Positronenemissionstomographie (PET)

Bei der Positronen-Emission-Tomographie (PET; Tomographie – aus dem altgriechischen: tome: der Schnitt; graphein: schreiben) handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin, mit dem die Erstellung von Schnittbildern lebender Organismen durch die Visualisierung der Verteilungsmuster schwach radioaktiver Substanzen ermöglicht wird.

Das besonders in der
Onkologie (Wissenschaft, die sich mit Krebs befasst), Kardiologie (Lehre vom Herzen, die sich mit der Struktur, der Funktion und den Erkrankungen des Herzens befasst) und Neurologie (Lehre vom Gehirn und dem Nervensystem sowie den Erkrankungen des Gehirns und dem Nervensystem) eingesetzte Verfahren kann unter Anwendung eines Radiopharmakons (Tracer; Tracersubstanz: chemische Substanz, die mit einem radiologisch aktiven Stoff markiert wurde) im zu untersuchenden Organismus die biochemische Aktivität ermitteln. Die Grundlage für die seit 15 Jahren in der Diagnostik eingesetzte Positronen-Emission-Tomographie ist die Verfolgung von Molekülen im Körper des Patienten durch die Positronenemission mit Hilfe eines Positronenstrahlers. Die Detektion (Entdeckung) der Positronen beruht dann auf dem Zusammenstoßen eines Positrons mit einem Elektron, da durch die Kollision der geladenen Teilchen eine Annihilation (Erzeugung von Gamma-Quanten) entsteht, die für eine Detektion ausreichend ist. Die Umsetzung dieser schon seit Jahrzehnten bestehenden Idee gelang den amerikanischen Forschern Michel Ter-Pogossion, Michael E. Phelps, E. J. Hoffman und N. A. Mullani erst im Jahre 1975, als sie ihre Forschungsergebnisse im "Radiology" veröffentlichten. Allerdings gab es auch schon in den 1950er Jahren teilweise erfolgreiche Versuche, Hirntumoren durch positronenbasierte Bildgebung darzustellen. Da die Positronen-Emission-Tomographie überdies als Funktionsprinzip eines Anreicherungsmechanismus' bedarf, ist auch der deutsche Nobelpreisträger Otto Heinrich Warburg, der schon 1930 den vermehrten Metabolismus von Tumorzellen einhergehend mit einem erhöhten Glucoseverbrauch erkannte, als einer der Väter dieses bildgebenden Verfahrens anzusehen.

Indikationen (Anwendungsgebiete)

  • CUP-Syndrom ("cancer of unknown primary site"; Tumorerkrankungen, bei denen nach Abschluss der primären Diagnostik nur Metastasen (Tochtergeschwülste) aber kein Primärtumor gefunden wird)
  • Degenerative Hirnerkrankungen (Morbus Alzheimer/Beta-Amyloid-PET-Bildgebung/Synapsenverlust im Hippocampus; Morbus Parkinson; Demenz)
  • Hirntumoren (z. B. Gliome)
  • Kolonkarzinom (Darmkrebs)
  • Lungentumoren (solitäre Lungenrundherde; kleinzelliges Bronchialkarzinom/Lungenkrebs, SCLC)
  • Maligne Lymphome
  • Mammakarzinom (Brustkrebs)
  • Malignes Melanom (schwarzer Hautkrebs)
  • Ösophaguskarzinom (Speiseröhrenkrebs)
  • Kopf- und Halstumoren
  • Neuroblastome
  • Sarkome (Ewing-Sarkome, Osteo-Sarkome, Weichteilsarkome, Rhabdomyosarkome)
  • Skelettdiagnostik
  • Schilddrüsenkarzinom (Schilddrüsenkrebs)
  • Verlaufskontrolle bei Lysetherapie (medikamentöse Therapie zur Auflösung eines Blutgerinnsels) bei Zustand nach Apoplex (Schlaganfall)
  • Zerebrale Durchblutungsstörungen – zur Größendarstellung der Penumbra (als Penumbra (lat.: Halbschatten) bezeichnet man bei einem Hirninfarkt den Bereich, der unmittelbar an die zentrale Nekrosezone angrenzt und noch überlebensfähige Zellen enthält) und zur Ermittlung der Myokardvitalität z. B. nach Myokardinfarkt (Herzinfarkt).

Das Verfahren

Das Prinzip der Positronen-Emission-Tomographie beruht auf der Verwendung von Betastrahlung, mit der Radionuklide (instabile Atome, dessen Kerne radioaktiv zerfallen und dadurch Betastrahlung aussendet) Positronen emittieren können. Zur Anwendung geeignete Radionuklide sind diejenigen, die im Zustand des Zerfallens Positronen aussenden können. Wie bereits beschrieben kommt es zur Kollision der Positronen mit einem nahegelegenen Elektron. Die Entfernung, bei der die Annihilation stattfindet, beträgt durchschnittlich 2 mm. Bei der Annihilation handelt es sich um einen Prozess, bei dem sowohl die Positronen als auch die Elektronen zerstört werden, sodass zwei Photonen entstehen. Diese Photonen sind Bestandteil der elektromagnetischen Strahlung und bilden die sogenannte Vernichtungsstrahlung aus. Diese Strahlung trifft an mehreren Stellen eines Detektors auf, sodass die Emissionsquelle lokalisiert werden kann. Da sich jeweils zwei Detektoren gegenüberliegen, ist so die Lagebestimmung möglich.

Zur Erzeugung von Schnittbildern bedarf es folgender Prozesse:

  • Zuerst wird dem Patienten ein Radiopharmakon appliziert. Diese sogenannten Tracer können durch unterschiedliche radioaktive Substanzen markiert sein. Am häufigsten werden radioaktive Isotope von Fluor und Kohlenstoff verwendet. Aufgrund der Ähnlichkeit zum Grundmolekül ist der Körper nicht in der Lage, die radioaktiven Isotope von dem Grundelement zu unterscheiden, was dazu führt, dass die Isotope sowohl in anabole als auch in katabole Stoffwechselvorgänge integriert werden. Allerdings ist es notwendig, dass die Herstellung der Isotope als Resultat der geringen Halbwertszeit in direkter Nähe des PET-Scanners erfolgt.
  • Die bereits beschriebenen Detektoren müssen in einer großen Zahl vorliegen, um die Detektion von Photonen zu gewährleisten. Die Methode zur Berechnung des Kollisionspunktes von Elektron und Positron wird Koinzidenzmethode genannt. Jeder Detektor stellt eine Kombination aus Szintilisationskristall und Photomultiplier (spezielle Elektronenröhre) dar.
  • Aus der Kombination der räumlichen und zeitlichen Ereignisse ist es möglich, ein dreidimensionales Schnittbild zu erzeugen, welches eine höhere Auflösung erreichen kann als ein Szintigraph.

Zum Ablauf der Positronen-Emission-Tomographie:

  • Nach der intravenösen bzw. inhalativen Aufnahme des Radiopharmakons wird die Verteilung der radioaktiven Isotope im nüchternen Patienten abgewartet und nach ca. einer Stunde mit der eigentlichen PET-Durchführung begonnen. Die Position des Körpers muss so gewählt werden, dass der Ring der Detektoren in unmittelbarer Nähe zum zu überprüfenden Körperabschnitt liegt. Aufgrund dessen ist zur Ganzkörperaufnahme die Einnahme mehrerer Körperstellungen notwendig.
  • Die Aufnahmedauer bei einer Untersuchung ist sowohl vom Gerätetyp als auch vom verwendeten Radiopharmakon abhängig.

Da der PET-Scanner verglichen mit der Computertomographie eine schlechtere Ortsauflösung hat und diese nur durch eine höhere Strahlenexposition ausgeglichen werden könnte, bedarf es einer Kombination der beiden Verfahren, die die Vorteile beider einzusetzen vermag:

  • Bei dem entwickelten Verfahren PET/CT handelt es sich um ein hochsensitives Verfahren, welches mit geringer zusätzlicher Strahlung durch Anwendung sogenannter Korrekturmaps des CTs arbeitet.
  • Neben der höheren Auflösung ist auch der verminderte Zeitaufwand als Vorteil gegenüber der herkömmlichen PET zu sehen.

Als Nachteil des PET/CT-Verfahrens ist die notwendige Einnahme eines Röntgenkontrastmittels zu nennen.

Weitere Hinweise

  • Radiopharmaka erlauben zum Teil – abhängig vom verwendeten Radionuklid  sowohl eine Diagnostik als auch eine zielgerichtete Therapie von Tumoren.
  • Bei symptomatischen Patienten mit Verdacht auf eine Myokardischämie schneidet die Positronenemissionstomographie (PET)
    im direkten Vergleich mit der Koronar-CT-Angiographie und Single-Photon-Emissions-Tomographie (SPECT) am besten ab [7].

Literatur

  1. Schober O: PET-CT. Georg Thieme Verlag 2007
  2. Dössel O: Bildgebende Verfahren in der Medizin: Von der Technik zur medizinischen Anwendung. Springer Verlag 1999
  3. Kramme R: Medizintechnik: Verfahren – Systeme – Informationsbearbeitung. Springer Verlag 2006
  4. Goretzki G: Medizinische Strahlenkunde: Physikalisch-technische Grundlagen. Elsevier Verlag 2004
  5. Kuwert T: Nuklearmedizin. Georg Thieme Verlag 2007
  6. Hricak H: Bildgebung in der Onkologie: Diagnostik und Bewertung – Das Wesentliche für das Konsil. Elsevier Verlag 2009
  7. Danad I et al.: Comparison of Coronary CT Angiography, SPECT, PET, and Hybrid Imaging for Diagnosis of Ischemic Heart Disease Determined by Fractional Flow Reserve. JAMA Cardiol 2017 Aug 16. doi: 10.1001/jamacardio.2017.2471.

Leitlinien

  1. S1-Leitlinie: Skelettdiagnostik mittels 18F-Natriumfluorid-PET und -PET/CT. (AWMF-Registernummer: 031 - 047), Dezember 2011 Langfassung
  2. S1-Leitlinie: Ganzkörper-F-18-FDG-PET und -PET/CT bei Kindern mit onkologischen Erkrankungen. (AWMF-Registernummer: 031 - 049), Dezember 2011 Langfassung
  3. S1-Leitlinie: PET- und SPECT-Untersuchungen von Patienten mit zerebralen Gliomen mittels radioaktiv markierter Aminosäuren. (AWMF-Registernummer: 031 - 051), Juli 2013 Langfassung
  4. S1-Leitlinie: Beta-Amyloid-PET-Bildgebung des Gehirns. (AWMF-Registernummer: 031 - 052), Oktober 2015 Langfassung

     
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