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Positronen-Emissions- Tomographie (PET). Übersicht 1. Grundprinzip der PET 2. Funktionsweise der PET 2.1. Aufbau und Funktionsweise des Tomographen 2.2.

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1 Positronen-Emissions- Tomographie (PET)

2 Übersicht 1. Grundprinzip der PET 2. Funktionsweise der PET 2.1. Aufbau und Funktionsweise des Tomographen 2.2. Herstellung und Funktion der Positronenemitter 3. Anwendungen der PET

3 1. Grundprinzip der PET PET ist Verfahren der Nukleardiagnostik, das auf der Idee des Tracer-Prinzips basiert: Patient wird ein mit bestimmten, instabilen Nukliden (Positronenemitter) markiertes Stoffwechselpräparat injiziert durch Nachweis der emittierten Annihilations- strahlung bei der Positronenvernichtung können Abbilder der Organe und Rückschlüsse auf deren Funktion (Stoffwechselvorgänge) ge- wonnen werden

4 Bei Zerfall des Positronenstrahlers wird ein Proton in ein Positron, Neutron und Neutrino umgewandelt: Kernreaktion: A Z X A Z-1 X` + e + + Positron und ein Elektron vernichten sich unter gleichzeitiger Emission zweier - Quanten (mit Energie von je 511 keV) im Winkel von 180° zueinander (wegen Energie- und Impulserhaltung): e + + e - 2

5 Koinzidenzmessung: Beide emittierten - Quanten werden von zwei gegenüberliegenden Detektoren innerhalb eines bestimmten (kleinen) Zeitfensters gemessen Ort der Annihilation ist auf eine Postion auf der Verbindungslinie zwischen diesen beiden Detektoren festgelegt (Verbindungslinie = Line Of Response LOR)

6 Koinzidenzmessung:

7 2.1. Aufbau des Tomographen Eine Anzahl von kleinen Kristallen (üblicherweise Wismutgermanatkristalle BGO) wird ringförmig den Patienten angeordnet.Standardwerte: 8 x 8 rechteckige Kristalle mit Stirnfläche von ca. 6 x6 mm 2 und einer Länge von 30 mm zu einem Block zusammengefasst jeder Block aus 64 Einzelkristallen wird mit 4 rechteckigen Photomulipliern verbunden 64 Blockdetektoren werden zu einem Ring mit ca. 1 m Durchmesser zusammengefasst

8 Anordnung von Detektoren in einem Block:

9 Koinzidenz: Koinzidenzabfrage stellt fest, ob in zwei gegenüber- liegenden Detektoren ein - Quant nachgewiesen wird: Werden beide - Quanten innerhalb eines bestimmten Zeitfensters (üblicherweise etwa 10 ns) registriert, können sie als gleichzeitig angesehen werden.

10 Echte Koinzidenzen (Trues): Beide - Quanten rühren von einer Positronen- umwandlung her Streukoinzidenzen (Scattered Trues): Mindestens eines der beiden Quanten wird vor dem Nachweis im Objekt gestreut Zufällige Koinzidenzen (Randoms): Die beiden Quanten rühren von verschiedenen Positronenumwandlungen her

11 Mögliche Koinzidenzen:

12 Auflösung: Die Auflösung des Positronenemissions- tomographen hängt hauptsächlich von der Feinheit der Segmentierung durch die einzelnen Detektoren ab. Beste zur Zeit erreichte Auflösung: 3,8 mm (im Zentrum der Kreisebene) (jeweils 56 BGO - Kristalle (3,3 mm x 6,23 mm) zu einem Block zusammengefügt)

13 Begrenzung der Auflösung durch zwei physikalische Effekte: 1. Durch Koinzidenzmessung wird nicht der Ort der Positronenemission, sondern der Ort der Positronenannihilation bestimmt. 2. Restimpulse von Elektron und Positron bewirken, dass die beiden - Quanten nicht genau in ent- gegengesetzte Richtung auseinanderfliegen Auflösung prinzipiell begrenzt ! (1 bis 2 mm bei Hirntomographen, 2 bis 3 mm bei Ganzkörpertomographen)

14 Begrenztheit der Auflösung:

15 Auswertung der Koinzidenzen: Anhand der gemessenen Werte entlang aller LOR`s kann die Aktivitätsverteilung im Patienten rekonstruiert werden (Rekonstruktion erfolgt mit Hilfe der gefilterten Rückprojektion) zufällige Koinzidenzen bilden mehr oder weniger homogene Untergrundrate im Tomogramm 15% der Koinzidenzen (Trues und Scattered Trues) sind Streukoinzidenzen.

16 2.2. Positronenemitter am meisten verwendete Positronenstrahler sind 11 C, 13 N, 15 O, 18 F Ersetzen eines stabilen Isotops in einem Bio- molekül durch 11 C, 13 N oder 15 O führt zu keiner Veränderung der Biochemie der Tracer und ermöglicht die ungestörte Abbildung ihres metabolischen Verhaltens Änderungen des metabolischen Verhaltens bei Einsatz von 18 F sind minimal.

17 Übersicht über übliche Positronenemitter: T 1/2 max. Positronen- mitlere Reich- (min) energie (MeV) weite (mm) 11 C 20,4 0,96 0,3 13 N 9,9 1,19 0,4 15 O 2,9 1,72 1,5 18 F 110 0,64 0,2 Angegebene Reichweiten für Gewebe

18 Erzeugung von Positronenstrahlern: Aufgrund kurzer Halbwertszeiten sollten Positronenstrahler generell direkt am Ort des Tomographen in einem Zyklotron erzeugt werden (PET - Zentren). Markierung der Tracer mit Positronenemittern erfolgt durch heiße Chemie (an Zyklotron an- geschlossen)

19 Zyklotronnuklide: Beschuss von stabilen Targetnukliden in Kreis- beschleunigern mit geladenen Teilchen ( p, d oder ) Partikelenergien 10MeV Kernreaktionen an Kernen des Targetmaterials führen zu gewünschten Produktnukliden

20 Erzeugung der Radionuklide:

21 Übersicht über Zyklotron-produzierte Radio- nuklide: Kernreaktionen: 11 C 14 N(p, ) 11 C 13 N 13 C(p,n) 13 N 12 C(d,n) 13 N 15 O 14 N(d,n) 15 O 15 N(p,n) 15 O 18 F 18 O(p,n) 18 F

22 Heiße Chemie: Ablauf von speziellen chemischen Reaktionen in mehreren organisch-chemischen Einzelschritten Durchführung der Synthese der PET - Radio- pharmaka in geschlossenen Bleiboxen mit voll - oder teilautomatischen Syntheseapparaten Qualitätskontrolle und Endreinigung

23 3. Anwendungen der PET Klinische Anwendungen unter anderem in der Kardiologie, Neurologie und Onkologie Besonders vorteilhaft ist die simultane Ab- bildung von ganzen Volumenbereichen, in denen Stoffwechsel und Biochemie quanti- tativ dargestellt werden können.

24 Beispiele für klinische Anwendungen: Kardiologie: Unterscheidung zwischen nekrotischem und vitalem Gewebe nach einem Herzinfarkt Neurologie: Diagnose degenerativer Erkrankungen/Darstellung epileptischer Zentren Onkologie: Quantitative Darstellung des Tumorwachstums und des Tumorstoffwechsels (Aufzeigen von Therapiewegen)

25 Hauptsächlich in der PET verwendete Tracer: 18 F-FDG: Messung des Glukosemetabolismus (Kardiologie/Neurologie/Onkologie) 11 C-Acetat: Messung des Fettsäurestoffwechsels (Kardiologie) 11 C-Methionin: Messung des Aminosäurestoffwechsels (Onkologie) 13 N-NH 3 : Messung der Perfusion (Kardiologie) H 2 15 O: Messung der Perfusion (Kardiologie/Neurologie)


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