¨ Uberblick Kernphysikalische Grundlagen und Anwendungsgebiete Detektoren Datenaufnahme Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Michael Queiser 14.7.2014 Michael Queiser Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
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
Uberblick
Kernphysikalische Grundlagen und Anwendungsgebiete
Detektoren
Datenaufnahme
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PET-Einrichtungen in Deutschland1988
1998
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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
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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)
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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 ◦
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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
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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
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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
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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
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Bestimmung des Wechselwirkungsortes II
I ComputedTomography:Messung von gesamterRadioaktivitat aufLinien (Line ofResponse) zwischenDetektoren unter vielenverschiedenen Winkeln
I MathematischeAlgorithmen zurBestimmung derKonzentration derRadionuklide
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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
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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
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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
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Positronen Reichweiten der Radionuklide II
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Szintillator Materialien
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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
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Quanten Effizienzphoto cathode Q.E. λmax
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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
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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
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Quadrant Sharing Detektor
I 8x8-fach segmentierterDetektorsblock auf einemQuadranten von 4Detektoren
I weitere Verringerung derbenotigten PMT-Zahl
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Gamma Kamera
I Prinzip wie beiBlockdetektor, aberkeine Segmentierung⇒ Nicht nur diskreteOrtswerte
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Typische Detektor-Setups
I Meist verwendet:ringformige Anordnung derDetektoren
I Zur Kostenminimierungkonnen auch partielleRingstrukturen unterverschiedenen Winkelngemessen werden
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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
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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.
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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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