Nuklearmedizinische Modalitäten wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) spielen eine wichtige Rolle in vielen Bereichen des Gesundheitswesens, unter anderem in der Krebsdiagnostik und der Herzbildgebung. Daneben zielen innovative Forschungsprojekte darauf ab, diese molekularen Bildgebungsverfahren kontinuierlich zu verbessern, indem die Menge des benötigten radioaktiven Tracers minimiert, die erforderliche Bildgebungszeit verkürzt oder die Bildqualität verbessert wird. Bei den letzten Jahrestagung der Gesellschaft für Nuklearmedizin und molekulare Bildgebung (SNMMI) stellten die Forscher die neuesten Fortschritte bei der PET- und SPECT-Instrumentierung vor.
CT-freie PET reduziert die Strahlendosis
Ganzkörper-PET-Scanner mit einem langen axialen Gesichtsfeld können PET-Scans mit extrem niedriger Dosis ermöglichen. Der parallel durchgeführte CT-Scan zur Erstellung von Schwächungskarten kann jedoch eine erhebliche Strahlendosis liefern und diese Vorteile der niedrigen Dosis zunichte machen. Auf der SNMMI-Jahrestagung Mohammadreza Teimoorisichani von Siemens Medical Imaging stellte ein vollständig quantitatives PET-Bildgebungsverfahren vor, das keinen begleitenden CT-Scan erfordert und die dem Patienten zugeführte Strahlenmenge drastisch reduziert. Der Ansatz könnte sich als besonders vorteilhaft für pädiatrische Patienten und Patienten erweisen, die mehrere Scans benötigen.
„Die meisten modernen PET-Scanner verwenden Lutetium-basierte Szintillatoren, um Gamma-Photonen zu erkennen“, erklärt Teimoorisichani in einer Presseerklärung. „Das Lutetium im Szintillator enthält eine kleine Menge – weniger als 3 % – des Radioisotops 176Lu, die während des Scans Hintergrundstrahlung aussendet. In unserer Studie haben wir diese Hintergrundstrahlung als Transmissionsquelle verwendet, um gleichzeitig Schwächungskarten und quantitative PET-Bilder ohne den Einsatz von CT zu rekonstruieren.“
Die Forscher bewerteten ihre vorgeschlagene Rekonstruktionstechnik anhand von Daten eines klinischen FDG-PET-Scans, der mit einem Siemens Biograph Vision Quadra PET/CT-Scanner aufgenommen wurde. Dem Patienten wurden etwa 170 MBq injiziert 18F-FDG und 55 min nach der Injektion für eine Dauer von 10 min gescannt. Unter Verwendung der 202 und 307 keV Gammaphotonen aus 176Lu, um Schwächungskarten zu rekonstruieren, erzeugten sie PET-Bilder mit verschiedenen CT-freien Rekonstruktionsalgorithmen.
Der Vergleich der Ergebnisse mit Standard-PET/CT-Bildern zeigte, dass die größten Quantifizierungsfehler in den Schwächungskarten um die Patientengrenze herum auftraten. Von den verschiedenen untersuchten Organen wies das Gehirn den größten quantitativen Fehler auf (Aktivitätsunterschätzung von 15–21 %). Die CT-freien rekonstruierten PET-Bilder zeigten jedoch durchschnittliche quantitative Organfehler von 4.8 % und 10 % für zwei untersuchte Rekonstruktionstechniken.
Das vorgeschlagene Verfahren reduziert nicht nur die Patientendosis, sondern eliminiert auch eine potenzielle Fehlregistrierung der Abschwächungskarte, die aufgrund einer Patientenbewegung zwischen den CT- und PET-Scans auftreten kann. Der Ansatz könnte auch eine zuverlässige Technik zur Schwächungskorrektur in Hybrid-PET/MR-Scannern bereitstellen.
„Diese Studie ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer praktischen quantitativen PET-Bildgebung ohne CT“, bemerkt Teimoorisichani. „Zusätzlich zur Verringerung der Strahlenbelastung des Patienten kann ein echter quantitativer PET-Scan mit niedriger Dosis einen großen Einfluss auf Forschungsstudien haben, die darauf abzielen, die menschliche Physiologie auf molekularer Ebene besser zu verstehen, sowie auf die Forschung zur Entwicklung von Radiopharmaka. Der Algorithmus wird derzeit an einer großen Anzahl von Patienten evaluiert, um sein volles Potenzial zu entdecken.“
Selbstkollimierende SPECT bietet eine schnelle kardiale Bildgebung
Ein Team aus Tsinghua University in Peking hat ein kardiales SPECT-System entwickelt, das Scans 10- bis 100-mal schneller durchführt als aktuelle SPECT-Geräte. Das neue System verwendet aktive Detektoren in einer mehrschichtigen Architektur, die die doppelte Funktionalität von Detektion und Kollimation ausführen. Dieses „Selbstkollimations“-Konzept verbessert herkömmliche SPECT-Ansätze, um eine drastisch verkürzte Scanzeit, eine bessere Bildqualität, einen erhöhten Patientendurchsatz und eine geringere Strahlenbelastung für die Patienten zu erzielen.
„SPECT ist ein wichtiges nicht-invasives Bildgebungsinstrument für die Diagnose und Risikostratifizierung von Patienten mit koronarer Herzkrankheit“, sagt er Debin Zhang in einer Presseerklärung. „Herkömmliches SPECT leidet jedoch unter langer Scanzeit und schlechter Bildqualität, da es auf einen mechanischen Kollimator angewiesen ist. Das neue SPECT-System ist in der Lage, schnell gerahmte dynamische Scans mit hoher Qualität durchzuführen.“
Das selbstkollimierende Herz-SPECT besteht aus drei identischen trapezförmigen Detektoreinheiten, die zu einem Halbsechseck verbunden sind, das ein kugelförmiges Sichtfeld umschließt. Jede Detektoreinheit umfasst eine innere Wolframplatte, die viele Öffnungen enthält, gefolgt von vier gestapelten Detektorschichten, von denen drei spärlich in einem Schachbrettmuster angeordnete Szintillatoren und die äußere dicht gepackte Szintillatoren enthalten. Diese Szintillatoren führen die doppelte Funktion der Photonendetektion und Kollimation aus.
Die Forscher verglichen drei Öffnungsmuster in der Metallplatte (die auch einen Teil der Kollimation liefert) und stellten fest, dass eine zufällige Verteilung von 140 Öffnungen eine bessere Signal-Rausch-Leistung lieferte als 48 oder 140 Öffnungen in einem Gittermuster. Unter Verwendung dieser Zufallskonfiguration hatte das kardiale SPECT eine durchschnittliche Empfindlichkeit von 0.68 im Gesichtsfeld.
Bei Scans von Phantomen konnte das System 4-mm-Stäbchen in einem Hot-Rod-Phantom trennen und einen Defekt in einem Herzphantom in nur 2 s identifizieren.
Das Team kommt zu dem Schluss, dass das vorgeschlagene Detektordesign das Potenzial hat, die klinischen Anwendungen der dynamischen kardialen SPECT zu erweitern, indem es die Auswirkungen der Atembewegung des Patienten eliminiert, den Patientendurchsatz erhöht, eine Bildgebung mit ultraniedriger Dosis ermöglicht und die myokardiale Durchblutung und koronare Flussreserve präzise quantifiziert.
