1. Vorl NM Grundl Teil1 gif SS2013 - uniklinikum-saarland.de · Diagnostik und Therapie...

1

Nuklearmedizin

Einführung

Lehrbücher / Literatur

Nuklearmedizin, Basiswissen und klinische AnwendungHrsg. Harald Schicha, Otmar Schober, 7. AuflageSchattauer Verlag, 2013, ISBN 978-3-7945-2889-9

NuklearmedizinHrsg. Torsten Kuwert, Frank Grünwald,

Uwe Haberkorn,Thomas Krause,4. neu erstelle und erweiterte Auflage

Thieme Verlag, 2008, ISBN 978-3-13-118504-4

Internet: Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizinhttp://www.nuklearmedizin.de/leistungen/lehrangebote/lehrangebote.php?navId=142

Homburger Vorlesungen und Veranstaltungen

Auf der Homepage des Klinikums, EinrichtungenKlinik für Nuklearmedizin

http://www.uniklinikum-saarland.de/de/einrichtungen/kliniken_institute/radiologie/nuklearmedizin/forschung_und_lehre/informationen_fuer_studenten/

Veranstaltung anklicken, dann Zugang mitBenutzername: NuklearmedizinPassword: SS2013

Aus „Medizinische Märchen“„Elektra – ein physikalisch-diagnostischesMärchen aus dem zwanzigsten Jahrhundert“von Ludwig Hopf (alias Philander) 1892

„Wenn es doch ein Mittel gäbe,den Menschen durchsichtig zu machenwie eine Qualle“

Bildliche Darstellung in der Medizin

Moderne Röntgen-Diagnostik

47 jähriger Bauarbeiter

Medical Imaging IVor 500 JahrenAndreas Vesalius (1514-1564)

2

Die Darstellung derAnatomie

ist weniger schwierigals

die Dastellung der Funktion

16. JahrhundertAndreas Vesalius

HeuteG.v.Schulthess

Medical Imaging II Nuklearmedizin - Entwicklung

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

1896 Henri Bequerel:Entdeckung der Radioaktivität in Uran1. März 1896

1895 Wilhelm Konrad Röntgen:Entdeckung der X-Strahlen8.Nov.1895

1898 Pierre and Marie Curie:Identifikation von Thorium, Polonium, Radium

Kernphysik I Kernphysik II

1931 Ernest Lawrence:Zyklotron

1934 Irene und Frederic Joliot:Künstliche Radioaktivität( Bestrahlung von Al mit α Po )

1936 Ernest Lawrence: 32P

1937 Livingood und Seaborg131I

1938 E. Segrè und Seaborg99mTc

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

Nuklearmedizin - Entwicklung Messtechnik und Bilderzeugung1895/6 Film

1925 Geiger-Müller Zähler

1947 Kallmann: Scintillations Kristalle

1947 Hofstaedter: Tl activiertes NaI Kristall

1951 B. Cassen: Rectilinear Scanner

1958 H. Anger: Gamma-Kamera

1963 D. Kuhl: Transaxial tomography

1971 Brownell,Mühlehner,Phelps,Ter-Pergosian: Positronen-Kamera

Hand des Anatomen v. Köllikeraufgenommen von W.C. Röntgen23. Jan. 1896

H.Bequerel

3

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

Nuklearmedizin - Entwicklung Radiopharmazeutika und Tracer

1923 Georg von Hevesey- Blei-Aufnahme in Pflanzen ( Akkumulation )- „Meatpie – story“1911 Rutherford,Manchester

1927 Blumgart and Weiss- examining circulation with Radium

Lernziele – Einführung

Unterschied zwischen einem anatomisch / morpho-logischen und einem funktionellen Ansatz in Diagnostik und Therapie verstehen.

Naturwissenschaftliche Grundlagen undderen Umsetzung / Einsatz kennen

Die Frage beantworten können:

Was ist und was tut die Nuklearmedizin?

RadioaktivitRadioaktivitäätt

Was man verstehen gelernt hat, fürchtet man nicht.

Marie Curie

Bildgebung

Beispiel Sportwagen

Morphe / Gestalt Funktion

4

Verfahren der medizinischen Bildgebung

Ultraschall

MRT

Rö / CT

Nuklearmedizin

Niedrige räumliche Auflösung (Zell-)Funktion

Morphe hohe räumliche AuflösungImaging

Biological Imaging - bildliche Darstellung von Zell- und Organ-Funktion(en) z.B. aktiver Transport über die Zellmembran, aktive Ausscheidung, weitere Zell-Eigenschaften und -Funktionen, Apoptose etc.

Molecular Imaging - Identifikation der Funktion von Zell-Organellen / Bestandteilen,

- Unterfunktionenen z.B. Glukose-Uptake, Reaktion auf Hypoxie, Aminosäure-Transport, DNA/RNA Synthese etc.

die Zelle ist mehr als nur die Versammlung einiger Moleküle

Die Situation in der Klinik:

160943KF

SUVmax = 13.8

FDG PET

Untersuchung der Funktion:

160943KF

SUVmax = 13.8

Funktion: FDG PETAnatomie: CT

Die Situation in der Klinik:Die Antwort durch „Molekulares Imaging“

Nuklearmedizin

Das Gebiet der Nuklearmedizin umfasst dieAnwendung radioaktiver Substanzen undkernphysikalischer Verfahren zur Funktions-und Lokalisationsdiagnostik von Organen, Geweben und Systemen sowie offener Radionuklide in der Behandlung.

Deutscher Ärztetag 2003(Muster-)Weiterbildungsordnung

5

Nuklearmedizin

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

Nuklearmedizin

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

Radar

Ionisierende Strahlung

NMR Nackt-Scanner

Medizinische Bildgebung Nuklearmedizin - PhysikBeim radioaktiven Zerfall entstehende Strahlung:

Photonen-StrahlungGamma-StrahlungRöntgen-Strahlung

Korpuskular-Strahlung

Elektronen ( β- - Strahlung )

Positronen ( β+ - Strahlung )ProtonenNeutronen

He - Kerne ( α – Strahlung )

R L

E = m • cE = m • c22

e -

511 keV

γ511 keV

γ

νe

PN

N

N

N

P

P

PPNN

ßß ++ -- ZerfallZerfall::p p →→ n + en + e++ + + ννee

e+

11--2 mm2 mm

Instabiler Instabiler KernKern

PN

N

N

N

P

P

PPNP

Koinzidenz-Detektor

D1

D2

1818FF--FDGFDG

O

HOCH2

OH

OHOH

18F

Positronen – Emissions – Tomographie ( PET )

Positron-Emitter( Überschussan Protonen )

R L

C 20.4 B 0.96 5.0 0.3N 9.9 C 1.19 5.4 1.4O 2.1 N 1.72 8.2 1.5F 110 O 0.64 2.4 0.2Ga 68 Zn 1.89 9.1 1.9Rb 1.3 Kr 3.35 15.6 2.6

MeVmin mm mm

Positronen-Emitter

Halbwerts-zeit

ProduktMaximale

Energie desPositrons

Max. lineareReichweite

Mittl. lineareReichweite

11

13

15

18

68

82

11

13

15

18

68

82

X Y + β + νAZ

AZ-1

+

Radionuklide – Positronen-Emitter

6

RadionuklideAnforderungen bei dem Einsatz in der

Diagnostik

Reiner γ - StrahlerGeeignete EnergieRel. kurze phys. HWZ ( ~ h )

Diagnostik und TherapieUnbeschränkte VerfügbarkeitLeichte und schnelle ReindarstellungEignung für Synthesen

Therapie

[α / γ] β - StrahlerGeeignete EnergieMittlere phys. HWZ ( ~ h/d )

RadionuklideTechnetium - Generator

Nuklearmedizin

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

Radionuklid

Radiopharmazeutikum

Organ - / Prozess -spezifischer Träger

Tc-99m

J-123

- Phosphonate- Mikrosphären- Perfusionstracer

- Para-Amino-Hippursäure- Meta-Iod-Benzyl-Guanidin- Aminosäuren

+

Radiopharmazeutika

Tracer für in-vivo Untersuchungen

Kurze effektive HWZ ( < phys. / < biol. )

Trägerfrei

Substanzmengen im nmol / pmol Bereich

Biologische Prozesse bleiben unbeeinflußt

Auch toxische Substanzen einsetzbar

Radiopharmazeutika

Anreicherung im Zielorgan

Aktive Aufnahme

Passive Aufnahme

Rezeptorbindung

Kapillarblockade

7

Anforderung einer Untersuchung:

Was tue ich in Abhängigkeit von dem Ergebnis?

Medizinische Diagnostik Medizinische Diagnostik I

Merkmal

Häufigkeit

Medizinische Diagnostik II

Merkmal

Häufigkeit

Entscheidungsschwelle

Gesunde Kranke

FPFN

RPRN

RP – richtig positiv:Untersuchungsbefund weist vorhandene Krankheit nach

RN – richtig negativ:Untersuchungsergebnis schließt Krankheit aus

FP – falsch positiv:Untersuchungsbefund weist nicht vorhandene Krankheit nach

FN – falsch negativ:Untersuchungsbefund weist vorhandene Krankheit nicht nach

Bewertung von Untersuchungsmethoden

Sensitivität = RP/(RP+FN)

Spezifität = RN/(RN+FP)

Genauigkeit = RP+RN/(RP+RN+FP+FN)

Pos. Vorhersagewert = RP/(RP+FP)

Neg. Vorhersagewert = RN/(RN+FN)

Prävalenz = P(K+) / alle Untersuchten

Bewertung von Untersuchungsmethoden

Umgang mit Wahrscheinlichkeiten:- sequentieller Einsatz von Untersuchungsmethodenführt zu einer Verkettung von Wahrscheinlichkeiten(bedingte Wahrscheinlichkeiten)

Bayes Theorem

Bewertung von Untersuchungsmethoden

p(A|B) A unter der Bedingung B

8

Nuklearmedizinische Diagnostik

Verschärfte Unterscheidung pathologischveränderter Funktion von der Norm

Untersuchung vor und nach InterventionKörperliche / pharmakologische Belastung

Erfassung der funktionellen Reserve eines Organs- /Organsystems

Merkmal

Häufigkeit

Entscheidungsschwelle

Gesunde Kranke

FPFN

Belastung

Medizinische Diagnostik III

RPRN

Nuklearmedizin

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

Messtechnik - Gammakamera

Parallel-Loch Kollimator

Blei collimator

Messtechnik - Szintillationsdetektor

9

e-

e-

e-

e-

Szintillatoren

Wenn die emittierten Photonensichtbares Licht …und das Material transparent ist …… =Szintillator

Gammaquant

Gammaquantnach Streuung

Messtechnik - Streustrahlung

y

x

e-

hυ

hυ´

ϕ

δ

Compton Streuung

N

N

N

P

Compton Streung

θ

Recoil Elektron(- Ladung)Ion

(+ Ladung)

Streungswinkel

• Energie des gestreuten Photons ist niedriger• Die Energie Differenz wird auf den Recoil-Elektron übertragen• Er kann weitere Ionisation verursachen

Primärenergie 140 keV Winkel [ O ] res. Energie [ keV ] 10 139,4 20 137,7 30 135,0 40 131,6 50 127,5 60 123,1 ( z.B. Fenster 140 + 10 % = 154 - 126 keV )

Compton - Streuung - quantitativ

Messtechnik - Streustrahlung

Impulse

Energie

Gesamtspektrum

Streustrahlung

1fach

2 fach

3 fach

Energiefenster

Messtechnik - Streustrahlung Nuklearmedizin

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

10

Bilderzeugung: Ganzkörper - Scanner Ganzkörper - Skelettszintigramm

met. Mamma-Ca met. Prostata-Ca

Nuklearmedizin

Biologie

Pharmakologie

ChemieRadiopharmakologie

Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik

Physik - Therapie

Messtechnik & Bilderzeugung

Bilderzeugung: Tomographie

Leber-Szintigraphie einerPatientin mit Mamma-Ca

und Lebermetastasen

τοµη Schnittγραϕω schreiben

Bilderzeugung: Tomographie - Prinzip Bilderzeugung: Tomographische Aufnahme

11

Bilderzeugung: Tomographische Aufnahme

ProjektionsbilderRotierende Gammakamera

Bilderzeugung: Tomographische Rekonstruktion

ProjektionsdatenSinogramm

x

Θ

TomographischeRekonstruktion mit der

gefilterten Rückprojektion

Ergebnis:transversales Schnittbild

Bilderzeugung: Tomographische Ebenen „Die Form folgt der Funktion“

Morphe und Funktion

Zusammenführen komplementärer InformationWarum ? – Die klinischen Probleme

In der Diagnostik und Therapie spezifische Tracer

Je spezifischer ein Radiopharmazeutikum- desto höher der Kontrast, das „target / non target“

Verhältnis- desto niedriger die unspezifische Bindung und - die Information über die Umgebung der

Anreicherung

Zur Lokalisation anatomische Information- unspezifische Bindung- anatomische Bilder ( CT, MRI, US )

„Die Form folgt der Funktion“

12

„Side by side reading“ von NM und CT / NMRUntersuchungen

Fusion mittels Software

Einsatz von Hybridsystemen – Gammakamera mit- Low dose CT- CT- Systemen diagnostischer Qualität- in der Zukunft: NMR Systeme

Die Fusion von Funktion und Anatomie

Wie ? – Die klinische Praxis

Hawkeye® – SPECT-CT System

Transmissions – Einheit

Hawkeye® – SPECT-CT System

R L

Positronen – Emissions – Tomograph ( PET )

Biograph® – PET-CT System

scatter correctionattenuation correction

PET Recon

Spiral CT: seconds CT

CT PET

Survey

WB PET: 10-20 min

PET

CT PET

CT Recon

Fused PET•CT

FUSION

PET•CT scan protocol

R L

Positronen – Emissions – Tomographie ( PET )

13

18-FDG PET-CT 18-FDG PET-CT

18-FDG PET-CT

Nuklearmedizin

Ende der EinführungTeil 1

Fragen?