Experimenteller Hybridscanner (Inveon, Siemens)

• Inveon^TM Docked PET Scanner kann einfach an ein Inveon SPECT-CT-System angedockt werden
• beide Gantries können unabhängig voneinander oder als eine Gantry operieren
• unterstützt trimodalen Workflow
• Integrierte Visualisierungs- und Analyse-Werkzeuge für eine große Bandbreite von Fragestellungen
• Bohrdurchmesser: 12 cm
• Atem- und Puls-Gating möglich

CT

• Röntgenquelle: 80W, Wolfram-Anode 35-80 kVp mit weniger als 50 μm Fokus
• die beste Auflösung liegt bei 40 μm bei einer typischerweise maximalen Scandauer von 5 Minuten
• Für ultrahochauflösende Studien steht eine Röntgenquelle mit variablem Fokus zur Verfügung (weniger als 6 μm Fokus, maximale Auflösung von 20 μm)

PET:

• CT-basierte Schwächungskorrektur
• 1 cm dicke LSO-Detekoren des PETS: schnelle Abklingzeit und hohe Lichtausbeute: 1,6 x 1,6 mm Detektor-Pixel-Ausdehnung
• 20 x 20 Kristall-Array, das das axiale Gesichtsfeld des Scanners und seine Sensitivität verbessert
• 1,4 mm FWHM (im Zentrum des Gesichtsfeldes) räumliche Auflösung von Bildern, die mit der gefilterten Rückprojektion rekonstruiert wurden
• Axiales FOV von 12,7 cm, mit kontinuierlicher Bettverschiebung bis zu 30 cm

SPECT:

• Fortgeschrittene Multi-Pinhole SPECT Kollimatoren für hohe Sensitivität und räumliche Auflösung
• Es steht ein Detektor mit 125 mm zur Verfügung: 3072 x 2048 Pixel und ein maximales Gesichtsfeld von 8,4 cm
• ein weiterer Detektor ist 165 mm groß: 4064 x 4064 Pixel und ein maximales Gesichtsfeld von 10 cm x 10 cm
• zwei Rekonstruktionskonfigurationen werden unterstützt:
  • Standard: volumetrische Rekonstruktionsalgorithmus
  • Echtzeit: Rekonstruktion auf einer dezidierten Hochgeschwindigkeitsplattform während des Scans
• SPECT-Module detektieren Gamma-Strahlen zwischen 35 und 300 keV
• Kleine Detektorkristalle NaI (2 mm x 2 mm x 10 mm) für hohe intrinsische Detektorauflösung
• Folgende Kollimatoren sind verfügbar:
  • 0,5, 1,0, 2,0, und 3,0 mm Single Pinhole Kollokatoren
  • LEAP (low-energie all-pupose) Parallel-Loch-Kollimator-Set
  • Maus-Kopf und Maus-Ganzkörper Mulit-Pinhole Kollimatoren
• Rekonstruktions-Algorithmen wie 3D-OSEM und 3D-MAP


Das Inveon-System von Siemens umfasst die Modalitäten Computertomographie (CT), Positronenemissionstomographie (PET) und Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT), wobei das PET an das CT modular angefügt ist.

Der Vorteil eines Hybridscanners liegt darin, dass ohne erneute Lagerung des zu untersuchenden Objekts Messungen vorgenommen werden und so die sogenannten multimodalen Informationen genau übereinander gelegt werden können. Dies ist wichtig, da PET und SPECT funktionelle Parameter messen, während das CT seine Stärke in der Darstellung der Morphologie hat. Das PET bedarf außerdem einer Schwächungskorrektur, die mithilfe des CTs vorgenommen werden kann.

Die Computertomographie basiert auf dem klassischen Prinzip des Röntgens. Dabei werden in einer Röntgenröhre durch Erhitzung eines Drahtes Elektronen freigesetzt, die auf eine Anode hin beschleunigt werden. Die Anode ist ein positiver Pol, der meist aus Wolfram besteht. Die energiereichen Teilchen lösen durch physikalische Wechselwirkungen aus der Anode wiederum Röntgenstrahlen, die so energiereich sind, dass sie den menschlichen Körper durchdringen können. Durch Variation der Spannung, die zwischen Anode und "Draht" anliegt, kann die Energie der Lichtteilchen verändert und unterschiedliche Kontraste erzeugt werden. Auch der Heizstrom und die Belichtungsdauer spielen für den Kontrast eine entscheidende Rolle.

Der Röntgenstrahl durchdringt den menschlichen Körper und wird je nach Gewebeart unterschiedlich stark geschwächt. Man spricht von Absorption. Der Radiologe sieht beim klassischen Röntgen sozusagen den "Schatten" der Organe des menschlichen Körpers. Knochen absorbieren die Röntgenstrahlung besonders stark und geben so im Vergleich zu Luft einen starken Kontrast, sodass Knochen beispielsweise hervorragend beurteilt werden können. Im Gegensatz zur CT erhält man beim klassischen Röntgen nur eine 2D-Ansicht in einer Projektion.

Bei der Computertomographie liegen die Röntgenröhre, also die oben beschriebene Quelle der Röntgenstrahlung, und der Detektor, sich gegenüber. Beide, Röhre und Detektor, drehen sich sehr schnell und senden und empfangen Röntgenstrahlung durch den menschlichen Körper. Durch die sogenannte gefilterte Rückprojektion können aus den Daten mit Hilfe von Computern Schnittbilder gewonnen werden. Es sind bei einem herkömmlichen Humanscanner Auflösungen von etwa 0,5 mm möglich.

Bei unserem experimentellen Inveon-System ist eine Auflösung bei CT-Aufnahmen von bis zu 20μm möglich. Das Bohrloch ist mit zwölf Zentimetern außerdem deutlich kleiner und somit speziell für experimentelle Anwendungen ausgelegt. Zudem sind Messungen mit PET und SPECT möglich, die den CT-Aufnahmen exakt überlagert werden können.!

Die CT-Einheit ist für den Anwender ungefährlich. Die Strahlung wird durch eine Bleiverglasung über dem Untersuchungsobjekt nahezu vollständig abgeschirmt, zusätzlich befindet sich der Anwender während der Scanzeit nicht im Untersuchungsraum.

Der Name Einzelphotonenemissions-Computertomographie (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT) verrät schon eine Menge über ihre Funktionsweise. An ein Molekül, das z.B. an Stoffwechselprozessen in Lebewesen beteiligt ist, wird ein radioaktives Molekül (Radionuklid) angehängt. Das Radionuklid zeigt dann, wo Stoffwechselprozesse stattfinden, ohne Auskunft über die Gestalt der Organe zu liefern. Daher wird es als "Tracer" bezeichnet. Als Tracer kommen Radionuklide zum Einsatz, die einem Gamma-Zerfall unterliegen, d.h. energiereiche Lichtteilchen, sogenannte Photonen, emittieren. Die Photonen werden von sogenannten Gammakameras detektiert, die um das Untersuchungsobjekt rotieren. Damit Photonen einer definierten Richtung gemessen werden können, kommen Kollimatoren ("Löcher" in einer Platte) zum Einsatz. Dies verringert allerdings auch die Lichtausbeute, sodass die Ortauflösung mit minimal etwa 5 mm bei klinischen Scannern gegenüber CT-Daten etwas geringer ist. Dazu tragen auch mögliche Absorptionen der Photonen im Körper, sowie gestreute Photonen bei. Durch Filter können diese Prozesse teilweise wieder korrigiert werden.

Wie bei der Computertomographie wird in jeder Richtung detektiert und die in jedem Raumwinkel ankommenden Photonen werden aufsummiert. Mit Hilfe der gefilterten Rückprojektion errechnen Computer daraus ein Schnittbild, sodass ein 3D-Datensatz gewonnen werden kann.

SPECT stellt gegenüber der Computertomographie, die morphologische Informationen liefert, also die Funktionsweise bestimmter Organe dar, z.B. in der Myokardszintigraphie, bei der die Vitalität des Herzmuskelgewebes untersucht wird.

Bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wird wiederum chemisch ein radioaktives Molekül (Radionuklid) an ein Molekül gebunden, das im Körper z.B. an Stoffwechselprozessen beteiligt ist. So kann dieser Stoffwechselprozess beurteilt werden. Das Radionuklid wird als Tracer bezeichnet.

Ein Proton im Kern des Radionuklides zerfällt in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino (Positronen-Zerfall). Das für die PET interessante Teilchen ist das Positron, das die gleiche Masse besitzt wie ein Elektron, jedoch positiv geladen ist. Das Positron trifft nach einigen Millimetern freier Weglänge auf ein Elektron. Nach Einsteins berühmter Formel E = m*c² wandelt sich dann Masse in Energie um und es kommt zur Vernichtungsstrahlung. Die Energie wird in Form von zwei Gamma-Quanten (Photonen) emittiert. Bei langsamen Positronen fliegen die Gamma-Quanten aufgrund der Impulserhaltung in einem Winkel von 180° auseinander.

Diese Tatsache wird zur Detektion ausgenutzt: Der Scanner ist mit mehreren Detektorringen ausgestattet. Werden innerhalb eines Zeitinterwalles von 10 - 20 ns in sich gegenüberliegenden Detektoren Ereignisse gemessen, werden sie als Zerfälle registriert.

So kann auf die Verteilung des Tracers im Körper geschlossen werden.

Im Gegensatz zur SPECT sind keine Kollimatoren notwendig, sodass die Ortsauflösung etwas besser ist und bei etwa 5 mm liegt.

Tracer haben etwa eine Halbwertszeit von 10 - 110 Minuten, d.h. nach dieser Zeit ist die Hälfte der Radionuklide zerfallen. Dies beinhaltet zum einen, dass das Radionuklid nach der Verabreichung rasch zerfallen ist, aber auch kurz nach seiner Herstellung verabreicht werden muss. Deswegen besitzen Kliniken mit einem Positronen-Emissions-Tomographen oft spezielle Anlagen zur Herstellung der Radionuklide.

Das am meisten verwendete Radionuklid ist Fluordesoxyglucose (FDG). Damit kann der Glucoseverbrauch dargestellt werden. Da der Glucoserverbrauch bei Tumoren sehr hoch ist, können sie mit FDG abgebildet werden.

Tomograph kommt von den griechischen Worten tome (Schnitt) und graphein (schreiben). Im Gegensatz zum konventionellen Röntgen erhält man statt einem Pro- jektionsbild ein Schnittbild ohne das Messobjekt aufschneiden zu müssen. Reiht man beliebig viele Schnittbilder aneinander können daraus mit Hilfe von Hoch- leistungsrechnern 3D Bilder erstellt werden. Im CT können die radiologisch üblichen Schnitte (axial, coronar und sagittal) rekonstruiert werden. Die MRT bietet die Möglichkeit direkt in beliebiger Schnittrichtung zu messen.