Physics in Nuclear Medicine

Transkript

1 Physics in Nuclear Medicine By: Simon R. Cherry, James A. Sorenson, Michael E. Phelps

2 Vad är PET? PET: Positron Emissions Tomografi Nuklearmedicinsk undersöknings-metod som använder annhilationsfotoner Visar funktion

3 Onkologi Klinisk användning Diagnostik/Utredning av sjukdom Stadiumindelning Uppföljning av behandling Kontroller Dosplanering inför terapi Neurologi Cardiologi

4 PET/CT 1. FYSIK 2. PRAKTIK

5 PET/CT 1. FYSIK

6 b+ sönderfall A X Z N A Z 1 Y N 1 e + Nuklid Halveringstid C min N min O sek F min e.g., 18 F 18 O + e + +

7 Postronemitterande radionuklider Nuclide Half life (min) Positron yield (%) Max energy (MeV) Method of production 11 C cyclotron 13 N cyclotron 18 F cyclotron 15 O cyclotron 82 Rb generator 62 Cu generator 68 Ga generator

8 Radiopharmaceutical PET radiofarmaka Physiological Application [ 15 O] 2 Cerebral oxygen metabolism and extraction H 2 [ 15 O] Cerebral and myocardial blood flow C[ 15 O] Cerebral and myocardial blood volume [ 11 C]-N-methylspiperone Cerebral dopamine receptor binding 11 C-methionine Tumor localization 11 C-choline Tumor localization 11 C-acetate Myocardial metabolism 18 F-flurodeoxyglucose Cerebral and myocardial glucose metabolism and tumor localization [ 13 N]H 3 Myocardial blood flow [ 82 Rb] + Myocardial blood flow

9 F-18 FDG CH 2 OH CH 2 OH O O OH OH HO OH HO OH OH D Glucose 18 F 2 Fluoro 2 Deoxy D Glucose

10 POSITRON ANNIHILATION ~1-3mm b 511KeV Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation. 511KeV b Annihilation process conserves: - Energy (photons are 511KeV). - Momentum (photons are almost exactly colinear). Simultaneous detection of two 511KeV photons --> event along line between detectors. (Line Of Response, LOR )

11 Coincidence

12 SPECT vs PET Basic Principles

13 Koincidens Sann Spridd Slumpmässig

14 Koincidens: Sann

15 Koincidens: Spridd I samma plan I ett annat plan Spridningsfraktion 30-60%

16 Koincidens: Slump 1 t 2 R R =t R 1 R 2 ~t R

17 Koincidens Antalet sanna koincidenser ökar linjärt med aktiviteten. Antalet slumpmässiga koincidenser ökar kvadratiskt med aktiviteten

18 Koincidens Tidsupplösning i PET-systemets elektroniska system ca 0-2 ns. Coincidence timing window ca 5-10 ns

19 Time-of-flight (TOF) Man kan mäta skillnaden i tid för fotonernas ankomst till detektorn och på så sätt förbättra positioneringen av annihilationshändelsen. Metoden kallas time-of-flight (TOF) och finns implementerat i en del PET-system

20 Time-of-flight vs conventional PET Data collection and reconstruction in a conventional PET scanner. (Top) Positron annihilations are collected with no position information along the lines. (Middle) Estimates of the image as seen at the measurement angle. (Bottom) Final estimate of the image is the sum of the four estimates before filtering

21 Time-of-flight vs conventional PET (Top) With TOF, data collection has position information along the lines of response. (Middle) Estimates to the image. (Bottom) Estimated image when TOF information is included

22 Time-of-flight (TOF) Antag tidsskillnad vid detektion av coincidenta fotoner är Δt. Plats för annihilationshändelsen relativt systemets mittpunkt mellan detektorelementen kan då beräknas som Δd = (Δt c)/2 där c betecknar ljusets hastighet

23 Detektormaterial BaF 2 Barium Flouride(0.8ns) BGO Bismuth Germinate Oxide(300ns) LSO Lutetium Orthosilicate(40ns) GSO Gadolineum Orthosilicate(60ns) YLSO Yttrium Lutetium Orthosilicate(40ns)

24 Detektormaterial Scint. r Eff. Z Hygro- Decay light out (g/cm3) scopic? (ns) (relative) NaI(Tl) Yes LSO No GSO No BGO No BaF No CsF Very Melcher, J Nucl Med, 41:

25 Attenuering P C PP 1 2 d 1 d 2 e d 1 e d 2 e d 1 d Annihilationsfotoner som emitteras längs en linje har samma sannoliket att attenueras oberoende av var på linjen strålkällan finns

26 Fraction emitted Attenuering - PET och SPECT Fotoner som ej attenueras PET 511 kev SPECT 140 kev SPECT cylinderradie (cm)

27 Artefakter beroende av attenuering

28 Spatiell upplösning positronens räckvidd vinkel mellan fotonerna detektorstorlek

29 Positronens räckvidd ~1-3mm b 511KeV 511KeV b

30 Vinkel mellan fotonerna Non-colinearity Påverkan på upplösningen kommer att bli beroende av FOV. Om den är 50 cm blir FWHM för denna effekt 3 mm. För 25 cm FOV blir bidraget 1.5 mm. R D

31 Detektorelementens storlek

32 Systemupplösning Då detektorelementens storlek, effekten på upplösningen av positronräckvidden och non-colinearity är känd så kan systemets upplösningen (i medelpunkten) beräknas enligt: R sys R 2 det R 2 range R (jmfr gammakamera)

33 SU/Sahlgrenska -08

34 Blockdetektorn Blockdetektorn består av en kvadratisk kristall som är försedd med delvis genomsågade springor vilka fylls med ett reflekterande material. På så sätt erhålls t ex 169 detektorelement i varje block. Bakom detektorblocket sätts sedan 4 fotomultiplikatorer och genom att signalens storlek från varje enskild fotomultiplikator vägs samman kan den lokaliseras till ett enskilt detektorelement

35 Geometrisk upplösning: Depth-of-Interaction

36 Synfält och sensitivitet PET-kamerans synfält (FOV) bestäms av detektorkonfigurationen och antalet LOR som definieras, dvs antalet motstående detektorer som kopplas samman med en enskild detektor. Systemets sensitivitet kommer att avta med avståndet till medelpunkten

37 Sensitivity test

38 Bildtagning Transmission scan using X-ray source (PET/CT exam) Fast X-ray transmission scan (< 1 min) using Spiral CT acquisition PET emission Transmission Time (min)

39 Bildtagning Överlapp krävs mellan varje insamlad bedposition då känsligheten är lägre i kanterna Sensitivity/slice [ kcps/kbq/slice ] #1 #2 #3 #4 #5 # AFOV [ cm ]

40 Bildtagning Triggning och Gating PET-insamlingen kan triggas med andnings- alt EKG-trigger. Respiratorisk gating kan användas för att genom rörelsekorrektion få en sannare uppfattning om upptagsnivå och upptagsområdets utbredning

41 Bildtagning: Triggning och Gating

42 Bildtagning Administrerad aktivitet måste anges inför insamling för att systemet skall kunna beräknas semikvantitativt upptag, SUV

43 Kvantifiering av upptag - SUV

44 Standard Uptake Value (SUV) SUV = Activity in ROI (MBq) / vol (ml) Injected activity (MBq)/patient weight (g) Areas with higher than average uptake will have SUV s >1. Higher the SUV, greater the risk of disease Compare SUVs to monitor therapy Cannot be used as an absolute number ROI before chemotherapy SUV = 17.2 chemotherapy day 7 SUV = 3.9 chemotherapy day 42 SUV =

45 Korrektioner Normalisering DQC med homogent fantom Korrektion för slumpmässig coincidence - delayed timing window Spridningskorrektion mha transmissionsbild Attenueringskorrektion mha transmissionsbild Dödtidskorrektioner

46 KVALITETSKONTROLL Kalibreringskontroll Uniformitet Geometrisk upplösning Andelen spridd strålning Känslighet Räkneförluster och slumpmässiga koincidenser Drift i koincidenkretsens upplösningstid Drift i energifönster Mekaniska förändringar i detektorkonfigurationen Septa Positioneringslaser Noggrannhet i attenueringskorrektion, dödtidskorrektion, spridningskorrektion och korrektion av slumpmässiga koincidenser

47 Rekonstruktion Ordered subset expectation maximization (OSEM) Use subset of the projection data and few interaction Reconstruction time reduced. Generate imaging with high quality and resolution PSF compensating reconstructions

48

49

50

51

54 PET/CT

55

56

57

58

59 Scans from Turku were performed using on a hybrid 64-row Discovery VCT PET/CT scanner (General Electrics, WI, USA) at the Turku PET Centre (Turku, Finland). A stress scan was performed during adenosine-induced hyperaemia (140 µg kg 1 min 1 ). Adenosine was started 2 min before the scan start and continued throughout the dynamic frame acquisition. 15 O-water ( MBq) was injected (Radiowater Generator, Hidex Oy, Turku, Finland) as an i.v. bolus over 15 s at an infusion rate of 10 ml/min, To correct, for photon attenuation and scatter, a single LD-CT (80 mas, 120 kv) was performed.

60 Principle of prospectively triggered stepand-shoot cardiac CT

61

62

63

64 PET/CT 2. PRAKTIK

65 Historik PET PET utförts sedan 2000 Fattigmans PET Mobil PET/CT sedan 2005 Befintlig PET/CT installerad februari

66

67 Ingen cyklotron 18 F-FDG Transport av FGD från Lund Tidigast injektion kl Halveringstid 18 F-FDG är 1h 50min

68 Cyklotron i Lund

69 Cyklotron i Lund MC 17 Scanditronix Byggd av Scanditronix c:a 1980 (Uppsala) 17 MeV upp till 50 μa protoner 8.5 MeV upp till 50 µa deuteroner H+ maskin Extraktion (c:a 75 % för protoner) Bred stråle, c:a cm2 (ingen fokusering) Ingångsfönster = 4 1 cm

70 Cyklotron Sahlgrenska 2016 GE PETtrace

71

72 Förberedelser för patienten inför PET/CT Fasta 6 tim innan FDG injektion Inget intag av socker Ingen stor fysisk ansträngning dagen innan och us dagen Speciell instruktion till diabetespatienter Vänta 2-6 veckor beroende på cytostatika behandling, biopsi, bronkoskopi eller operation. Om diagnostisk CT, S-krea inte äldre än 3 månader. Diabetes patienter eller njurinsufficiens, nytaget S- krea. Kontrast allergi, ev förebyggande åtgärder

73 Patientförberedelser innan radiofarmaka injektion Peroral kontrast 1 timma innan 18 F-FDG injektion Information Ta bort ev metallföremål t ex BH, smycken. Blodsocker PVK Ev sedering Bekväm positionering Värme

74 Flödesschema patient -personal

75 18 F-FDG injektion Dos beräknat på vikt. 4 MBq/kg, dock max 400 MBq

76 Effektiv dos till patient vid PET

77 Effektiv dos till patient vid PET

78 Strålskydd Avstånd Tid Handskar Dosimeter, kropp, hand och direktvisande dosimeter Strålskyddsgrupp Strålskyddsansvarig BMA/SSK på Nuklearmedicin

79 Halvvärdestjocklek Strålkälla Fotonenergi (kve) HLV Bly (mm) HVL plexiglas (mm) I ,015 1,74 Tl ,26 33 Tc-99m 140 0,27 40 In ,247 0,9 50 I ,22 56 F

80 Sprutskydd Skydd till 5 ml spruta Skydd till 2 ml Spruta

81

82

83

84

85

86 Bildtagning PET/CT Börjar med lågdos CT, därefter körs PET bildtagning. Patienten i samma läge under hela bildtagningen PET/CT bildtagning godkänns och avslutas Därefter ev diagnostisk CT Samma CT protokoll som på Rtg SS

87

88

89

90

91 Samarbete viktigt! Kompetens från Nuklearmedicin Kompetens från Röntgen Kompetens från Medicinsk Fysik och Teknik Kompetens från strålbehandlingen

92 Slut!