Nuklearmedizin

Nuklearmedizin
Nuklearmedizin
Diagnostik
in vivo
Therapie
in vitro
Strahlentherapie
Radiopharmaka
Radiopharmaka sind pharmakologisch wirksame Substanzen, die mit
einer geringen Menge eines kurzlebigen radioaktiven Nuklids
(radioaktives Isotop) markiert sind.
Sie folgen im Körper dem durch das Pharmakon vorgegebenen Weg
(Tracer-Prinzip) und erlauben durch das strahlende Label eine
Verfolgung von außen (bei Gamma-strahlenden Nukliden)
oder eine gezielte therapeutische Wirkung am Zielort (bei Betaoder Alpha-strahlendem Isotop).
Als Nuklearmedizin bezeichnet man die Anwendung von
offenen radioaktiven Stoffen in medizinischer Diagnostik,
1
Therapie und Wissenschaft.
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Radiopharmaka
Beispiele für Anwendung von Radiopharmaka
133Xe
— Untersuchung der Lungenventillation
123I
— Schilddrüsenszintigraphie (Natriumjodid) , Tumorszintigraphie
131I
— Schilddrüsenszintigraphie (Natriumjodid)
99mTc
— Herzmuskelperfusion (markiertes Methoxy-isobutyl-isonitril, MIBI),
Hirnperfusion, Entzündungsprozesse (markiertes Hexamethylen-
(markiertes Meta-iodo-benzylguanidin, MIBG)
propylamin-oxim, HMPAO)
Das strahlende Isotop wird an ein Pharmakon gebunden, das Radiopharmakon koppelt sich dann an
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die Zielzelle
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George de Hevesy (geboren György Hevesy)
Nuklearmedizin
(* 1. August 1885 in Budapest;
† 5. Juli 1966 in Freiburg im Breisgau),
war ein ungarischer Chemiker.
1. In vitro Laboruntersuchungen
Hevesy studierte Chemie, Mathematik und Physik in Budapest, Berlin und
Freiburg. Anschließend arbeitete er unter anderem bei Ernest
Rutherford und Friedrich Adolf Paneth. In Kopenhagen entdeckte 1922
er gemeinsam mit Dirk Coster 1922 das Element Hafnium.
Er ist einer der Begründer der Radiochemie und Erfinder der
Tracermethode, mit der chemische Elemente durch die Beimischung ihrer
radioaktiven Isotope analytisch gekennzeichnet werden. Er hat auch die
Neutronenaktivierungsanalyse als analytisches Verfahren eingeführt.
Von 1926 bis 1934 war er Professor an der Albert-Ludwigs-Universität
Freiburg. Nach der Machtübernahme durch die Nationalsozialisten floh
er nach Kopenhagen und 1943 weiter nach Stockholm. Im gleichen Jahr
wurde ihm der Nobelpreis für Chemie verliehen. Bis 1961 arbeitete er in
Stockholm und wandte sich physiologischen und klinischen
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Fragestellungen auf dem Gebiet der Radiobiologie zu.
Nuklearmedizin
2. Volumenbestimmung von Körperräumen
3. Bestimmung der Isotopenverteilung
4. Tomographische Verfahren
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Nuklearmedizin
1. In vitro Laboruntersuchungen
2. Volumenbestimmung von Körperräumen
RIA: Radioimmunoassay
R. Yalow – 1977, Nobelpreis für Medizin und Physiologie
Anwendung von radioaktiv markierten Substanzen/Liganden
radioaktiv markiertes Antigen
• das Gesamtvolumen des Wassers
• das Blutplasmavolumen
• die Menge der austauschbaren Natriumionen
RIA-Test: Der Test basiert auf einer Kompetitionsreaktion
zwischen dem radioaktiv markierten und dem unmarkierten
Antigen um den Antikörper
¾ die mittlere Lebensdauer der Erythrozyten
¾ die Kinetik der Eisen- und Kalziumaufnahme
•sehr genaue bestimmung der Konzentration von z.B. Hormonen,
Enzymen, Tumorantigenen, Infektionsantigenen, Arzneimitteln und DNA
•heute: statt Radioaktivität, sind Fluoreszenzmethoden oft benützt.
keine Strahlenbelastung
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Nuklearmedizin
Nuklearmedizin
3. Bestimmung der Isotopenverteilung
4. Tomographische Verfahren
• Feststellung der Form, Größe,
metabolischen Aktivität von Organen
• räumliche, dreidimensionale Verteilung der
Radioisotope
• zweidimensionale Projektion der Anreicherung
der Isotope in einzelnen Organen, Zellräumen,
Kompartiments
• SPECT (single photon emission computed tomography)
• PET
(positron emission tomography)
Zeitliche Verlauf der Aktivität auch
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Physikalische Aspekte bei der Auswahl
von in vivo applizierten Isotopen
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Physikalische Aspekte bei der Auswahl
von in vivo applizierten Isotopen
1. Charakter der Strahlung
! Schutz des Patienten vor den Strahlungsschädigungen !
•Überlegungen hauptsächlich in der Diagnostik
Das ideale Isotop für die Diagnostik ist der reine γ-Strahler
(siehe Ionisationsvermögen, Reichweite)
Die Kernisomerie ist von großer Bedeutung
→ siehe Technetiumgenerator
•In der Strahlentherapie:
Schutz der übrigen Körperteile
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Physikalische Aspekte bei der Auswahl
von in vivo applizierten Isotopen
Physikalische Aspekte bei der Auswahl
von in vivo applizierten Isotopen
2. Die Halbwertszeit
3. Die Photonenenergie der γ-Strahlung
Damit die Strahlung aus dem Organismus austreten
und dann detektiert werden kann, sind höhere
Energien wünschenswert
ln 2
Λ =λ⋅N =
⋅N
T1/ 2
Bei geringer Photonenenergie: die Strahlung wird schon von dünnen
Schichten vollkommen absorbiert
Bei gleichgroßer Aktivität ist eine geringere Menge des
Isotops mit kürzerer Halbwertszeit erforderlich
Bei zu hoher Photonenenergie: die Strahlung wird auch im Detektor
nicht absorbiert (keine Wechselwirkung)
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räumliche Auflösung — Bleikollimator
nur Strahlen parallel mit der Kollimatorachse
können durchdringen
Ortungselektronik
Nuklearmedizinische Techniken
Gammakamera
Erfinder: Hal Anger
PM
NaI(Tl)
Bleikollimator
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Szintillation in unterschiedlicher Weite von PM
→ Intensitätsunterschied → Ortsbestimmung
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Detektor + PM
Messverfahren mit Gammakamera
Arten der Szintigraphie:
¾ Planare Szintigraphie
¾ Sequenzszintigraphie
¾ Funktionsszintigraphie
¾ SPECT (Single Photon Emission Computed Tomographie)
¾ Positronenemissionstomographie (PET)
Von den Photonen aus dem radioaktiven Zerfall erreichen
nur die den Kristall, die parallel zu den Kollimatorspalten vor
dem Szintillationskristall verlaufen.
Die von den γ-Photonen generierten Lichtblitze werden von
Photoelektronenvervielfachern am Kristall detektiert.
Aufsicht des Szintillationskristalls
und der gekoppelten sechseckigen
Photoelektronenvervielfacher
Statische Szintigramme: Summationsbild einer Langzeitaufnahme
Dynamische Szintigramme: filmartige Verlaufaufnahme
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Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
Einige Charakteristiken der
nuklearmedizinischen Methoden
9 die nuklearmedizinischen Methoden sind Funktionsorientiert
(im ggt. z.B. zur Rtg.-CT, Sonographie, Kernspintomographie);
z.B.: Durchblutung, Stoffwechsel und Vitalität der
Organen/Tumoren;
– das nuklearmedizinische
Analogon zur RöntgenComputer-Tomographie (CT)
9 Anreicherung und Verteilung der Radiopharmaka im Zielorgan;
9 Zeitliche/r Aufnahme/Abbau des dem Organsmetabolismus
entsprechenden Radiopharmakon;
• Dabei werden aus dem Patienten emittierte Einzelphotonen
(Gammaquanten) gemessen.
• Die Untersuchung findet unter verschiedenen Winkeln statt→ Ein bis zu
drei Gammakamera rotieren um die zu untersuchende Region.
• Schnittbilder werden durch das Verfahren der gefilterten
Rückprojektion rekonstruiert.
• Erzeugt werden dabei überlagerungsfreie Bilder und dreidimensionale
Darstellungen der Aktivitätsverteilung.
9 Vergleich der Funktion der paarigen Organe
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Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
mehrere Detektoren
ermöglichen eine kürzere
Aufnahmezeit, bessere
Auflösung
1.
2.
3.
4.
Gammakameras
¾ Sequenzszintigraphie
¾ Funktionsszintigraphie
5.
Myocard-SPECT zur Untersuchung der Vitalität des Herzmuskelgewebes.
Das verwendete Radiopharmakon ist meist Tc-99m MIBI.
Knochen-SPECT zur Lokalisation von Regionen mit verändertem
Knochenstoffwechsel in der Skelettszintigraphie
Hirnfunktions-SPECT (FP-CIT und IBZM-SPECT) zur Diagnostik und
Differenzierung von Parkinsonsyndromen und gegenüber weiteren
degenerativen Hirnerkrankungen
Octreotid-SPECT im Rahmen der Somatostatinrezeptorszintigraphie bei
neuroendokrinen Tumoren
MIBG-SPECT bei adrenergen Tumoren z. B. des Nebennierenmarkes, sog.
Phäochromozytom
Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik der TU München
Klinik für Nuklearmedizin des Universitätsklinikums Essen
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PET: Positronen Emissions Tomographie
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Radioisotope für PET
Isotop
Markermolekül Was wird nachgewiesen
Klinische Bedeutung
18F
Desoxyglukose
Glukosestoffwechsel
Stoffwechselveränderungen,
Tumoren
18F
18F-Ion
Knochenstoffwechsel
Veränderungen des
Knochensystems
11C
Aminosäuren
Aminosäurenstoffwechsel
Stoffwechselveränderungen,
Tumoren
11C
Raclopride
Dopamin-(D2) Rezeptor
Parkinson-Krankheiten
15O
15O-markierte
Gase
Oxygenstoffwechsel
Messung des
Oxygenstoffwechsels
15O
Butanol
Blutzirkulation, Blutvolumen
Messung des
Oxygenstoffwechsels
15O
Wasser
Blutzirkulation, Blutvolumen
z. B. Untersuchung eines
Stroke-betroffenen Gebietes
13N
Ammoniak
Blutzirkulation
Messung der Herzmuskelvitalität
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Bild einer typischen Positronen-Emissions-Tomographie-Einrichtung
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PET: Positronen Emissions Tomographie
In der PET verwendete Radioisotope
Kurzlebige Isotope:
18F(T=110
min), 11C (T=21 min), 13N (T=10 min), 15O (T=2min)
18
F ⇒ 18 O + β + + ν
11
C ⇒ 11 B + β + + ν
β+
Positron:
¾Antiteilchen
¾mp=me
¾qp=+qe=1,6·10-19 C
γ-Photon, Eγ = 510 keV
Die Herstellung ist am Applikationsort notwendig.
180o
β-
Die Verwendung von 11C erfordert daher, dass sich ein Zyklotron in
relativer Nähe des PET-Systems befindet. Die Verwendung von 13N oder
15O erfordert sogar, dass sich das Zyklotron in unmittelbarer Nähe des
PET-Scanners befindet.
γ-Photon, Eγ = 510 keV
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PE-Tomographie
Detektorring
(mehrere
Szintillationsmessköpfe)
Detektorring
Diejenige γ-Photonen werden registriert, die fast
gleichzeitig (Koinzidenzmessung innerhalb von 20 ns)
die entgegengerichteten Detektoren erreichen.
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tomographische Aufnahmen von
einzelnen Schichten;
Bildherstellung in beliebiger
Ebenen des dreidimensionalen
Raums
¾ Sequenzaufnahmen
¾ Darstellung
physiologischer Aspekte
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PE-Tomographie
PE-Tomographie
Breite Anwendungsgebiete in der klinischen Praxis:
• kardiologische, neurologische, psychiatrische, onkologische usw.
Untersuchungen
• Frühe Diagnose und Differentialdiagnose von Tumoren
• Beurteilung der Tumorprogression, der Rezidive bzw. Metastasen
• Lokalisierung von Epilepsieherden usw. → humane Gehirnforschung
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PE-Tomographie
18F-FDG-Ganzkörperaufnahme
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PE-Tomographie
Hirntumor. PET Aufnahmen mit den
Radiopharmaka 18F-FDG und 11C-Methionin
(Aufnahme aus dem PET-Zentrum der DEOEC,
mit Genehmigung von Prof. Lajos Trón)
Mit 18F-FDG und 11C-Methionin erstellte PET-Durchschnittsbilder
(Aufnahme aus dem PET-Zentrum der DEOEC, mit Genehmigung von
Prof. Lajos Trón)
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PE-Tomographie
PE-Tomographie
18F-FDG
PET Aufnahme des menschlichen Gehirns während
eines Epilepsieanfalls (links) und in der anfallfreien Phase
(rechts)
(Aufnahme aus dem PET-Zentrum der DEOEC, mit
Genehmigung von Prof. Lajos Trón)
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CT
PET
CT-PET
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Vorteil:
Informationen über die Funktion, die
Stoffwechselprozesse der lebenden Organismen →
funktionelle bildgebende Verfahren
Nachteil:
die Auflösung in der transaxiale Ebene 5 mm
in axialer Richtung 6 mm
die Morphologie des Körpers lässt sich nur grob
beurteilen
Beseitigt mit den Bildfusionsverfahren
Superposition der MRT- oder CT-Aufnahme mit der
PET-Aufnahme → morphologische und funktionelle Bildgebung
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