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30.06.2016

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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


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


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


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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Universitätsmedizin Rostock

Messtechnik in der Nuklearmedizin – Wozu?10

StrahlenschutzBildgebung


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)


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

20


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

26


Kollimatoren27


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

Universitätsmedizin Rostock33

IRIX-Kamera (Fa. Philips) der KNuk

Drei-Kopf-Kamera (SPECT-fähig)33

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Zwei-Kopf-Gammakamera für SPECT inkl. CT34


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


Bilddarstellung – Farbskalen/2

Farbaufbau mit drei Grundfarben (additiv)

o Rot – Grün – Blau

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Bilddarstellung - Farbskalen37


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


Bildauswertung - dynamische Bilder

Nuklidaufnahme - Aktivitäts-Zeit-Kurven

40

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Bildauswertung - dynamische Bilder

Nuklidaufnahme - Aktivitäts-Zeit-Kurven

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Beispiele – Tomographische Darstellung (SPECT und PET)42

Kontakt


Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin

Dr. Jens Kurth

E-Mail: [email protected]

grundlagen der strahlenmesstechnik 2016.ppt ... · 30.06.2016 1 messtechniken der nuklearmedizin...

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