Die Positronen-Emissions-Tomographie (kurz PET; von tome ‚Schnitt‘ und graphein ‚schreiben‘) ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin.
Es handelt sich dabei um eine Variante der Emissionscomputertomographie. PET erzeugt Schnittbilder von lebenden Organismen, indem es die Verteilung einer schwach radioaktiv markierten Substanz (Radiopharmakon) im Organismus sichtbar macht und so biochemische und physiologische Funktionen abbildet (funktionelle Bildgebung). Sie beruht auf der gleichzeitigen Detektion (Aufspüren) zweier Gammastrahlungsphotonen, die nach dem Zerfall eines Positronen emittierenden (aussendenden) Radionuklids entstehen (β+-Zerfall). Die PET wird heute nahezu ausschließlich zusammen mit einer CT oder MRT als Hybridverfahren durchgeführt.
mini|PET-Scanner für den klinischen Einsatz: Siemens ECAT Exact HR+, Mitte der 1990er Jahre gebaut mini|PET/CT-System mit 16-Zeilen-CT: GE Discovery 600; Das Gerät war ab 2009 in Deutschland erhältlich. Das an der Decke montierte Gerät ist eine Hochdruckspritze für das CT-Kontrastmittel. mini|Kombiniertes Gerät für PET und CT: Siemens Biograph; Foto von 2012
Prinzip PET
mini|Prinzip der PET mini|Ein Kollimator, wie er für die SPECT nötig ist, blendet ca. 99,99 % der emittierten Strahlung aus.
Basierend auf dem Prinzip der Szintigrafie wird dem Patienten zu Beginn einer PET-Untersuchung ein Radiopharmakon verabreicht, meist durch Injektion in eine Armvene. Radiopharmaka sind als Spürsubstanzen verwendete Medikamente, die unterhalb einer physiologisch wirksamen Dosierung eingesetzt werden, und als wesentlichen Bestandteil Radionuklide enthalten, die Positronen emittieren (β+-Strahlung). Die im Körper emittierten Positronen haben nur eine im Bereich von Nanosekunden liegende Lebensdauer und geraten fast unverzögert in eine Wechselwirkung mit einem Elektron. Dabei entsteht eine sekundäre Vernichtungsstrahlung (Annihilation), bei welcher zwei hochenergetische Photonen (Energie je 511 keV) in genau entgegengesetzte Richtungen, also mit einem Winkel von 180 Grad zueinander, ausgesandt werden. Das PET-Gerät enthält viele, meist ringförmig um den Patienten angeordnete Detektoren für die Photonen. Durch eine schnelle Elektronik werden nur solche Zerfallsereignisse gezählt, die auf exakten Koinzidenzen zwischen je zwei gegenüberliegenden Detektoren beruhen. Aus der zeitlichen und räumlichen Verteilung dieser registrierten Zerfallsereignisse wird auf die räumliche Verteilung des Radiopharmakons im Körperinneren geschlossen und eine Serie von Schnittbildern errechnet.
Im Gegensatz zu den auf Transmission basierenden Tomografieverfahren beruht die Bildentstehung bei PET und SPECT auf Emission und bildet somit die Verteilung des zuvor injizierten Radiopharmakons im Körper ab. Daraus ergibt sich eine primär funktionelle Abbildung und erst in zweiter Linie, in Abhängigkeit von der dargestellten Funktion, eine morphologische Abbildung. Deshalb liegt die Bedeutung der Anwendung von PET u. a. in der Beantwortung von Fragestellungen nach Stoffwechselvorgängen (z. B. Glukosestoffwechsel), Rezeptorstatus (z. B. Dopamin-Rezeptoren), oder Oberflächen-Antigen-Eigenschaften (z. B. PSMA-Status). Wichtige, klinische Anwendungen liegen in der Onkologie, Neurologie sowie Kardiologie.
Kombinierte PET/CT-Geräte für die Diagnostik am Menschen in Forschung und Klinik werden von den Firmen Canon Medical Systems, General Electric, Hitachi, Mediso, Siemens Healthineers und bis zum Jahr 2021 auch von Philips angeboten; ausschließlich für PET geeignete Geräte wurden nur bis zum Jahr 2003 gebaut.
Vergleich mit SPECT Bei der Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT) wird für die Bestimmung der Strahlrichtung der zu messenden Photonen ein Kollimator benötigt. Da dieser einen Großteil der entstehenden Photonen ausblendet, kann nur etwa 1 Zehntausendstel der emittierten Photonen nachgewiesen werden. Bei der PET kann dagegen durch das Messprinzip des Koinzidenznachweises auf eine physikalische Kollimation verzichtet werden, was zu einer um ca. einen Faktor 100 verbesserten Ausbeute, höheren Zählraten und somit zu verbesserter Bildstatistik mit höherer Bildqualität und gesteigerter räumlicher Auflösung führt.Bernd J. Krause, Andreas K. Buck, Markus Schwaiger: Nuklearmedizinische Onkologie. ecomed Medizin, 2007, ISBN 978-3-609-76308-8, S. 20. Da die Absorption der Photonen nur von der Dicke des durchstrahlten Gewebes, nicht jedoch vom Entstehungsort der Photonen abhängt,Siehe Technik der Positronen-Emissions-Tomographie, Abschnitt Korrektur der Messdaten, Unterabschnitt Absorptionskorrektur ermöglicht dies zudem eine genaue Quantifizierung der Tracerverteilung im Untersuchungsvolumen, was mit der SPECT nicht möglich ist.L. Geworski: Voraussetzungen für die Quantifizierung in der Emissions-Tomographie. Habilitationsschrift, Humboldt-Universität zu Berlin, 2003.
Radionuklide Das meist verwendete Nuklid für Radiopharmaka in der PET ist das radioaktive Isotop 18F des Fluors. Es wird mit Hilfe eines Zyklotrons hergestellt und kann aufgrund seiner Halbwertszeit von etwa 110 Minuten auch dann eingesetzt werden, wenn am Untersuchungsort kein Zyklotron besteht und das Radiopharmakon erst von der Produktionsstätte zum Untersuchungsort transportiert werden muss. Es wird aus diesem Grund bei über 90 % aller PET-Untersuchungen eingesetzt. Anders als Technetium-99m, welches über Technetium-99m-Generatoren weltweit transportiert werden kann, besteht jedoch eine Grenze der maximal möglichen Distanz zwischen Erzeugung und Verwendung des 18F, welche sich an der Halbwertszeit orientiert.
Nuklid Halbwertszeit 11C 20,3 min 13N 9,96 min 15O 2,04 min 18F 109,7 min 68Ga 67,8 min 82Rb 1,257 min
Neben 18F werden hauptsächlich 11C, 13N, 15O, 82Rb oder 68Ga eingesetzt. Dies sind radioaktive Isotope der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Rubidium und Gallium.
68Ga und 82Rb werden traditionell als Generator-Radioisotope eingesetzt. Das Radioisotop entsteht hier durch Zerfall eines instabilen Mutterisotops in einem sogenannten Radionuklidgenerator, in dem es sich anreichert (→ Gallium-68-Generator). Erst neuere Entwicklungen erlauben es, auch 68Ga in speziell darauf ausgerichteten Zyklotron-Einrichtungen herzustellen. Alle anderen genannten PET-Nuklide werden ausschließlich mit Hilfe eines Zyklotrons hergestellt.
Das verwendete Radionuklid hat Einfluss auf die kritischen Leistungsparameter des PET-Gerätes: Während kurzlebige Nuklide verlangen, dass der PET-Scanner die damit einhergehenden hohen Zählraten bei Aktivitäten von mehreren Gigabecquerel (GBq) verarbeiten kann, ist bei 18F, meist in Form von Fluordesoxyglucose appliziert, die Sensitivität des Systems gefordert, da die injizierte Aktivität hier meist nur zwischen 100 und 350 Megabecquerel (MBq) liegt.
Die Bedeutung der Halbwertszeit soll anhand einer Rechnung erläutert werden: Nach 60 Minuten ist von einer Anfangsaktivität von 1000 MBq 11C nur etwa ein Achtel übrig. 60 Minuten sind bei einem Radiopharmakon auf 11C-Basis ungefähr drei Halbwertszeiten (exakt: 60/20,3 = 2,956). In diesem Beispiel entspricht die Restaktivität nach einer Stunde 1000 MBq / 22,956 = 128 MBq. Die Verwendung von 11C erfordert daher, dass sich ein Zyklotron in relativer Nähe des PET-Systems befindet. Werden 13N oder 15O eingesetzt, muss sich das Zyklotron in unmittelbarer Nähe des PET-Scanners befinden. Ein radiopharmazeutischer Produktionsbetrieb mit Zyklotron erfordert eine Investition im zweistelligen Millionenbereich, was die Nutzung der genannten Nuklide für die PET auf entsprechend eingerichtete Zentren beschränkt.
Radiopharmaka Radiopharmaka sind Medikamente, die mit einem Radionuklid markiert sind und die der Organismus nicht von ihren nichtradioaktiven Pendants unterscheiden kann. Sie nehmen daher am gewöhnlichen Stoffwechsel teil, werden aber in einer Konzentration verwendet, die den jeweilig zu messenden Stoffwechsel quantitativ nicht beeinflusst (Tracer-Prinzip). Aufgrund seines radioaktiven Zerfalls kann die Menge und die Verteilung des Radionuklids im Körper gemessen und dargestellt werden.
Anreicherungsmechanismus mini|Physiologischer Muskel-Uptake in der FDG-PET-Darstellung
Der Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin Otto Warburg erkannte schon im Jahre 1930, dass Tumorzellen aufgrund eines erhöhten Stoffwechsels meist mehr Glucose verbrauchen als normale Körperzellen (Warburg-Effekt). 18F-Fluordesoxyglucose (FDG) wird über den Glucosetransporter von Zellen genauso aufgenommen wie Glucose, obwohl an einer Stelle des Moleküls eine Hydroxygruppe durch das Radionuklid 18F ersetzt ist. Da das im nächsten Stoffwechselschritt intrazellulär aus der Phosphorylierung von FDG entstehende FDG-6-Phosphat nicht weiter verstoffwechselt wird, findet eine Anreicherung statt („“), die proportional zum aktuellen Stoffwechselzustand der Zellen ist. Dies ist besonders für die frühe Diagnose von Krebserkrankungen von Vorteil, wenn noch keine tumorbedingte Größenzunahme erfolgt ist, die für die Erkennung in anderen Schnittbildverfahren notwendig ist. Die Verteilung von FDG im Körper erlaubt neben dem Auffinden von Tumoren und Metastasen aber auch generell Rückschlüsse auf den Glucosestoffwechsel von Geweben. Das Anreicherungsprinzip anderer Radiopharmaka gehorcht ähnlichen Mechanismen: Wo immer das Radiopharmakon angereichert wird, wird dies durch einen erhöhten radioaktiven Zerfall an dieser Stelle im PET-Bild sichtbar. Cholin wird für die Biosynthese von Zellmembranen benötigt. In den Zellen wird Cholin phosphoryliert und als Phosphorylcholin in Phospholipide eingebaut. Tumorzellen haben durch ihre schnellere Vermehrung einen erhöhten Bedarf an Cholin. Als Cholin-Tracer werden [18F]Cholin und [11C]Cholin benutzt. Thymidin-Tracer eignen sich zur Markierung von DNA, die von Tumorzellen verstärkt verdoppelt wird. Man benutzt hierfür 14C-, 3H-, 11C- und 18F-markiertes Thymidin, die wie natürliches Thymidin in die DNA eingebaut werden.
Typische Anwendungsgebiete ausgewählter Radiopharmaka mini|Nutzung der PET zur Eingrenzung von Hirnarealen mini|Transaxiales Schnittbild eines menschlichen Gehirns (FDG-PET)