Positronen-Emissions-Tomographie in der Krebsdiagnostik. Grundlagen, Technik und Funktionsweise

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung: Grundidee und Anwendung

2 Grundlagen

2.1 Verwendungsgebiete

2.2 Physikalische Grundlagen

2.3 Biologische Grundlagen

2.4 Verbindung zwischen Biologie und Physik

3 Technik

3 .1 Anforderungen

3.2 Aufbau

3.3 Detektoren

3 .4 Erweiterungen

3.4.1 Computertomographie ( CT)

3.4.2 Magnetresonanztomographie (MRT)

3.5 Entwicklung

4 Funktionsweise

4.1 Auswertung der Signale

4.2 Messfehler

4.3 Verarbeitung im 3D Raum

4.4 Bilderstellung

5 Radioaktivität und Radiopharmaka

5.1 Isotope

5.2 Moleküle

5.3 Herstellung

5 .4 Gefahren

6 Krebsdiagnostik

6.1 Vorteile von PET

6.2 Ablauf der Untersuchung.

7. Zusammenfassung

1 Einleitung: Grundidee und Anwendung

Hört man die Abkürzung PET zum ersten Mal, denkt man meistens entweder an eine PETFlasche oder an ein Haustier. Die Einwohner von Peru werden an ihre Zeitzone, „Peru Time", denken und manche Schüler und Studenten werden sich an den „Preliminary English Test" erinnern. Die Positronen-Emissions-Tomographie, ein bildgebendes Verfahren in der Medizin, wird auch mit PET bezeichnet.

Die Positronen-Emissions-Tomographie, verglichen mit Röntgenaufnahmen oder mit einem Elektrokardiogramm, ist eine sehr moderne Untersuchungsmethode, die sich in der heutigen Zeit schnell verbreitet und an Bedeutung gewinnt. Mithilfe der PET lassen sich unterschiedliche Krankheiten diagnostizieren, der Stoffwechsel untersuchen, die Proteinsynthese und Durchblutung visualisieren. Die PET eröffnet Wege für neue Untersuchungsmethoden, die früher nicht denkbar waren. Sie ist zuverlässig, schnell und bietet eine hohe Auflösung, die bei der Entdeckung von kleinen Tumoren entscheidend ist. Außerdem können die Ergebnisse einer PET-Untersuchung mit den Ergebnissen von weiteren bildgebenden Verfahren aus der Medizin, wie der Comp'IJ.tertomographie (CT) oder JV!agnetresonanztomographie (MRT), verbunden werden, um sowohl die Anatomiedarstellung als auch die Informationen über Stoffwechselprozesse zu kombinieren.

Wie jede neue Richtung in der Medizin, lässt die PET noch viel Freiraum für Verbesserungen und Optimierungen offen und ist somit eine sich ständig weiterentwickelnde Untersuchungsmethode. Darüber hinaus ist die Positronen-Emissions-Tomographie interdisziplinär, kann aus unterschiedlichen Blickwinkeln beschrieben werden und verbindet Biologie mit Physik und Medizin. Alle diese Eigenschaften sind verantwortlich für die schnelle Entwicklung und steigende Bedeutung von der PET und machen diese Untersuchungsmethode zu einem interessanten Thema.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Grundlagen und die Funktionsweise der Positronen-Emissions-Tomographie zu beschreiben. Zunächst werden die Verwendungsgebiete von der PET, sowie

physikalische und biologische Grundlagen dargestellt. Im nächsten Kapitel werden der technische Aufbau und die historische Entwicklung der Geräte erklärt. Das nachfolgende vierte Kapitel beschäftigt sich mit der Funktionsweise und der Bildgebung. Im Anschluss an die Funktionsweise werden der radioaktive Aspekt dieser Untersuchungsart, die Problematik und Gefahren erläutert. Im sechsten, letzten Kapitel, wird die medizinische Anwendung der PET genauer betrachtet. Die genaue Beschreibung der Stoffwechselprozesse, ärztliche Kompetenzen, sowie die Entwicklung der Software und weitere Randthemen werden in dieser Arbeit nicht behandelt

2 Grundlagen

Die Positronen-Emissions-Tomographie ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren aus der Nuklearmedizin, das physikalische Phänomene für die Visualisierung der biologischen Vorgänge ausnutzt. Im Folgenden werden die Grundidee der PET, sowie physikalische und biologische Grundlagen erläutert, die für das Verständnis der Funktionsweise entscheidend sind.

2.1 Verwendungsgebiete

Um Krankheiten erfolgreich behandeln zu können, werden Informationen über den aktuellen Verlauf der Krankheit benötigt. Besonders bei schweren Krankheiten können diese Infonnatiorten für den Patienten lebenswichtig sein. Bei solchen Erkrankungen muss der Arzt oft Entscheidungen treffen, welche Therapie angewendet werden soll. Um Fehler zu vermeiden, die schwerwiegende Folgen tragen können, ist ein zuverlässiges Diagnoseverfahren notwendig. Die Positronen-Emissions-Tomographie ermöglicht es Stoffwechselprozesse im Organismus zu beobachten. Dabei werden je nach der Diagnoseart unterschiedliche Biomoleküle verwendet, die radioaktiv markiert sind. Sie werden in den Stoffwechsel eingeschleust, verhalten sich wie normale Stoffe und können aber im Gegensatz zu diesen detektiert werden. So werden Informationen über bestimmte Stoffwechselprozesse gewonnen. Die Krankheiten, die Auswirkungen auf diese Prozesse haben, werden dadurch auch erkannt. Als Ergebnis der Untersuchung entsteht ein dreidimensionales Bild, das erhöhte Konzentrationen der eingeschleusten Biomoleküle anzeigt. Körperstellen mit hohen Konzentrationen werden genauer betrachtet, da sie auf potentielle Krankheiten hinweisen. Mit diesen Informationen können die Ärzte genaue Diagnosen stellen und somit die richtige Therapie anordnen. Die Positronen-Emissions-Tomographie wird in vielen medizinischen Bereichen, wie der Nevrologie, verwendet. Die Patienten können auf Epilepsie, Parkinson, Demenz und weitere Krankheiten untersucht werden. Die Proteinsynthese wird beobachtet. In der Kardiologie körnten Durchblutungsstörungen visualisiert oder Schädigungen des Herzmuskels entdeckt werden. Das Risiko einer Bypass-Operation wird mithilfe von der PET eingeschätzt. Ein weiterer Bereich ist die Onkologie. Die Krebsdiagnostik ist eine der wichtigsten Aufgaben der Positronen-Emissions-Tomographie. Entdeckung von Tumoren, Bestimmung des Krankheitsstadiums, sowie Überprüfung des Therapieerfolges werden mit den PET-Untersuchungen durchgeführt.

2.2 Physikalische Grundlagen

Im Universum kommen viele unt erschiedliche Teilchen vor. Die Grundbausteine für größere Strukturen, wie Atome und Moleküle, sind die Elementarteilchen, die nicht weiter aufteilbar sind. Man findet sie im Standardmodell der Elementarteilchenphysik, das in der Abb. 1 dargestellt ist. Dieses Modell enthält zwölf Elementarteilchen, die als Fermionen bezeichnet werden. Dazu zählen sechs Quarks und sechs Leptonen. Fermionen und nichtelementare Teilchen, die aus Fermionen aufgebaut sind, bezeichnet man als Materie.

Zu jedem Teilchen der Materie existiert ein dazugehöriges Antiteilchen. So gibt es beispielsweise zu einem Proton ein Antiproton und zu einem Elektron ein Antielektron, auch Positron genannt. Alle Antiteilchen lassen sich mit dem Begriff Antimaterie zusammenfassen.

Eine Wechselwirkung der Materie mit Antimaterie führt zu einer Annihilation. Mit Annihihaltion bezeichnet man on der Physik den Vorgang, bei dem ein Elementarteilchen auf ein dazugehöriges Antiteilchen trifft. Dabei wandeln sich die beiden Teilchen in andere Teilchen oder Photonen um, wobei die Energie- und die Impulserhaltung gelten. Damit die beiden Teilchen wechselwirken und annihilieren können, muss das Teilchenpaar eine gewisse Mindestenergie besitzen. Die entstehenden Produkte hängen von Edukten und Gesamtenergie ab. Es stellt sich die Frage, warum diese Prozesse für die PET relevant sind und wie man sie für die Messungen verwenden kann. Die Positronen-Emissions-Tomographie basiert, wie der Name schon sagt, auf der Emission von Positronen, die durch radioaktiven Zerfall entstehen. [...]