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Messtechniken der Nuklearmedizin
Jens Kurth
Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin
Universitätsmedizin Rostock30.06.2016
Prinzipien der Nuklearmedizin
Messgrößen ionisierender Strahlung
Messtechnik: Dosimetrie bis bildgebende Verfahren
o Filmdosimeter
o Zählrohr / Geiger-Müller-Zähler
o Szintillationsdetektor
o Gammakamera
o Bildverarbeitung und -auswertung
Inhalt2
Universitätsmedizin Rostock30.06.2016
o Diagnostik und Therapie von Erkrankungen mithilfe radioaktiver Substanzen
o Bindung an spezifische molekulare Zielstrukturen wie Rezeptoren, Antigene,
Transportproteine und Enzyme
o radioaktiver Zerfall � Gammastrahlung
o extrem empfindlicher Nachweis möglich;
jedes zerfallende Atom führt zu einem
messbaren Signal
o Expression und Funktion kann im
Patienten untersucht werden =
„Molekulare Bildgebung“
o qualitative und quantitative Bildgebung
Diagnostik Therapie
o radioaktiver Zerfall � Betastrahlung
o hohe lokale Energiedosis
o krankhafte Zellen können durch
Anreicherung von Radionukliden selektiv
bestrahlt und abgetötet werden
Was ist Nuklearmedizin?3
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Transmissionsbildgebung
Röntgenröhre(mAs und kV)
N0
N
Röntgendetektor
x
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Funktionsbildgebung in der Nuklearmedizin
Funktion / Target Markierung?
„relevantes“ Molekül / Ligand Radionuklid+
Tracer
Funktionsbildgebung in der Nuklearmedizin5
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Grundprinzip der Nuklearmedizin
• radioaktive Tracersubstanz als Indikator für biochemische Prozesse
• kein biochemischer Unterschied zwischen radioaktivem und nicht radioaktivem
Isotop eines Elementes
• Abstimmung auf den zu untersuchenden Stoffwechselprozess
• � Tracerprinzip
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George de Hevesy (1885 – 1966)
„The most remarkable results obtained in
the study of the application of isotopic
indicators is perhaps the discovery of the
dynamic state of the body constituents. ...“
(Nobel Lecture, December 12, 1944)
1923 – Georg Karl von Hevesy: Verteilung von radioaktivem 212Pb in der Acker-
bohne
Entwicklung des Tracerprinzips7
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Empfindlichkeit bildgebender Verfahren
Notwendige Substanzkonzentrationen (mol/l)
Sonographie 10-3
Computertomographie 10-3
Magnetresonanztomographie + spektroskopie 10-5
Nuklearmedizinische Bildgebung 10-12
� Injektion geringster Stoffmengen (< 10 nmol) ausreichend
� keine Beeinflussung des zu untersuchenden Stoffwechselprozesses
� keine pharmakologischen Effekte
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• Strahlenexposition – Einwirkung ionisierender Strahlung auf den
menschlichen Körper
• Nuklearmedizin: innere Strahlenexposition
• Aktivität: Anzahl der Zerfallsereignisse pro Sekunde - „Menge“
• Strahlung: Transport der Energie
• Dosis: bestimmt durch Aktivität und Expositionsdauer -
„Wirkungsbeschreibung“
� Energiedosis D: absorbierte Strahlungsenergie pro Masseeinheit
� Organdosis HT: Energiedosis im menschlichen Körper
� effektive Dosis E: Maß für das Risiko von Strahlenschäden bezogen auf
eine Ganzkörperexposition
Aktivität, Strahlung, Dosis9
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Messtechnik in der Nuklearmedizin – Wozu?10
StrahlenschutzBildgebung
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Messprinzipien
Filmschwärzungelektr.
Leitfähigkeit
Lichterzeugung
in Festkörpern
o Film o Szintillations-
detektoren
o Thermolumines
-zenzdetektoren
o Halbleiterdetektoren
o Gasdetektoren
o Ionisationskammer
o Geiger-Müller-Zähler
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Strahlungsmessung: Gleitschatten - Filmdosimeter
Zur Überwachung der aufgenommenen Dosis von in strahlengefährdeten Bereichen tätigen Personen
● Filmschwärzung ist Funktion der Dosis bei bekannter Energie
● Aussagen über Strahlungsart und
Energieverteilung durch Filtermaterialien
1. Plastikfilter2. Metallfilter3. Betastrahlungsindikator4. Richtungsindikator5. Verschluss6. Abschirmrahmen7. Klemmbügel8. Film-Kontrollloch9. Feld für ein Typenschild10. Namensfeld
Ansprechvermögen bezüglich Hp(10)
Metall Plastik
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Messprinzipien
Filmschwärzungelektr.Leitfähigkeit
Lichterzeugungin Festkörpern
• Film • Szintillations-
detektoren
• Gasdetektoren
• Ionisationskammer
• Geiger-Müller-Zähler
• Halbleiterdetektoren
• Thermolumines-
zenzdetektoren
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Ionisationskammer14
Kontrolle von Kontaminationen (Aktivitätsmessung in Bq oder Bq/cm²) und zur Dosisleistungs-messung (in µSv/h)
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Aktivimeter - Ionisationskammer
Messung von
• angelieferten Aktivitäten,• Generator-Eluaten• applikationsfertigen Abfüllungen
Messbereich: 30…100 kBq bis 20…50 GBq © MED Dresden GmbH
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Messprinzipien
Filmschwärzungelektr.Leitfähigkeit
Lichterzeugungin Festkörpern
• Film • Szintillations-detektoren
• Gasdetektoren
• Ionisationskammer
• Geiger-Müller-Zähler
• Halbleiterdetektoren
• Thermolumines-zenzdetektoren
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Szintillation - Entstehung
γ-Quanten
Valenzband
Leitband
Ener
gie
Elektron
LochSzintillationskristall (Bsp.)• NaI (Tl) – Natriumjodid (Thallium)• BGO - Wismutgermanat• LSO - Luthetiumdesoxyorthosilikat• div. Kunststoffe
beim Auftreffen radioaktiver Strahlung wird in fluoreszierenden Mineralien Energie in Form von Photonen abgegeben � Lichtblitz
Aktivator-zustände
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Grundprinzip der Szintillationsmessung
Auswerte-Elektronik
Sekundär-Elektronen-Vervielfacher (SEV)
hohe Verstärkung: ca. 1 Mio.-fachSzintillationskristall ausNaJ mit Spuren von Thallium
γ-Quanten
● Intensität des Lichtblitzes ist proportional zur Energie des Quants
� Einteilung in Intensitätsbereiche � Energiespektrum
Quanten-Energie
E1 = h*ν1
E1<E2
E2=h*ν2
U
U
NaJ-Kristall
SEV
SEV
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Gammakamera
Elektronik
SEV
Szintillationskristall
Kollimator (Blei)
Strahlenquelle(z.B. Schilddrüse, in der 99mTc angereichert wurde)
x
y
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Gammakamera
*Image courtesy of L. Shao, Philips Medical Systems
Szintillationskristall(NaI:Tl)
1 cm
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Gammakamera
© Siemens Medical
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Kollimatoren
Hauptquantenergie: 140 keV
Sekundäre Compton-Quanten mit Energien < 140 keV
e-
e-
e- Compton-Effekt
So entsteht kein Bild der Strahlungsquelle
Kollimator („die Linse“)
NaI-Kristall
SEV
ein
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Kollimatoren27
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Bildentstehung in der Gammakamera
Beispiel:
Anreicherung vonAktivität in SD und Blase
Digitales
Pixelbild
Anzahl registrierteCounts bestimmt
die Farbe/Grauwertjedes Pixels
Kollimator Szintillations-
Kristall und
SEV-Feld
Signalver-arbeitungund-auswertung
Elektronik/
PC
Objekt „Linse“ „Bildsensor“ BildSpeicherkarte
im Vergleich mit Digitalkamera30
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Gamma-Kamera - Typische Parameter
• 37 - 100 Photomultiplier
• Durchmesser: 20 - 50 cm � Gesichtsfeld
• Dicke Szintillationskristall:
– 6 mm (200 keV-Quanten)
– 12 mm (511 keV-Quanten)
• Ortsauflösung: 3 - 4 mm
• regelmäßiges Kalibrieren der Anordnung mit bekannter Aktivitätsverteilung;
Korrekturverfahren
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Schilddrüsenkamera32
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IRIX-Kamera (Fa. Philips) der KNuk
Drei-Kopf-Kamera (SPECT-fähig)33
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Zwei-Kopf-Gammakamera für SPECT inkl. CT34
Universitätsmedizin Rostock
6983
13273511
1124269
2123
x
y
x
y
Farbtabelle
35
0
Auswahl der Farbtabelle nach
Untersuchungsanforderung
o Positiv- oder
Negativkontrast
o Tracerakkumulation
o Bildoverlay …
Bilddarstellung - Farbskalen35
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Bilddarstellung – Farbskalen/2
Farbaufbau mit drei Grundfarben (additiv)
o Rot – Grün – Blau
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Bilddarstellung - Farbskalen37
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o applizierte Aktivität Appl genau bekannt
o Quantifizierung der Aktivität AROI in den
einzelnen Regionen
o Verhältnis beschreibt die
Traceraufnahme
Nuklidaufnahme - Uptake - ROI (Region of Interest)
TcTU: 4,7 %ROI 1: 2,6 %ROI 2: 2,1 %
Schilddrüsenszintigraphie
mit 99mTc-Pertechnetat
%100⋅=appl
ROI
A
ATcTU
R V L
Bildauswertung - statische Bilder39
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Bildauswertung - dynamische Bilder
Nuklidaufnahme - Aktivitäts-Zeit-Kurven
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Bildauswertung - dynamische Bilder
Nuklidaufnahme - Aktivitäts-Zeit-Kurven
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Beispiele – Tomographische Darstellung (SPECT und PET)42
Kontakt
Universitätsmedizin Rostock
Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin
Dr. Jens Kurth
E-Mail: jens.kurth@uni-rostock.de
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