Voraussetzungen für die Quantifizierung in der
Emissions-Tomographie

Habilitationsschrift

zur Erlangung der Lehrbefähigung
für das Fach

Experimentelle Nuklearmedizin

vorgelegt dem Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von

Frau Dr. rer. biol. hum. Lilli Geworski

geboren am 08. September 1960 in Duschanbe

Präsident: Prof. Dr. J. Mlynek

Dekan: Prof. Dr. J. W. Dudenhausen

eingereicht am: Juli 2003

Gutachter:
1. Prof. Dr. C.-M. Kirsch
2. Prof. Dr. W. Burchert

Inhaltsverzeichnis

• 1  Einleitung
• 2 Emissions-tomographische Verfahren
  • 2.1  Einzelphotonen-Emissions-Tomographie (SPECT)
  • 2.2 Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
• 3  Datenauswertung
• 4  Voraussetzungen für quantitative Datenauswertung
  • 4.1 Korrekturen
    • 4.1.1 Totzeitkorrektur
    • 4.1.2 Korrektur zufälliger Koinzidenzen
    • 4.1.3 Absorptionskorrektur
    • 4.1.4 Streustrahlungskorrektur
    • 4.1.5 Recovery-Korrektur
  • 4.2 Absolute Kalibrierung und Kreuzkalibrierung
  • 4.3 Qualitätsprüfung
• 5 Zusammenfassung
• Literatur
• Danksagung
• EIDESSTATTLICHE VERSICHERUNG

Bilder

• Abbildung 1: Messprinzip bei der SPECT (links) und bei der PET (rechts)
• Abbildung 2: Messkopf einer Gammakamera (Prinzip)
• Abbildung 3: Objekt mit zwei Punktquellen und die dazugehörigen Projektionen mit Profilen der Aktivitätsverteilung.
• Abbildung 4: Prinzip der TomographieDie gemessenen Daten werden als Projektion dargestellt. Durch die Rekonstruktion, die Rückprojektion und Filterung beinhaltet, wird ein transversales Bild berechnet.
• Abbildung 5: Entstehung der Vernichtungs-strahlung (n=Neutron, p=Proton, e+=Posi-tron, e-=Elektron)
• Abbildung 6:Die von zwei Detektoren (D) registrierten Koinzidenzen: a)echte Koinzidenz, b) gestreute Koinzidenz (echte Koinzidenz nach Streuung), c) zufällige Koinzidenz (Random)
• Abbildung 7: 2D- (mit Septen) bzw. 3D- (ohne Septen) Akquisitionsmodus
• Abbildung 8: F-18-FDG-PET-Aufnahmen eines Patienten mit Bronchialkarzinom im Unter-lappen der linken Lunge. Der Primärtumor und multiple Knochenmetastasen in Wirbelsäule und rechtem Femur sind als deutliche fokale Mehrspeicherungen dargestellt. Zusätzlich sind physiologische Anreicherungen, z.B. im linksventrikulären Myokard, in Leber, Milz, beiden Nieren und in der Harnblase, zu erkennen.
• Abbildung 9a: Hirn-PET-Untersuchung mit F-18-FDG: Transversale Schicht durch das Hirn eines Patienten mit einem Lokalrezidiv eines Glioblastoms; deutliche Aktivitätsmehranreicherung rechts frontal bei sonst physiologischer Aktivitätsverteilung.
• Abbildung 9b: Ganzkörper-PET-Untersuchung mit F-18-FDG: Dargestellt sind jeweils eine transversale, sagittale und koronale Schnittebene bei einem Patienten mit medullärem Schilddrüsenkarzinom: links: deutliche Aktivitätsmehranreicherung in der Schilddrüsenloge (Lokalrezidiv nach Therapie);rechts: Verlaufskontrolle ein Jahr nach OP; zu sehen sind zwei neu aufgetretene mediastinale Lymphknotenmetastasten und multiple Lebermetastasen.
• Abbildung 10:Transversale Schnittbilder des Hirnslinks: Blutfluss, gemessen mit O-15-Wasser; rechts: Glukosestoffwechsel, ermittelt mit F-18
• Abbildung 11: Gemessene versus wahre Impulsratencharakteristik einer Gammakamera (Prinzip). NEMA-Protokoll: Punktquelle ohne Streumedium; IEC-Protokoll: Flächenquelle mit Streumedium.
• Abbildung 12: Absorption bei der PET (a) und SPECT (b). Bei der PET ist die Absorption unabhängig von der Quellenposition (Punktquellen A, B, C). Die Absorptionslängen beider Photonen (a1+a2 oder b1+b2) werden in Betracht gezogen, so dass die Absorption als eine Funktion der gesamten Absorptionslänge d und des Schwächungskoeffizienten μ beschrieben wird. Die Absorption bei der SPECT ist abhängig von der Quellenposition (Punktquellen A, B, C; Absorptionslängen der Photonen a, b, d).
• Abbildung 13: Ungestreute und gestreute Photonen, gemessen an einer Gammakamera. Die gestreuten Photonen führen zu Fehlortungen.
• Abbildung 14: Ungestreute und gestreute Koinzidenzlinien in einem Vollring-PET. Die gestreuten Koinzidenzlinien führen zu Fehlortungen.
• Abbildung 15: Rekonstruierte Schicht eines Zylinderphantoms mit sechs "heißen" Kugeln gleicher Aktivitätskonzentration. Rechts im Bild sind die Aktivitätsprofile zweier Kugeln aus den entsprechenden Schichten zu sehen.
• Abbildung 16: Recovery als Funktion von Läsionsgröße und Auflösung für „heiße“ Läsionen.
• Abb.17: Recovery für „heiße“ Läsionen (d=Läsionsdurchmesser, FWHM=Auflösung):links: gemessen versus aus den „kalten“ Läsionen errechnet (2D-Daten);rechts: 2D-Daten versus 3D-Daten
• Abbildung 19: Prozentualer Fehler der aus den PET-Bildern bestimmten Aktivitätskonzentration für den 2D- (a) und 3D- (b) Modus.Referenzwert ist die aus der Aktivitätsmessung im Aktivimeter und im Phantomvolumen ermittelte Aktivitätskonzentration. Die nach Fehlerbeseitigung resultierenden Werte sind schwarz gekennzeichnet. Die Tomographen 6, 8, 9 und 23 waren nur 2D- und 15, 20 und 21 nur 3D-fähig. Die Anfangswerte für den Tomographen 14 (2D und 3D) wie auch den Tomographen 4 (3D) konnten nicht ermittelt werden. Die Daten des Tomographen 21 ließen sich nicht quantitativ auswerten.
• Abbildung 20: Prozentualer Fehler der aus den PET-Bildern bestimmten Aktivitätskonzentrationen, bezogen auf die im Probenwechsler/Bohrlochzähler gemessene Konzentrationen, jeweils für den 2D- (weiß) und 3D- (schwarz) Modus (Kreuzkalibrierung zum Probenwechsler/Bohrlochzähler). Die Werte bei nicht verfügbaren Betriebsarten bzw. nicht vorhandenem Probenwechsler/Bohrlochzähler fehlen entsprechend.