Positronen-Emissions-Tomographie

Radionuklide und Radiotracerbearbeiten

Radionuklide, die beim PET-Scannen verwendet werden, sind typischerweise Isotope mit kurzen Halbwertszeiten wie Kohlenstoff-11 (~ 20 min), Stickstoff-13 (~ 10 min), Sauerstoff-15 (~ 2 min), Fluor-18 (~ 110 min), Gallium-68 (~ 67 min), Zirkonium-89 (~ 78,41 Stunden) oder Rubidium-82 (~ 1,27 min). Diese Radionuklide werden entweder in Verbindungen eingebaut, die normalerweise vom Körper verwendet werden, wie Glucose (oder Glucoseanaloga), Wasser oder Ammoniak, oder in Moleküle, die an Rezeptoren oder andere Stellen der Arzneimittelwirkung binden. Solche markierten Verbindungen sind als Radiotracer bekannt. Die PET-Technologie kann verwendet werden, um den biologischen Weg jeder Verbindung in lebenden Menschen (und vielen anderen Arten) zu verfolgen, vorausgesetzt, sie kann mit einem PET-Isotop radioaktiv markiert werden. Somit sind die spezifischen Prozesse, die mit PET untersucht werden können, praktisch unbegrenzt, und Radiotracer für neue Zielmoleküle und -prozesse werden weiterhin synthetisiert. Im Jahr 2020 ist der bei weitem am häufigsten verwendete Radiotracer beim klinischen PET-Scannen 18F-FDG, FDG ein Analogon von Glucose, das mit Fluor-18 markiert ist. Dieser Radiotracer wird im Wesentlichen in allen Scans für die Onkologie und die meisten Scans in der Neurologie verwendet und macht somit die große Mehrheit der Radiotracer (> 95%) aus, die in PET- und PET-CT-Scans verwendet werden.

Aufgrund der kurzen Halbwertszeiten der meisten Positronen emittierenden Radioisotope wurden die Radiotracer traditionell mit einem Zyklotron in unmittelbarer Nähe der PET-Bildgebungsanlage hergestellt. Die Halbwertszeit von Fluor-18 ist lang genug, dass mit Fluor-18 markierte Radiotracer kommerziell an externen Standorten hergestellt und an Bildgebungszentren geliefert werden können. In letzter Zeit sind Rubidium-82-Generatoren im Handel erhältlich. Diese enthalten Strontium-82, das durch Elektroneneinfang zerfällt, um Positronen emittierendes Rubidium-82 zu erzeugen.

Immuno-PETEdit

Das Isotop 89Zr wurde zur Verfolgung und Quantifizierung molekularer Antikörper mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) -Kameras (eine Methode namens „Immuno-PET“) verwendet. Das Verfahren verwendet ein succinyliertes Derivat von Desferrioxamin B (N-sucDf) als bifunktionelles Chelat,

emissionbearbeiten

Um den Scan durchzuführen, wird ein kurzlebiges radioaktives Tracer-Isotop in das lebende Subjekt injiziert (normalerweise in den Blutkreislauf). Jedes Tracer-Atom wurde chemisch in ein biologisch aktives Molekül eingebaut. Es gibt eine Wartezeit, während das aktive Molekül in Geweben von Interesse konzentriert wird; dann wird das Subjekt in den bildgebenden Scanner gelegt. Das für diesen Zweck am häufigsten verwendete Molekül ist F-18-markierte Fluordeoxyglukose (FDG), ein Zucker, für den die Wartezeit typischerweise eine Stunde beträgt. Während des Scans wird die Gewebekonzentration aufgezeichnet, wenn der Tracer zerfällt.

Wenn das Radioisotop einen Positronen-Emissionszerfall durchläuft (auch als positiver Beta-Zerfall bekannt), emittiert es ein Positron, ein Antiteilchen des Elektrons mit entgegengesetzter Ladung. Das emittierte Positron bewegt sich im Gewebe für eine kurze Strecke (typischerweise weniger als 1 mm, aber abhängig vom Isotop), während dieser Zeit verliert es kinetische Energie, bis es sich bis zu einem Punkt verlangsamt, an dem es mit einem Elektron interagieren kann. Die Begegnung vernichtet sowohl Elektron als auch Positron und erzeugt ein Paar Annihilationsphotonen (Gamma-Photonen), die sich in ungefähr entgegengesetzte Richtungen bewegen. Diese werden detektiert, wenn sie einen Szintillator in der Abtastvorrichtung erreichen, wodurch ein Lichtstoß erzeugt wird, der von Photomultiplier-Röhren oder Silizium-Avalanche-Photodioden (Si APD) detektiert wird. Die Technik hängt von der gleichzeitigen oder übereinstimmenden Detektion des Photonenpaares ab, das sich in ungefähr entgegengesetzte Richtungen bewegt (sie wären in ihrem Massenmittelpunktrahmen genau entgegengesetzt, aber der Scanner hat keine Möglichkeit, dies zu wissen, und hat daher eine eingebaute leichte Richtungsfehlertoleranz). Photonen, die nicht in zeitlichen „Paaren“ (d.h. innerhalb eines Zeitfensters von wenigen Nanosekunden) ankommen, werden ignoriert.

Lokalisierung des Ereignisses der Positronen–Annihilationbearbeiten

Der bedeutendste Anteil der Elektron-Positronen-Annihilationen führt dazu, dass zwei 511 keV-Gammaphotonen in einem Winkel von fast 180 Grad zueinander emittiert werden; Daher ist es möglich, ihre Quelle entlang einer geraden Koinzidenzlinie (auch als Reaktionslinie oder LOR bezeichnet) zu lokalisieren. In der Praxis hat das LOR eine Breite ungleich Null, da die emittierten Photonen nicht genau 180 Grad voneinander entfernt sind. Wenn die Auflösungszeit der Detektoren weniger als 500 Pikosekunden und nicht etwa 10 Nanosekunden beträgt, ist es möglich, das Ereignis auf ein Segment einer Sehne zu lokalisieren, deren Länge durch die Detektorzeitauflösung bestimmt wird. Wenn sich die Zeitauflösung verbessert, verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Bildes, sodass weniger Ereignisse erforderlich sind, um die gleiche Bildqualität zu erzielen. Diese Technologie ist noch nicht üblich, aber auf einigen neuen Systemen verfügbar.

Bildrekonstruktion

Die von einem PET-Scanner gesammelten Rohdaten sind eine Liste von ‚Koinzidenzereignissen‘, die eine nahezu gleichzeitige Detektion (typischerweise innerhalb eines Fensters von 6 bis 12 Nanosekunden voneinander) von Vernichtungsphotonen durch ein Detektorpaar darstellen. Jedes Koinzidenzereignis stellt eine Linie im Raum dar, die die beiden Detektoren verbindet, entlang derer die Positronen-Emission aufgetreten ist (d. h. Die Linie der Antwort (LOR)).

Analysetechniken werden häufig verwendet, ähnlich wie die Rekonstruktion von Computertomographie- (CT-) und Einzelphotonenemissions-Computertomographie- (SPECT-) Daten, obwohl der in PET gesammelte Datensatz viel schlechter ist als CT, so dass Rekonstruktionstechniken schwieriger sind. Zufallsereignisse können in Projektionsbilder gruppiert werden, die als Sinogramme bezeichnet werden. Die Sinogramme werden nach dem Winkel jeder Ansicht und Neigung (für 3D-Bilder) sortiert. Die Sinogrammbilder sind analog zu den von Computertomographen (CT) erfassten Projektionen und können auf ähnliche Weise rekonstruiert werden. Die Statistiken der dadurch erhaltenen Daten sind viel schlechter als die durch Transmissionstomographie erhaltenen. Ein normaler PET-Datensatz hat Millionen von Zählungen für die gesamte Erfassung, während die CT einige Milliarden Zählungen erreichen kann. Dies trägt dazu bei, dass PET-Bilder „lauter“ erscheinen als CT. Zwei Hauptquellen des Rauschens in PET sind Streuung (ein detektiertes Photonenpaar, von dem mindestens eines durch Wechselwirkung mit Materie im Sichtfeld von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt wurde, was dazu führte, dass das Paar einem falschen LOR zugeordnet wurde) und zufällige Ereignisse (Photonen, die von zwei verschiedenen Annihilationsereignissen stammen, aber fälschlicherweise als Koinzidenzpaar aufgezeichnet wurden, weil ihre Ankunft an ihren jeweiligen Detektoren innerhalb eines Koinzidenzzeitfensters erfolgte).

In der Praxis ist eine erhebliche Vorverarbeitung der Daten erforderlich – Korrektur für zufällige Koinzidenzen, Schätzung und Subtraktion gestreuter Photonen, Detektor-Totzeitkorrektur (nach der Detektion eines Photons muss der Detektor wieder „abkühlen“) und Detektor-Empfindlichkeitskorrektur (sowohl für die inhärente Detektorempfindlichkeit als auch für Änderungen der Empfindlichkeit aufgrund des Einfallswinkels).

Die gefilterte Rückprojektion (FBP) wurde häufig verwendet, um Bilder aus den Projektionen zu rekonstruieren. Dieser Algorithmus hat den Vorteil, einfach zu sein und gleichzeitig einen geringen Bedarf an Rechenressourcen zu haben. Nachteile sind, dass Schussrauschen in den Rohdaten in den rekonstruierten Bildern prominent ist, und Bereiche mit hoher Tracer-Aufnahme neigen dazu, Streifen über das Bild zu bilden. Außerdem behandelt FBP die Daten deterministisch – es berücksichtigt nicht die inhärente Zufälligkeit, die mit PET-Daten verbunden ist, und erfordert daher alle oben beschriebenen Korrekturen vor der Rekonstruktion.

Statistische, likelihood-basierte Ansätze:Statistische, wahrscheinlichkeitsbasierte iterative Erwartungsmaximierungsalgorithmen wie der Shepp-Vardi-Algorithmus sind heute die bevorzugte Methode der Rekonstruktion. Diese Algorithmen berechnen eine Schätzung der wahrscheinlichen Verteilung von Vernichtungsereignissen, die zu den gemessenen Daten geführt haben, basierend auf statistischen Prinzipien. Der Vorteil ist ein besseres Rauschprofil und Widerstand gegen die gleichen Artefakte gemeinsam mit FBP, aber der Nachteil ist, höhere Anforderungen an die Computerressourcen. Ein weiterer Vorteil statistischer Bildrekonstruktionstechniken besteht darin, dass die physikalischen Effekte, die bei Verwendung eines analytischen Rekonstruktionsalgorithmus vorkorrigiert werden müssten, wie gestreute Photonen, zufällige Koinzidenzen, Dämpfung und Detektortotzeit, in das bei der Rekonstruktion verwendete Wahrscheinlichkeitsmodell einbezogen werden können, was eine zusätzliche Rauschreduzierung ermöglicht. Es hat sich auch gezeigt, dass die iterative Rekonstruktion zu einer Verbesserung der Auflösung der rekonstruierten Bilder führt, da komplexere Modelle der Scannerphysik in das Likelihood-Modell integriert werden können als diejenigen, die von analytischen Rekonstruktionsmethoden verwendet werden, was eine verbesserte Quantifizierung der Radioaktivitätsverteilung ermöglicht.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Bayes’sche Methoden, die eine Poisson-Likelihood-Funktion und eine entsprechende Prior-Wahrscheinlichkeit (z., eine Glättungs-Prior, die zu einer Regularisierung der Gesamtvariation führt, oder eine Laplace-Verteilung, die zu einer ℓ 1 {\displaystyle \ell _{1}} -basierten Regularisierung in einem Wavelet oder einer anderen Domäne führt), wie über den Siebschätzer von Ulf Grenander oder über Bayes-Strafmethoden oder über die Rauheitsmethode von I.J. Good, kann zu einer überlegenen Leistung gegenüber erwartungsmaximierungsbasierten Methoden führen, die eine Poisson-Wahrscheinlichkeitsfunktion beinhalten, aber keinen solchen Prior beinhalten.

Dämpfung korrektur: Quantitative PET Imaging erfordert dämpfung korrektur. In diesen Systemen basiert die Dämpfungskorrektur auf einem Übertragungsscan unter Verwendung einer rotierenden 68GE-Stabquelle.

Transmission Scans messen direkt Dämpfungswerte bei 511keV. Dämpfung tritt auf, wenn Photonen, die vom Radiotracer im Körper emittiert werden, von dazwischenliegendem Gewebe zwischen dem Detektor und der Emission des Photons absorbiert werden. Da verschiedene LORs unterschiedliche Gewebedicken durchqueren müssen, werden die Photonen differentiell abgeschwächt. Das Ergebnis ist, dass Strukturen tief im Körper als falsch niedrige Tracer-Aufnahme rekonstruiert werden. Moderne Scanner können die Dämpfung mit integrierten Röntgen-CT-Geräten abschätzen, anstelle früherer Geräte, die eine grobe Form der CT unter Verwendung einer Gammastrahlenquelle (Positronen emittierend) und der PET-Detektoren boten.

Während dämpfungskorrigierte Bilder im Allgemeinen getreuere Darstellungen sind, ist der Korrekturprozess selbst anfällig für signifikante Artefakte. Infolgedessen werden sowohl korrigierte als auch unkorrigierte Bilder immer zusammen rekonstruiert und gelesen.

2D/3D Rekonstruktion: Frühe PET-Scanner hatten nur einen einzigen Detektorring, Daher war die Datenerfassung und anschließende Rekonstruktion auf eine einzige Querebene beschränkt. Modernere Scanner enthalten jetzt mehrere Ringe, die im Wesentlichen einen Zylinder von Detektoren bilden.

Es gibt zwei Ansätze, um Daten von einem solchen Scanner zu rekonstruieren: 1) behandeln Sie jeden Ring als separate Einheit, so dass nur Zufälle innerhalb eines Rings erkannt werden, das Bild von jedem Ring kann dann einzeln rekonstruiert werden (2D-Rekonstruktion), oder 2) Lassen Sie Zufälle sowohl zwischen Ringen als auch innerhalb von Ringen erkennen und rekonstruieren Sie dann das gesamte Volumen zusammen (3D).

3D-Techniken haben eine bessere Empfindlichkeit (weil mehr Zufälle erkannt und verwendet werden) und daher weniger Rauschen, sind jedoch empfindlicher gegenüber den Auswirkungen von Streuung und zufälligen Zufällen und erfordern entsprechend größere Computerressourcen. Das Aufkommen von Detektoren mit einer Zeitauflösung von unter Nanosekunden ermöglicht eine bessere zufällige Koinzidenzunterdrückung, wodurch die 3D-Bildrekonstruktion begünstigt wird.

Time-of-Flight (TOF) PET: Für moderne Systeme mit einer höheren Zeitauflösung (etwa 3 Nanosekunden) wird eine Technik namens „Time-of-Flight“ verwendet, um die Gesamtleistung zu verbessern. Time-of-Flight-PET verwendet sehr schnelle Gammastrahlendetektoren und ein Datenverarbeitungssystem, das den Zeitunterschied zwischen dem Nachweis der beiden Photonen genauer bestimmen kann. Obwohl es technisch unmöglich ist, den Ursprungsort des Annihilationsereignisses genau zu lokalisieren (derzeit innerhalb von 10 cm), ist daher immer noch eine Bildrekonstruktion erforderlich, Die TOF-Technik bietet eine bemerkenswerte Verbesserung der Bildqualität, insbesondere des Signal-Rausch-Verhältnisses.

Kombination von PET mit CT oder mribearbeiten

PET-Scans werden zunehmend neben CT- oder Magnetresonanztomographie (MRT) -Scans gelesen, wobei die Kombination („Co-Registrierung“ genannt) sowohl anatomische als auch metabolische Informationen liefert (dh was die Struktur ist und was sie biochemisch tut). Da die PET-Bildgebung am nützlichsten in Kombination mit anatomischer Bildgebung wie CT ist, sind moderne PET-Scanner jetzt mit integrierten High-End-CT-Scannern mit mehreren Detektoren (sogenannte „PET-CT“) erhältlich. Da die beiden Scans in unmittelbarer Folge während derselben Sitzung durchgeführt werden können, wobei der Patient die Position zwischen den beiden Scantypen nicht ändert, werden die beiden Bildsätze genauer registriert, so dass abnormale Bereiche auf der PET-Bildgebung perfekter mit der Anatomie auf den CT-Bildern korreliert werden können. Dies ist sehr nützlich, um detaillierte Ansichten von sich bewegenden Organen oder Strukturen mit höherer anatomischer Variation zu zeigen, was außerhalb des Gehirns häufiger vorkommt.

Am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Biophysik wurde im April 2009 das weltweit größte PET-MRT-Gerät in Betrieb genommen: ein 9,4-Tesla-Magnetresonanztomograph (MRT) kombiniert mit einem Positronen-Emissions-Tomographen (PET). Gegenwärtig können nur der Kopf und das Gehirn bei diesen hohen Magnetfeldstärken abgebildet werden.

Für die Bildgebung des Gehirns kann die Registrierung von CT-, MRT- und PET-Scans ohne die Notwendigkeit eines integrierten PET-CT- oder PET-MRT-Scanners unter Verwendung eines als N-Localizer bekannten Geräts erfolgen.

Begrenzungenbearbeiten

Die Minimierung der Strahlendosis für das Subjekt ist ein attraktives Merkmal der Verwendung kurzlebiger Radionuklide. Neben seiner etablierten Rolle als Diagnosetechnik spielt PET eine wachsende Rolle als Methode zur Beurteilung des Ansprechens auf die Therapie, insbesondere die Krebstherapie, bei der das Risiko für den Patienten aufgrund mangelnder Kenntnisse über den Krankheitsverlauf viel größer ist als das Risiko durch die Teststrahlung. Da die Tracer radioaktiv sind, können ältere Menschen und schwangere sie aufgrund von Strahlenrisiken nicht verwenden.

Einschränkungen der weit verbreiteten Verwendung von PET ergeben sich aus den hohen Kosten von Zyklotronen, die zur Herstellung der kurzlebigen Radionuklide für das PET-Scannen benötigt werden, und der Notwendigkeit speziell angepasster chemischer Syntheseapparate vor Ort, um die Radiopharmaka nach der Radioisotopenpräparation herzustellen. Organische Radiotracermoleküle, die ein Positronen emittierendes Radioisotop enthalten, können nicht zuerst synthetisiert und dann das Radioisotop in ihnen hergestellt werden, da der Beschuss mit einem Zyklotron zur Herstellung des Radioisotops jeden organischen Träger dafür zerstört. Stattdessen muss das Isotop zuerst vorbereitet werden, dann danach die Chemie, um einen organischen Radiotracer (wie FDG) herzustellen, der sehr schnell in der kurzen Zeit vor dem Zerfall des Isotops durchgeführt wird. Nur wenige Krankenhäuser und Universitäten sind in der Lage, solche Systeme zu warten, und die meisten klinischen PET wird von Drittanbietern von Radiotracern unterstützt, die viele Standorte gleichzeitig versorgen können. Diese Einschränkung beschränkt die klinische PET in erster Linie auf die Verwendung von mit Fluor-18 markierten Tracern, die eine Halbwertszeit von 110 Minuten haben und vor der Verwendung über eine angemessene Entfernung transportiert werden können, oder auf Rubidium-82 (verwendet als Rubidium-82-Chlorid) mit einer Halbwertszeit von 1, 27 Minuten, die in einem tragbaren Generator erzeugt wird und für Myokardperfusionsstudien verwendet wird. Dennoch haben in den letzten Jahren einige Zyklotrone vor Ort mit integrierter Abschirmung und „Hot Labs“ (automatisierte Chemielabore, die mit Radioisotopen arbeiten können) begonnen, PET-Einheiten in abgelegene Krankenhäuser zu begleiten. Die Präsenz des kleinen Zyklotrons vor Ort verspricht, in Zukunft zu expandieren, da die Zyklotrone als Reaktion auf die hohen Kosten des Isotopentransports zu entfernten PET-Maschinen schrumpfen. In den letzten Jahren wurde der Mangel an PET-Scans in den USA gemildert, da die Einführung von Radiopharmaka zur Versorgung mit Radioisotopen um 30% pro Jahr gestiegen ist.

Da die Halbwertszeit von Fluor-18 etwa zwei Stunden beträgt, wird die vorbereitete Dosis eines Radiopharmazeutikums, das dieses Radionuklid enthält, während des Arbeitstages mehrere Halbwertszeiten durchlaufen. Dies erfordert eine häufige Rekalibrierung der verbleibenden Dosis (Bestimmung der Aktivität pro Volumeneinheit) und eine sorgfältige Planung in Bezug auf die Patientenplanung.