Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

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

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

Bei Zerfall des Positronenstrahlers wird ein Proton in ein Positron, Neutron und Neutrino umgewandelt: Kernreaktion: AZX  AZ-1X` + 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

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)

Koinzidenzmessung:

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 mm2 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

Anordnung von Detektoren in einem Block:

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.

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

Mögliche Koinzidenzen:

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)

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)

Begrenztheit der Auflösung:

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.

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

Übersicht über übliche Positronenemitter: T1/2 max. Positronen- mitlere Reich- (min) energie (MeV) weite (mm) 11C 20,4 0,96 0,3 13N 9,9 1,19 0,4 15O 2,9 1,72 1,5 18F 110 0,64 0,2 Angegebene Reichweiten für Gewebe

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)

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

Erzeugung der Radionuklide:

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

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

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.

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)

Hauptsächlich in der PET verwendete Tracer: 18F-FDG: Messung des Glukosemetabolismus (Kardiologie/Neurologie/Onkologie) 11C-Acetat: Messung des Fettsäurestoffwechsels (Kardiologie) 11C-Methionin: Messung des Aminosäurestoffwechsels (Onkologie) 13N-NH3: Messung der Perfusion H215O: Messung der Perfusion (Kardiologie/Neurologie)