2019-01-28

Physics in Nuclear Medicine

By: Simon R. Cherry, James A. Sorenson, Michael E. Phelps

2019-01-28

Vad är PET?

• PET: Positron Emissions Tomografi

• Nuklearmedicinsk undersöknings-metod

som använder annhilationsfotoner

• Visar funktion

2019-01-28

Klinisk användning

Onkologi

– Diagnostik/Utredning av sjukdom

– Stadiumindelning

– Uppföljning av behandling

– Kontroller

– Dosplanering inför terapi

• Neurologi

• Cardiologi

2019-01-28

PET/CT

1. FYSIK

2. PRAKTIK

2019-01-28

PET/CT

1. FYSIK

2019-01-28

Nuklid HalveringstidC-11 20.3 minN-13 10 minO-15 124 sekF-18 110 min

e.g., 18F → 18O + e+ +

b+ sönderfall

ZAXN→Z−1

AYN+1 + e

++

2019-01-28

Postronemitterande radionuklider

Nuclide Half

life

(min)

Positron

yield

(%)

Max

energy

(MeV)

Method of

production

11C 20.4 99.0 0.960 cyclotron

13N 9.96 100.0 1.190 cyclotron

18F 110 97.0 0.635 cyclotron

15O 2.04 99.9 1.720 cyclotron

82Rb 1.27 96.0 3.350 generator

62Cu79 9.8 98.0 2.930 generator

68Ga 68.1 90.0 1.900 generator

2019-01-28

PET radiofarmaka

Radiopharmaceutical Physiological Application

[15O]2 Cerebral oxygen metabolism and

extraction

H2[15O] Cerebral and myocardial blood flow

C[15O] Cerebral and myocardial blood volume

[11C]-N-methylspiperone Cerebral dopamine receptor binding

11C-methionine Tumor localization

11C-choline Tumor localization

11C-acetate Myocardial metabolism

18F-flurodeoxyglucose Cerebral and myocardial glucose

metabolism and tumor localization

[13N]H3 Myocardial blood flow

[82Rb]+ Myocardial blood flow

2019-01-28

F-18 FDG

D–Glucose 2–Fluoro–2–Deoxy–D–Glucose

O

CH2OH

OH

OH

OHHO

O

CH2OH

OH

18F

OHHO

POSITRON ANNIHILATION

• Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation.

• 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” )

b+

b−

~1-3mm511KeV

511KeV

2019-01-28

Coincidence

2019-01-28

SPECT vs PET Basic Principles

2019-01-28

Koincidens

• Sann

• Spridd

• Slumpmässig

2019-01-28

Koincidens: Sann

2019-01-28

Koincidens: Spridd

I samma plan I ett annat plan

Spridningsfraktion 30-60%

2019-01-28

Koincidens: Slump

RR=tR1 R2~tR12

t

1

2

2019-01-28

Koincidens

Antalet sanna koincidenser ökar linjärt med

aktiviteten.

Antalet slumpmässiga koincidenser ökar

kvadratiskt med aktiviteten.

2019-01-28

Koincidens

Tidsupplösning i PET-systemets elektroniska

system ca 0-2 ns.

”Coincidence timing window” ca 4-10 ns.

2019-01-28

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.

2019-01-28

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.

2019-01-28

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.

2019-01-28

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.

2019-01-28

Detektormaterial

• BaF2 – Barium Flouride(0.8ns)

• BGO – Bismuth Germinate Oxide(300ns)

• LSO – Lutetium Orthosilicate(40ns)

• GSO – Gadolineum Orthosilicate(60ns)

• YLSO – Yttrium Lutetium Orthosilicate(40ns)

2019-01-28

DetektormaterialScint. 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

Melcher, J Nucl Med, 41:1051-1055

2019-01-28

Attenuering

d2

1d

AB C D

( )21

21

21

dde

de

de

PPPC

+−=

−−=

=

Annihilationsfotoner som emitteras längs en

linje har samma sannoliket att attenueras

oberoende av var på linjen strålkällan finns

2019-01-28

Attenuering - PET och SPECT

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

PET

511 keV SPECT

140 keV SPECT

cylinderradie (cm)

Fra

ctio

n e

mitte

d

Fotoner som ej attenueras

2019-01-28

Artefakter beroende av attenuering

2019-01-28

Spatiell upplösning

►positronens räckvidd

►vinkel mellan fotonerna

►detektorstorlek

2019-01-28

Positronens räckvidd

2019-01-28

Positronens räckvidd

b+

b−

~1-3mm511KeV

511KeV

2019-01-28

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.

DR = 0022.0180

2019-01-28

Detektorelementens storlek

2019-01-28

Systemupplösning

RRRR rangesys

2

180

22

det ++

Då detektorelementens storlek, effekten på upplösningen

av positronräckvidden och ”non-colinearity” är känd så

kan systemets upplösningen (i medelpunkten) beräknas

enligt:

(jmfr gammakamera)

2019-01-28

SU/Sahlgrenska

2019-01-28

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.

2019-01-28

Geometrisk upplösning:

Depth-of-Interaction

2019-01-28

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.

2019-01-28

Korrektioner

• Normalisering

DQC med homogent fantom

• Korrektion för slumpmässig coincidence

- delayed timing window

• Spridningskorrektion – mha transmissionsbild

• Attenueringskorrektion – mha transmissionsbild

• Dödtidskorrektioner

2019-01-28

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

2019-01-28

Phantom Studies: Detectibility

2019-01-28

Kvantifiering av upptag - SUV

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

SU/SahlgrenskaSiemens mCT Flow Edge

2019-01-28

KVALITETSKONTROLL

• Kalibreringskontroll

• Uniformitet

• Geometrisk upplösning

• Andelen spridd strålning

• Känslighet

• Räkneförluster och slumpmässiga koincidenser

• Drift i koincidenkretsens upplösningstid

• Drift i energifönster

• Mekaniska förändringar i detektorkonfigurationen

• Positioneringslaser

• Noggrannhet i attenueringskorrektion, dödtidskorrektion, spridningskorrektion och korrektion av slumpmässiga koincidenser

2019-01-28

Sensitivity test

2019-01-28

PET/CT

2019-01-28

PET/CT

2. PRAKTIK

2019-01-28

Historik PET

• PET utförts sedan 2000

”Fattigmans PET”

• Mobil PET/CT sedan 2005

• Dedicerad PET/CT installerad februari 2008

• Två PET/CT maj 2016. Ersätter föregående

2019-01-28

2019-01-28

18F-FDG

• Egen produkt ännu ej godkänd för kliniskt

bruk.

• Transport av FGD från Lund

• Tidigast injektion kl 11.45

• Halveringstid 18

F-FDG är 1h 50min

2019-01-28

SU Sahlgrenska 2016 GE PETtrace 800

2019-01-28

SU Sahlgrenska 2016 GE PETtrace 800

2019-01-28

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

2019-01-28

Patientförberedelser innan

radiofarmaka injektion• Peroral kontrast 1 timma innan

18F-FDG

injektion

• Information

• Ta bort ev metallföremål t ex BH, smycken.

• Blodsocker

• PVK

• Ev sedering

• Bekväm positionering

• Värme

2019-01-28

Flödesschema patient -personal

2019-01-28

18F-FDG injektion

• Dos beräknat på vikt.

4 MBq/kg, dock max 400 MBq.

2019-01-28

Effektiv dos till patient vid PET

2019-01-28

Effektiv dos till patient vid PET

38 39 39131 174 164

423

803

1080

1421 14611648

18721991

2251

2881

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018

Strålskydd, en utmaningSahlgrenska – ökat antal us/år

Strålskydd utmaning….

Kort halveringstid innebär förutsättningar

till lägre effektiv dos till patienten

men

potentiellt högre effektiv dos till personal

2019-01-28

Halvvärdestjocklek

Strål-källa

Foton-energi (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

Reducera tiden

i kontakt med strålkällan

Öka avståndet

till källan

AVSTÅND

• Dosen sjunker mycket snabbt med avståndet.

• Därför skall man använda:

– Distansverktyg för hantering av oskyddade strålkällor

– Stora undersökningsrum

avstånd

do

sh

as

tig

het

Skärmning - Strålskydd

30 mm bly, vikt 260 kg50 kg

511 keV140 keV

18F – 511 keV

9 mm Wolfram

attenuerar 88%

99mTc – 140 keV

2 mm Wolfram

attenuerar 99%

Skärmning - Sprutskydd

Skärmning - Strålskydd

Skärmning - strålskydduppdrag av sprutor i strålskyddat läge

Skärmning – Strålskydd

Skärmning - strålskydd

Automatisk FDG-injektor

Planera verksamheten så

att så stor andel av

injektioner som möjligt kan

genomföras med

automatisk injektor!

Persondosimetri

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2006 2007 2008 2009 2010

6,00

4,50

7,20

5,00

7,70

Hp(10) kollektivdos/år (mSv)

PersondosimetriBMA/SSK RtgSSK och Läkare

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

2017

0,43

0,100,10

BMA/SSK

Läkare

RtgSSK

Hp(10) medeldos/år (mSv)

Persondosimetri

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

2012 2013 2014 2015 2016 2017

BMA/SSK Hp(10) medel (mSv)

Persondosimetri

0

2

4

6

8

10

12

14

2012 2013 2014 2015 2016 2017

BMA/SSK Kollektivdos (mSv)

Persondosimetri

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

2012 2013 2014 2015 2016 2017

Hp(0,07) HAND medel/år (mSv)

Dos mätt vid handled > 0 mSv registreras endast för BMA/SSK

som arbetar med PET

Reflexioner strålsäkerhet PET

Utmaningar avseende strålsäkerhet:

Höga fotonenergier och ökande patientflöde

men

•Kollektivdos (effektiv dos) till personal minskar/är

under kontroll

•Dos till händer ökar något, men minskar relativt antal

patienter/år (och GBq). FDG-injektor viktigt verktyg.

•Anpassning av aktivitet efter patient – mindre

administrerad aktivitetsmängd minskar dos till patient

och personal.

2019-01-28

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

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

2019-01-28

Samarbete viktigt!

• Kompetens från Nuklearmedicin

• Kompetens från Röntgen

• Kompetens från Medicinsk Fysik och

Teknik

• Kompetens från strålbehandlingen

2019-01-28

Slut!