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Nuklearmedizinische Klinik und PoliklinikKlinikum rechts der Isar Technische Universität München
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Technology in Nuclear Medicine
Prof. Dr. S. I. Ziegler
Winter Term 2010/2011
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Nuklearmedizinische Klinik und PoliklinikKlinikum rechts der Isar
Outline of the Lecture
1. Date Principles of Nuclear Medicine, Radionuclides
2. Date Interaction of Radiation with Matter, Detectors
3. Date Gamma Camera, SPECT Technology
4. Date Development of Gamma Camera/SPECT
5. Date PET Equipment Technology
6. Date Tools for High Resolution PET
7. Date Image Reconstruction
8. Date Quantification
9. Date PET/CT Dual Modality Tomography
10. Date Nuclear Medical Applications
11. Date Tour of Nuklearmedizin MRI
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Principles of Nuclear Medicine
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Aims of Nuclear Medicine
• Diagnostics
Visualisation and quantification of biochemical processes in vivo
• Therapy:
Treatment of pathologic processes based on selective accumulation in body tissues
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Principles of Nuclear Medical Diagnostics
• Tracer principle
Radiopharmaceuticals are distributed, metabolized or excreted in
the organism according to their structure
• Representation of body functions by:
– Images
– Numerical data
– Graphs
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Non-invasive examination of physiological processes
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Radiopharmaceuticals
• Selection of the pharmaceutical according to the organ-specific question
• Labelling of pharmaceuticals with radioactive isotopes
External detection possible
• Radiopharmaceuticals must not affect the metabolism
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Nuclear Medical Examinations
Tracer principle
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Non-invasive observation of physiological processes
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Types of Radiation – Range in Tissue
Energy Range
α some MeV < 1mm
β 100 keV – 1MeV ~ some mm
γ 100 keV – 500 keV < some cm
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Isotopes for Nuclear Medical Imaging
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Nuclide Half Life TypeEnergy (keV)
99mTc 6 h γ 140
201Tl 73 h γ 70
123I 13 h γ 159
131I 8 d γ 364
18F 110 min e+, γγ 511
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Target Structures in Oncology
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FDG
Choline
Antibodies
Peptide Receptors
TK
Receptors Transporters
HSV-TkAcetate
Nucleosides
Nucleosides
O2
Local Concentration
Local Concentration
PeptidesPS
Amine Precursors
Hypoxia
Apoptosis
Amino Acids
Transport, Protein Synthesis
Transport, Choline Kinase
Integrin Expression,Neovascularization
Antigen Expression
Transport, Hexokinase
Lipid Synthesis
APUD-System
Neuropep. ReceptorsMonitoring Gene Expression
Proliferation
Inhibitors
Growth Factor Receptors
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Mechanisms of Tracer Imaging
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Mechanism Example
Distribution in a body compartment Blood pool scintigraphy, cystography
Leaking from the vascular compartment
Gastrointestinal bleeding
Passive diffusion Distribution in the tissue along a concentration gradient
Capillaries blocking Lung perfusion scintigraphy (Tracer Ø > 20 µm)
Adsorption Skeleton scintigraphy (Tc-99m-diphosponates on the surface of hydroxylapatite)
Active transport Thyroid scintigraphy, MIBG-scintigraphy, FDG - and AS-PET
Metabolic trapping FDG in cell because of selective blocking of glucose
Phagocytosis Liver, spleen and bone marrow scintigraphy Ø < 10µm
Receptor bond Selective binding of ligands and receptors e.g. in tumours and brain
Antigen- antibody reaction Radioimmunoscintigraphy
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Examples for Nuclear Medical Examinations
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131I – Scintigraphy
metastatic thyroid carcinoma
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03.12.2010 1499mTc MDP Bone Scan
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Glucose Metabolism in the Brain
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Surface Projections
Early Alzheimer Disease Typical Alzheimer Disease
von rechts
Normal Person
right left
100%
0%
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FDG PET of a Normal Person
Brain
Kidney
Bladder
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Nuklearmedizinische Klinik und PoliklinikKlinikum rechts der IsarFDG PET: Metastases from Colon
Carcinoma
Thyroid
Mediastinum
Scapula
Liver
Projection Axial Slices03.12.2010 17
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Tomography SPECT Recording
Gamma Camera
Gamma Camerameasures projections of activity distribution Spatial Resolution
clinical: ~8 – 20 mm
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SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography
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Coincidence circuit
PET Measuring Principle
Electronic Collimation
γ
γ
(511 keV)
(511 keV)
Nucleus
e+
e-
180±0.25°
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Radionuclides
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PET Nuclides
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Nuclide Half life
(min)
Most common Energy (MeV)
Maximal Range(mm)
Average Range(mm)
15O 2,1 0,696 8,22 1,49
13N 10 0,432 5,35 1,42
11C 20,3 0,326 4,98 1,11
18F 109,7 0,205 2,39 1,02
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PET Tracer Methode - Advantages
• High sensitivity (pmol)
• High specificity (molecular targeting)
• Biologic active substance (11C, 18F)
• No Influence of the investigated process
• No toxic effect
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Conditions for Nuclear Medicine
Gamma emitter with short to very short physical half life
Technical imaging properties: � Tc-99m
“Biologic labelling”: e+ emitter
Radio nuclides have to be produced
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Generator system
short T1/2
Isomerlong T1/2
β+, β-, EC
Reactor, Accelerator
parent nuclide
daughter nuclide
end product
Radio Nuclide Generator
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stable
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Decay rate of parent nuclide:
Decay rate of daughter nuclide:
Daughter activity:
Daughter with a much shorter decay time:
pp
pN
dt
dNλ−=
ddppd NN
dt
dNλ−λ=
( )( )t
pd
dppdd
pde1NNλ−λ−
−λ−λ
λλ=λ
( )t
ppddde1NN λ−−λ=λ
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Generator – Transient Equilibrium
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T 1/2
6 h
66 h
Branching ratio = 1
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Generator – Secular Equilibrium
Branching ratio = 1
T 1/2
15,4 d
5 sec
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Radio Nuclide Generators
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Parent T1/2 Decay Daughter T1/2 Decay Product
99Mo 66,02 h β- 99mTc 6,02 h isomer 99Tc
188W 69,4 d β- 188Re 16,9 h β- 188Os
68Ge 288 d EC 68Ga 68,3 min β+, EC 68Zn
82Sr 25 d EC 82Rb 1,25 min β+, EC 82Kr
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Decay Scheme 99Mo over 99mTc to 99Tc
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http://www5.atpages.jp/~rad/index.php?Mo-99
235U(n,fission)99Mo
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Al2O3
NaCl
99mTcO4-
MoO42-
Tc-99m Generator
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Tc-99m Generator
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Positron Emitter
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Nuclide T1/2
Nuclear Reaction
Target Material
18F 109,7min18O(p,n)18F
20Ne(d, α)18F
18O-water
Ne vapour
11C 20,4 min 14N(p, α)11C N2 vapour
13N 9,96 min 16O(p, α)13N water
15O 2,07 min 15N(p,n)15O enriched gas
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Nuclear Reactions
• Reaction cross section σ reaction probability
[σ] = 1 barn = 10-28 m2
• Depends on Radiation type
Energy
• Reaction rate: R = σ F n V
F: particle flux density
n: atomic number density
V: target volume
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Nuclear Reactions – Cross section
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Nuclear Reactions
• Reaction rate: R = σ F n V
Product is radioactive with decay constant λ
• Netto production: dN(t) = Rdt - λN(t)dt
• Product activity: A(t) = R(1 - exp(-λt))
R: maximal achievable activity (saturation activity)
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“Dees”
Ion source
Extraction
Cyclotron – Principle
Homogeneous magnetic field B perpendicular to plane of projection
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Cyclotron – Principle
• Ions with charge ze, initial speed v0
• Within magnetic field B: Lorentz force
• Centrifugal force = Lorentz force
r = path radius
Momentum p0 = m v0 = ze B r
Circular frequency ωωωω: v = ω r
• ωωωω is independent of radius or velocity
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BvezF 0L ⋅= pathparticleFL ⊥
Bv ze r
v m 0
20 =
m
Bze=ω
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Cyclotron – Principle
• High frequency voltage applied on “Dees” alternating with ω
Particles are accelerated at each rotation
• Kinetic Energy
Maximum energy depends of z2/2m
therefore protons get higher energy as deuterons
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( )m2
rBze
rBze2
1vrBze
2
1mv
2
1E
2
22K
=
=ω===
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-
NegativeIons
+
-
-
-
+
Target
Trajectoryat 11 MeV
Carbon foilProton
Cyclotron – Negative Ions
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Cyclotron for PET-Nuclides
40
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Nuklear-medizinTUM
Targets – RDS112
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Nuklear-medizinTUM
Synthesis Device
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Cyclotron – CTI/Siemens RDS112
• Diameter ~ 1 m
• Maximum energy: 11 MeV
• Dees: voltage 16 kV, 27 MHz
• Ion current on target: max. 40 µA
• Max. achievable activity:
11C 70 GBq
13N 10 GBq
15O 100 GBq
18F 70 GBq
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