Positronen-Emissions-Tomographie (PET) – Nuklearmedizinische Bildgebungstechnologie

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein weiterer Ansatz zur nuklearmedizinischen Bildgebung, der mehrere Vorteile gegenüber SPECT hat. PET verwendet Positronen emittierende Radionuklide, die zur Emission kollinearer Paare von 511-keV-Vernichtungsphotonen führen. Die Koinzidenzdetektion der Vernichtungsphotonen vermeidet die Notwendigkeit einer Kollimation und macht PET weitaus effizienter als SPECT für die Detektion von Radioaktivität. Noch wichtiger ist, dass es Positronen emittierende Radionuklide für Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Fluor gibt, die es ermöglichen, eine breite Palette von Molekülen als diagnostische Mittel zu markieren. Viele dieser Radionuklide haben kurze Halbwertszeiten und erfordern ein Zyklotron vor Ort. 18F hat jedoch eine ausreichend lange Halbwertszeit, dass es regional bereitgestellt werden kann (und wird), und es gibt kein besiedeltes Gebiet der Vereinigten Staaten, in dem es nicht verfügbar ist. Mehrere andere wie 82Rb und 68Ga sind von Radionuklidgeneratoren erhältlich, die die Radionuklide trotz ihrer kurzen Halbwertszeit auf Abruf liefern.

Die Koinzidenzdetektion bietet eine räumliche Auflösung ohne die Notwendigkeit einer Bleikollimation, indem sie sich die Tatsache zunutze macht, dass die aus der Positronenemission resultierenden Vernichtungsphotonen ungefähr kolinear sind. Ereignisse werden nur gezählt, wenn sie gleichzeitig von zwei gegenüberliegenden Detektoren erfasst werden. Das durch die Koinzidenzdetektoren definierte sensitive Volumen wird als a bezeichnet Antwortlinie (LOR). Es werden zwei einzelne Detektionssysteme mit einem zusätzlichen Koinzidenzmodul verwendet. Jedes einzelne System erzeugt einen Logikimpuls, wenn es ein Ereignis erkennt, das in das ausgewählte Energiefenster fällt. Überlappen sich die beiden Logikimpulse am Koinzidenzmodul zeitlich, wird ein Koinzidenzereignis erfasst. PET-Systeme verwenden eine große Anzahl (> 10.000) von Detektoren, die als mehrere Ringe angeordnet sind, um einen Zylinder zu bilden. Da jeder Detektor mit anderen Detektoren im Zylinder zusammenfallen kann, liefern die resultierenden LORs eine ausreichende Abtastung, um die für die Tomographie erforderlichen Projektionsinformationen zu sammeln.

Die intrinsische Detektionseffizienz eines Singles-Detektors hängt von der Ordnungszahl, Dichte und Dicke des Detektors ab. Idealerweise sollte die intrinsische Detektionseffizienz 1 sein, aber bei 511 keV ist dies schwierig zu erreichen, obwohl die intrinsische Effizienz für einige der Detektoren größer als 0,8 ist. Die Koinzidenzerkennung erfordert, dass beide Detektoren ein Ereignis registrieren. Da die Wechselwirkungen an den beiden Detektoren unabhängig voneinander sind, hängt die Koinzidenz-Eigeneffizienz vom Produkt der Eigeneffizienz an jedem Detektor ab. Infolgedessen ist die Effizienz der Koinzidenzerkennung immer geringer als bei einem einzelnen Detektor, und dieser Unterschied wird bei Detektoren mit geringer Effizienz noch größer. Aufgrund der Notwendigkeit einer hohen Eigeneffizienz sind Szintillatoren praktisch die einzigen Materialien, die derzeit als Detektoren in PET-Bildgebungssystemen verwendet werden.

Ein Koinzidenzereignis wird aufgezeichnet, wenn es eine Überlappung der einzelnen Logikausgänge an den Koinzidenzmodulen gibt. Die zeitliche Breite der Überlappung hängt von den Szintillationseigenschaften der Detektoren ab. Bei aktuellen PET-Scannern reicht diese Breite von 6 bis 12 ns. Obwohl dies im Vergleich zu den meisten menschlichen Aktivitäten eine sehr kurze Zeit ist, ist sie im Vergleich zu Entfernungen, die Photonen mit Lichtgeschwindigkeit zurücklegen, ziemlich lang. Licht breitet sich ungefähr mit 30 cm/ns aus, so dass eine Dauer von 6 ns einer Entfernungsunsicherheit von ungefähr 90 cm entspricht, was ungefähr dem Durchmesser des Detektorrings entspricht. Als Ergebnis hat der unterschiedliche Abstand der Quelle zwischen den Detektoren keine beobachtbare Auswirkung auf die zeitliche Abstimmung der Koinzidenzereignisse in herkömmlichen PET-Systemen.

Die Ankunftszeit der Vernichtungsphotonen ist nur dann wirklich simultan, wenn sich die Quelle genau in der Mitte zwischen den beiden gegenüberliegenden Koinzidenzdetektoren befindet. Wenn die Quelle vom Mittelpunkt verschoben ist, gibt es ein entsprechendes Ankunftszeitintervall, da ein Vernichtungsphoton eine kürzere Entfernung zurücklegen muss als das andere. Wie oben diskutiert, ist diese Zeitdifferenz zu klein, um in herkömmlich konstruierten PET-Systemen nützlich zu sein. Einige der in PET-Tomographen verwendeten Szintillatoren (z. B. LSO, LYSO) sind jedoch in der Lage, schneller zu reagieren als die oben diskutierte Zeitsteuerung von 6 bis 12 ns. Mit geeigneter Elektronik wurde das Koinzidenzzeitfenster für diese Detektoren auf 600 ps reduziert, was eine Quellenlokalisierungsunsicherheit von 9 cm ergibt. Selbst mit dieser Reduzierung kann die Flugzeitlokalisierung nicht verwendet werden, um direkt tomographische Bilder zu erzeugen, aber sie kann verwendet werden, um den Rückprojektionsvorgang regional auf Bereiche zu beschränken, in denen sich die Quellen ungefähr befinden. In aktuellen Implementierungen reduziert die Einbeziehung von Flugzeitinformationen das Rauschen in den rekonstruierten Bildern um den Faktor 2. Flugzeit-PET-Tomographen waren tatsächlich für kurze Zeit in den 1980er Jahren kommerziell erhältlich. Diese Systeme verwendeten BaF2-Detektoren, die sehr schnell sind, aber leider eine sehr geringe Detektionseffizienz haben. Infolgedessen konkurrierten diese Geräte nicht gut mit den herkömmlichen PET-Tomographen auf BGO-Basis. Im Jahr 2006 wurde eine auf LYSO-Detektoren basierende Flugzeitmaschine wieder eingeführt und ist jetzt im Handel erhältlich.

Das einzige Kriterium für die Aufzeichnung eines Koinzidenzereignisses ist die Überlappung von Ausgangsimpulsen am Koinzidenzmodul. Echte Koinzidenzen treten auf, wenn eine Quelle auf dem durch zwei Detektoren definierten LOR liegt. Es ist möglich, dass Ereignisse, die an den beiden Koinzidenzdetektoren von Quellen erfasst werden, die nicht auf der Antwortlinie liegen, zufällig auftreten. Wenn die Zählrate an jedem der Einzeldetektoren zunimmt, steigt die Wahrscheinlichkeit falscher Koinzidenzen, die durch unkorrelierte Ereignisse auftreten. Diese Ereignisse werden aufgerufen zufällig oder zufällige Zufälle. Die zufällige Koinzidenzrate (R) ist direkt proportional zur Breite des Koinzidenzzeitfensters

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