Physics in Nuclear Medicine

Physics in Nuclear Medicine By: Simon R. Cherry, James A. Sorenson, Michael E. Phelps 2016-01-25

Vad är PET? PET: Positron Emissions Tomografi Nuklearmedicinsk undersöknings-metod som använder annhilationsfotoner Visar funktion 2016-01-25

Onkologi Klinisk användning Diagnostik/Utredning av sjukdom Stadiumindelning Uppföljning av behandling Kontroller Dosplanering inför terapi Neurologi Cardiologi 2016-01-25

PET/CT 1. FYSIK 2. PRAKTIK 2016-01-25

PET/CT 1. FYSIK 2016-01-25

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 2016-01-25 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 2016-01-25

Radiopharmaceutical 2016-01-25 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 2016-01-25

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 )

2016-01-25 Coincidence

2016-01-25 SPECT vs PET Basic Principles

Koincidens Sann Spridd Slumpmässig 2016-01-25

2016-01-25 Koincidens: Sann

Koincidens: Spridd I samma plan I ett annat plan 2016-01-25 Spridningsfraktion 30-60%

Koincidens: Slump 1 t 2 R R =t R 1 R 2 ~t R 1 2 2016-01-25

Koincidens Antalet sanna koincidenser ökar linjärt med aktiviteten. Antalet slumpmässiga koincidenser ökar kvadratiskt med aktiviteten. 2016-01-25

Koincidens Tidsupplösning i PET-systemets elektroniska system ca 0-2 ns. Coincidence timing window ca 5-10 ns. 2016-01-25

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. 2016-01-25

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. 2016-01-25

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. 2016-01-25

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. 2016-01-25

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) 2016-01-25

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 2016-01-25 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 2016-01-25 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 2016-01-25 cylinderradie (cm)

2016-01-25 Artefakter beroende av attenuering

Spatiell upplösning positronens räckvidd vinkel mellan fotonerna detektorstorlek 2016-01-25

Positronens räckvidd ~1-3mm b 511KeV 511KeV b 2016-01-25

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 2016-01-25

2016-01-25 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) 2016-01-25

2016-01-25 SU/Sahlgrenska -08

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. 2016-01-25

Geometrisk upplösning: Depth-of-Interaction 2016-01-25

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. 2016-01-25

2016-01-25 Sensitivity test

Bildtagning Transmission scan using X-ray source (PET/CT exam) Fast X-ray transmission scan (< 1 min) using Spiral CT acquisition PET emission Transmission 0 10 20 30 Time (min) 2016-01-25 38

Bildtagning Överlapp krävs mellan varje insamlad bedposition då känsligheten är lägre i kanterna Sensitivity/slice [ kcps/kbq/slice ] 35 30 25 20 15 10 #1 #2 #3 #4 #5 #6 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 AFOV [ cm ] 2016-01-25 39

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. 2016-01-25 40

Bildtagning: Triggning och Gating 2016-01-25 41

Bildtagning Administrerad aktivitet måste anges inför insamling för att systemet skall kunna beräknas semikvantitativt upptag, SUV. 2016-01-25 42

2016-01-25 Kvantifiering av upptag - SUV

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 = 1.8 2016-01-25 44

Korrektioner Normalisering DQC med homogent fantom Korrektion för slumpmässig coincidence - delayed timing window Spridningskorrektion mha transmissionsbild Attenueringskorrektion mha transmissionsbild Dödtidskorrektioner 2016-01-25

2016-01-25 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

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 2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25 SU/Sahlgrenska -08

2016-01-25 SU/Sahlgrenska -08

2016-01-25 PET/CT

2016-01-25

2016-01-25

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 (900 1100 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.

Principle of prospectively triggered stepand-shoot cardiac CT

PET/CT 2. PRAKTIK 2016-01-25

Historik PET PET utförts sedan 2000 Fattigmans PET Mobil PET/CT sedan 2005 Befintlig PET/CT installerad februari 2008 2016-01-25

2016-01-25

Ingen cyklotron 18 F-FDG Transport av FGD från Lund Tidigast injektion kl 11.45 Halveringstid 18 F-FDG är 1h 50min 2016-01-25

Cyklotron i Lund 2016-01-25

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 2016-01-25

Cyklotron Sahlgrenska 2016 GE PETtrace 800 2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25 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 2016-01-25

Flödesschema patient -personal 2016-01-25

18 F-FDG injektion Dos beräknat på vikt. 4 MBq/kg, dock max 400 MBq. 2016-01-25

2016-01-25 Effektiv dos till patient vid PET

2016-01-25 Effektiv dos till patient vid PET

Strålskydd Avstånd Tid Handskar Dosimeter, kropp, hand och direktvisande dosimeter Strålskyddsgrupp Strålskyddsansvarig BMA/SSK på Nuklearmedicin 2016-01-25

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 2016-01-25

Sprutskydd Skydd till 5 ml spruta Skydd till 2 ml Spruta 2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

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 2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

2016-01-25

Samarbete viktigt! Kompetens från Nuklearmedicin Kompetens från Röntgen Kompetens från Medicinsk Fysik och Teknik Kompetens från strålbehandlingen 2016-01-25

2016-01-25 Slut!