PET: Grundlagen und Anwendungen der Positronen-Emissions-Tomographie

212 Pages·1989·8.41 MB·German

by  Professor Dr. Klaus Wienhard

K.Wienhard R.Wagner W.-D.Heiss
PET_ _
Grundlagen und Anwendungen
der Positronen-Emissions-Tomographie
Mit 77 Abbildungen und 20 Tabellen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Professor Dr. Klaus Wienhard
Dr. Rainer Wagner
Professor Dr. Wolf-Dieter Heiss
MPI fur neurologische Forschung
Ostmerheimer Str. 200
5000 KOln 91
ISBN-13:978-3-642-73844-9 e-ISBN-13:978-3-642-73843-2
DOl: 10.1007/978-3-642-73843-2
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1989
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2156/3145-543210 - Gedruekt auf silurefreiem Papier
Vorwort
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine Me
thode, mit der biochemische und physiologische Vorgange
im menschlichen Korper von auBen erfaBt werden konnen. Die
Kombination von Radiotracer-Methoden mit den Bildrekon
struktionsverfahren der Computer-Tomographie gestattet es,
die regionale Funktion des Gewebes dreidimensional darzustel
len. Die Markierung mit Positronenstrahlern und theoretische
Modelle zur Beschreibung der im Organismus ablaufenden
Prozesse ermoglichen deren absolute Quantifizierung. Der bis
herige Einsatz von PET in der Neurologie, Kardiologie, Onko
logie und in der klinischen Pharmakologie hat die einzigartigen
Moglichkeiten dieses Verfahrens fUr die klinische Diagnostik
und die Grundlagenforschung aufgezeigt. Die gegenwartig
stark zunehmende Verbreitung und Weiterentwicklung der PET
laBt fUr die Zukunft umfangreiche und nutzbringende Anwen
dungen in Klinik und Forschung erwarten.
In diesem Buch wird eine umfassende Einffihrung in das
Gebiet der PET gegeben. Die physikalischen Prinzipien und
das MeBverfahren auf der Grundlage des derzeitigen techni
schen Standes der Tomographen werden im ersten Teil dar
gestellt. Breiten Raum nehmen die zur Quantifizierung der
biochemischen und physiologischen Prozesse angewandten
Modelle mit ihren Annahmen, Problemen und Gfiltigkeitsberei
chen ein. An die Diskussion der chemischen Grundlagen
schlieBt sich die Zusammenstellung der Produktionsverfahren
und Markierungsmethoden der am haufigsten eingesetzten Ver
bindungen an. 1m letzten Teil werden die vielfaltigen Anwen
dungsmoglichkeiten der PET bei klinischen Untersuchungen an
Gehirn, Herz, Lunge und in der Onkologie aufgefUhrt. Die zu
jedem Kapitel zusammengestellten Zitate der Originalliteratur
sollen das Auffinden und die Einarbeitung in speziellere De
tails der Methode ermoglichen.
1m Hinblick auf die multi- und interdisziplinaren Aspekte
der PET solI das Buch interessierten Arzten und Wissenschaft
lern einen Uberblick fiber die Grundlagen und Methoden, die
Moglichkeiten und bisherigen klinischen Anwendungen dieses
faszinierenden Verfahrens geben.
Wir mochten uns bei allen Kollegen fUr die groBzfigig zur
Verffigung gestellten Abbildungen bedanken. Dies gilt in glei-
VI Vorwort
chern MaGe fUr die Kollegen und Mitarbeiter irn eigenen
Labor. Insbesondere danken wir Frau M. Drews und Frau
L. Wagener fUr die Hilfe bei der Ausarbeitung und Korrektur
des Manuskripts.
Kaln, Oktober 1988 Die Autoren
Inhaltsverzeichnis
1 Physikalische Grundlagen 1
1.1 Positronenzerfall. . . . . . . 1
1.2 Produktion der Isotope . . . 2
1.3 Wirkungsweise eines Zyklotrons 4
1.4 PET-MeBverfahren 6
1.4.1 Prinzip ...... . 6
1.4.2 Bildrekonstruktion 9
1.4.3 Tomograph ... 9
1.4.4 Quantiflzierung .. 13
1.4.5 Korrekturen 17
1.4.6 Statistische Genauigkeit . 22
1.4.7 Flugzeit-PET (TOF-PET) 23
1.5 Praktische Durchfiihrung von PET-Untersuchungen. 25
1.6 Ausstattung eines PET-Labors 26
1.7 Verbreitung der PET-Methode 27
1.8 Strahlenbelastung . . . . . . . 28
2 Modelle zur Quantifizierung von PET-Messungen . 30
2.1 Kompartmentmodelle . . . . . . . . . . . 30
2.2 Modelle ................. . 33
2.2.1 Das Deoxyglucose-Modell von Sokoloff 33
2.2.2 Graphische Methode 39
2.2.3 11C-DG-Modell ............. . 40
2.2.4 11C-Glucose-Modell ........... . 41
2.3 Glucosetransport und Messung der Variabilitat der
Lumped Constant . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Messung der Durchblutung. . . . . . . . . 44
2.5 Gleichgewichtsmodell mit kontinuierlicher
Tracerinhalation . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 Mikrospharen oder Gewebeanreicherungs-Modell mit
13N-Ammoniak ................ . 48
2.7 Durchblutungsmessung des Herzens mit 82Rb 49
2.8 Messung des Blutvolumens des Gehirns. . . . . 50
2.9 Messung des Sauerstoffverbrauchs des Gehims 50
2.10 Metabolismus des Herzens 52
2.11 Proteinsynthese ...... . 54
2.12 Neurorezeptoren (Dopamin) 57
2.13 Bestimmung des pH-Wertes 63
2.14 Modelle der Lungenfunktion . 65
2.14.1 Dichte des Lungengewebes und Alveolarvolumen 66
2.14.2 Regionale Ventilation . . . . . . . .. 66
2.14.3 Ventilations-Durchblutungsverhiiltnis . . ..... 67
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Chemische Grundlagen, Strahlenschutz . . . . . . . .. 68
3.1 Aligemeines.......................... 68
3.2 Targeting............................ 70
3.3 Fernsteuerung oder Automatisierung . . . . . . . . . . .. 72
3.3.1 Fernbedienung......................... 72
3.3.2 Fernsteuerung......................... 72
3.3.3 Automatisierung........................ 73
3.4 Reinigung und QualitatskontroUe . . . . . . . . . . . . .. 74
3.4.1 Radionuklidreinheit...................... 74
3.4.2 Chemische Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75
3.4.3 Radiochemische Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76
3.4.4 Spezifische Aktivitat, Tragergehalt . . . . . . . . . . . . .. 77
3.4.5 Sterilitat und Pyrogenfreiheit . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
3.5 Strahlenschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
3.5.1 Zyklotron............................ 79
3.5.2 Uberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
3.5.3 Personendosisiiberwachung ................. 80
3.6 Generatorsysteme....................... 81
3.6.1 68Gej68Ga-Generator..................... 83
3.6.2 82Sr/82Rb-Generator...................... 85
3.6.3 122J-Generator......................... 85
4 Produktion der Radionuklide und Herstellung
markierter Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
4.1 150 und seine Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
4.1.1 Target und Targetgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
4.1.2 Qualitatskontrolle....................... 90
4.1.3 Applikation von Gasen: O2, CO2, CO . . . . . . . . . . .. 90
4.2 llC und seine Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
4.2.1 Nuklid-Produktion ...................... 91
4.2.2 Darstellung von einfachen Verbindungen und
Synthesevorlaufern ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92
4.2.3 Beispiele wichtiger Synthesen ................ 96
4.3 13N und seine Verbindungen ................. 102
4.3.1 Nuklidproduktion ....................... 102
4.3.2 13N-Verbindungen ....................... 103
4.4 18F und seine Verbindungen ................. 104
4.4.1 Nuklidproduktion....................... 104
4.4.2 18F-Verbindungen ....................... 108
4.5 Sonstige Positronenemitter . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5 Klinische Anwendungen der PET . . . . . . . . . . . 120
5.1 Untersuchungen des Gehirns ................. 120
5.1.1 Normalwerte .......................... 121
5.1.2 Unterschiedliche Funktionszustande ..... ...... 123
5.1.3 Epilepsie............................ 129
5.1.4 Ischamische Insulte ...................... 131
5.1.5 Zerebrale Neoplasmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.6 Bewegungsstorungen durch extrapyramidale Syndrome .. 147
5.1.7 Psychiatrische Erkrankungen ................. 151
5.2 Untersuchungen des Herzens. . . . . . . . ....... 153
Inhaltsverzeichnis IX
5.2.1 Untersuchungsbefunde am gesunden Herzen . 154
5.2.2 Koronare Herzkrankheit (KHK) . . . . . . . . 163
5.3 Untersuchungen der Lunge. . . . . . . . . . . 167
5.3.1 Messung der regionalen Volumenkompartments
(Strukturparameter) . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.3.2 Erkrankungen im Interstitium der Lunge (z. B. Sarkoidose
und Lungenfibrose) . . . . 169
5.3.3 Lungenfunktionsstudien . 170
5.3.4 Verteilung von Pharmaka . 171
5.4 PET in der Onkologie . 172
Literatur . .... 176
Sachverzeichnis . 196
1 Physikalische Grundlagen
1.1 Positronenzerfall
Instabile, neutronenarme Atomkerne gehen durch radioaktiven Beta-Zerfall in
einen stabileren Energiezustand fiber. Dabei wandelt sich ein Proton im
Atomkern in ein Neutron urn und es werden ein Positron (p+) und ein Neu
trino (v) emittiert. Die Anzahl der Nukleonen im Kern bleibt unverandert, es
erniedrigt sich jedoech die Ordnungszahl urn eine Einheit; z. B. beim p+ -Zer
efall von FIuor-18 8F) entsteht das stabile Sauerstoffisotop Sauerstoff-18
80):
18F (9 Protonen, 9 Neutronen)~180 (8 Protonen, 10 Neutronen) + p+ + v.
Die beim Positronenzerfall freiwerdende Energie verteilt sich auf das Positron
und das Neutrino. Deshalb haben die Positronen eine kontinuierliche Ener
gieverteilung bis hin zur maximalen Zerfallsenergie, wobei die haufigste Ener
gie bei ungefahr einem Drittel der maximalen Energie liegt. Abb.1.1 zeigt die
Energieverteilung der Positronen beim p+ -Zerfall.
Wahrend das Neutrino als masseloses und elektrisch neutrales Teilchen
praktisch ungehindert davonfliegt, tritt das elektrisch positiv geladene Posi
tron mit der umgebenden Materie in Wechselwirkung und wird sehr schnell
(ungefahr in 10-10 sek) abgebremst. Dies geschieht durch eine Reihe von Ein
zelstOBen mit den umgebenden Elektronen, wobei das Positron laufend seine
Richtung andert, so daB die tatsachliche Reichweite der Positronen wesentlich
geringer ist als bei Abbremsung in einer geradlinigen Bahn. Die Positronen
sind die Antiteilchen der elektrisch negativ geladenen Elektronen, aus denen
Abb.t.t. Typische Energieverteilung Em
der Positronen beim p-Zerfall =-3-
2 1 PhysikaJische GrundJagen
die Atomhiille aufgebaut ist, und sind deshalb in normaler Materie nicht sta
bil. Das abgebremste Positron vereinigt sich sofort mit einem Elektron, und
die Massen der beiden Teilchen wandeln sich in elektromagnetische Strahlung
urn, d. h. sie zerstrahlen unter Entstehung von zwei Photonen, die wegen
Impuls- und Energieerhaltung unter 1800 zueinander emittiert werden und
beide die gleiche Energie von 511 keY haben (entsprechend ihren Ruhe
massen und gemaB dem Einsteinschen Energie-Massen-Aquivalenzgesetz
E= me2). Diese Vernichtungsstrahlung kann mit zwei auBen angebrachten
Strahlungsdetektoren in zeitlicher Koinzidenz nachgewiesen und wegen der
gleichzeitigen Entstehung der beiden Photonen und ihrer entgegengesetzten
Flugrichtung der Ort der Positronenvernichtung auf die Verbindungslinie der
beiden Detektoren festgelegt werden. Da dies ohne Verwendung von Kollima
toren nur durch die elektronische Koinzidenzbedingung geschieht, spricht
man auch von elektroniseher Kollimation. Die Entfernung zwischen dem Ort
des zerfallenden radioaktiven Nuklids und dem Vernichtungsort des emittier
ten Positrons hangt von der Energie des Positrons und der Dichte der abbrem
send en Materie ab und stellt eine physikalische Grenze fUr das prinzipiell
erreichbare raumliche Auflosungsvermogen der Positronen-Emissionstomo
graphie (PEl) dar.
Neben der Zerstrahlung in zwei Photonen tritt auch mit geringer Wahr
scheinlichkeit die Zerstrahlung in drei Photonen mit kontinuierlicher Energie
und Winkelverteilung auf. Ihr Anteil kann jedoch ebenso wie die Zerstrahlung
des noch nicht vollig abgebremsten Positrons im Flug vernachlassigt werden
und liefert praktisch keine stOrenden Beitrage.
In Konkurrenz zum /3+ -Zerfall kann die Umwandlung eines Protons in ein
Neutron auch durch Einfang eines Hiillenelektrons geschehen, so daB nur der
sich iiber Positronenzerfall abregende Teil der radioaktiven Kerne fUr die PET
nutzbar ist. MeBtechnisch stOrend kann sich der Positronenzerfall zu angereg
ten Zustanden im Restkern auswirken, wenn dabei ein y-Quant mit einer
Energie in der Nahe von 511 keY in echter zeitlicher Koinzidenz zur Vernich
tungsstrahlung auftritt.
1.2 Produktion der Isotope
Die am haufigsten zur Markierung verwendeten, Positronen emittierenden
Atomkerne sind Kohlenstoff-11 (11C), Stickstoff-13 (13N), Sauerstoff-15 eSO)
e
und Fluor-18 8F). Die ersten drei sind Isotope der am haufigsten in organi
schen Verbindungen vorkommenden Elemente und eignen sich daher beson
ders zur Markierung von Biomolekiilen und Pharmaka, ohne deren chemi
sches und physikalisches Verhalten im lebenden Organismus zu verandern.
Mit 18F konnen Wasserstoff- oder Hydroxylgruppen ersetzt werden. Diese vier
Radionuklide konnen bereits mit einem relativ niederenergetischen Teilchen
beschleuniger erzeugt werden. Hierbei wird aus einem stabilen Targetkern
durch BeschuB mit hochenergetischen Protonen oder Deuteronen in einer
Kernreaktion der instabile Kern erzeugt, z. B. kann llC aus 14N durch Proto-