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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität MünchenTechnische Universität München
PET, SPECT, Animal PET
Jorge Cabello
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Klinikum rechts der Isar
• Basic Nuclear Medicine
• Detectors
• Gamma Camera, SPECT
• Positron Emission Tomography
• Multimodal Imaging
• Biokinetic Modelling
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Aims of Nuclear Medicine
• Diagnostics
Visualisation and quantification of biochemical
processes in vivo
• Therapy:
Treatment of pathologic processes based on selective
accumulation in body tissues
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Principles of Nuclear Medical Diagnostics
• Tracer principle
Radiopharmaceuticals are distributed, metabolized or excreted in
the organism according to their structure
• Representation of body functions by:
– Images
– Numerical data
– Graphs
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Positron Emission Tomography (PET)
Most sensitive method for
quantitative measurement of
physiologic processes
in vivo
13.06.2016 5
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Coincidence circuit
PET Measuring Principle
Electronic Collimation
(511 keV)
(511 keV)
Nucleus
e+
e-
180±0.25°
13.06.2016 6
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PET Nuclides
NuclideHalf life
(min)
EMax
(MeV)
Rmax
(mm H2O)
Ravg
(mm H2O)
11C 20.40 0.97 5.0 0.3
13N 9.90 1.19 5.4 1.4
15O 2.05 1.72 8.2 1.5
18F 109.70 0.64 2.4 0.2
68Ga 4086 1.88 - -
13.06.2016 7E: Energy, R: Range
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Typical radioligands
Radioligand Target18F-FDG Glucose consumption (cancer, dementia…)
68Ga-PSMA Prostate cancer
18F-FET Aminoacid transporter (glioma grading)
18F-DOPA Dopamine transporters (Schizophrenia, Parkinson)
18F-FMISO Hypoxia (cancer cells resistance)
11C-PIB Fibrillar amyloid-beta (Aβ) plaques (Alzheimer)
13N-NH3 Myocardial perfusion
15O-H2O Brain oxygenation
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Detector
Element
PET
Coincidence
lines
Field
of view
13.06.2016 9
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Positron Emission Tomography – 3D
Scattered within FOV
Random Coincidences
True Coincidences
Scattered outside FOV
CrystalShielding
Short Coincidence Window
Good Energy Resolution
High Crystal Efficiency
Crystal
13.06.2016 10
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PET Block Detector
13.06.2016 11
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PET Block Detector
X
y
A
C D
B X =
y =
(B+D) - (A+C)
(A+B+C+D)
(A+B) - (C+D)
(A+B+C+D)
Crystal Identification
13.06.2016 12
Anger logic:
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PET Block Detector BGO Crystals, 20 or 30 mm long
13.06.2016 13
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0.0 5 10 15
1.0
0.5
0.0
Resolution
10 mm
4 mm
Object Size (mm)
Re
co
ve
ry C
oe
ffic
ien
t
~0.8
~0.4
Effect of Spatial Resolution
13.06.2016 14
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Characteristics PET – Determining Factors
• Detector material
decay time time resolution coincidence window
light yield energy resolution scattering fraction
atomic number attenuation length sensitivity
• Tomograph
detector concept spatial resolution
diameter sensitivity
scattering fraction
shielding randoms
13.06.2016 15
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Scintillation Crystals
PropertyNaI BGO LSO GSO
NaI:Tl Bi4Ge3O12 Lu2SiO5:Ce Gd2SiO5:Ce
Density (g/cm3) 3,67 7,1 7,4 6,7
Effective Z 51 73 65 59
Attenuation length at
511keV (mm)
29,1 10,4 11,4 14,1
Light yield (photons/MeV) 41000 9000 26000 8000
Decay time (ns) 230 300 40 60
Emission (nm) 410 480 420 440
13.06.2016 16
Lu-176 (2,6%): + >350 keV: ~100/sec per cm3
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PET Systems: Characteristics, Limitations
• Spatial resolution
• Sensitivity
• Scattering
• Random coincidences
• Dead time of system
Measurement in realistic situation
Values can differ depending on the object
13.06.2016 17
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Clinical PET
Crystals BGO, LSO,LYSO, GSO
Spatial resolution (mm) 4.5 - 5.0
Energy resolution (%) 12 - 23
Scatter fraction 2D (%) 10 - 15
Scatter fraction 3D (%) 35 - 42
Sensitivity 2D (cps/Bq/ml) 6 - 9
Sensitivity 3D (cps/Bq/ml) 35 - 55
max. NEC 2D 50 - 100
max. NEC 3D 70 - 180
13.06.2016 18
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New Ce-doped Scintillators
PropertyRbGd2
Br7
LaCl3 LaBr3
Light yield
(photons/MeV)
56000 50000 56000
Energy resolution
(662 keV)
4.5% 3.2% 2.9%
Decay time (ns) 45 20 25
Density (g/cm3) 4.7 3.9 5.3
13.06.2016 19
*Image courtesy of M. Balcerzyk, Soltan Institute
1˝ LaCl3:Ce
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500 ps timing resolution 7.5 cm localization
DMid 1980s: BaF2
Now: LaBr3, LSO
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Time-of-Flight PET
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Time-of-Flight PET
Δ𝑥 =𝑐
2Δ𝑡
The real gain is in noise:
Type equation here.
N𝐸𝐶𝑅(𝑇𝑂𝐹) = 𝑁𝐸𝐶𝑅(𝑛𝑜𝑛 − 𝑇𝑂𝐹)𝐷
Δ𝑥D: Diameter of the object
Spatial resolution gain:
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System time resolution: 460 ps System energy resolution: 7.5%
LaBr3 (5% Ce) 4 x 4 x 30 mm3
LaBr TOF PET Scanner
Joel Karp et al. MIC 2005
13.06.2016 22
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TOF
No TOF
LaBr TOF PET Scanner
Number of counts (9-54 M)
Daube-Witherspoon et al PMB 2009
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Vereos PET/CT (Philips Healthcare)
Digital SiPM technology
LYSO crystals
Time resolution < 316 ps
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Time-of-Flight PET
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PET - Quantification
Goal: Physiologic parameter
Standardized uptake values (SUV)
Requirement: Absolute activity concentration
Necessary: Corrections for
• detector differences (sensitivity)
randoms
scatter
attenuation
dead time
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AttenuationLosses due to Compton and photo effect
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Attenuation
Real Reconstructed
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Coincidence method
Ge-68 rod source
Single photon method
Cs-137 point sourceshielded
(662 keV)high rate
PET – Transmission Measurement
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Attenuation: State of the art
• Rotating source
• CT is used for AC in PET/CT
• MR sequences are used for AC in PET/MR
Active area of research!
• TOF is used for AC in PET scanners with TOF
capabilities
Still recent and under evaluation for clinical prattice
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Scatter correction
Scatter fraction: 40—60 %
Single scatter 90%
Multiple scatter 10%
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Scatter correction
With scatter correction Without scatter correction
Projection space
(sinograms)
Image space
Scatter correction methods:
• Single scatter simulation
• Multiple energy windows
• Monte Carlo simulations
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Standardized Uptake Value (SUV)
at a specific time point
SUV = Activity concentration in image (kBq/ml)
Injected activity (kBq) / body weight (kg)
Uptake concentration depends on each patient physiognomy
Lean body weight (Body weight-Body fat weight)
Body surface area (0.007184xW0.425xH0.725)
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Small animal research
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~90% of all laboratory animals are mice
worldwide > 25 Mio. (Science 04/2000)
Animal Models
• Brain sciences: rat
• Oncology: rat, mouse
• Genetic research: mouse (“knock-out”)
13.06.2016 35
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• C-11, F-18, H-13, P-32 tracers
• Measurement of time course in one animal (no follow-
up studies)
• Repeat measurements in the same animal
Size spatial resolution: 1-2 mm
Specific activity sensitivity: high (>2%)
Small Animal PET
in vivo autoradiography
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8 x 8 array of
LSO crystals (2 x 2 x 10 mm)
Optical fibersPosition sensitivePMT
Densely packed crystals
Cherry, 1997
UCLA microPET
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18F-FDG Rat Heart
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microPET
Crump Institute for Molecular Imaging
74 MBq, 45 min acquisition time
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Crump Institute for Molecular Imaging
MicroPET P4
• 26 cm ring diameter
• 20 cm transverse FOV
• 7.8 cm axial FOV
• 168 detector modules (8x8)
• 4 rings of 42 detectors
• 10,752 individual detectors
• Transmission source
• Resolution 2.2 mm (10 ml)
• Sensitivity ~ 2%
13.06.2016 39
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18F- FDG
Whole-Body
Biodistribution
in the Mouse
Crump Institute for
Molecular Imaging
13.06.2016
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
liverkidney
bladdertumor
Time (min.)
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microPET II17,640 LSO elements (0.95x0.95x12.5 mm)
8 cm transaxial field of view
4.8 cm axial field of view
Reconstructed resolution ~ 1.2 mm
(filtered backprojection)
Sensitivity: ~2.3% at center of FOV
(250-750 keV)
13.06.2016 41
DEPARTMENT OF BIOMEDICAL ENGINEERING
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APDs and SiPMs versus PMTs
• PRO:
– very compact (one-to-one coupling)
– high quantum efficiency
– low bias voltage
– work in magnetic fields
• CON:
– noise
– lower gain
– timing performance
13.06.2016 42
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Resolution 1.75 mm (intrinsic)2.1 2.1 3.1 mm3 or 14 µl
Efficiency 200 cps/µCi ( 0.51% )
Sensitivity 2 kcps/µCi/ml/cm
Peak NEC 61 kcps (11 cm)
Lecomte et al, IEEE TNS 43 (1996) 1952-7
APD Detector Module
BGO
Scintillator
Avalanche
Photodiode
Sherbrooke Animal PET Scanner
13.06.2016 43
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0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 4 8 12 16 20 24 28 32
LV V
olu
me
(µl)
Gate Number
Normal Rat, 250 g
ECG-Gating
1 cm
FDG-PET Study of Cardiac Function in Rat
13.06.2016 44
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Hamamatsu
Photonics1 cm
Photomultiplier
Avalanche photodiodes
APD Matrices
13.06.2016 45
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APD matrix
LSO crystals(3.7 x 3.7 x 12 mm3)
- Energy resolution: 15%
- Spatial resolution: 2.3 mm
- Sensitivity: 0.04 %
4 mm
Munich Avalanche Diode PET Prototype
13.06.2016 46
MPI
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0 100%
MADPET – In Vivo Study
FDG in the myocardium of a rat
1 mCi, 45 min p.i.,
18 min acquisition time
Realigned images
MPI
13.06.2016 47
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Depth-of-Interaction
(DOI)
Coincidence Response FunctionDepends on ring diameter, crystal length
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crystal
light sensor
light sensor
ratio of signals
DOI
LSO
GSO crystal
light sensor
light sensor
crystal
signal shape
DOI
individual layers
DOI
Depth Of Interaction (DOI) Measurement
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• Custom 64 element PD array identifies hit crystal
• PD/(PD+PMT) determines depth of interaction
• Photomultiplier tube provides timing pulse
LSO Array
64
Element
PD Array
1” Square PMT1" Square Photomultiplier Tube
20mm
Array of 64 Photodiodes
64 LSO Crystals 3 mm square
1"
1"
B. Moses, Lawrence Berkeley Laboratory
LBL PET Detector Concept
13.06.2016 50
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LGSO/LYSO
GSO
Phoswich Detector – DOI
13.06.2016 51
Block detector
with pulse shape
discriminator
PMT PMT
HRRT: MPI Köln, CTI 1998
ATLAS: NIH, 2001
Light guide
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Individual read-out of
2 radial crystal layers
1.6 mm x 1.6 mm
70 mm diameter
monolithic APD Matrix
MADPET II Dual Layer Tomograph
MPI
13.06.2016 52
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• Energy resolution:
~ 15% @ 511 keV
• Time resolution: 2,5 ns
APD-Matrix
LSO Crystals(2x2x8 mm3)
APD-MatrixLSO Crystals(2x2x6 mm3)
LSO-APD-Detector Module for 2 Radial Layers
13.06.2016 53
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MADPET IV Dual Layer Tomograph
Designed to be compatible with a 7T MRI scanner
Stand alone
PET insert
PET insert integrated
in volume coil
Compact uniform
crystal distribution
Crystal structure
with SiPMs
Densely packed
cabling
150 mm 88 mm
20 mm
• High resolution– 1.5x1.5 mm2 LYSO crystals.
• High count rate – one-to-one coupling.
• Uniform spatial resolution– dual layer: 6/14 mm long crystals.
• No shielding in MR bore– No magnetic-sensitive
components
• Temperature stable SiPMs– No cooling
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Small Animal PET – Systems System Res.(mm) Sens. D(mm) LZ(mm) Detector Type
RAT –PET 2.4 4.3% 115 50 BGO PMT
Sherbrooke 2.1 0.51% 310 10.5 BGO APD
TierPET 2.1 0.32% 160 – 500 40 YAP PSPMT
MicroPET P4# 2.0 1.35% 260 80 LSO PSPMT
Brussels 3.0 3.5% 200 52 BaF2 Drift Ch.
YAP-PET 2.0 1.7% 100 – 250 40 YAP PSPMT
HIDAC# 1 0.9% 100 – 200 210 MWPC
ATLAS 1.9 1.8% 118 20 phoswich§ PSPMT
Massachusetts 1.3 0.08% 120 4.5 LSO PMT
MADPET 2.30 0.035% 86 3.6 LSO APD
MADPET II 1.0 2% 71 18.1 LSO APD m.
13.06.2016 55
Sensitivity at different energy thresholds #commercial; §GSO + LGSO
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• Anesthesia
• Preparation of animals
• Fixation of animal
• Triggering (respiration, ECG)
• Morphologic Imaging
Animal PET – Other Issues
13.06.2016 56