Positronen-Emissions-Tomographie (PET) - Helmholtz

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Hahn-Meitner-Institut Berlin
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Timur Kandemir
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Inhaltsübersicht
1. Einführung
2. Radiomarkierung
3. Detektion von Gammastrahlung
4. Rekonstruktion und Imaging
5. Vor- und Nachteile der PET
6. Aktuelle Entwicklungen
7. Anwendungen
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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
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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
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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.
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2.1 Nuklide und deren Herstellung

Aktivierung am Beispiel des 61Cu:
Aktivierung (p,γ)
Zerfall (β+)
Stabile Tochter
Targetnuklid
Foto: Karlsruher Nuklidkarte
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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°)
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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
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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
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3.1 Detektoren

Aufbau des Detektorsystems
Foto: Jens Langner
Foto: GSI
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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7. Anwendungen

Fusionsbild PET/CT
Foto: FZJ
CT
PET
Fusion
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7. Anwendungen

Analyse von Elementen in einem Meteoriten
mittels PGAI
Fotos: Kudjerova
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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
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