Positronen-Emissions-Tomographie (PET) · I Prof. P.Reiter, Physics of Detectors, Uni K¨oln I Univ.Doz.DI.Dr. Manfred Krammer, Detektoren in der Hochenergiephysik, Uni Wien I Michael

Uberblick Kernphysikalische Grundlagen und Anwendungsgebiete Detektoren Datenaufnahme

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Michael Queiser

14.7.2014

Michael QueiserPositronen-Emissions-Tomographie (PET)


Uberblick

Kernphysikalische Grundlagen und Anwendungsgebiete

Detektoren

Datenaufnahme



PET-Einrichtungen in Deutschland1988

1998



Atomkern und Atomhulle

I Der Kern besteht aus Nukleonen:Protonen(Z) und Neutronen(N)

I Die Atomhulle enthalt Elektronen

I elektrisch neutrale Atome: Protonenzahl = ElektronenzahlI elektrisch geladene Atome heißen auch Radikale

Eigenschaften von Elektronen und NukleonenTeilchen Ladung Masse[kg] Masse[MeV

c2 ]e− -1 0.9108 · 10−30 0.511p +1 1.6721 · 10−27 938.78n 0 1.6749 · 10−27 939.07



KernzerfalleI Q = [mi −mf ] · c2

I Fur spontanen Zerfall: Q > 0

β+-ZerfallI p+ → n + e+ + νe ⇒ Schwache WechselwirkungI Energiespektrum des Positrons ist kontinuierlich und kann

Werte von 0 bis Emax annehmenI Masse des Mutteratoms muss mindestens 1,022 MeV (2

Elektronenmassen) großer sein, damit β+-Zerfall moglich istI β+-Zerfall konkurriert mit Elektroneneinfang

radioaktives ZerfallsgesetzI A(t) = A(0)e

−ln2· tT1/2 ⇒ Spater von Bedeutung fur

Herstellung und Wahl der Praparate.Michael QueiserPositronen-Emissions-Tomographie (PET)


Annihilation

I Positronen verlieren ihre kinetischeEnergie schnell in Stoßen mitElektronen (Reichweite etwa10−1-10−2 cm)

I Kombinierung von Elektron undPositron zu Positronium(Lebensdauer 10−10s)

I Annihilation: Vernichtung desElektron-Positron-Paares, Erzeugungzweier 511 keV Photonen

I Elektron und Positron nahezu inRuhe bei Annihilation

I Energie und Impulserhaltung⇒ Abstrahlung der Photonen inWinkeln von etwa 180 ◦



Lebensdauer von Radionukliden

Radionuklid Lebensdauer Herstellung Reaktion11C 20,3 min Zyklotron 14N(p,α)11C13N 9,03 min Zyklotron 16O(p,α)13N15O 2,07 min Zyklotron 14N(d,n)15O

15N(p,n)15O18F 110 min Zyklotron 18O(p,n)18F

20Ne(d,α)18F68Ga 68 min 68Ga-Generator 69Ga(p,2n)68Ge

68Ge+e− →68Ga+νe



Anwendungen von Radionukliden I

Radionuklid Pharmakon Anwendung18F Flourdesoxyglucose Tumor, Myokard

Flourethyltyrosin HirntumoreFlourethylcholin Prostatakarzinom

Flourdesoxythymidin TumordiagnostikFlourmisonidazol Hypoxie von Tumoren

Fluordopa NeurologieFlutemetamol Alzheimer

11C Cholin Prostatakarzinom68Ga 68Ga-Dotatoc neuroendokrine Tumore

68Ga-Dotanoc neuroendokrine Tumore68Ga-Dotatate neuroendokrine Tumore



Anwendungen von Radionukliden II

Onkologie TumorlokalisierungTumorwachstumsraten

MetastasierungVerlaufskontrolle bei der Therapie

Neurologie EpilepsiediagnostikAlzheimerdiagnostik

Schlaganfall/Ischamiefunktionelle Bildgebung

Kardiologie Durchblutung und Stoffwechsel in MyokardIschamie

Infarktdiagnostik(Vitalitatsstudien)Pharmaforschung Aufklarung der Wirkungsweise von Medikamenten

Entwicklung neuer Medikamente



Bestimmung des Wechselwirkungsortes I

I Detektion der beiden 511 keV Photonen bestimmt nur dieRichtung und nicht den Ort der Annihilation

I Mit Time of Flight (TOF) Messung konnte der Abstand desAnnihilationsortes zu den Detektoren bestimmt werdenProblem: Zu schlechte Zeitauflosung der Detektoren⇒ Ortsauflosung von mehreren cm

I Aktuelles Forschungsthema



Bestimmung des Wechselwirkungsortes II

I ComputedTomography:Messung von gesamterRadioaktivitat aufLinien (Line ofResponse) zwischenDetektoren unter vielenverschiedenen Winkeln

I MathematischeAlgorithmen zurBestimmung derKonzentration derRadionuklide



Fehlerbehaftete Naherungen I

Positronsemissionsort 6= AnnihilationsortI Die Radionuklide unterscheiden

sich in der maximalen Energieihrer emittierten Positronen

I Die Haufigkeit derWechselwirkungen bis zurAnnihilation istenergieabhangig, und somitauch die Reichweite derPositronen

I Reichweiten variieren zwischen10−3 und 10−4 m



Fehlerbehaftete Naherungen II

Nicht KolinearitatI Aus der Annahme das Elektron

und Positron in Ruhe sind beider Annihilation und ausEnergie und Impulserhaltungfolgt die Abstrahlung derPhoton im Winkel von 180◦

I Da dies nicht exakt der Fall istvariieren dieWinkelverteilungen um 180◦

Beide Naherungen verursachen kleine Fehler gegenuber derDetektorauflosung



Positronen Reichweiten der Radionuklide I

Y (mm)

Y (mm)

X

X

X

X

Y (mm)

Y (mm)

I Positronenbesitzen in derRegel nur eineReichweite vonwenigen mm inMaterie



Positronen Reichweiten der Radionuklide II



Wechselwirkung von Photonen mit Materie IPhotoeffektI Photon gibt komplette Energie an

Hullenelektron ab und wirdabsorbiert

I Hullenelektron besitzt nun genugEnergie um aus Atom gelost zuwerden

I σ ∼ Z4

E3

ComptonstreuungI Photon stoßt an schwach

gebundenem ElektronI Aus Energie und Impulserhaltung

folgt: Esc = mec2

me c2E +1−cos(θ)

I σ ∼ ZE



Wechselwirkung von Photonen mit Materie II

PaarbildungI Erzeugung eines

Elektron-Positron-Paares

I Eγ>1,022 MeVI σ ∼ Z 2·ln E

Lambert-Beer-Gesetz

I(x) = I(0) · e−µx

µ = µphoto + µcompton + µpp

Eγ < 1, 022 MeV ⇒ µpp = 0

Wirkungsquerschnitte in Blei



511 keV Photonen DetektorenAnforderungen:

I Hohe Effizienz fur Messung von 511 keV PhotonenI Je besser die Ortsinformationen des Detektors, desto besser

die Ortsauflosung des BildesI kleine DetektorelementeI Segmentierung die beispielsweise durch Pulsformanalyse die

Gewinnung von Ortsinformationen ermoglichtI Gute Zeitauflosung, um Zeitdiffenz zwischen der Detektion

von zwei Photonen gut bestimmen zu konnen und entscheidenzu konnen, ob das Event als zufallige Koinzidenz gewertetwird.

I Energieauflosung sollte gut genug sein, um zwischengestreuten und ungestreuten Events unterscheiden zu konnen



Szintillationsdetektoren I

I Konvertierung von hoch energetischer Strahlung in Photonenim Bereich sichtbarer Wellenlange, die dann mit Hilfe vonPhotomultipliertubes (PMT) als Spannungssignale detektiertwerden konnen.

I Schnelle AnsprechzeitenI kostengunstige Herstellung von großen VoluminaI Photomultiplier nicht in Kombination mit Magnetfeldern

einsetzbar



Szintillationsdetektoren II

Die relevanten Großen fur Szintillatoren sind:I Das BremsvermogenI Die Helligkeit, also die Anzahl der emittierten langwelligen

PhotonenI Die Wellenlange des emittierten Lichts, da Selbstabsorption

vermieden werden sollI Die Zeitauflosung



Anorganischer SzintillatorI Isolatoren mit Bandlucke

zwischen 5-10 eVI Fremdatome, sogenannte

Aktivatorzentren, generierenzusatzliche Energieniveaus in derBandlucke

I Oft reicht die Energie nicht aus,um Elektronen und Lochervollstandig zu trennen und dieElektronen ins Leitungsband zuheben. Dieser Zustand wirdExziton genannt, Elektronen undLocher driften dennoch durch denKristall

I Anregung des Aktivatorzentrumsdurch Stoße mit Elektronen



Szintillator Materialien



Photomultipliertube

I Einfallende γ-Quanten schlagenElektron an Photokathode aus

I Beschleunigung der Elektronenzur ersten Dynode

I Elektronen schlagen an derDynode sekundare Elektronenaus

I Beschleuningung zur nachstenDynode die an hoheremPotential anliegt

I Messung von Spannungssignalan der Anode



Quanten Effizienzphoto cathode Q.E. λmax



Silizium Photodiode und Avalanche Photodiode

I Quateneffizienz von 60-80%

I In einem dunnen StuckSilizium wird durchDotierung ein E-Feld erzeugt

I Anlegen einer externenSpannung verstarkt Feld

I Einfallende StrahlungerzeugtElektron-Loch-Paare, die zuden Elektroden driften undgemessen werden konnen

I Abhangig von der Spannungtreten Lawineneffekte auf



BlockdetektorI 8x8 Segmente in einem

Detektorblock uber 4 PMTsI Unterschiedlich tiefe optisch

isolierende SchnitteI Individuelle

Photonenverteilung fur jedesSegment auf die 4Photomultiplier⇒ Sehr gute Ortsauflosung

I Kosteneinsparungen beiPMTs

I Fehler verringert sich mitsteigender Helligkeit



Quadrant Sharing Detektor

I 8x8-fach segmentierterDetektorsblock auf einemQuadranten von 4Detektoren

I weitere Verringerung derbenotigten PMT-Zahl



Gamma Kamera

I Prinzip wie beiBlockdetektor, aberkeine Segmentierung⇒ Nicht nur diskreteOrtswerte



Typische Detektor-Setups

I Meist verwendet:ringformige Anordnung derDetektoren

I Zur Kostenminimierungkonnen auch partielleRingstrukturen unterverschiedenen Winkelngemessen werden



Koinzidenz Detektion

I Detektion der γ-Quanten imDetektor

I Verstarkung des SignalsI Uberprufung der Energie im

Puls Hohen AnalysatorI Erzeugung eines logischen

Signals mit Lange derZerfallsdauer

I Verknupfung vonDetektorblocken mitgegenuberliegendenDetektorblocken



EventtypenNeben den Fehlern der nicht Kolinearitat und Positronenreichweitekonnen auch falsche Annahmen bei der Datenaufnahme fur Fehler sorgen:

I Durch Comptonstreuung imKorper wird Line of Responsefalsch definiert.

I Auch zufallige Koinzidenzenkonnen Fehlerquellen bei derDatenaufnahme sein.

I Finden zeitgleich mehrereAnnihilationen statt so kannnicht definiert werden, welchebeiden γ-Quanten zusammengehoren.



QuellenI Nuklear Chemie, Uni RostockI Prof. P.Reiter, Physics of Detectors, Uni KolnI Univ.Doz.DI.Dr. Manfred Krammer, Detektoren in der

Hochenergiephysik, Uni WienI Michael E. Phelps, PET Physics, Instrumentation and

ScannersI Prof. Dr. rer. nat. Klaus Lehnertz, Physics in Medicine:

Physical Fundamentals of Medical Imaging, Uni BonnI Glenn F. Knoll, Radiation Detection and MeasurementI http://www.mta-

r.de/blog/basiswissen/2012/09/radionuklide-bzw-radiopharmaka-pet.html


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