Positronen-Emissions-Tomographie (PET) - Helmholtz
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) - Helmholtz
Hahn-Meitner-Institut Berlin Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Timur Kandemir 1 Hahn-Meitner-Institut Berlin Inhaltsübersicht 1. Einführung 2. Radiomarkierung 3. Detektion von Gammastrahlung 4. Rekonstruktion und Imaging 5. Vor- und Nachteile der PET 6. Aktuelle Entwicklungen 7. Anwendungen 2/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 1.1 Was ist PET? Bildgebendes Verfahren der Nuklearchemie Ortsauflösende Darstellung von Aktivitätsanreicherung durch Koinzidenzmessung Erzeugung von Schnittbildern möglich Selektiv in den Live Science durch gezielte Markierung, weitestgehend non-selektiv in den übrigen Wissenschaften 3/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 2. Radiomarkierung Prinzipiell kann jedes Element welches als Targetnuklid (p,γ) oder (d,n) aktiviert werden kann, zum Einsatz kommen Die Erzeugung der Tracer erfolgt im Zyklotron Grundlegender Mechanismus der Aktivierung: A Z X + p→ 1 1 Y +γ A+1 Z +1 4/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 2.1 Nuklide und deren Herstellung Die häufigsten, zur Anwendung kommenden Nuklide sind -im medizinischen Bereich: 11C, 13N, 15O, 18F, 82Rb oder 68Ga -bei übrigen Anwendungen: 21Na, 25Al, 51Mn, 57Co, 61Cu u.v.m. 5/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 2.1 Nuklide und deren Herstellung Aktivierung am Beispiel des 61Cu: Aktivierung (p,γ) Zerfall (β+) Stabile Tochter Targetnuklid Foto: Karlsruher Nuklidkarte 6/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 2.2 Positronenemission, Paarvernichtung Positronen sind die Antiteilchen zu Elektronen (außer Ladung identische Eigenschaften) Nach der Emission folgt eine inelastische Kollision des emittierten Positrons mit einem Elektron (Elektronenhülle = EC) Bei der Kollision „zerstrahlen“ die Teilchen. Die gemeinsame Masse wird in Gammastrahlung umgewandelt Nach dem Impulserhaltungssatzes werden 2 Vernichtungsquanten (E= 511 keV) emittiert (180°) 7/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 2.2 Positronenemission, Paarvernichtung Mechanismus des Zerfalls: A Z 0 X − p → Y + n + e+ 0 ve 1 1 A Z −1 1 0 0 1 Schematische Darstellung: Foto: Jens Langner 8/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 3. Detektion von Gammastrahlung Der Ort der „Zerstrahlung“ wird mit den 2 Vernichtungsquanten bestimmt Bei Detektion erfolgte die „Zerstrahlung“ auf einer Linie zwischen den beiden Detektoren (LOR) Der Ort der „Zerstrahlung“ ist durch Detektorabstand bestimmbar (TOF) Modernes PET-System besitzt 5000 Detektorpaare, die ringförmig um die Probe angeordnet sind Erfassung von über 20.000.000 Kombinationen von Koinzidenzen möglich 9/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 3.1 Detektoren Aufbau des Detektorsystems Foto: Jens Langner Foto: GSI 10/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 3.1 Detektoren Die Wahl des Szintillationsmaterials ist abhängig von folgenden Eigenschaften: Empfindlichkeit, Zählausbeute, Totzeit Die gängigsten Szintillatoren sind: Natrium-Jodid (NaJ), Bismuth-Gernatat (BGO), Lutetiumyttriumoxoorthosilicat (LYSO), Lutetiumoxyorthosilikat (LSO) 11/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 3.2 Messaufbau 511 keV ? Verstärker Verstärker SCA SCA 511 keV ? Koinzidenz Zähler Es sind mehrer Koinzidenzebenen möglich 2D-, 3D-Imaging oder TOF sind verschiedene Rekonstruktionsverfahren, 3D größte Empfindlichkeit 12/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 4. Rekonstruktion und Imaging In 2D- bzw. 3D-Imaging werden mehrere Kreuzebenen zur direkten Ebene zur Signalerfassung kombiniert 2D-Image mit Kollimator Detektierbare Koinzidenzlinien: N + 2(N - 1) Axiale Empfindlichkeit 3D-Image ohne Kollimator Detektierbare Koinzidenzlinien: N2 Zählrate Ebene (Detektorring) Foto: Jürgen Braun 13/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 4. Rekonstruktion und Imaging Bildrekonstruktion erzeugt aus den mehrfach korrigierten Messdaten das Bild Absorption, Random (Zufallskoinzidenz), Totzeit und Streustrahlung fließen in die Korrektur der Messwerte ein Singleereignis Random Foto: Wikipedia Streustrahlung 14/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 5. Vor- und Nachteile der PET Vorteile Nicht invasives, Bildgebendes Verfahren Gezielte Markierung möglich, geringe Dosis Darstellung des Stoffwechsels oder der Proteinbiosynthese Nachteile Ortsauflösung begrenzt (12mm) Wenige Rückschlüsse auf Morphologie möglich Betrieb eines Zyklotrons in Nähe nötig Aktivierung, Nebenprodukte 15/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 5.1 Vergleich der PET mit anderen Bildgebenden Verfahren PET: Stoffwechselvorgänge Szintigraphie: Stoffwechsel, Tracerabsorption Röntgen: Strukturen mit deutlich unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten, 2D CT: Morphologie, 3D MRT: Morphologie, 3D Sonographie: Morphologie 16/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 6. Aktuelle Entwicklungen PET: CT: (Elemente und) Konzentrationen in 3D Bild Form und Struktur in 3D Bild Daten: Vergleich und Anpassung Ergänzende Informationen für Medizin, Archäologie, Geochemie, Kosmochemie, Werkstoffwissenschaften, Kernindustrie 17/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 6. Aktuelle Entwicklungen Kombination von PET und CT wird angestrebt Langfristig Einsatz von TOF- Rekonstruktion im kommerziellen Bereich führt zu kleinerer Zeitauflösung (600 ps) und damit zu - besserer Ortsauflösung - einfacherer Rekonstruktion Entwicklung eines Hybrid PET/MRT-Systems zur Hirndiagnostik 18/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 7. Anwendungen Fusionsbild PET/CT Foto: FZJ CT PET Fusion 19/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin 7. Anwendungen Analyse von Elementen in einem Meteoriten mittels PGAI Fotos: Kudjerova 20/26 Hahn-Meitner-Institut Berlin Quellen Herzog, H.: "Methods and applications of positron-based medical imaging". Radiation Physics and Chemistry 76, 337-342, 2006. Projekte des DKFZ Heidelberg Fachinformationen auf der Homepage des PET Zentrums des Universitätsklinikums Ulm PET-CT Zentrum Linz Langner, Jens:"Development of a Parallel Computing Optimized Head Movement Correction Method in Positron Emission Tomography"; MSc thesis, University of Applied Sciences Dresden onkodin.de Homepage der Klinik für Nuklearmedizin der Universität Ulm Charles L. Melcher, Scintillation Crystals for PET, J Nucl Med 2000; 41:1051-1055 R. Standke: Technische Grundlagen der 18F-FluorodeoxyglukosePositronen-emissionstomographie-Diagnostik; Acta Medica Austriaca, Blackwell Verlag, 29. Jahrgang, Heft 5 2002, S. 149-155 Braun, Jürgen: Bildgebende Verfahren in der Medizin; Institut für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie, Charité Forschungszentrum Dresden-Rossendorf Forschungszentrum Jülich 21/26