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Jorge Cabello Nuclear Medical Imaging Basics...Cherry, Sorenson, Phelps: Physics in Nuclear Medicine 1980 Scintillation Detector –Ideal Spectrum 6/6/2016 37 Technische Universität

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Nuclear Medical Imaging Basics

Jorge Cabello

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• Basic Nuclear Medicine

• Detectors

• Gamma Camera, SPECT

• Positron Emission Tomography

• Multimodal Imaging

• Biokinetic Modelling

6/6/2016 2

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• Basic Nuclear Medicine

• Detectors

• Gamma Camera, SPECT

• Positron Emission Tomography

• Multimodal Imaging

• Biokinetic Modelling

6/6/2016 3

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Aims of Nuclear Medicine

• Diagnostics

Visualisation and quantification of biochemical

processes (metabolism, receptor binding…) in vivo

• Therapy:

Treatment of pathologic processes based on selective

accumulation in body tissues

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Principles of Nuclear Medical Diagnostics

• Tracer principle

Radiopharmaceuticals are distributed, metabolized or excreted in

the organism according to their structure

• Representation of body functions by:

– Images

– Numerical data

– Graphs

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Radiation

Source

Radiology

Contrast between tissues with

different densities for x-rays,

e.g. lung vs. bone.

Detector

Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine

6/6/2016 6

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Nuclear Medicine

Detector

Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine

6/6/2016 7

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Nuclear Medicine

Detector

Activity distribution equivalent

to distribution of the injected

substance.

Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine

6/6/2016 8

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Radiation

Source

Detector

Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine

6/6/2016 9

Radiology

(Transmission imaging)

Nuclear Medicine

(Emission imaging)

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Radiopharmaceuticals

• Selection of the pharmaceutical according to the organ-

specific question

• Labelling of pharmaceuticals with radioactive isotopes

External detection possible

• Radiopharmaceuticals must not affect the metabolism

6/6/2016 10

[18F]Fludeoxyglucose

Glucose analog

Developed in 1976

Used in PET in 1980

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Types of Radiation – Range in Tissue

Energy Range

α some MeV < 1mm

β 100 keV – 1MeV ~ some mm

γ 100 keV – 500 keV < some cm

116/6/2016

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Isotopes for Nuclear Medical Imaging

Nuclide Half Life Type Energy [keV]

99mTc 6 h γ 140

201Tl 73 h γ 70

123I 13 h γ 159

131I 8 d γ 364

18F 110 min e+, γγ 511

6/6/2016 12

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Typical radioligands

Radioligand Target18F-FDG Glucose consumption (cancer, dementia…)

68Ga-PSMA Prostate cancer

18F-FET Aminoacid transporter (glioma grading)

18F-DOPA Dopamine transporters (Schizophrenia, Parkinson)

18F-FMISO Hypoxia (cancer cells resistance)

11C-PIB Fibrillar amyloid-beta (Aβ) plaques (Alzheimer)

99mTc-HMPAO Cerebral blood flow

99mTc-Sestamibi Myocardial perfusion

123I/131I-MIBG Neuroendocrine or neurological tumors

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Locked metabolism

[18F]FDG

ASTPS

MAb, Fragmente

Hormone

Drugs

Peptide

Internalization

AS Transport

Protein synthesis

Target Structure

Immune response

Anti-Gen Strategie,

DNA - Synthese

Catecholamine

Transport

Receptors

Red.DNA-S

HED

Extracellular

structure

Transport

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Underlying physics…

• Physical interactions of radiation

– Photoelectric absorption

– Compton scattering

• Nuclear detector

– Scintillators

– Photodetectors

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Interaction of Gamma Quanta with Matter

Gamma energy in nuclear medicine:

Compton scattering and photoelectric effect

Interaction depends on:

• Energy Ehν of gamma quantum

• Density ρ of material

• Atomic number Z of material

• Thickness D of material

6/6/2016 16

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e ee

ee

eee

ee

Energy of gamma quantum gets absorbed

Gamma Radiation – Photoelectric Effect

6/6/2016 17

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34

hE

A

Z

Photoelectric Effect

6/6/2016 18

τ: probability of absorption

ρ: Material density

Z: Atomic number (number of protons)

Ehν: Photon energy

A: Atomic weight

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Parts of -energy are transferred to the electron

-quantum changes energy and direction

e

e

e

Gamma Radiation – Compton Scattering

6/6/2016 19

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hEf

A

Z

Compton Scattering

6/6/2016 20

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Compton Scattering - Angular Distribution

6/6/2016 21

Klein-Nishina formula

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Impact of Photoelectric and Compton events

on image resolution

Stickel PMB 2004

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Probability of γ Interaction with Matter

6/6/2016 23

Diagnostic

Lead

NaI

Tissue

Photo effect

Compton effect

Gamma Energy [keV]

Ato

mic

Num

ber

Z

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µm = + Attenuation coefficient photo effect:

Attenuation coefficient Compton effect:

Cherry, Sorenson, Phelps: Physics in Nuclear Medicine 1980

Attenuation Coefficient

6/6/2016 24

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conduction band

activator level (doping)

valence band

activator ground level

Gap (Eg>5eV)

Scintillation Crystals – Inorganic Crystals

Electron ionizes electron hole pair hole ionizes

activator, electron “drops“ into activator activator

deactivates by emission of a photon (10-7 sec)

6/6/2016 25

phe-Light photons

e-

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Scintillation Crystals

PropertyNaI BGO LSO GSO

NaI:Tl Bi4Ge3O12 Lu2SiO5:Ce Gd2SiO5:Ce

Density (g/cm3) 3,67 7,1 7,4 6,7

Effective Z 51 73 65 59

Attenuation length at 511keV (mm) 29,1 10,4 11,4 14,1

Light yield (photons/MeV) 41000 9000 26000 8000

Decay time (ns) 230 300 40 60

Emission (nm) 410 480 420 440

6/6/2016 26

Lu-176 (2,6%): + >350 keV: ~100/sec per cm3

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1 cm

light sensitive

cathode

anodeHV

Photomultiplier

6/6/2016 27

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LSO BGO

Hamamatsu Photonics

Quantum Efficiency Photomultiplier

quantalight#

electronsphoto#QE

6/6/2016 28

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Kristall

photomultiplier

electronslight

γ

electrical signal

crystalTl doped

sodium iodide(NaI)

Scintillation Detector

energy ~ light quantity ~ signal height

6/6/2016 29

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γ

Scintillation light

NaI-Crystal(40 cm x 40 cm)

Light guide

Photomultiplier

Position,

Energy

Gamma Camera – Anger Principle

6/6/2016 30

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• High efficiency(>85%)

• Good energy resol. (<15 keV fwhm)

• High spatial resol.

• (<4 mm)

• Small costs(<€15/cm2)

• “Short” deadtime(<2000 s cm2)

*Image courtesy of L. Shao, Philips Medical Systems

ScintillationCrystals(NaI:Tl)

Photomultiplier

At 140keV (99mTc):

SPECT Detector Requirements

6/6/2016 31

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ideal

intrinsic

crystallight guide

photomultiplier

Source position

PM

T S

ignal*

Gamma Camera – Linearity

6/6/2016 32

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(about 30000 pulses per second)

Without homogeneity

correction matrix

UFOV Integral 6,17%

CFOV Integral 5,25%

UFOV Differential 4,46%

CFOV Differential 4,46%

6/6/2016 33

99mTc Point Source

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Klinikum rechts der Isar

(about 30000 pulses per second)

With homogeneity correction

matrix

UFOV Integral 2,49%

CFOV Integral 2,44%

UFOV Differential 1,99%

CFOV Differential 1,99%

99mTc Point Source

6/6/2016 34

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ADC

ADC

ADC

ADC

ADC

ADC

ADC

ADC

integration time,

X-Y,

linearity correction,

energy discrimination

X Y

collimator

NaI crystal

light guide

photomultiplier

with preamplifier

digital

pulse processing

6/6/2016 35

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γ γ

γ

Crystal

γ

Light quantity

γ

Scintillation Detector – Deposited Energy

6/6/2016 36

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Cherry, Sorenson, Phelps: Physics in

Nuclear Medicine 1980

Scintillation Detector – Ideal Spectrum

6/6/2016 37

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primary

scattered

all

Abundance

Gamma Camera – Energy Spectrum

6/6/2016 38

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Klinikum rechts der Isar

Energy Window – 99mTc Sphere Phantom

6/6/2016 39

140 keV (15%)

Events: 100%

104 keV (20%)

Events: 35%

Matrix: 128x128

Pixel size: 3,8mm

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Klinikum rechts der Isar

Gamma Camera – H. Anger 1964

6/6/2016 40

Crystal

Collimator Photomultiplier

Position

Energy

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Collimator – Limiting ComponentSeptum thickness depends on energy and attenuation coefficient

6/6/2016 41

Principle

SeptaCrystal

γ

γ

Lead collimator, several

hundreds holes

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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Collimator – Resolution Sensitivity

6/6/2016 42

crystal crystal crystal

e.g.: length 35 mm, distance 1.5 mm, thickness 0.2 mm

more events

or

higher resolution

signal to noise

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Planar Scintigraphy

Detector size ca. 50 cm x 60 cm

ca. 60 photomultiplier tubes per

detector

Energy resolution:

< 10% @140 keV

Intrinsic spatial resolution:

3.5 - 4 mm

Extrinsic spatial resolution

(Collimator): 8 - 20 mm

6/6/2016 43

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Planar Scintigraphy

bone scintigraphy shows

increased metabolism in bone,

e.g. due to

- bone fractures

- inflammatory processes

- degenerative processes

- bone metastasis

99mTc-Bisphosphonat ventral dorsal

6/6/2016 44

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Planar Scintigraphy

rib

fracture

knee

arthrosis

bone

metastasis

6/6/2016 45

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Klinikum rechts der Isar

Planar ScintigraphyCameras for special use, e.g. thyroidal gland

6/6/2016 46

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Planar Scintigraphy

thyroidal scintigraphy

normal thyroids

uptake

unifocal autonomy

Hyperthyroidism

6/6/2016 47

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Planar Scintigraphy

99mTc-MAG3 (Mercaptoacetyltriglzcin)

Acquisition over time, e.g. renal scintigraphy

6/6/2016 48

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Planar Scintigraphy

Visual and quantitative analysis

99mTc-MAG3 (Mercaptoacetyltriglzcin)

6/6/2016 49

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Klinikum rechts der Isar

Tomography

SPECT Recording

Gamma Camera

Gamma Camera

measures

projections of

activity distribution Spatial Resolution

clinical: ~8 – 20 mm

6/6/2016 50

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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Images of Different Directions

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Klinikum rechts der Isar

Single Photon Emission CT SPECT

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Klinikum rechts der Isar

Emission Tomography

• Measurement of many projections, many angles

• Mathematical reconstruction

• Tomographic images / slices through body

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Projection, Discrete Sampling

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SPECT Imaging – Projection

6/6/2016 55

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Reconstruction – Back Projection

Back projection

of two projectionsBack projection

of three projections

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Filtration of Line Profile

6/6/2016 57

Unfilteredwithout

noise

with

noise

Filter

hamming

cutoff = 0.2

Filtered

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Filtered Back Projection

6/6/2016 58

Without

Filter

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Acceleration: OSEM, Cluster

Statistical Iterative Reconstruction

6/6/2016 59

ProjectionEstimate

Back-projection

Comparison

Object Space Projection Space

Correction

Error-Estimate

Error-Estimate

EstimatedProjection

Measured Projection

Error -Projection

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Statistical Iterative Reconstruction

Image space Projection spaceSystem

response

Forward projection

Backward projection

System response:

Probability of an event is emitted in voxel i and detected in detector j.

j

i

𝐹𝑃: 𝑖=0

𝑁

𝐴𝑖𝑗λ𝑖

𝐵𝑃: 𝑗=0

𝑃

𝐴𝑖𝑗𝑦𝑗

Λ YA

SR (A) can be estimated:

• Analytical

• Monte Carlo Simulated

• Experimental

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Statistical Iterative Reconstruction

Maximum Likelihood – Expectation Maximization (Shepp and Vardi)

𝐹𝑃: 𝑖=0

𝑁

𝐴𝑖𝑗λ𝑖

𝐵𝑃: 𝑗=0

𝑃

𝐴𝑖𝑗𝑦𝑗

λ𝑖𝑘+1 =

λ𝑖𝑘

𝑗=0𝑃 𝐴𝑖𝑗

𝑗=0

𝑃

𝐴𝑖𝑗𝑦𝑗

𝑖=0𝑁 𝐴𝑖𝑗λ𝑖

𝑘

Size of A:

Number of voxels x Number of detectors

172x172x172 x 30000

1.5x1011 elements x 4 bytes (unsigned)

570 Gb

Acceleration methods, compression methods, computational methods…

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Quality Control

• Daily Background

Energy window

Tilt angle

• Weekly Efficiency

Inhomogeneity

Flood correction

Rotation Centre

• Half-yearly Geometric scale

Linearity

Spatial resolution

Tomographic inhomogeneity

6/6/2016 62

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New Developments

Single Photon Detection

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Consequence: higher percentage of inactive area

worse spatial and energy resolution

Gamma Camera – Anger Principle

• Collimator system resolution

• Intrinsic resolution ~ 4 mm

dependent on energy, crystal thickness

Reduction by:

narrower distribution of light

smaller photomultipliers

more photomultipliers

6/6/2016 64

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Requirements:

• Compact

• High intrinsic resolution

• Good energy resolution

High Resolution Gamma Camera

Imaging close to the object: thyroid

mammography

small animals

6/6/2016 65

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Crystal

Photomultiplier

Photodiodes

Semiconductor

detector

Detectors

6/6/2016 66

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signal

distribution

anode wires (X-Y)

scintillation light

X

light sensitive

cathode

Position Sensitive Photomultiplier PSPMT

6/6/2016 67

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FZ Jülich

28 X and 28 Y Anode wires

+ center of mass determination

NaI(Tl) slice

( 13 cm, thickness 3 mm)

collimator

PSPMTHamamatsu 2

50m

m

164mm

Intrinsic: < 2 mm

E/E(140 keV): 9,6%

High Resolution Gamma Camera PSPMT

6/6/2016 68

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Patt et al., Majewski et al., LumaGEM, Dilon

NaI(Tl) pixel: 2 x 2 x 6 mm

2,8 x 2,8 cm2 x 2,7 cm

4 X and 4 Y wires

(Hamamatsu)

Intrinsic: < 2 mm; E/E(140 keV): 18%

Matrix of Compact PSPMT

6/6/2016 69

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Dilon

Matrix of PSPMT and NaI pixel

compact detector head

6/6/2016 70

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• One-to-one coupling crystal – sensor

pixel size intrinsic resolution

• Silicon photo diodes (PD) versus PMT:

− high quantum efficiency− very compact− MR-compatible− require pre-amplification− relatively high noise, electronic necessary

Scintillation Read-Out with Semiconductor

Detectors

6/6/2016 71

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Semiconductor detectors

PMT PS-PMT APD array

SiPM array SiPM pixel Digital SiPM array

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Luminous Scintillators

Properties NaI(Tl) CsI(Tl)

Density 2.3 4.5

Effective Z 32 54

Attenuation length at

140 keV (mm)3.4 2.2

Light yield (%) 100 165

Wavelength (nm) 410 550

Decay time (ns) 230 1000

Hygroscopic ++ (+)

6/6/2016 73

Yield PMT / yield PD (at 550nm) = 1 : 3

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UCLA, LBL, Digirad

Digirad

4096 CsI(Tl) Crystals

5 cm

Collimator

Electronics

Crystal pixel size: 1.5 mm to 3 mm

Individual Read-Out with PD-Matrix

6/6/2016 74

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Detector Head

(21 cm x 21 cm)

Digirad

Gamma Camera with CsI-PD Detector

6/6/2016 75

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Semiconductor Detector

• Direct detection of gamma quanta

• Low noise

• Excellent energy resolution

Cadmium-Zinc-Telluride CZT:

• High atomic number

7 mm CZT = 1 cm NaI (at 140keV)

• Room temperature

• Energy resolution 6%

Individual pixels, size: 330µm ... 5mm

6/6/2016 76

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Siemens, Hoffman Estates 1999

top view

bottom view

Cadmium Zinc Telluride Camera

Detector Element

6/6/2016 77

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Cardiac Imaging

Semiconductor Detector

Spectrum Dynamics D-SPECT Camera

Based on CZT detectors

6/6/2016 78

Pinhole collimators

focus on heart

Er 5.5%

Isr 2.46 mm

Rse 12.5 mm

Erlandsson PMB 2009