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.