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.

Einfallendes Gammaquant ist als Pfeil dargestellt, der von unten nach oben durch drei Schichten dringt und zwar durch den Kollimator, den Kristall und den Lichtleiter. Im Kristall wird das Lichtquant in mehrere Signale aufgespalten. Auf den Schichten sitzen oben fünf röhrenartige Photomultiplier. Die mittleren Photomultilier werden von mehr Signalen erreicht als die äußeren und geben deshalb am Ende ein stärkeres Ausgangssignal aus.
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.

Das Szintigramm zeigt die beiden Lappen der Schilddrüse. Die Bereiche sind von außen nach innen gleichmäßig violett, bleu, grün und gelb gefärbt.
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

Die Gammakamera besteht aus einem großen Ring, der um eine Liegefläche für den Patienten herum angebracht ist. An dem Ring befinden sich zwei kastenförmige Detektoren, die im rechten Winkel zueinander stehen.
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.

Auf der Aufnahme ist das Skelett eines Menschen zu sehen, das hell durch die Haut und den Körper durchscheint, die schwach rötlich zu erkennen sind.
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.

Patient wird von einer Schwester auf einer Liege in den Scanner geschoben. Der Scanner besteht aus einer großen Anlage mit zwei Ringen für CT und PET, die hintereinander angeordnet sind.
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.

SPECT ist nicht gleich CT

Auch wenn die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) den Begriff Computed Tomography in ihrem Namen trägt, muss sie doch von der herkömmlichen Computertomografie (CT) unterschieden werden. Beim SPECT-Verfahren strahlt der Körper durch den radioaktiv markierten Tracer gewissermaßen von „innen heraus“. Bei der CT wird der Patient dagegen von einer äußeren Strahlenquelle durchleuchtet – also von außen nach innen. Auch das beim CT gespritzte Kontrastmittel ist nicht radioaktiv: Es sendet keine eigene Strahlung aus, sondern hilft nur, die Gefäße vom umliegenden Gewebe besser abzugrenzen. 

Außerdem ist die Strahlenbelastung beim CT unter Umständen höher als bei den üblichen nuklearmedizinischen Untersuchungen. So kann eine CT-Aufnahme von Oberkörper und Bauchraum den Patienten zum Beispiel schon mit dem 15-fachen der zulässigen Jahresdosis an Strahlung (ein Millisievert pro Jahr) belasten. Der Wert von einem Millisievert gibt an, wie viel Strahlungsenergie von einem Kilogramm Gewebe jährlich zusätzlich aufgenommen werden darf – und zwar in Abhängigkeit davon, wie gefährlich die Strahlung für den Körper ist. 

Herstellung kurzlebiger Isotope

Schematischer Aufbau eines Zyklotrons. Ein Teilchen, dargestellt als Kugel, wird von einer stabförmigen Ionenquelle in der Mitte erzeugt. Es befindet sich dann in einer kreisrunden Vakuumkammer, an die ein Magnetfeld angelegt ist, und folgt einer spiralförmigen Bahn, auf der es beschleunigt wird. Dabei fliegt es durch vier schmale Metallkammern hindurch, den sogenannten Dees. Am äußeren Rand der Vakuumkammer tritt das Teilchen schließlich aus, fliegt durch eine Strippingfolie und trifft schließlich auf das Target.
Herstellung eines Isotops im Zyklotron

Die Herstellung eines Radiopharmakons für eine PET ist aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften relativ aufwendig. Fast alle haben sehr kurze Halbwertszeiten und werden in einem Zyklotron erzeugt. Dies ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Teilchen in einem Magnetfeld solange auf einer spiralförmigen Bahn beschleunigt werden, bis sie schließlich fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Erst dann lenkt man die energiereichen Ionen auf eine Materialprobe. Dazu verlassen sie am äußeren Ende der Spirale das Magnetfeld durch eine Art Austrittsrohr und werden in einer anderen Kammer des Zyklotrons auf eine Folie – zum Beispiel aus Molybdän – geschossen. Dabei können die Ionen bis in den Kern der Atome, aus denen die Folie besteht, eindringen. Durch die Wechselwirkung mit dem Ionen kann sich die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern der Atome verändern. Auf diese Weise entstehen radioaktive Isotope, die meist innerhalb weniger Stunden wieder zerfallen. Das radioaktive Isotop Fluor-18 hat zum Beispiel eine Halbwertszeit (HWZ) von nur knapp zwei Stunden und wird häufig bei der Diagnose von Krebstumoren eingesetzt. 

Strahlenexposition bei nuklearmedizinischen Untersuchungen

Bei nuklearmedizinischen Untersuchungen lässt sich ein gewisses Gesundheitsrisiko für die Patienten nicht ausschließen. Dies gilt auch für andere diagnostische Methoden wie Röntgenuntersuchungen oder die Computertomografie (CT). Der Wert der Strahlenbelastung wird dabei in Millisievert angegeben, also 0,001 Sievert. Das Sievert gibt an, wie viel Strahlungsenergie von einem Kilogramm Gewebe aufgenommen wird – und zwar in Abhängigkeit davon, wie gefährlich die Strahlung für den Körper ist. Die Einheit wird in Joule pro Kilogramm angegeben. 

Zum Vergleich: Die natürliche Strahlenexposition in Deutschland beziffert das Bundesamt für Strahlenschutz je nach Wohnort mit durchschnittlich rund 2,1 Millisievert pro Jahr. Dabei ist sie auf der Zugspitze viermal höher als an der Küste. Und bei einem Flug von Frankfurt nach Los Angeles und zurück wirken bis zu 0,15 Millisievert auf die Passagiere ein – wodurch sich die mittlere Strahlendosis, der ein Mensch hierzulande ausgesetzt ist, um etwa fünf Prozent pro Jahr erhöhen würde. Eine Röntgenaufnahme des Bauchraums schlägt dagegen mit bis zu einem Millisievert zu Buche, eine Szintigrafie der Schilddrüse ebenfalls. Bei einer CT-Aufnahme des Bauchraums wirkt im Vergleich hierzu Strahlung mit bis zu zwanzig Millisievert auf den Körper des Patienten ein. Die Strahlenexposition bei der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) beträgt in diesem Fall rund fünf Millisievert, bei der Einzelphotonen-Emissions-Tomografie (SPECT) fallen rund zwei Millisievert an.