PET und SPECT: Diagnose in der Nuklearmedizin

Noch vor 150 Jahren konnte sich ein Arzt bei der Diagnose eines Herzleidens nur auf seine Erfahrung verlassen. Erst die Entdeckung von Röntgen- und Gammastrahlung machte einen Blick in den Körper möglich. Heute stellt die funktionelle Bildgebung unsere inneren Organe in hochauflösenden Bildern dar. In der Nuklearmedizin gehören sowohl Einzelphotonen-Emissions-Tomografie (SPECT) als auch Positronen-Emissions-Tomografie (PET) dazu.

Messkopf einer Gammakamera

Mithilfe von Röntgenstrahlen lassen sich Herz oder Knochen eines Patienten untersuchen. Doch Röntgenbilder zeigen nur die Bauweise der inneren Organe, nicht aber ihre Funktion, zum Beispiel den Stoffwechsel. Hierzu sind modernere Verfahren nötig – wie die Gammakamera. Sie kommt vor allem in der diagnostischen Nuklearmedizin zum Einsatz. Dazu wird dem Patienten eine radioaktiv markierte Substanz verabreicht, das Radiopharmakon. Diese Substanz reichert sich in dem zu untersuchenden Organ an und sendet dabei Gammastrahlung aus, die in Form von elektromagnetischen Wellen abgestrahlt wird 

Herzstück einer jeden Gammakamera ist der sogenannte Szintillationskristall. Er wird durch die energiereichen Photonen des Radiopharmakons angeregt und gibt diese Energie in Form von sichtbarem Licht wieder ab. Es entsteht ein flackernder Lichtblitz, der Vorgang wird deshalb auch Szintillation genannt (lateinisch: scintillare – funkeln, flackern, blitzen). Ein Photomultiplier misst die Menge des ausgesandten Lichts und die Häufigkeit der Lichtblitze pro Zeiteinheit, verstärkt die Signale und leitet sie als elektrischen Impuls an einen Computer weiter. Dieser erstellt aus den Messwerten ein zwei- oder dreidimensionales Bild. Es gibt Aufschluss darüber, wie sich das eingenommene Radiopharmakon in dem zu untersuchenden Organ mengenmäßig verteilt.

Szintigramm der Schilddrüse

Bewegen sich weder Gammakamera noch Patient, spricht man von einer planar-statischen Aufnahme. Dieses Verfahren wird zum Beispiel bei einer Schilddrüsenszintigrafie angewendet. Der Patient sitzt vor einer Kamera, die in der Regel über einen Zeitraum von fünf Minuten ein zweidimensionales Bild aufnimmt. In dieser Zeit misst sie alle Photonen, die auf die Detektoren fallen und zählt sie zusammen. Die Photonen werden also akkumuliert. So lässt sich auf dem Szintigramm erkennen, wo sich der radioaktiv markierte Stoff in der Schilddrüse besonders angereichert hat. Als Radiopharmaka eignen sich vor allem Jod-123 und Technetium-99m („m“ für metastabil). Beide sind leicht verfügbar und ihre Halbwertszeit beträgt wenige Stunden. 

Soll ein größerer Körperabschnitt aufgenommen werden, wird dieser langsam unter den Detektoren hindurchgeschoben, wodurch eine ebenfalls zweidimensionale Aufnahme der zu untersuchenden Organe entsteht. Soll der gesamte Körper untersucht werden, spricht man von einer Ganzkörperaufnahme. In der Regel besteht die Gammakamera aus zwei gegenüberliegenden Detektoren, bei einem Szintigramm des Herzens können diese auch senkrecht zueinander angeordnet sein.

Dynamische Bilder - SPECT

Gammakamera mit zwei Detektoren

Bei einer planar-dynamischen Aufnahme bewegen sich ebenfalls weder die Gammakamera noch der Patient. Die Aufnahmen werden jedoch in mehreren Zeitintervallen hintereinander angefertigt – zum Beispiel wird innerhalb von zehn Minuten jede Minute eine Aufnahme desselben Körperteils angefertigt. Dadurch lässt sich später nicht nur erkennen, an welcher Stelle im Körper sich das Radiopharmakon angereichert hat, sondern auch, wie sich dessen Menge über einen bestimmten Zeitraum verändert hat. Das Ergebnis wird in einer Aktivitätskurve dargestellt. Ein Sonderfall ist die Einzelphotonen-Emissions-Tomografie (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT). Dabei dreht sich eine rotationfähige Gammakamera, die in der Regel aus zwei gegenüberliegenden Detektoren besteht, auf einer elliptischen oder kreisförmigen Bahn eng um den Patienten herum. Der Körper wird somit von zwei Seiten aufgenommen. Anschließend werden die Bilder zusammengefasst und der Computer errechnet aus den Messdaten ein dreidimensionales Bild. Aus diesem Bild werden je nach Bedarf schließlich zweidimensionale Schnittbilder erstellt. Dabei handelt es sich um Schichtaufnahmen vom Stoffwechsel des erkrankten Gewebes. 

Dreidimensionale SPECT-Aufnahmen können unter anderem vom Herzmuskel, den Knochen, Nebennieren und dem Gehirn erzeugt werden. Als Radiopharmaka kommen häufig Technetium-99m, Jod-123 und in selteneren Fällen auch Indium-111 in Frage. Bei Letzterem ist die Strahlenbelastung allerdings höher, da es mit einer Energie von rund 0,86 Megaelektronenvolt (MeV) zerfällt. Außerdem beträgt die Halbwertszeit fast drei Tage. Indium-111 wird beispielsweise zur Diagnose von neuroendokrinen Tumoren eingesetzt, die vor allem im Magen-Darm-Trakt und in der Bauchspeicheldrüse auftreten. Häufig werden die Radiopharmaka dazu in die Armvene der Patienten gespritzt, oder auch in einem Brei verabreicht. In seltenen Fällen müssen die Stoffe vom Patienten eingeatmet werden – etwa, wenn die Belüftung der Lunge untersucht wird.

Ganzkörper-SPECT

Die Wartezeit beträgt je nach Untersuchung zwischen zehn Minuten und zwei Stunden. In dieser Zeit reichert sich das Radiopharmakon in ausreichender Menge im Zielorgan an. Die eigentlichen Aufnahmen dauern bis zu dreißig Minuten. Da die Photonen in alle Richtungen abstrahlen und so ungefiltert auf die Gammakamera „einprasseln“ würden, wäre die räumliche Auflösung normalerweise sehr gering. Um die Bildqualität zu verbessern, wird dem Szintillationskristall daher ein Kollimator vorgeschaltet. Er besteht meist aus einer Bleiplatte, in die winzige Löcher gebohrt wurden. Sie lassen nur die senkrecht auf den Kristall einfallenden Gammastrahlen durch. Es werden also nur die Photonen registriert, die aus einer ganz bestimmten Richtung auf den Detektor strahlen. Diese Streustrahlreduktion verbessert die Bildqualität erheblich. Allerdings hängt sie auch noch von den Eigenschaften des Szintillationskristalls selbst ab, etwa von dessen Tot- und Abklingzeiten: Je schneller der Gammalichtblitz wieder abklingt, desto besser ist der Ursprungsort des Photons zu messen. Totzeit bedeutet, dass an der gleichen Stelle kein weiterer Lichtblitz registriert wird, solange der erste Blitz noch leuchtet.

Paarvernichtung – PET

Die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) basiert dagegen auf einem anderen Prinzip. Sie macht sich die Paarvernichtung von Elementarteilchen und ihren Antiteilchen zunutze. Durch den spontanen Zerfall eines protonenreichen Atomkerns wird ein Positron freigesetzt. Dabei handelt es sich um das Antiteilchen des Elektrons, also um ein positiv geladenes Teilchen mit der gleichen Masse und dem gleichen Spin wie ein Elektron. Sobald dieses auf ein negativ geladenes Elektron aus der Umgebung trifft, vernichten sich beide. Es entstehen zwei Gammaphotonen, die in zwei gegenüberliegende Richtungen abgestrahlt werden. Im PET treffen sie auf Szintillationskristalle und erzeugen dort Lichtblitze, die wiederum messbar sind. Die Verbindungslinie zwischen den beiden Lichtblitzen wird auch Line of Response genannt. Treffen sich mehrere Kreuzungslinien in einem Schnittpunkt – nämlich dem Ort, an dem sich das Radiopharmakon angereichert hat – berechnet der Computer daraus schließlich ein dreidimensionales Bild. In krankem Gewebe werden mehr Lines of Response gemessen als in gesundem, da sich dort größere Mengen an Radiopharmaka einlagern.

Während eine konventionelle Gammakamera aus höchstens drei Detektoren besteht, sind in einem PET-Scanner 30.000 der kleinen Kristalle in einem Detektorring angeordnet. Üblicherweise bestehen sie aus Lutetium- oder Gadolinium-Orthosilikat.

PET/CT-Scanner

Der Computer erstellt aus den Messdaten des PET-Scanners wiederum ein dreidimensionales Bild, aus dem dann Schnittbilder berechnet werden. Die Qualität und die räumliche Auflösung der Aufnahmen ist jedoch deutlich besser als beim SPECT-Verfahren – unter anderem auch, weil die Tot- und Abklingzeiten der verwendeten PET-Kristalle erheblich kürzer sind. Neuere Geräte nutzen außerdem die Time of Flight-Technologie. Hierbei wird gemessen, wie groß die Differenz der Flugzeiten von jeweils zwei gegenüber einschlagenden Gamma-Photonen ist. Dies führt zu einer besseren Lokalisation und Darstellung – zum Beispiel eines sehr kleinen Tumors. Dem steht gegenüber, dass eine PET-Aufnahme derzeit bis zu zehnmal so teuer sein kann wie eine SPECT-Aufnahme. Ein Grund hierfür sind die deutlich höheren Herstellungskosten für die verwendeten Radiopharmaka und den PET-Scanner.

Weiterhin lassen sich die Aufnahmen aus einer PET mit denen einer Computertomografie kombinieren. Durch die Überlagerung der Bilder können neben den Stoffwechselvorgängen auch die Strukturen und Funktionen des untersuchten Gewebes dargestellt werden.