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Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Funktionsweise des PET

Die Positronen-Emissions-Tomographie ist ein bilgebendes computer-tomographisches Verfahren. Genutzt wird dabei die durch Positronenzerfall freigesetzte Strahlung.

Positronen

Die PET basiert auf Positronen (→ Anti-Elektronen). Positronen sind die Antimaterie von Elektronen und wurden 1932 von Carl D. Anderson nachgewiesen. Antimaterie kommt natürlich nur bei sehr kleinen Teilen vor (z.B. Elektronen). Anti-Atome oder Anti-Moleküle müssen künstlich hergestellt werden und bleiben nur wenige Millisekunden bis Sekunden stabil (→ bisher Atni-Wasserstoff im CERN). Treffen Materie und Antimaterie aufeinander, so löschen sie sich gegenseitig aus (→ Anihilation) und setzten Energie in Form von Strahlung aus.

Annilihation

Bei der Annilihation von einem Elektron und einem Positron entsteht kurz vor dem wirklichen Zerfall in Strahlung ein äußerst unstabiles Positronium, welches wenige nano Sekunden besteht. Dabei Kreisen für diesen kurzen Zeitraum Elektron und Positron umeinander.

Metabolismus

Der Metabolismus (→ Stoffwechsel) im Gehirn verwendet als Grundsubstanz ATP (→ Adenosintriphosphat) für die Informationsübertragung. Verwendet wird ATP vor allem an der grundlegenden Na/K-Pumpe.

ATP wiederum wird hauptsächlich aus Glukose und Sauerstoff gebildet. Zwischen der Glukosekonzentration und dem regionalen zerebralen Blutfluss (→ rCBF, Blutfluss im Gehirn), gibt es einen linearen Zusammenhang. Steigt also der Blutfluss, so steigt auch die Glukosekonzentration, steigt die Glukosekonzentration, so steigt der Blutfluss.

Trace

Der lineare Zusammenhang von Glukosekonzentration und rCBF kann zur Messung der Gehirnaktivität genutzt werden. Dabei wird ein Radioisotop gegeben, welches beim Zerfall Positronen emittiert. Die Halbwertszeit muss dabei möglichst gering sein, da ansonsten eine zu große Verzögerung zwischen Erscheinung und Messung liegt.

⇒ Es wird eine radioaktive Spur bzw. Trace gelegt.

Radioisotope

Radioisotope werden in einem Zyklotron (→ Teilchenbeschleuniger) hergestellt. Der Teilchenbeschleuniger erzeugt Ionen, deren Energieniveau durch starke Beschleunigung zunimmt. Diese Ionen werden anschließend mit Isotopen zu einer Kollision gebracht. Bei einer resultierenden Kernreaktion werden die Isotope radioaktiv.

Unterschiedliche Radioisotope

Für verschiedene Anwendungsgebiete können unterschiedliche Isotope verwendet werden. Z.B.:

  • tex:^{15}O → Halbwertszeit ca. 2min
  • tex:^{18}F → Halbwertszeit ca. 110min

Unterschiedliche Isotope haben nicht nur unterschiedliche Halbwertszeiten, sondern auch unterschiedliche Auflösefähigkeiten, da die Elektronen unterschiedlich weit entfernt vom Ursprungsort annihilieren.

Biosynthesizer

Das entsprechend für die Untersuchung passendste Radioisotop wird mit Hilfe eines Biosynthesizers an ein im Körper vorkommenden Stoff gebunden (→ z.B. Glukose). Diese Stoffe werden allgemein organische Precursor genannt. Der Bindungsprozess wird als Radiolabeling bezeichnet. Das Ergebnis ist ein Tracer.

Häufige Tracer

  • 2-Fluoro-2-Deoxyglukose (FDG) → Glukosverbrauch im Gehirn
  • Fluorid → Stoffwechsel des Knochen
  • 2-Fluorotyrosin → Tumormalignitätsgrad
  • Fluoroalkylspiperon → Neuronale Erkrankungen
  • Waser (tex:H_2 tex:^{15}O) → Blutfluss im Gehirn (Kognitive Studien)

Radioisotpe im Körper

Der Weg ins Gehirn

Oft verwendet als radioaktiver Tracer ist z.B. Fluordesoxyglukose bzw. FDG und vor allem auch markiertes Wasser (tex:H_2tex:^{15}O). Die durch Radiolabeling erzeugten Stoffe (wie z.B. FDG) werden wie die natürlichen Stoffe zu den entsprechenden Körperstellen gebracht (in Fall von FDG entsprechend wie Glukose), dort jedoch nicht verwendet. Sie akkumulieren sich an den Stellen des hohen Stoffwechsel-Verbrauchs und zerfallen dort. Diese Stoffe können dann gemessen werden.

Der Zerfall

Während dem Zerfallsprozess wird β+ Strahlung (→ Beta decay) frei. Die Strahlung entfernt sich zunächst vom Ursprungsort, bis sie auf ein Elektron trifft. Es ensteht ein Positronium und die Annihilation setzt ein.

⇒ Die Annihilation findet immer ein wenig räumlich versetzt statt.

Messung

Szintillationszähler

Bei der Annihilation werden zwei Photonen ausgesendet, welche exakt um 180°, also genau gegensätzlich abstrahlen. Entsprechende Messgeräte (→ Szintillationszähler) können die Photonen in elektrische Energie umwandeln und somit auf den Ort der Annihilation schließen (nicht exakt den Ort der Radioisotope!). Die Szintillationszähler basieren auf Szintillationen, welches kurze Lichtblitze absenden, wenn bestimmtes Material Strahlung absorbiert.

Koinzidenzdetektion

Koinzidenzlinie

Die Koinzidenzlinie ist die Linie, auf der sich die Photonen in entgegengesetzter Richtung voneinander entfernen. Da der Szintillationszähler nun zwei Signale genau gegenüber empfängt, muss der Annihilationspunkt abhängig von dem Zeitunterschied der eintreffenden Photonen auf beiden Seiten an einer bestimmten Stelle auf dieser Koinzidenzlinie liegen.

Detektorring

Die Detektoren werden kreisförmig angeordnet. Um mehrere Schichten aufnehmen zu können werden entsprechend mehrere Ringe hintereinander angeordnet (→ multiple Detektorringe). Mit Hilfe dieser Ringe kann die Aktivitätsverteilung im Gehirn bildlich dargestellt werden.

Fehlerquellen

Die Hauptfehlerquelle sind Reflexionen oder Absorptionen der Photonen oder eine zu langsame Aufnahmefähigkeit des Detektors, da dieser bei Eintreffen eines neuen Signals noch mit der Verarbeitung des Vorigen beschäftigt ist.

⇒ Der Detektor verwirft Signale die zu schwach sind, da diese sehr wahrscheinlich reflektiert wurden.

Wahre Koinzidenzen (Trues)

In diesem Fall können die Photonen das Gewebe ungehindert durchdringen. Der Detektor ist außerdem gerade bereit zur Aufnahme und Verarbeitung von neuen Photonen (→ Idealfall).

Einzelereignisse (Singles)

  • Verlassen des Sichtbereiches des Detektors
  • Ablenkung
  • Schwächung
  • Absorption noch im Körper

Zufallskoinzidenzen (Randoms)

Zwei unabhängig reflektierte Signale (zwei Singles) erscheinen als ein Signal und werden fälschlicherweise als Annihilation interpretiert.

Gestreute Koinzidenzen (Scatter)

Die Photonen werden auf dem Weg zum Detektor gestreut. Sie treffen war beide den Detektor gegenüberliegend, der Annihilationspunkt ist jedoch nicht zwischen den Detektoren, sondern durch die Streuung an einer anderen unbekannten Stelle.

⇒ Lösung: Niedrige Energiebereiche ignorieren (Streuung = Energieverlust)

Auflösung

Die räumliche Auflösung liegt im Bereich von 3mm - 8mm und ist abhängig vom Weg des Positrons vom Radioisotop bis zur Annihilation.

Die zeitliche Auflösung liegt im Bereich von 30 Sekunden bis zu mehreren Minuten und ist abhängig vom entsprechenden Tracer, sowie wesentliche geringer durch die Dauer, bis das Signal aufgenommen wird.

? Auswertung

⇒ Subtraktion Folie 59! Studie?

Klinik

? Epilepsie

⇒ ?

? Demenz

⇒ ?

Tumor-Diagnostik

Durch gezielte Auswahl von Tracern können Tumore sehr gut nachgewiesen werden. Vor allem deutlich besser als über konventionelle Blutflussvolumen-Messungen oder Glukoseverbrauchs-Messungen.

Studien

? Petersen et al. (1988)

⇒ Folie 43 bis 47!

? Scott et al. (2000)

⇒ Folie 48 bis 51!

fMRT und PET

Aktuell hat das fMRT das PET in den kognitiven Neurowissenschaften quasi ersetzt. Es gibt aber trotz überwiegender Vorteile des fMRT auch einige spezielle Anwendungsgebiete, welche nicht vom fMRT übernommen werden können.

Vorteile fMRT

  • Deutlich günstigerfMRT 500$/Stunde, PET 3000$/Stunde
  • Keine radioaktiven Tracer (nicht-invasiv), Wiederholung mehrfach möglich (fMRT 100-200 Trials, PET 16 Trials)
  • Bessere räumliche und zeitliche Auflösung
  • fMRT im allgemeinen Gebrauch
  • Anatomische und funktionale Bildgebung

Vorteile PET

  • Bessere Abbildung bestimmter Gebiete
  • Tracer für verschiedene Stoffe (auch z.B. Neurotransmitter) → Psychiatrische und neurologische Forschung
  • Direkte Messung hämodynamischer (→ Blutfluss) und metabolischer (→ Stoffwechsel) Prozesse
  • Keine Geräuschproduktion
  • Verzögerung ermöglicht
  • Ferromagnetische Stoffe können verwendet werden
  • Suszeptibilitätsartefakte → Hohlräume und engliegende Hirnbereiche genauer Messbar

Beispiele

Cochlea-Implantate

Cochlea-Implantat-Träger können nur mit PET untersucht werden. fMRT aufgrund ferromagnetischer Eigenschaften (→ Metall verbaut) nicht möglich.

Verzögerte Messung

Bei Präsentation eines Stimulus über einen längeren Zeitraum und anschließendem Messen einer „Gesamtwirkung“ ist fMRT nicht einsetzbar.

⇒ Affen bekamen 25min auditive Signale. Anschließend wurde ihr Gehirn mittels PET untersucht.

Radioaktive Belastung

Die Strahlenbelastung wird üblicherweise in Sievert, bzw. Millisievert angegeben. Übliche Straglungswerte sind:

  • 5mS → Hirnuntersuchung
  • 10mS → Körperuntersuchung
  • 2mS - 4mS → Natürliche Strahlenbelastung pro Jahr
  • 0,8mS - 1,8mS → Röntgenaufnahme der Wirbelsäule
  • 2mS - 5mS → Flugcrew pro Jahr

Der gesetzliche Grenzwert eines normalen Menschen liegt bei 1mS pro Jahr (ohne medizinische Behandlung). Personen, welche in radioaktiven Bereichen arbeiten liegt der Grenzwert bei 20mS pro Jahr.

 
uni-leipzig/psychologie/module/methoden2neuro/8.txt · Zuletzt geändert: 2011/08/01 18:56 von carlo
 
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