Single-Photon-Emissionscomputertomographie

SPECT

Karl-Heinz Szeifert 16 Aug, 2018 00:00

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin, das Schnittbilder von lebenden Organismen erzeugt...

Einleitung

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin, das Schnittbilder von lebenden Organismen erzeugt, indem es die Verteilung einer schwach radioaktiv markierten Substanz (Radiopharmakon) im Organismus sichtbar macht und damit biochemische und physiologische Funktionen abbildet (funktionelle Bildgebung).

Die PET ist bei der richtigen Fragestellung ein hochsensitives Verfahren. Aktivitätsanreicherungen lassen sich jedoch anatomisch nicht immer gut lokalisieren, da in PET-Bildern in erster Linie Stoffwechselprozesse aufgezeigt werden; - hinzu kommt die begrenzte Ortsauflösung von etwa 3–6 mm. Ein PET/CT-Gerät kombiniert die hohe Ortsauflösung (von bis zu 0,35 mm) und detailreiche Anatomiedarstellung des CT-Geräts mit den hochsensitiven Stoffwechselinformationen aus der PET. Seit dem Jahre 2001 sind solche Geräte auf dem Markt, die einen PET-Scanner mit einem Computertomographen (CT) kombinieren.

Das weltweit erste Gerät dieser Art wurde vom Unternehmen General Electric an der Universität Zürich im März des Jahres 2001 installiert, das deutschlandweit erste Gerät wurde von Siemens Ende des Jahres 2001 an der Universitätsklinik Essen in Betrieb genommen.

PET-CT- Geräte werden vor allem in der Onkologie eingesetzt. Sie können Bereiche im menschlichen Körper zeigen, in denen viel Zucker verbraucht wird und auf diese Weise Tumore sichtbar machen.

Die PET-CT gilt als eines der genauesten Diagnoseverfahren in der Tumordiagnostik. Mit ihr kann man kleinste Tumorherde und Metastasen in einer einzigen Ganzkörperuntersuchung erfassen und lokalisieren. Die PET-CT ist zusätzlich ideal zur Kontrolle des Therapieverlaufs bei einer bestehenden Tumorerkrankung, aber auch zur Früherkennung von Tumorerkrankungen geeignet.

Bei der Nachsorge kann mit einem Blick geklärt werden, ob Metastasen vorhanden sind oder nicht. Zunehmend wird die PET-CT auch in der Kardiologie, Neurologie, und Entzündungsdiagnostik eingesetzt...

Die PET/CT ist eine Kombination aus zwei unterschiedlichen bildgebenden Untersuchungsverfahren:

  • PET = Positronen-Emissions-Tomographie
  • CT = Computertomographie

dabei ist die PET ist ein nuklearmedizinisches Untersuchungsverfahren, die CT ein radiologisches Untersuchungsverfahren.

Es wird folgendes bildlich dargestellt:

  • PET = Stoffwechselvorgänge
  • CT = anatomische Strukturen

1. Definition SPECT

Die Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (englisch single photon emission computed tomography, SPECT) ist ein diagnostisches Verfahren zur Herstellung von Schnittbildern lebender Organismen. SPECT-Bilder zeigen die Verteilung eines Radiopharmakons im Körper. Sie eignen sich, je nach Art des Radiopharmakons, zur Beurteilung der Funktion verschiedener Organe.

In der planaren Szintigraphie wird die Verteilung des Radionuklids nur zweidimensional dargestellt. Das heißt, die planare Szintigraphie ist nicht überlagerungsfrei, weil die Tiefeninformation fehlt. Um die dreidimensionale Nuklidverteilung im Patienten zu bestimmen, benötigt man eine tomographische Technik. Diese Technik heißt:

  • SPECT = Single-Photon-Emissionscomputertomographie oder
  • ECT = Emissionscomputertomographie

Basierend auf dem Prinzip der Szintigrafie, wird dem Patienten zu Beginn der Untersuchung ein Radiopharmakon (ein Radionuklid oder eine mit einem Radionuklid markierte Substanz) verabreicht, meist als Injektion in eine Armvene. Die verwendeten Radionuklide emittieren Gammastrahlung, die mit Gammakameras detektiert wird. Eine oder mehrere solcher Kameraköpfe rotieren um den Körper und detektieren die emittierte Strahlung aus unterschiedlichen Raumrichtungen.

Aus diesen planbaren Aufnahmen (sog. Projektionen) lässt sich mittels inverser Radontransformation wieder auf die Verteilung des Radiopharmakons im Körperinneren zurückschließen und diese anschließend z. B. als Schnittbilder durch den Körper darstellen. Häufige Anwendung findet SPECT im Rahmen der Kardiologie, wobei man die gemessenen Zerfälle in Relation mit dem Herzschlag (gemessen z. B. durch ein zusätzliches EKG) registriert. Letzteres Verfahren nennt man gated SPECT, denn die Daten werden in verschiedene Gates oder Bins einsortiert.

2. Messprinzip

a. Transmissions-CT - b. Emissions-CT:

a. Transmissions-CT:

Bei der Computertomographie wird ein Röntgenfächerstrahl nach Durchstrahlung des Patienten von einem Detektorring gemessen. Röntgenröhre und Detektorring rotieren um 360 Grad

b. Emissions-CT:

Bei der SPECT wird die aus dem Patienten austretende Strahlung von einen oder mehreren Kameraköpfen gemessen. Die Kameraköpfe rotieren um 360 Grad.

In der Regel haben SPECT-Gammakameras zwei bzw. drei Kameraköpfe. SPECT-Gammakameras mit einem Kamerakopf sind veraltet, da die Aufnahmezeit zu lang ist und dadurch bedingt Bewegungsartefakte entstehen.

Beim SPECT rotiert die Gammakamera um die Längsachse des Patienten und nimmt in vielen Winkelstellungen planare Projektionsbilder auf. Jedes Projektionsbild besteht aus eine Bildmatrix von 64×64 bzw. 128×128 Bildpunkten. Jedes Projektionsbild eines Winkels enthält das Aktivitätsprofil der entsprechenden Schicht.

3. Aufnahmearten

3.1 Abtastbewegung

Die Abtastbewegungen der Kameraköpfe kann schrittweise („step and shoot“) oder kontinuierlich erfolgen. Bei schrittweiser Abtastung sind Winkelschritte von 3° bzw.6° üblich, die Aufnahmezeit pro Winkelschritt liegt bei 20 bis 40 sec je nach Untersuchung. Bei kontinuierlicher Abtastbewegung wird die Abtastgeschwindigkeit vorgegeben.

3.2 Abtastwinkel

Normalerweise wird ein Abtastwinkel von 360° gewählt. Bei Doppelkopfkameras reduziert sich der Abtastwinkel auf 180° pro Kamerakopf, bei Dreikopfkameras auf 120°. Dies gibt in der Summe wieder ein Gesamtabtastwinkel von 360°. Deshalb sind Mehrkopfsysteme bei der Aufnahme viel schneller.

3.3 Abtastform

Abhängig vom Gerätetyp gibt es kreisförmige, elliptische und Körperkontur-Abtastung.

Praxistipp: Da die Auflösung des Bildes vom Abstand zwischen Kamerakopf und Patient abhängig ist, empfiehlt es sich die Körperkontur-Abtastung, wenn vorhanden, anzuwenden. Dies ermöglicht SPECT-Aufnahmen mit minimalem Abstand.

3.4. Kollimatoren

Im Allgemeinen werden Parallelloch-Kollimatoren für die SPECT eingesetzt. Für die Hirn-SPECT werden Fanbeam-Kollimatoren verwendet.

4. Bildberechnung / Rekonstruktion

4.1 gefilterte Rückprojektion

Um die einzelnen Aktivitätsprofile als Schichtbilder darstellen zu können, müssen die gemessenen Aktivitätsprofile in die Schicht rückprojiziert werden. Die Überlagerung aller Rückprojektionen ergibt ein räumliches Abbild der ursprünglichen Aktivitätsverteilung. …

Aufgrund von Messschwankungen, die bei der Messung von Radioaktivität immer vorhanden sind, entsteht bei Rückprojektion ein völlig verrauschtes, nicht interpretierbares Bild. Deshalb ist es notwendig bei der Rekonstruktion von SPECT-Rohdaten Filter einzusetzen.

Gängige Filter, die bei der Rekonstruktion von SPECT-Daten eingesetzt werden sind: Ramp-Filter, Low-Pass-Filter, Butterworth-Filter, Hanning-Filter, Shepp-Logan-Filter, Wiener-Filter und Metz-Filter.

Für die Rekonstruktion von Gehirn und Myocard werden glättende Filter verwendet, für die Rekonstruktion von Knochenstrukturen sind weniger glättende Filter vorteilhafter.

4. 2 Iterative Rekonstruktion (OSEM)

Bei der iterativen Bildrekonstruktion werden die Aktivitätsprofile künstlich erzeugt und mit den gemessenen tatsächlichen Aktivitätsprofilen iterativ (sich wiederholend) verglichen. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis die angenommenen und gemessenen Werte übereinstimmen. Dieses Verfahren benötigt eine hohe Computerleistung, die bei den heutigen Rechnern gewährleistet ist.

Die iterative Rekonstruktion ist heute in der Nuklearmedizin das gängige Rekonstruktionsverfahren, weil die Bildqualität besser ist als bei der gefilterten Rückprojektion. …

5. Bildberechnung / Schwächungskorrektur (engl. Attenuation Correction)

γ-Strahlung aus dem Körperinneren des Patienten wird wegen des längeren Weges nach außen stärker abgeschwächt als γ-Strahlung, die nahe an der Körperoberfläche ausgesandt wird.

Die Folge ist, dass Aktivitäten aus tieferen Bereichen nach der Rekonstruktion weniger Zählimpulse anzeigen. Außerdem schwächen dichtere Körperanteile wie z.B. Knochen die γ-Strahlung stärker. Hauptursache der Schwächung ist dabei der Comptoneffekt. Um eine „richtigere“ Darstellung der Aktivitätsverteilung zu gewährleisten, wendet man eine Schwächungskorrektur an.

Es gibt zwei Korrekturverfahren:

  • – die rechnerische Schwächungskorrektur nach Chang
  • – die gemessene Schwächungskorrektur mit einer externen Strahlenquelle

5.1 Rechnerische Schwächungskorrektur nach Chang

Bei der Schwächungskorrektur nach Chang wird eine Maske mit einem bestimmten Schwächungskoeffizienten über die Schnitte gelegt, die die Zählraten im Zentrum des Aufnahmeobjektes je nach Abstand zum Aufnahmerand erhöht und dadurch den Zählratenverlust durch längeren Weg ausgleicht.

Diese Methode kann man aber nur in Körperbereichen anwenden, die eine homogene Dichte besitzen, z.B. bei der Hirn-SPECT.

5.2 Gemessene Schwächungskorrektur mit einer externen Strahlenquelle

Bei der gemessenen Schwächungskorrektur wird die tatsächliche Dichteverteilung mit Hilfe einer externen Strahlenquelle gemessenen. Die externe Strahlenquelle ist meist eine Linienquelle aus dem radioaktiven Isotop (153-Gadolinium) oder (133-Barium).

Mit der externen Strahlenquelle wird eine Transmissionsmessung gemacht, mit deren Hilfe die Dichteverteilung im Patientenkörper ermittelt wird. Diese wird für die Schwächungskorrektur herangezogen. Ein typischer Anwendungsbereich hierfür ist die Myocardszintigraphie.

Seit einigen Jahren wird statt einer radioaktiven Linienquelle für die Transmissionsmessung ein CT verwendet. Dieses CT ist mit einer Gammakamera kombiniert und nennt sich SPECT-CT. Das SPECT-CT bietet nicht nur eine schnellere Transmissionsmessung und somit eine verbesserte Schwächungskorrektur, sondern auch eine Bildfusion (Übereinanderlegen) von SPECT-Daten und CT-Daten. Dies ermöglicht eine bessere Diagnosestellung.

6. Bilddarstellung

Die rekonstruierten SPECT-Daten werden als transversale, sagittale und coronare Schnitte dargestellt.

Dabei können die Schichten als MPR-Darstellung (Multiplanare Reformation) gezeigt werden. Das hilft den Betrachter bei der anatomischen Orientierung, da er zum Beispiel über die Maussteuerung durch Vor- und Zurückfahren das Bild mit der klarsten Darstellung des Befundes findet. …

Weiterhin sind MIP-Darstellungen und 3-D Darstellungen möglich.

7. Klinische Anwendungsbereiche

Das SPECT-Verfahren wird für folgende Untersuchungen eingesetzt:

Generell gilt, dass immer dann ein SPECT durchgeführt wird wenn:

  • Befunde auf der planaren Aufnahme nicht richtig zu deuten sind
  • Befunde räumlich nicht richtig zugeordnet werden können
  • Eine bessere Auflösung erwünscht ist, um kleine Befunde besser darstellen zu können.

Ende

Das Script hierzu wurde uns freundlicherweise von Astrid Marqart MTAE Esslingen zur Verfügung gestellt.

Quellennachweise

Literaturverzeichnis:

  • Elser, H., Leitfaden Nuklearmedizin, 2. Auflage, 2003, Springer Verlag, Heidelberg
  • Hermann, Hans-Joachim, Nuklearmedizin, 5. Auflage, 2004, Urban&Fischer Verlag, München
  • Nicoletti, Rudolf, et.al., Messtechnik und Instrumentierung in der Nuklearmedizin, 2. erweiterte Auflage, 2007, Facultas Verlag, Wien
  • Schicha, H. und Schober, O., Nuklearmedizin – Basiswissen und klinische Anwendungen, 6. Auflage, 2007, Schattauer Verlag, Stuttgart

Internetquellen:

Kommentieren