III. Physik/Technik - Klinik für Strahlentherapie

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III. Physik/Technik - Klinik für Strahlentherapie

Physik/Technik

Studentenvorlesung II

Diagnostische Technik in der

Nuklearmedizin

Dr. L.F. Schelper

Klinik für Radiologie und Nuklearmedizin

UK-SH Lübeck


Radioaktivität als Informationsträger und Therapeut I

• Bei sämtlichen Verfahren wird die ionisierende

Strahlung von Radionukliden aus dem menschlichen

Körper genutzt. Genauer:

γ-Strahlung: Ungeladene, massefreie Photonen, Reichweite in

Gewebe und Luft bis zu mehreren Metern.

ß - -Strahlung: negativ geladene und stärker ionisierende Elektronen,

Reichweite in Gewebe im Millimeterbereich ( 131 I).

ß + -Strahlung, positiv geladene Positronen mit einer Rechweite

von wenigen Millimetern im Gewebe.


Radioaktivität als Informationsträger und Therapeut II

• Aufteilung der Nuklearmedizin in 2 Bereiche:

Diagnostik:

– Verwendung von γ-Strahlern (hohe Reichweite zur Detektion

außerhalb des Körpers, geringe Strahlenbelastung).

– Stoffwechselprozese können durch Ortung und Darstellung

(Gammakamera) untersucht werden.

Therapie:

– Stark ionisierende Betastrahlung wird zur Ablation von

Tumorgewebe verwendet.

– Beispiel:

– Therapie der Schilddrüse mit radioaktivem 131 I. Starke

spezifische Anreicherung des 131 I durch die

Natriumiodidpumpe im pathol. Gewebe der SD.

– Geringe Reichweite der stark ionisierenden ß-Strahlung

(max. 2mm) schont umliegendes Gewebe maximal.


Gammakamera

Einzelphotonenszintigraphie

Messkopf

Parallellochkollimator

Gantry

Patientenliege


Einzelphotonenszintigraphie

Parallellochkollimierung

Kollimator lässt nur senkrecht zur Oberfläche

emittierte Photonen durch

Ergebnis ist ein zweidimensionales Projektionsbild

des wahren 3D-Bildes

Umwandlung von 2D auf 3D


Einzelphotonenszintigraphie

Messkopf

Kollimator lässt nur

senkrecht zur Detektoroberfläche

emittierte Photonen

durch (Projektion).

Photonen lösen im Kristall

Lichtblitz aus.

Lichtblitze lösen e - aus der

Photokathode.

e - werden im Photomultiplier (PMT) bechleunigt und verfielfältigt.

Messbares Signal erhält hinter dem PMT eine Ortskoordinate.


Einzelphotonenszintigraphie

Kollimatorentypen

Diagnostische Radionuklide in der Nuklearmedizin senden Photonen zwischen ca.

140 und 511 KeV aus.

Zur Optimierung der Bildqualität gibt es 3 Kollimatortypen in Abhängigkeit

zum Energiebereich der gemessenen Photonen:

LOW ENERGY (LE, ab 140 KeV):

Sehr hohe Auflösung durch viele Löcher, die durch sehr dünne Bleisepten

(Zwischenstege) ermöglicht werden.

– Bei Energien > 170 KeV Septenpenetration (Photonen durchdringen die Septen und verhindern

Parallellochprojektion)

MEDIUM ENERGY (ME, ab 170 KeV):

Aufgrund der höheren Photonenenergie dickere Septen nötig, daher weniger

Öffnungen als beim LE. Hierdurch geringere Auflösung.

– Bei Energien > 300 KeV Septenpenetration

HIGH ENERGY (HE, ab 300 KeV):

Noch dickere Septen und hierdurch größere Löcher. Geringste Auflösung aller

Kollimatoren.


Einzelphotonenszintigraphie

Kollimatorentypen

Weiterhin gibt es noch „Allzweck-Kollimatoren“, die aufgrund ihres

Aufbaus größere Energiebereiche zulassen:

ALL PURPOSE (AP), UNIVERSAL PURPOSE (UP), GENERAL PURPOSE (GE).

Kompromisslösungen, die nicht das Optimum an Bildqualität bringen.

Zum Vgl.: Optimales KFZ-Fahrverhalten kann auch nicht mit Ganzjahresreifen,

sondern je nach Witterung nur mit Sommer- oder Winterreifen erreicht werden.

Herstellungsvarianten:

Gefaltete Bleistreifen

Beispiel: HE-Kollimator

Gebohrte Bleiplatten

Gegossene Kollimatoren

(höchste Fertigungsqualität)


Planare Szintigraphie

Messköpfe stehen fixiert in der

gewählten Messposition.

Akquisitionsbereich auf Größe

des Kameragesichtfeldes begrenzt.

Ergebnis ist eine Aufnahme mit

2d-Information. Geeignet für

kleinere Bereiche.


Planare

Szintigraphie

Lunge


Ganz- und Teilkörperszintigraphie

Messköpfe bewegen sich in

fixierter Position entlang der

Patientenliege.

Akquisition des gescannten Bereichs

in einer Aufnahme.

Ergebnis ist eine Aufnahme mit

2d-Information.


Ganzkörperszintigraphie

Aufnahme

ventral

und

dorsal


Tomographie

Messköpfe rotieren um

Patientenliege.

Kamera akquiriert in 6°-Winkelschritten

Projektionsaufnahmen

an den einzelnen Positionen.

Mittels Rekonstruktionsprogrammen

können Transversal-, Koronal-

und Sagitalschnitte erzeugt

werden.

Ergebnis enthält 3d-Information.


Tomographie

Rekonstruktion

bilden Messsignale an den unter-

Radionuklidanreicherungen

schiedlichen Positionen.

Messergebnisse werden mathematisch in das Zentrum zurückprojiziert

und so das Volumen rekonstruiert.

Bildmodifizierende Filterung optimiert Bildqualität und Erkennbarkeit.


Tomographie

Projektionssequenz aus 60

Winkelpositionen

Koronalschnittebenensequenz


Positronenemissiostomographie

Positronenzerfall

18

F 18 O + ν + e + + Ε kin (0-635 keV)

Positron bewegt sich

0,6–2mm im Gewebe


Positronenemissionstomographie

Elektronische Kollimierung

• Elektronische

Ortsbestimmung

Diametrale Photonenemission

ermöglicht Ortszuweisung auf

Koinzidenzlinie

Echter Zerfall durch Zeitfenster

(5-15 Nanosekunden)

festgelegt

Durch Verrechnung aller Ereignisse

Ortung des Zerfalls

auf Koinzidenzlinie


Positronenemissionstomographie

Koinzidenzereignisse

• „TRUEs“: „Wahres“ Koinzidenzereignis,

stellt das optimale Messsignal dar

(E=511 KeV).

Energiespektrum

• „SCATTERs“: Mindestens ein Photon wird im Körper gestreut (Comptoneff.)

Bei Streuung im Körper wird eine falsche Koinzidenzlinie berechnet

=> unbauchbares Signal, das für eine Erniedrigung des Bildkontrastes sorgt


Photonen verlieren durch Streuung Energie (E unbrauchbares Signal (Kontrasterniedrigung)

Kann durch Verkleinerung des Koinzidenzzeitfensters reduziert werden,

hierdurch aber auch weniger TRUEs. Kompromiss!


[ 18 F]Fluorodeoxyglukose

H

OH

H

OH

HO

HO

H

H

H

O

OH

H

OH

HO

HO

H

H

H

O

F

H

OH

D-Glukose

[ 18 F]FDG

Anreicherung in Gewebe mit erhöhtem Glukose-

Stoffwechsel

Verbleibt nach 1. Phosphorylierungsschritt ohne weiteren

Metabolismus in der Zelle (Akkumulation)

Wird bei onkologischen Fragestellungen und in der

Entzündungdiagnostik eingesetzt.


Positronenemissionstomographie

Gerätetypen // Hybrid-PET (Anger-Kamera)

•Gammakamera mit integrierter

Koinzidenzmesstechnik

•Umbau von der Gammakamera zum

PET durch Austausch der Kollimatoren

gegen Koinzidenzaufsätze

• Vorteil:

• Ein System für Einzelphotonen- und PET-

Messung.

• Kostengünstiger

• Nachteile:

• Für PET suboptimales Szintillationskristall

(NaI)

• Durch fehlende 360°-Messgeometrie sehr

geringe Nachweisempfindlichkeit.

• Geräte werden nicht mehr gebaut,

Konzept hat sich nicht durchgesetzt.


Positronenemissionstomographie

Gerätetypen // Ringtomographen

Älterer Typ

Aktueller Typ

• Tomographen mit 360°-Detektorgeometrie

• Hohe Nachweisempfindlichkeit durch

• Vollringsystem

• Größerer Anteil an Photonen wird detektiert

• Opt. Kristallmaterial (z.B. Lutetium-Oxyorthosilikat, LSO)

• Größerer Photonenanteil wird im Kristall detektiert, da

größere „Stopping Power“

• Geräte werden noch gebaut und verkauft, werden aber

langsam durch „Kombi-Geräte“ abgelöst.

< Es gibt sie für groß und klein >


Positronenemissionstomographie

Messtechnik: 2D und 3D

3D

2D

• 2D-Technik bei den unterschiedlichen Systemen:

Ringtomograph: Bleiringe um den Kristallring

vermindern Photonen aus Bereichen außerhalb des

Gesichtsfeldes (Ringscanner)

Anger-Kamera: Bleisepten im Gesichtsfeld der

Anger-Kamera reduzieren den Anteil ebenso.

Bei 2D begrenzen Bleiabschirmungen

den Winkel

eintreffender Photonen

2D

• Vor- und Nachteile von 2D:

• Kontrastmindernde Photonen aus Bereichen

außerhalb des Gesichtsfeldes (insb. Hirn und Blase)

werden abgeschirmt.

• Anteil gestreuter Photonen („Scatter Fraction“) durch

längere Wege durch den Körper sinkt.

• Nachweiswahrscheinlichkeit sinkt durch Reduktion

der gemessenen Photonen.

• Umsetzung: Ringtomographen messen heute

zumeist mit 3D-, Angerkameras mit 2D-Technik.


Positronenemissionstomographie

Gerätetypen // Kombinationgeräte

•Neue Begriffe in der

Medizin werfen Fragen

auf!

PET- und nicht

PAD-Maschine!!


Kombinationsgeräte

Gerätetypen // PET-CT

Fusion von Funktion und Morphologie bringt stark erweiterte

Diagnosemöglichkeiten.

• Forschungsarbeiten zur Fusion morphologischer CT- mit

funktionsbezogenen PET-Daten seit fast 20 Jahren.

• Ab 1994 Entwicklung vom kombinierten PET- und CT-Geräten

(Townsend und Mitarbeiter).

• 2001 erstes kommerzielles Gerät in Deutschland.

Höchste Zuwachsrate aller medizinischen Großgeräte.

WARUM?


Technik

Aufbau

• Technisch „lediglich“ starre

Kombination von:

CT aus der aktuellen (früher eher

vorhergehenden) Produktlinie im

vorderen Bereich.


Aktuelle Ring-PET-Kamera im

hinteren Bereich


Positronenemissionstomographie

Gerätetypen // Aktuelles PET-CT

CT

PET

• PET dauert etwa 20 Minuten

• CT dauert bis ca. 1 Minute

• Verarbeitung der Daten


Positronenemissionstomographie

Gerätetypen // Aktuelles PET-CT

• Es gibt unterschiedliche Betriebsmodi:

PET alleine

Diagnostisches CT alleine

Diagnostisches PET-CT

– „Vollwertige“ PET- und CT-Daten, auch

zur getrennten Befundung

– Fusion beider Datensätze in sehr guter

Qualität möglich.

– Nachteil: Hohe Dosisbelastung durch CT

PET mit Low-Dose-CT:

– LANDMAPPING: CT-Daten von geringerer

Qualität werden mit den PET-Daten als

„Landkarte“ fusioniert. Niedrige

Dosisbelastung

– Nachteil: CT reicht zur alleinigen

Befundung nicht aus.

• PET-Daten können mit den

CT-Daten schwächungskorrigiert

werden.


Positronenemissionstomographie

Gerätetypen // SPECT-CT

• Technische Kombination von

CT-Gerät und SPECT-Kamera



Doppelkopf-Gammakamera im

vorderen Bereich

CT-Gerät in gewünschter

Ausstattung (X-fach-Zeiler)

dahinter.

• Spect-CT-Untersuchung dauert

etwa 30-45 Minuten.


Positronenemissionstomographie

Beispiele // SPECT-CT

• Knochentumor => SPECT weist stoffwechselaktiven Herd nach

+


Positronenemissionstomographie

Bildbeispiele // SPECT-CT

• Kalzifizierung an

Fraktur


Positronenemissionstomographie

Kombiantionsgeräte

•Vorteile von Kombinationsgeräten gegenüber der Fusion von

Bildergebnisse von Einzelgeräten:

Weniger Fusionsprobleme bei unterschiedlicher Lagerung auf den

Einzelgeräten

Messungen zeitlich fast gleich=> Funktion „passt“ zur Morphologie

Keine umständlichen Körpermarker

Die CT-Daten können zur Absorptionskorrektur der PET- und SPECT-

Daten verwendet werden.

– Tiefer liegende Emissionseregnisse werden im Gewebe eher absorbiert als

solche in der Nähe der Körperoberfläche.

=> Das Körperinnere erscheint durch weniger Ereignisse „dunkler“

– Dies kann durch die Dichtedaten des CTs korrigiert werden.

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