Physics in Nuclear Medicine

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

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

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

PET/CT 1. FYSIK 2. PRAKTIK

PET/CT 1. FYSIK

b+ sönderfall A X Z N A Z 1 Y N 1 e + Nuklid Halveringstid C-11 20.3 min N-13 10 min O-15 124 sek F-18 110 min e.g., 18 F 18 O + e + +

Postronemitterande radionuklider Nuclide Half life (min) Positron yield (%) Max energy (MeV) Method of production 11 C 20.4 99.0 0.960 cyclotron 13 N 9.96 100.0 1.190 cyclotron 18 F 110 97.0 0.635 cyclotron 15 O 2.04 99.9 1.720 cyclotron 82 Rb 1.27 96.0 3.350 generator 62 Cu79 9.8 98.0 2.930 generator 68 Ga 68.1 90.0 1.900 generator

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

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

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 )

Coincidence

SPECT vs PET Basic Principles

Koincidens Sann Spridd Slumpmässig

Koincidens: Sann

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

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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)

Detektormaterial Scint. r Eff. Z Hygro- Decay light out (g/cm3) scopic? (ns) (relative) NaI(Tl) 3.67 51 Yes 230 100 LSO 7.4 65 No 40 75 GSO 6.71 59 No 60 30 BGO 7.13 75 No 300 15 BaF2 4.88 53 No 0.8 12 CsF 4.64 53 Very 4 5 Melcher, J Nucl Med, 41:1051-1055

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

Fraction emitted Attenuering - PET och SPECT Fotoner som ej attenueras 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 PET 511 kev SPECT 140 kev SPECT 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 cylinderradie (cm)

Artefakter beroende av attenuering

Spatiell upplösning positronens räckvidd vinkel mellan fotonerna detektorstorlek

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

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 180 0. 0022 D

Detektorelementens storlek

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 2 180 (jmfr gammakamera)

SU/Sahlgrenska

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.

Geometrisk upplösning: Depth-of-Interaction

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.

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

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

Phantom Studies: Detectibility

Kvantifiering av upptag - SUV

SU/Sahlgrenska

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

Sensitivity test

PET/CT

PET/CT 2. PRAKTIK

Historik PET PET utförts sedan 2000 Fattigmans PET Mobil PET/CT sedan 2005 Dedicerad PET/CT installerad februari 2008 Två PET/CT maj 2016. Ersätter föregående

18 F-FDG Egen produkt ännu ej godkänd för kliniskt bruk. Transport av FGD från Lund Tidigast injektion kl 11.45 Halveringstid 18 F-FDG är 1h 50min

Cyklotron i Lund

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 3.5 0.5 cm2 (ingen fokusering) Ingångsfönster = 4 1 cm2

SU Sahlgrenska 2016 GE PETtrace 800

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

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

Flödesschema patient -personal

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

Effektiv dos till patient vid PET

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

Halvvärdestjocklek Strålkälla Fotonenergi (kve) HLV Bly (mm) HVL plexiglas (mm) I-123 28 0,015 1,74 Tl-201 80 0,26 33 Tc-99m 140 0,27 40 In-111 175,247 0,9 50 I-131 364 2,22 56 F-18 511 4 70

Sprutskydd Skydd till 5 ml spruta Skydd till 2 ml Spruta

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

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