Nuklearmedizinische Bildgebung - Epileptologie · -Bereich IV (Geiger-Müller-Bereich): abfließende Ladungsmenge unabh. von erzeugten Ladung; Zählen von Ereignissen (keine Auswertung

Nuklearmedizinische Bildgebung

Inhalt:

- geschichtlicher Überblick

- physikalische Grundlagen

- Erzeugung von radioaktiven Isotopen

- Meßtechnik

- Bildgebung mit radioaktiven Isotopen

Planare Szintigraphie

Single-Photon-Emission-Computed-Tomography (SPECT)

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

(Bildernachweis: Dössel, 2000; Morneburg, 1995; Siemens, Philips, Internet)


Prinzip

- aktiver Abbildungsvorgang durch Zuführung von Energie(radioaktive Substanzen)

und

- passiver Abbildungsvorgang durch Ausnutzung körper-eigener Signale (Funktion und Metabolismus)

- unterschiedliche Intensitätsverteilung in den Geweben des Körpers, abh. von Funktion und Metabolismus


Historie

Antoine H. Becquerel (1852-1908)Entdeckung natürlich vorkommender Radioisotope

Marie Curie (1867-1934) und Pierre Curie (1859-1906)Herstellung künstlicher RadioisotopePrägung des Begriffs „Radioaktivität“

1903 Nobelpreis für Physik an Becquerel und den Curies

1911 Nobelpreis für Chemie an M. Curie

1935 Georg von Hevesyverwendet 32P für metabolische Studien mit Geiger-Müller-Zählrohr

1943 Nobelpreis für Chemie an Hevesy


1949 B. Cassen et al.: erste Radionuklid-Bildgebung (131J in der Schilddrüse)

1951-1953 Erste Ideen zur PETW.H. SWEET, The use of nuclear disintegration in the diagnosis and treatment of brain tumor, New England Journal of Medicine 1951; 245:875-878. G.L. BROWNELL, W.H. SWEET, Localization of brain tumors with positronemitters, Nucleonics 1953, 11:40-45.

1957 H.O. AngerEntwicklung der nach ihm benannten Szintillations-Kamera(planare Bildgebung)

1960 D.E. Kuhl und R.Q. EdwardsKonstruktion des Mark IV-SPECT-Scanners mit der Anger-Kamera(~10 Jahre vor Röntgen-CT)

1962 S. Rankowitz und J.S. Robertsontomographische Bilddarstellung mit Positronenstrahlern


1975 M.E. Phelps (Los Angeles); M.M Ter-Pogossian (St. Louis); T.F. Budinger (Berkeley)erste PET-Tomographen(Innovationsschub durch Rekonstruktionsalgorithmen der CT)

1977 W.I. Kayes und R.J. Jaszczak kommerzielle Entwicklung der SPECT

1978 erste kommerzielle PET(Auflösung: 1.5 - 2.0 cm)

1979 M.E. Phelps et al.; M. Reivich et al.Erste PET-Untersuchungen des regionalen zerebralen Glukosestoff-wechsels im lebenden (!) menschlichen Gehirn

1983 M. Singh und D. DoriaEinsatz der Compton-Kamera bei der SPECT

seit den 1990er Jahrenexponentielles Wachstum der Installationen (Infrastruktur!)



PET-Einrichtungen in Deutschland

1988

1998

aus: H.J. Wieler (Hrsg): PET in der klinischen Onkologie, Steinkopf, Darmstadt, 1999

Radio-pharmaka

Verarbeitung/Quantifizierung

der TracerverteilungD

etek

tor


SPECT

PET- spritzen- schlucken- inhalieren


Ziel:Darstellung (patho-)physiologischer und biochemischer Prozesse(Transport, Stoffwechsel, Ausscheidung, ...)

Anforderungen an Radiopharmaka- Zerfallsstrahlen außerhalb des Körpers meßbar(keine oder nur geringe Absorption)

- Visualisierung realer Stoffwechselprozesse(Wahl geeigneter Nuklide als Tracer)

- Markierung darf das Verhalten des Tracers im Körper nicht ändern- Erhaltung physiologischer Konzentrationen der Stoffwechsel-substanzen

- geringe Strahlenbelastung(relativ kurze Halbwertszeiten)

- Kosten-Nutzen-Relation


Definitionen:

Z: Ordnungszahl; Zahl der Protonen im Kern (Ladungszahl)

A: Massenzahl; Zahl der Nukleonen im Kern(Protonen + Neutronen)

N: Zahl der Neutronen im Kern: N = A - Z

X: Symbol des chemischen Elements

XAZ

p

e-

H11


Definitionen:

Nuklid: Atomsorte mit einer durch N und Z festgelegten Kernart

Radio-Nuklid: Nuklid mit meßbarer Zerfallsrate (radioaktiv, instabil)

Isotope: Nuklide mit gleicher Ordnungszahl Z aber unterschiedlichemN und A → gleiches Element

Isobare: Nuklide mit gleicher Massenzahl A (Z und N verschieden) → unterschiedliches Element

Isotone: Nuklide mit gleicher Neutronenzahl N (Z und A verschieden) → unterschiedliches Element


Radio-Nuklide für die nuklearmedizinische Bildgebung:

Forderungen:

- müssen sich an die interessierenden Stoffwechselmoleküle binden

- stabile Isotope müssen in biochemischen Molekülen (oder deren(Analogen) vorkommen:

C, N, O, H, F

- Halbwertszeit

- Reichweite im Gewebe


Ionisierende Strahlung:


Reichweite (Durchdringungsvermögen) ionisierender Strahlung:

ReichweiteStrahlenart Energie [MeV] Luft Wasser

α 1 0,6 cm 0,008 mm6 5,0 cm 0,06 mm

β 0,1 10 cm 0,13 mm1 300 cm 4,2 mm3 1200 cm 15,0 mm

γ 0,01 1 m 0,15 cm0,1 230 m 2,7 cm1 190 m 22,0 cm10 380 m 45,0 cm


Radioaktiver Zerfall:



Stabilität eines Elements hängt vom Verhältnis Ordnungszahl (Z) zu Anzahl der Neutronen (N) ab



Zerfallsgesetz:

wobei:N(t) = Zahl der Nuklide zur Zeit tN0 = Zahl der Nuklide zur Zeit t = 0λ = Zerfallskonstante [t-1]

Halbwertszeit:

teNtN λ−= 0)(

λ2ln

21 =T



Aktivität einer radioaktiven Probe:(Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit)

Einheit: Zahl der Zerfälle/Sekunde = Becquerel = Bq(früher: Curie (Ci); 1 Ci = 3,7.1010 Bq)

typische Aktivitäten bei nuklearmedizinischer Diagnostik:

100 MBq - 1000 MBq

tt eAeNdtdN

tA λλλ −− ==−= 00)(


Herstellung von Radionukliden:

natürlich vorkommende radioaktive Isotope haben zu langeHalbwertszeiten, daher für nuk.med. Bildgebung uninteressant→ künstliche Radionuklide

E(p) > 10 MeVwg. Coulomb-Abstoßungder Kerns



Radionuklidgenerator

Gewinnung von 99Tcm aus 99Mo

- 99Mo aus Kernreaktor (z.B. n-Einfang)- Transport in Bleibehältern als Na+MoO4

-

in Klinik (T1/2 = 66,7 h)- 99Mo → 99Tcm (T1/2 = 6,03 h) - Pertechnetat (Na+TcO4

-) wasserlöslich- Auswaschen (Elution) - Aufziehen in Spritze (NaCl) und Injizieren- nach 24h genügend neues 99Tcm

- Wiederholen des Auswaschens („Melken“)- Generator nach 1 Woche verbraucht



Radionuklidgenerator


Radionuklide für diagnostische Anwendungen:





- Anbindung an Atom bzw Molekül (Radiopharmaka)

Tracer:

- Radionuklide werden nur „mitgespült“ (Blut, Atemluft)

- Diffusion in spezifische Organe (Perfusion)

- direkte Beteiligung an chemischen Prozessen (z.B. Stoffwechsel)


Radiopharmazeutika für diagnostische Anwendungen:Radionuklide werden an Pharmazeutika gebunden, die für bestimmtemetabolische Aktivitäten spezifisch sind (z.B. Krebs, Herzperfusion, Hirnperfusion)

Gammastrahler99mTc-Sestamibi (Herzperfursion, Krebs)99mTc-markiertes Hexamethyl-Propylenamin (Hirnperfusion)

Positronenstrahler11C T1/2 = 20 min

(Nervenrezeptoren, metabolische Aktivität)13N T1/2 = 10 min

NH3 (Blutfluß, regionale Herzperfusion)15O T1/2 = 2.1 min

CO2 (zerebraler Blutfluß), O2 (Sauerstoffverbrauch Herz), H2O (Sauerstoffverbrauch Herz und Blutperfusion)

18F T1/2 = 110 min2-Deoxy-2-[18F]-Fluorglukose (FDG, Neurologie, Kardiologie, Onkologie, metabolische Aktivität)


Problemstellung in der nuklearmedizinischen Diagnostik:

- Aktivität der in den Körper eingebrachten Probe zum Zeitpunkt derApplikation bekannt

- Aktivität zu jedem späteren Zeitpunkt bekannt (Zerfallsgesetz)

- wie verteilt sich Aktivität im Körper?(wo ist wann wieviel?) dA/dV = f(x,y,z,t) = ?

- geeignete Messung der zeitabhängigen Aktivitätsverteilung

- Bildrekonstruktion (wie bei Röntgen-CT), Filme

- funktionelle Abläufe im Körper


Detektoren für γ-Quanten Zählrohr

Prinzipschaltbild

Z = Zähldraht (Anode)M = Zählrohrmantel (Kathode)R = ArbeitswiderstandC = ZählrohrkapazitätU = Zählrohrspannung

Gas


Detektoren für γ-Quanten Zählrohr

Arbeitsweise des Zählrohrs ist abh. von Potentialdifferenz


Detektoren für γ-Quanten Zählrohr- Bereich I (Rekombinationszone):

Potentialdifferenz reicht nicht aus, um Ladungsmenge (erzeugt durch γ-Quant) „abzusaugen“; Ladungsträger (Gas) rekombinieren

- Bereich II (Ionisationsbereich):über Draht abfließende Ladungsmenge ungefähr gleich der erzeugtenLadungsmenge

- Bereich III (Proportionalitätsbereich):Ladungsverstärkung; e- werden so stark beschleunigt, dass sie wiederum neue Gasteilchen ionisieren; abfließende Ladungsmenge proportional zur erzeugten Ladungsmenge

- Bereich IV (Geiger-Müller-Bereich):abfließende Ladungsmenge unabh. von erzeugten Ladung; Zählen vonEreignissen (keine Auswertung der Impulshöhe)


Detektoren für γ-Quanten Szintillationszähler



- γ-Quant wird im Szintillationskristall absorbiert und erzeugtPhotonen (Photoeffekt und Compton-Streuung)

- Zahl der Photonen proportional zur abgegebenen γ-Energiebei vollständiger Absorption: ein Lichtblitz pro γ-Quant und Zahl der Photonen ~ Eγ

- Photomultiplier:Herauslösen von e- durch Photoeffekt in 1. Dynode; Beschleunigung auf 2. Dynode, jedes e- erzeugt Sekundär - e-;nach ca. 10 Dynoden meßbarer Impuls am Ausgang




Kollimatoren

- definieren den Nachweisbereichbei SPECT und planarer Szintigraphie(Auswahl der Schicht)

- ideal: zylindrischer Stab

- Material (γ-Absorber): Blei, Wolfram

- je kleiner der Durchmesser des Kollimators, desto besser dieräumliche Auflösung

Aber:- je kleiner der Durchmesser des Kollimators, desto geringer dieZahl der nachgewiesenen Quanten und desto höher das Rauschen


Punktbildfunktion von Kollimatoren

Kollimatorelement- bewege punktförmigen γ-Strahler vor dem Detektor vorbei und erfasse Zählrate in Abh. vom Ort

- es entsteht „Halbschattenbereich“ und Plateau- Radius R der PBF ergibt sich aus Strahlensatz:

mit D = KollimatordurchmesserL = KollimatorlängeZ = Abstand Kollimator - γ-Strahler

PBF schmal, wenn D/L und Z klein

+=

2L

ZLD

R


Typische Kenngrößen von Kollimatoren


Fokussierende Kollimatoren

Isoimpulslinienverteilung(„Empfindlichkeitskeule“)

Punktbildfunktion


Impulshöhenanalysator

- Streuung von γ-Quanten im Gewebeüberwiegend durch Compton-Streuung

- Abbildung des Ortes der Compton-Streuung und nicht des γ-Strahlers

- Artefakte bei der Aktivitätsabbildung

Reduzierung des Anteils gestreuterγ-Quanten durch Impulshöhenanalysator





Annahmen (ideale Detektion und idealer Detektor):

- vollständige Absorption aller γ-Quanten im Szintillator- gleicher Prozentsatz der Umwandlung Energie in Licht- gleicher Prozentsatz von Photonen auf Dynoden des Photomultipliers

⇒ Fläche unter Kurve des Impulses am Ausgang ~ Eγ

- Energieauflösung des Detektors abh von Statistik, mit der einγ-Quant unterschiedlich viele Photonen und Photo-e- erzeugt



Eγ, gestreut < Eγ, primär

definiere Impulshöhenfenster derart, dass gestreute γ-Quantenmöglichst optimal unterdrückt werden

- untere Schwelle des Fensters zu hoch: Reduktion der primären γ-Quanten

- untere Schwelle des Fensters zu niedrig:Anteil der gestreuten γ-Quanten zu hoch

⇒ Schwelle geeignet wählen !!


Gamma-Kamera (Anger-Kamera)

Idee: simultane Erfassung der Aktivitätsverteilung in einem großen Körperbereich mit hoher Ortsauflösung

naiver Ansatz: - je Kollimator ein Detektor, aber: Photomultiplier zu teuer !

Ansatz von Anger: - relativ wenig Photomultiplier (37 - 100)- hohe Ortsauflösung durch Verwendung einer Widerstandsmatrix


Gamma-Kamera (Anger-Kamera)- Lichtblitz (Szintillator) verteilt sich aufverschiedene Multiplier

- „Schwerpunkt“ der Mulitplier-Signaleentspricht Ort (x,y) der γ-Quant-Absorption

- z = Maß für Impulshöhe

−+−+

−+

−+

+++=

−=

−=

yyxxzz

)yk(yy

z)xk(x

x





Typische Werte:37 - 100 Photomultiplier, Durchmesser: 20 - 50 cm

Dicke Szintillationskristall: 6 mm (200 keV-Quanten) - 12 mm (511 keV-Quanten)

Ortsauflösung: 3 - 5 mm

Qualität der Gamma-Kamera abh. von gleichmäßiger und stabilerEmpfindlichkeit der Photomultiplier

Regelmäßiges Kalibrieren der Anordnung mit bekannter Aktivitätsverteilung; Korrekturverfahren

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Nuklearmedizinische Bildgebung - Epileptologie · -Bereich IV (Geiger-Müller-Bereich): abfließende Ladungsmenge unabh. von erzeugten Ladung; Zählen von Ereignissen (keine Auswertung