 5 Je Winkelschritt ca. 30 s Aufnahmezeit 3D-Cine Schnittbildserien in 3 Ebenen KNuk Uni Rostock Dr. H. Künstner, D. J. Kurth: Unterricht für MTRA Gefilterte Rückprojektion Berechnung der Aktivitätsverteilung, die die aufgenommenen Einzelbilder erzeugt haben muss. Hierzu später mehr! SPECT: nach Rekonstruktionen Schichtbilder in den Schnittebenen KNuk Uni Rostock Dr. H. Künstner, D. J. Kurth: Unterricht für MTRA 3

4 SPECT: Animierte 3D-Rekonstruktionen Einzelbilder gleichmäßig auf 360 verteilt hintereinander ablaufen lassen SPECT: Animierte 3D-Rekonstruktionen Rekonstruktion und Verknüpfung von 2 SPECT-Aufnahmeserien (Thorax und Abdomen) Artefakte an Verbindungsstelle durch Bewegung des Patienten, aber auch wegen Randbereich Drei-Kopf-Gammakamera für SPECT (und PET) von Philips (Picker) 4

5 Zwei-Kopf-Gammakamera für SPECT/CT Vergleich CT und SPECT (Schwächungskorrektur) ab 5 mm 256x256 Anwendungsgebiete für SPECT 5

6 Gated SPECT Berücksichtigung der Organbewegung Hauptanwendung: Herzuntersuchungen aber auch zur Korrektur der Atembewegungen Gated SPECT Grundprinzip Wie funktioniert s? 1.Frame/Serie1 8.Frame/ Serie1 Zeit für RR-Intervall wird durch Zahl der Frames/Herzschlag geteilt und diese Zeit/Frame für das nächste RR-Intervall verwendet. Auslöseimpulse für Einzelaufnahmen 8.Frame/ Serie Frame/ Serie3 Summen-Frames von Aufnahme 1 + = 8. Frame Aufnahme1 6

7 Hardware-Komponenten für eine Gated-SPECT-Aufnahme EKG-Gerät mit Triggerausgang Kamerakopf Gantry mit Aufnahmeelektronik Aufbereitetes Triggersignal Der Patient steuert mit seinem Herzschlag die Aufnahmeserien der Gammakamera Animierte Schnittdarstellungen des Herzens Animierte 3D-Darstellung 7

8 PET Positronen-Emissions-Tomographie 1. Radioaktives Nuklid, welches Positronen aussendet und in Stoffwechselprozesse eingeschleust werden kann 2. Koinzidenz (Gleichzeitigkeit)- Messverfahren 3. Tomografisches Aufnahme- und Auswerteverfahren (wie bei SPECT) Positronenstrahler Kernzerfall, bei dem ein Positron β + und eventuell ein Gammaquant abgegeben wird. Das Positron wird nach kurzer Zeit annihilieren, d.h. es zerstrahlt gemeinsam mit einem Elektron zu zwei γ-quanten mit je 511 kev. K L M 511 kev 511 kev Positron trifft auf Elektron E = m e *c² z.b.: 18 F (HWZ= 110 min) 68Ga (HWZ= 68 min) 11 C (HWZ=20 min) Nukliderzeugung im Zyklotron Magnetfeld von oben nach unten durch das Zyklotron Ionenquelle Protonen- Strahl 14N Target 11 C α Positronenstrahler für PET-Untersuchungen Hochfrequenzspannung zur Beschleunigung der Ionen (geladene Teilchen) Halbwertszeiten medizinischer Positronenstrahler: 11 C : 20,3 min 13 N : 10,1 min 15 O : 2 min 18 F : 110 min Für zentrale Herstellung ist nur Fluor geeignet! Zyklotron der KNuk produziert seit 2016 eigene Nuklide und Tracer 8

9 Zyklotron der KNuk Gallium-Generator (oben rechts) und Dotatoc-Syntheseeinheit manuell automatisch PET: Entstehung der PET -Quanten C D 150 mm 5 mm B A D A A B schlechte Quanten C D Annihilationsstrahlung Gamma-Quanten mit je 511 kev gute Quanten β + β + β + β C + B Positronenstrahlung β + -Teilchen + - 9

10 PET-Prinzip: Koinzidenzmessung Detektor 1 Detektor 2 Wenn zwei Ereignisse (Lichtblitze von 511 kev-quanten) innerhalb des Koinzidenzintervalls (um 10 Nanosekunden) stattfinden: Koinzidenzzähler erhöhen Koinzidenzfenster ca ns (10-8 s) +1 Koinzidenzmessung Koinzidenz- Zähler Wenn Koinzidenz: Zerfallsort auf Geraden zwischen Detektor 1 und 2 Räumliche Zuordnung der Quelle durch Messung aus verschiedenen Richtungen PET: Gammakamera oder Ringscanner Veraltet! Wird nicht mehr eingesetzt. Gammakamera mit mindestens 2 Köpfen, die für tomographische Aufnahmen geeignet ist Heute nur noch in Verbindung mit CT Ringförmig angeordnete Detektoren PET mit herkömmlicher Gammakamera Kopf1 Kopf2 PET: ohne Kollimatoren 3D mit Kollimatoren 2D Koinzidenzen: Ereignisse, die (fast) gleichzeitig auf beiden Kameraköpfen registriert werden Ursache: Positronenzerstrahlung (Annihilation) Zwei Quanten mit je 511 kev fliegen in genau entgegengesetzte Richtung 10

11 Koinzidenzfehler A B Zufällige Koinzidenz aus Zerfall A und B Echte Streukoinzidenz aus Zerfall in A Echte Koinzidenz aus Zerfall in A Koinzidenzfehler müssen durch verschiedene Maßnahmen möglichst gering gehalten werden: Möglichst kurze Koinzidenzzeit Nachträglicher Einsatz spezieller Filterverfahren Kristall BGO, LSO PET: mit Ring-Scanner (schematisch) Detektorblock SEV Elektronik Ring-Scanner, geöffnetes Gehäuse Meist 3-4 Ringe hintereinander, so dass eine Scannbreite von etwa 15 cm erfasst wird. (z.b. Hirn, Herz: 1 Scan) Komplettes PET-System Problem: Radionuklide, die für Patienten einsetzbar sind, haben kurze HWZ (110 min und weniger) Radiopharmakon kann erst kurz vor Anwendung hergestellt werden Zyklotron oder Großbeschleuniger zur Nukliderzeugung Chemischer Reaktor zur Anbindung des Radionuklids an Pharmakon Applikation Aufnahme PET-Scanner Auswerteplatz Bedienplatz 11

12 PET/CT der KNuk Schwächungskorrektur Wodurch werden die Strahlen unterschiedlich geschwächt? Welche Verfahren können für die Schwächungskorrektur verwendet werden? Unterschiedliche Schwächung der Nutzstrahlung Entstehungsort Detektor Aufnahmeserie Scheinbare Aktivitätsherde Messung der individuellen Schwächung notwendig 12

13 Bestimmung der Schwächungskorrektur I Feststehende Linienquelle/ linear bewegte Punktquelle Kamera-Kopf Kollimator Quelle: 133 Ba 2x 370 MBq HWZ: 10,54 a Energie: 356 kev Beacon-Verfahren Philips An der IRIX-Kamera der Klinik f. Nuklearmedizin Rostock im Einsatz Schwächungskorrekturverfahren I Ausgeklappte Barium- Quellen Beacon-Verfahren Philips An der IRIX-Kamera der Klinik f. Nuklearmedizin Rostock im Einsatz II Schwächungskorrekturverfahren II Feld von Linienquellen Kamera-Kopf Kollimator Quellen: 153 Gd, 2x14 Stäbe 3mm φ, 19 cm lang max. 740 MBq je Stab Gesamt: 2x 3,7 GBq HWZ: 240 d Energie: 100 kev e.cam Profile Siemens 13

14 Countausbeute bei der Messung der Schwächungskorrektur Austrittsfenster und Filterung cps 98% mit 356 kev Quelle cps Alle Energien Patient cps nach dem Patienten Kollimator cps nach dem Kollimator Nur etwa 1/100 der den Patienten treffenden Strahlung führt zur Registrierung Detektion cps (3/8 ) cps (3/4 ) registriert Quelle: Philips PET-CT oder PET-MRT oder SPECT-CT oder. Verknüpfung von stoffwechselorientierter nuklearmedizinischer Aufnahme mit morphologischer Röntgen oder Kernspin-Aufnahme Möglichkeit 1 Möglichkeit 2 Beide Aufnahmen werden unter annähernd gleichen Bedingungen an getrennten Geräten möglichst zeitnah erstellt. Keine zusätzlichen Gerätekosten Fusion der Bilder problematisch Multimodales Gerät erstellt beide Aufnahmen hintereinander, ohne das der Patient das Kamerabett verlässt Kombi-Geräte sind sehr teuer Fusion unproblematisch PET/CT Grundprinzip eines Kombi-Scanners 14

15 PET/CT Beispielgerät CT PET Vom Patienten werden nacheinander, aber ohne das er sich selbst bewegt, ein PET und ein CT erstellt. Beide Tomogramme können dann überlagert werden. Gemini PET/CT von Philips PET/CT Überlagerung von PET- und CT-Aufnahme + = CT PET PET/CT Courtesy University of Essen, Germany 15

16 PET/CT Überlagerung von PET- und CT-Aufnahme PET/CT Überlagerung von PET- und CT-Aufnahme 16