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Nuklearmedizin
Einführung
Lehrbücher / Literatur
Nuklearmedizin, Basiswissen und klinische AnwendungHrsg. Harald Schicha, Otmar Schober, 7. AuflageSchattauer Verlag, 2013, ISBN 978-3-7945-2889-9
NuklearmedizinHrsg. Torsten Kuwert, Frank Grünwald,
Uwe Haberkorn,Thomas Krause,4. neu erstelle und erweiterte Auflage
Thieme Verlag, 2008, ISBN 978-3-13-118504-4
Internet: Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizinhttp://www.nuklearmedizin.de/leistungen/lehrangebote/lehrangebote.php?navId=142
Homburger Vorlesungen und Veranstaltungen
Auf der Homepage des Klinikums, EinrichtungenKlinik für Nuklearmedizin
http://www.uniklinikum-saarland.de/de/einrichtungen/kliniken_institute/radiologie/nuklearmedizin/forschung_und_lehre/informationen_fuer_studenten/
Veranstaltung anklicken, dann Zugang mitBenutzername: NuklearmedizinPassword: SS2013
Aus „Medizinische Märchen“„Elektra – ein physikalisch-diagnostischesMärchen aus dem zwanzigsten Jahrhundert“von Ludwig Hopf (alias Philander) 1892
„Wenn es doch ein Mittel gäbe,den Menschen durchsichtig zu machenwie eine Qualle“
Bildliche Darstellung in der Medizin
Moderne Röntgen-Diagnostik
47 jähriger Bauarbeiter
Medical Imaging IVor 500 JahrenAndreas Vesalius (1514-1564)
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Die Darstellung derAnatomie
ist weniger schwierigals
die Dastellung der Funktion
16. JahrhundertAndreas Vesalius
HeuteG.v.Schulthess
Medical Imaging II Nuklearmedizin - Entwicklung
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
1896 Henri Bequerel:Entdeckung der Radioaktivität in Uran1. März 1896
1895 Wilhelm Konrad Röntgen:Entdeckung der X-Strahlen8.Nov.1895
1898 Pierre and Marie Curie:Identifikation von Thorium, Polonium, Radium
Kernphysik I Kernphysik II
1931 Ernest Lawrence:Zyklotron
1934 Irene und Frederic Joliot:Künstliche Radioaktivität( Bestrahlung von Al mit α Po )
1936 Ernest Lawrence: 32P
1937 Livingood und Seaborg131I
1938 E. Segrè und Seaborg99mTc
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
Nuklearmedizin - Entwicklung Messtechnik und Bilderzeugung1895/6 Film
1925 Geiger-Müller Zähler
1947 Kallmann: Scintillations Kristalle
1947 Hofstaedter: Tl activiertes NaI Kristall
1951 B. Cassen: Rectilinear Scanner
1958 H. Anger: Gamma-Kamera
1963 D. Kuhl: Transaxial tomography
1971 Brownell,Mühlehner,Phelps,Ter-Pergosian: Positronen-Kamera
Hand des Anatomen v. Köllikeraufgenommen von W.C. Röntgen23. Jan. 1896
H.Bequerel
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Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
Nuklearmedizin - Entwicklung Radiopharmazeutika und Tracer
1923 Georg von Hevesey- Blei-Aufnahme in Pflanzen ( Akkumulation )- „Meatpie – story“1911 Rutherford,Manchester
1927 Blumgart and Weiss- examining circulation with Radium
Lernziele – Einführung
Unterschied zwischen einem anatomisch / morpho-logischen und einem funktionellen Ansatz in Diagnostik und Therapie verstehen.
Naturwissenschaftliche Grundlagen undderen Umsetzung / Einsatz kennen
Die Frage beantworten können:
Was ist und was tut die Nuklearmedizin?
RadioaktivitRadioaktivitäätt
Was man verstehen gelernt hat, fürchtet man nicht.
Marie Curie
Bildgebung
Beispiel Sportwagen
Morphe / Gestalt Funktion
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Verfahren der medizinischen Bildgebung
Ultraschall
MRT
Rö / CT
Nuklearmedizin
Niedrige räumliche Auflösung (Zell-)Funktion
Morphe hohe räumliche AuflösungImaging
Biological Imaging - bildliche Darstellung von Zell- und Organ-Funktion(en) z.B. aktiver Transport über die Zellmembran, aktive Ausscheidung, weitere Zell-Eigenschaften und -Funktionen, Apoptose etc.
Molecular Imaging - Identifikation der Funktion von Zell-Organellen / Bestandteilen,
- Unterfunktionenen z.B. Glukose-Uptake, Reaktion auf Hypoxie, Aminosäure-Transport, DNA/RNA Synthese etc.
die Zelle ist mehr als nur die Versammlung einiger Moleküle
Die Situation in der Klinik:
160943KF
SUVmax = 13.8
FDG PET
Untersuchung der Funktion:
160943KF
SUVmax = 13.8
Funktion: FDG PETAnatomie: CT
Die Situation in der Klinik:Die Antwort durch „Molekulares Imaging“
Nuklearmedizin
Das Gebiet der Nuklearmedizin umfasst dieAnwendung radioaktiver Substanzen undkernphysikalischer Verfahren zur Funktions-und Lokalisationsdiagnostik von Organen, Geweben und Systemen sowie offener Radionuklide in der Behandlung.
Deutscher Ärztetag 2003(Muster-)Weiterbildungsordnung
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Nuklearmedizin
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
Nuklearmedizin
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
Radar
Ionisierende Strahlung
NMR Nackt-Scanner
Medizinische Bildgebung Nuklearmedizin - PhysikBeim radioaktiven Zerfall entstehende Strahlung:
Photonen-StrahlungGamma-StrahlungRöntgen-Strahlung
Korpuskular-Strahlung
Elektronen ( β- - Strahlung )
Positronen ( β+ - Strahlung )ProtonenNeutronen
He - Kerne ( α – Strahlung )
R L
E = m • cE = m • c22
e -
511 keV
γ511 keV
γ
νe
PN
N
N
N
P
P
PPNN
ßß ++ -- ZerfallZerfall::p p →→ n + en + e++ + + ννee
e+
11--2 mm2 mm
Instabiler Instabiler KernKern
PN
N
N
N
P
P
PPNP
Koinzidenz-Detektor
D1
D2
1818FF--FDGFDG
O
HOCH2
OH
OHOH
18F
Positronen – Emissions – Tomographie ( PET )
Positron-Emitter( Überschussan Protonen )
R L
C 20.4 B 0.96 5.0 0.3N 9.9 C 1.19 5.4 1.4O 2.1 N 1.72 8.2 1.5F 110 O 0.64 2.4 0.2Ga 68 Zn 1.89 9.1 1.9Rb 1.3 Kr 3.35 15.6 2.6
MeVmin mm mm
Positronen-Emitter
Halbwerts-zeit
ProduktMaximale
Energie desPositrons
Max. lineareReichweite
Mittl. lineareReichweite
11
13
15
18
68
82
11
13
15
18
68
82
X Y + β + νAZ
AZ-1
+
Radionuklide – Positronen-Emitter
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RadionuklideAnforderungen bei dem Einsatz in der
Diagnostik
Reiner γ - StrahlerGeeignete EnergieRel. kurze phys. HWZ ( ~ h )
Diagnostik und TherapieUnbeschränkte VerfügbarkeitLeichte und schnelle ReindarstellungEignung für Synthesen
Therapie
[α / γ] β - StrahlerGeeignete EnergieMittlere phys. HWZ ( ~ h/d )
RadionuklideTechnetium - Generator
Nuklearmedizin
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
Radionuklid
Radiopharmazeutikum
Organ - / Prozess -spezifischer Träger
Tc-99m
J-123
- Phosphonate- Mikrosphären- Perfusionstracer
- Para-Amino-Hippursäure- Meta-Iod-Benzyl-Guanidin- Aminosäuren
+
Radiopharmazeutika
Tracer für in-vivo Untersuchungen
Kurze effektive HWZ ( < phys. / < biol. )
Trägerfrei
Substanzmengen im nmol / pmol Bereich
Biologische Prozesse bleiben unbeeinflußt
Auch toxische Substanzen einsetzbar
Radiopharmazeutika
Anreicherung im Zielorgan
Aktive Aufnahme
Passive Aufnahme
Rezeptorbindung
Kapillarblockade
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Anforderung einer Untersuchung:
Was tue ich in Abhängigkeit von dem Ergebnis?
Medizinische Diagnostik Medizinische Diagnostik I
Merkmal
Häufigkeit
Medizinische Diagnostik II
Merkmal
Häufigkeit
Entscheidungsschwelle
Gesunde Kranke
FPFN
RPRN
RP – richtig positiv:Untersuchungsbefund weist vorhandene Krankheit nach
RN – richtig negativ:Untersuchungsergebnis schließt Krankheit aus
FP – falsch positiv:Untersuchungsbefund weist nicht vorhandene Krankheit nach
FN – falsch negativ:Untersuchungsbefund weist vorhandene Krankheit nicht nach
Bewertung von Untersuchungsmethoden
Sensitivität = RP/(RP+FN)
Spezifität = RN/(RN+FP)
Genauigkeit = RP+RN/(RP+RN+FP+FN)
Pos. Vorhersagewert = RP/(RP+FP)
Neg. Vorhersagewert = RN/(RN+FN)
Prävalenz = P(K+) / alle Untersuchten
Bewertung von Untersuchungsmethoden
Umgang mit Wahrscheinlichkeiten:- sequentieller Einsatz von Untersuchungsmethodenführt zu einer Verkettung von Wahrscheinlichkeiten(bedingte Wahrscheinlichkeiten)
Bayes Theorem
Bewertung von Untersuchungsmethoden
p(A|B) A unter der Bedingung B
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Nuklearmedizinische Diagnostik
Verschärfte Unterscheidung pathologischveränderter Funktion von der Norm
Untersuchung vor und nach InterventionKörperliche / pharmakologische Belastung
Erfassung der funktionellen Reserve eines Organs- /Organsystems
Merkmal
Häufigkeit
Entscheidungsschwelle
Gesunde Kranke
FPFN
Belastung
Medizinische Diagnostik III
RPRN
Nuklearmedizin
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
Messtechnik - Gammakamera
Parallel-Loch Kollimator
Blei collimator
Messtechnik - Szintillationsdetektor
9
e-
e-
e-
e-
Szintillatoren
Wenn die emittierten Photonensichtbares Licht …und das Material transparent ist …… =Szintillator
Gammaquant
Gammaquantnach Streuung
Messtechnik - Streustrahlung
y
x
e-
hυ
hυ´
ϕ
δ
Compton Streuung
N
N
N
P
Compton Streung
θ
Recoil Elektron(- Ladung)Ion
(+ Ladung)
Streungswinkel
• Energie des gestreuten Photons ist niedriger• Die Energie Differenz wird auf den Recoil-Elektron übertragen• Er kann weitere Ionisation verursachen
Primärenergie 140 keV Winkel [ O ] res. Energie [ keV ] 10 139,4 20 137,7 30 135,0 40 131,6 50 127,5 60 123,1 ( z.B. Fenster 140 + 10 % = 154 - 126 keV )
Compton - Streuung - quantitativ
Messtechnik - Streustrahlung
Impulse
Energie
Gesamtspektrum
Streustrahlung
1fach
2 fach
3 fach
Energiefenster
Messtechnik - Streustrahlung Nuklearmedizin
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
10
Bilderzeugung: Ganzkörper - Scanner Ganzkörper - Skelettszintigramm
met. Mamma-Ca met. Prostata-Ca
Nuklearmedizin
Biologie
Pharmakologie
ChemieRadiopharmakologie
Kernphysik Nuklearmedizin- Diagnostik
Physik - Therapie
Messtechnik & Bilderzeugung
Bilderzeugung: Tomographie
Leber-Szintigraphie einerPatientin mit Mamma-Ca
und Lebermetastasen
τοµη Schnittγραϕω schreiben
Bilderzeugung: Tomographie - Prinzip Bilderzeugung: Tomographische Aufnahme
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Bilderzeugung: Tomographische Aufnahme
ProjektionsbilderRotierende Gammakamera
Bilderzeugung: Tomographische Rekonstruktion
ProjektionsdatenSinogramm
x
Θ
TomographischeRekonstruktion mit der
gefilterten Rückprojektion
Ergebnis:transversales Schnittbild
Bilderzeugung: Tomographische Ebenen „Die Form folgt der Funktion“
Morphe und Funktion
Zusammenführen komplementärer InformationWarum ? – Die klinischen Probleme
In der Diagnostik und Therapie spezifische Tracer
Je spezifischer ein Radiopharmazeutikum- desto höher der Kontrast, das „target / non target“
Verhältnis- desto niedriger die unspezifische Bindung und - die Information über die Umgebung der
Anreicherung
Zur Lokalisation anatomische Information- unspezifische Bindung- anatomische Bilder ( CT, MRI, US )
„Die Form folgt der Funktion“
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„Side by side reading“ von NM und CT / NMRUntersuchungen
Fusion mittels Software
Einsatz von Hybridsystemen – Gammakamera mit- Low dose CT- CT- Systemen diagnostischer Qualität- in der Zukunft: NMR Systeme
Die Fusion von Funktion und Anatomie
Wie ? – Die klinische Praxis
Hawkeye® – SPECT-CT System
Transmissions – Einheit
Hawkeye® – SPECT-CT System
R L
Positronen – Emissions – Tomograph ( PET )
Biograph® – PET-CT System
scatter correctionattenuation correction
PET Recon
Spiral CT: seconds CT
CT PET
Survey
WB PET: 10-20 min
PET
CT PET
CT Recon
Fused PET•CT
FUSION
PET•CT scan protocol
R L
Positronen – Emissions – Tomographie ( PET )
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18-FDG PET-CT 18-FDG PET-CT
18-FDG PET-CT
Nuklearmedizin
Ende der EinführungTeil 1
Fragen?