sibylle i. ziegler nuclear medical instrumentation
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Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München Technische Universität München
Nuclear Medical Instrumentation
Sibylle I. Ziegler
Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
• Basic Nuclear Medicine
• Detectors
• Gamma Camera, SPECT
• Positron Emission Tomography
• Multimodal Imaging
• Biokinetic Modelling
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Aims of Nuclear Medicine
• Diagnostics
Visualisation and quantification of biochemical
processes in vivo
• Therapy:
Treatment of pathologic processes based on selective
accumulation in body tissues
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Principles of Nuclear Medical Diagnostics
• Tracer principle
Radiopharmaceuticals are distributed, metabolized or excreted in
the organism according to their structure
• Representation of body functions by:
– Images
– Numerical data
– Graphs
Radiation
Source
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
Radiology
Contrast between tissues with
different densities for x-rays,
e.g. lung vs. bone.
Detector
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
Nuclear Medicine
Detector
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
Nuclear Medicine
Detector
Activity distribution equivalent
to distribution of the injected
substance.
Radiation
Source
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
Radiology Nuclear Medicine
Detector
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Radiopharmaceuticals
• Selection of the pharmaceutical according to the organ-
specific question
• Labelling of pharmaceuticals with radioactive isotopes
External detection possible
• Radiopharmaceuticals must not affect the metabolism
01.06.2015 9
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Types of Radiation – Range in Tissue
Energy Range
α some MeV < 1mm
β 100 keV – 1MeV ~ some mm
γ 100 keV – 500 keV < some cm
10 01.06.2015
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Isotopes for Nuclear Medical Imaging
Nuclide Half Life Type Energy [keV]
99mTc 6 h γ 140
201Tl 73 h γ 70
123I 13 h γ 159
131I 8 d γ 364
18F 110 min e+, γγ 511
01.06.2015 11
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Blockierter Metabolismus
[18F]FDG
AST PS
MAb, Fragmente
Hormone
Drugs
Peptide
Internalisation
AS Transport
Protein Synthese
Target Structure
Immunreaktion
Anti-Gen Strategie,
DNA - Synthese
Katecholamin-
Transport
Rezeptor-Darstellung
Red. DNA-S
HED
Extrazelluläre
Strukturen
Transport
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Interaction of Gamma Quanta with Matter
Gamma energy in nuclear medicine:
Compton scattering and photoelectric effect
Interaction depends on:
• Energy Ehν of gamma quantum
• Density ρ of material
• Atomic number Z of material
• Thickness D of material
01.06.2015 13
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e e e
e e
e e e
e e
Energy of gamma quantum gets absorbed
Gamma Radiation – Photoelectric Effect
01.06.2015 14
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Klinikum rechts der Isar
34
hE
A
Z
Photoelectric Effect
01.06.2015 15
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Parts of -energy are transferred to the electron
-quantum changes energy and direction
e
e
e
Gamma Radiation – Compton Scattering
01.06.2015 16
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hEf
A
Z
Compton Scattering
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Compton Scattering - Angular Distribution
01.06.2015 18
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Probability of γ Interaction with Matter
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Diagnostic
Lead
NaI
Tissue
Photo effect
Compton effect
Gamma Energy [keV]
Ato
mic
Nu
mb
er
Z
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µm = + Attenuation coefficient photo effect:
Attenuation coefficient Compton effect:
out of Sorenson, Phelps: Physics in Nuclear Medicine 1980
Attenuation Coefficient
01.06.2015 20
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conduction band
activator level (doping)
valence band
activator ground level
gap
Scintillation Crystals – Inorganic Crystals
Electron ionizes electron hole pare hole ionizes
activator, electron “drops“ into activator activator
deactivates by emission of a photon (10-7 sec)
01.06.2015 21
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Scintillation Crystals
Property NaI BGO LSO GSO
NaI:Tl Bi4Ge3O12 Lu2SiO5:Ce Gd2SiO5:Ce
Density (g/cm3) 3,67 7,1 7,4 6,7
Effective Z 51 73 65 59
Attenuation length at 511keV (mm) 29,1 10,4 11,4 14,1
Light yield (photons/MeV) 41 000 9 000 26 000 8 000
Decay time (ns) 230 300 40 60
Emission (nm) 410 480 420 440
01.06.2015 22
Lu-176 (2,6%): + >350 keV: ~100/sec per cm3
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1 cm
light sensitive
cathode
anode HV
Photomultiplier
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LSO BGO
Hamamatsu Photonics
Quantum Efficiency Photomultiplier
quantalight#
electronsphoto#QE
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Kristall
photomultiplier
electrons light
γ
electrical signal
crystal Tl doped
sodium iodide (NaI)
Scintillation Detector
energy ~ light quantity ~ signal height
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γ
Scintillation light
NaI-Crystal (40 cm x 40 cm)
Light guide
Photomultiplier
Position,
Energy
Gamma Camera – Anger Principle
01.06.2015 26
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Klinikum rechts der Isar
• High efficiency (>85%)
• Good energy resol. (<15 keV fwhm)
• High spatial resol.
• (<4 mm)
• Small costs (<€15/cm2)
• “Short” deadtime (<2000 s cm2)
*Image courtesy of L. Shao, Philips Medical Systems
Scintillation Crystals (NaI:Tl)
Photomultiplier
At 140keV:
SPECT Detector Requirements
01.06.2015 27
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ideal
intrinsic
crystal light guide
photomultiplier
Source position
PM
T S
ign
al *
Gamma Camera – Linearity
01.06.2015 28
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Klinikum rechts der Isar
(about 30 000 pulses per second)
Without homogeneity
correction matrix
UFOV Integral 6,17%
CFOV Integral 5,25%
UFOV Differential 4,46%
CFOV Differential 4,46%
01.06.2015 29
99mTc Point Source
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(about 30 000 pulses per second)
With homogeneity correction
matrix
UFOV Integral 2,49%
CFOV Integral 2,44%
UFOV Differential 1,99%
CFOV Differential 1,99%
99mTc Point Source
01.06.2015 30
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ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
integration time,
X-Y,
linearity correction,
energy discrimination
X Y
collimator
NaI crystal
light guide
photomultiplier
with preamplifier
digital
pulse processing
01.06.2015 31
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γ γ
γ
Crystal
γ
Light quantity
γ
Scintillation Detector – Deposited Energy
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Out of Sorenson, Phelps: Physics in Nuclear Medicine 1980
Scintillation Detector – Ideal Spectrum
01.06.2015 33
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primary
scattered
all
Ab
undance
Gamma Camera – Energy Spectrum
01.06.2015 34
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Energy Window – 99mTc Sphere Phantom
01.06.2015 35
140 keV (15%)
Events: 100%
104 keV (20%)
Events: 35%
Matrix: 128x128
Pixel size: 3,8mm
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Gamma Camera – H. Anger 1964
01.06.2015 36
Crystal
Collimator Photomultiplier
Position
Energy
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Collimator – Limiting Component Septum thickness depends on energy and attenuation coefficient
01.06.2015 37
Principle
Septa Crystal
γ
γ
Lead collimator, several
hundreds holes
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Collimator – Resolution Sensitivity
01.06.2015 38
crystal crystal crystal
e.g.: length 35 mm, distance 1.5 mm, thickness 0.2 mm
more events
or
higher resolution
signal to noise
Planar Scintigraphy
Detector size ca. 50 cm x 60 cm
ca. 60 photomultiplier tubes per
detector
Energy resolution:
< 10% @140 keV
Intrinsic spatial resolution:
3.5 - 4 mm
Extrinsic spatial resolution
(Collimator): 8 - 20 mm
Planar Scintigraphy
bone scintigraphy shows
increased metabolism in bone,
e.g. due to
- bone fractures
- inflammatory processes
- degenerative processes
- bone metastasis
99mTc-Bisphosphonat ventral dorsal
Planar Scintigraphy
rib
fracture
knee
arthrosis
bone
metastasis
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Planar Scintigraphy Cameras for special use, e.g. thyroidal gland
Planar Scintigraphy
thyroidal scintigraphy
normal finding unifocal autonomy
Planar Scintigraphy
99mTc-MAG3 (Mercaptoacetyltriglzcin)
Acquisition over time, e.g. renal scintigraphy
Planar Scintigraphy
Visual and quantitative analysis
99mTc-MAG3 (Mercaptoacetyltriglzcin)
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Tomography
SPECT Recording
Gamma Camera
Gamma Camera
measures
projections of
activity distribution Spatial Resolution
clinical: ~8 – 20 mm
01.06.2015 46
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Images of Different Directions
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Single Photon Emission CT SPECT
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Emission Tomography
• Measurement of many projections, many angles
• Mathematical reconstruction
• Tomographic images / slices through body
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Projection, Discrete Sampling
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SPECT Imaging – Projection
01.06.2015 51
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Reconstruction – Back Projection
Back projection
of two projections Back projection
of three projections
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Filtration of Line Profile
01.06.2015 53
Unfiltered without
noise
with
noise
Filter
hamming
cutoff = 0.2
Filtered
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Filtered Back Projection
01.06.2015 54
Without
Filter
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Projection
Acceleration: OSEM, Cluster
Estimate
Back-projection
Comparison
Object Space Projection Space
Correction
Error- Estimate
Error- Estimate
Estimated Projection
Measured Projection
Error - Projection
Statistical Iterative Reconstruction
01.06.2015 55
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Quality Control
• Daily Background
Energy window
Tilt angle
• Weekly Efficiency
Inhomogeneity
Flood correction
Rotation Centre
• Half-yearly Geometric scale
Linearity
Spatial resolution
Tomographic inhomogeneity
01.06.2015 56
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New Developments
Single Photon Detection
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Consequence: higher percentage of inactive area
worse spatial and energy resolution
Gamma Camera – Anger Principle
• Collimator system resolution
• Intrinsic resolution ~ 4 mm
dependent on energy, crystal thickness
Reduction by:
narrower distribution of light
smaller photomultipliers
more photomultipliers
01.06.2015 58
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Requirements:
• Compact
• High intrinsic resolution
• Good energy resolution
High Resolution Gamma Camera
Imaging close to the object: thyroid
mammography
small animals
01.06.2015 59
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Crystal
Photomultiplier
Photodiodes
Semiconductor
detector
Detectors
01.06.2015 60
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signal
distribution
anode wires (X-Y)
scintillation light
X
light sensitive
cathode
Position Sensitive Photomultiplier PSPMT
01.06.2015 61
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FZ Jülich
28 X and 28 Y Anode wires
+ center of mass determination
NaI(Tl) slice
( 13 cm, thickness 3 mm)
collimator
PSPMT Hamamatsu
250m
m
164mm
Intrinsic: < 2 mm
E/E(140 keV): 9,6%
High Resolution Gamma Camera PSPMT
01.06.2015 62
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Patt et al., Majewski et al., LumaGEM, Dilon
NaI(Tl) pixel: 2 x 2 x 6 mm
2,8 x 2,8 cm2 x 2,7 cm
4 X and 4 Y wires
(Hamamatsu)
Intrinsic: < 2 mm; E/E(140 keV): 18%
Matrix of Compact PSPMT
01.06.2015 63
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Dilon
Matrix of PSPMT and NaI pixel
compact detector head
01.06.2015 64
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Klinikum rechts der Isar
• One-to-one coupling crystal – sensor
pixel size intrinsic resolution
• Silicon photo diodes (PD) versus PMT:
− high quantum efficiency − very compact − no amplification − noise, electronic necessary
Scintillation Read-Out with Semiconductor
Detectors
01.06.2015 65
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Klinikum rechts der Isar
Luminous Scintillators
Properties NaI(Tl) CsI(Tl)
Density 2.3 4.5
Effective Z 32 54
Attenuation length at
140 keV (mm) 3.4 2.2
Light yield (%) 100 165
Wavelength (nm) 410 550
Decay time (ns) 230 1000
Hygroscopic ++ (+)
01.06.2015 66
Yield PMT / yield PD (at 550nm) = 1 : 3
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Klinikum rechts der Isar
UCLA, LBL, Digirad
Digirad
4096 CsI(Tl) Crystals
5 cm
Collimator
Electronics
Crystal pixel size: 1.5 mm to 3 mm
Individual Read-Out with PD-Matrix
01.06.2015 67
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Klinikum rechts der Isar
Detector Head
(21 cm x 21 cm)
Digirad
Gamma Camera with CsI-PD Detector
01.06.2015 68
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Klinikum rechts der Isar
Semiconductor Detector
• Direct detection of gamma quanta
• Low noise
• Excellent energy resolution
Cadmium-Zinc-Telluride CZT:
• High atomic number
7 mm CZT = 1 cm NaI (at 140keV)
• Room temperature
• Energy resolution 6%
Individual pixels, size: 330µm ... 5mm
01.06.2015 69
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Klinikum rechts der Isar
Siemens, Hoffman Estates 1999
top view
bottom view
Cadmium Zinc Telluride Camera
Detector Element
01.06.2015 70
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Cardiac Imaging
Semiconductor Detector
pinhole collimators
focus on heart
Spectrum Dynamics D-SPECT Camera
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Positron Emission Tomography (PET)
Most sensitive method for
quantitative measurement of
physiologic processes
in vivo
01.06.2015 72
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Klinikum rechts der Isar
Coincidence circuit
PET Measuring Principle
Electronic Collimation
(511 keV)
(511 keV)
Nucleus
e+
e-
180±0.25°
01.06.2015 73
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Klinikum rechts der Isar
PET Nuclides
Nuclide Half life
(min)
EMax
(MeV)
Rmax
(mmH2O)
Ravg
(mm H2O)
11C 20.40 0.97 5.0 0.3
13N 9.90 1.19 5.4 1.4
15O 2.05 1.72 8.2 1.5
18F 109.70 0.64 2.4 0.2
01.06.2015 74
E: Energy, R: Range
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Detector
Element
PET
Coincidence
lines
Field
of view
01.06.2015 75
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Positron Emission Tomography – 3D
Scattered within FOV
Random Coincidences
True Coincidences
Scattered outside FOV
Crystal Shielding
Short Coincidence Window
Good Energy Resolution
High Crystal Efficiency
Crystal
01.06.2015 76
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
PET Block Detector
01.06.2015 77
Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
PET Block Detector
X
y
A
C D
B X =
y =
(B+D) - (A+C)
(A+B+C+D)
(A+B) - (C+D)
(A+B+C+D)
Crystal Identification
01.06.2015 78
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
PET Block Detector BGO Crystals, 20 or 30 mm long
01.06.2015 79
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Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
80
crystals
(4 mm x 6 mm x 20 mm)
continuous
light guide
PMTs
Karp et al. 2000
GSO Pixel-Detector
• Anger principle
• Light spread defined by light guide
• Coincidence window: 8 ns
• Energy resolution (511 keV): 15%
01.06.2015
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Klinikum rechts der Isar
0.0 5 10 15
1.0
0.5
0.0
Resolution
10 mm
4 mm
Object Size (mm)
Re
co
ve
ry C
oe
ffic
ien
t
~0.8
~0.4
Effect of Spatial Resolution
01.06.2015 81
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Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Characteristics PET – Determining Factors
• Detector material
decay time time resolution coincidence window
light yield energy resolution scattering fraction
atomic number attenuation length sensitivity
• Tomograph
detector concept spatial resolution
diameter sensitivity
scattering fraction
shielding randoms
01.06.2015 82
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Klinikum rechts der Isar
Scintillation Crystals
Property NaI BGO LSO GSO
NaI:Tl Bi4Ge3O12 Lu2SiO5:Ce Gd2SiO5:Ce
Density (g/cm3) 3,67 7,1 7,4 6,7
Effective Z 51 73 65 59
Attenuation length at
511keV (mm)
29,1 10,4 11,4 14,1
Light yield (photons/MeV) 41 000 9 000 26 000 8 000
Decay time (ns) 230 300 40 60
Emission (nm) 410 480 420 440
01.06.2015 83
Lu-176 (2,6%): + >350 keV: ~100/sec per cm3
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PET Systems: Characteristics, Limitations
• Spatial resolution
• Sensitivity
• Scattering
• Random coincidences
• Dead time of system
Measurement in realistic situation
Values can differ depending on the object
01.06.2015 84
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Clinical PET
Crystals BGO, LSO,LYSO, GSO
Spatial resolution (mm) 4.5 - 5.0
Energy resolution (%) 12 - 23
Scatter fraction 2D (%) 10 - 15
Scatter fraction 3D (%) 35 - 42
Sensitivity 2D (cps/Bq/ml) 6 - 9
Sensitivity 3D (cps/Bq/ml) 35 - 55
max. NEC 2D 50 - 100
max. NEC 3D 70 - 180
01.06.2015 85
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New Cer-doped Scintillators
Property RbGd2
Br7 LaCl3 LaBr3
Light yield
(photons/MeV)
56 000 50 000
56 000
Energy resolution
(662 keV)
4.5% 3.2% 2.9%
Decay time (ns) 45 20 25
Density (g/cm3) 4.7 3.9 5.3
01.06.2015 86
*Image courtesy of M. Balcerzyk, Soltan Institute
1˝ LaCl3:Ce
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500 ps timing resolution 7.5 cm localization
D
Mid 1980s: BaF2
Now: LaBr3, LSO
Time-of-Flight PET
TOF
01.06.2015 87
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System time resolution: 460 ps System energy resolution: 7.5%
LaBr3 (5% Ce) 4 x 4 x 30 mm3
LaBr TOF PET Scanner
Joel Karp et al. MIC 2005
01.06.2015 88
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PET - Quantification
Goal: Physiologic parameter
Standardized uptake values (SUV)
Requirement: Absolute activity concentration
Necessary: Corrections for
• detector differences (sensitivity)
randoms
scatter
attenuation
dead time
01.06.2015 89
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Attenuation Losses due to Compton and photo effect
01.06.2015 90
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Coincidence method
Ge-68 rod source
Single photon method
Cs-137 point source shielded
(662 keV) high rate
PET – Transmission Measurement
01.06.2015 91
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Standardized Uptake Value (SUV)
at a specific time point
SUV = Activity concentration in image (kBq/ml)
Injected activity (kBq) / body weight (kg)
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~90% of all laboratory animals are mice
worldwide > 25 Mio. (Science 04/2000)
Animal Models
• Brain sciences: rat
• Oncology: rat, mouse
• Genetic research: mouse (“knock-out”)
01.06.2015 93
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• C-11, F-18 tracers
• Measurement of time course
in one animal
• Repeat measurements
in the same animal
Size spatial resolution: 1-2 mm
Specific activity sensitivity: high (>2%)
Small Animal PET
in vivo autoradiography
01.06.2015 94
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8 x 8 array of
LSO crystals (2 x 2 x 10 mm)
Optical fibers Position sensitive PMT
Densely packed crystals
Cherry, 1997
UCLA microPET
01.06.2015 95
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18F-FDG Rat Heart
01.06.2015 96
microPET
Crump Institute for Molecular Imaging
74 MBq, 45 min acquisition time
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Crump Institute for Molecular Imaging
MicroPET P4
• 26 cm ring diameter
• 20 cm transverse FOV
• 7.8 cm axial FOV
• 168 detector modules (8x8)
• 4 rings of 42 detectors
• 10,752 individual detectors
• Transmission source
• Resolution 2.2 mm (10 ml)
• Sensitivity ~ 2%
01.06.2015 97
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18F- FDG
Whole-Body
Biodistribution
in the Mouse
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
liverkidney
bladdertumor
Time (min.)
Crump Institute for
Molecular Imaging
01.06.2015
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microPET II 17,640 LSO elements (0.95x0.95x12.5 mm)
8 cm transaxial field of view
4.8 cm axial field of view
Reconstructed resolution ~ 1.2 mm
(filtered backprojection)
Sensitivity: ~2.3% at center of FOV
(250-750 keV)
01.06.2015 99
DEPARTMENT OF BIOMEDICAL ENGINEERING
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Avalanche Photodiodes versus PMTs
• PRO:
– very compact (one-to-one coupling)
– high quantum efficiency
– low bias voltage
– work in magnetic fields
• CON:
– noise
– lower gain
– costs (is changing)
01.06.2015 100
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Resolution 1.75 mm (intrinsic) 2.1 2.1 3.1 mm3 or 14 µl
Efficiency 200 cps/µCi ( 0.51% )
Sensitivity 2 kcps/µCi/ml/cm
Peak NEC 61 kcps (11 cm)
Lecomte et al, IEEE TNS 43 (1996) 1952-7
APD Detector Module
BGO
Scintillator
Avalanche
Photodiode
Sherbrooke Animal PET Scanner
01.06.2015 101
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Klinikum rechts der Isar
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 4 8 12 16 20 24 28 32
LV V
olu
me
(µl)
Gate Number
Normal Rat, 250 g
ECG-Gating
1 cm
FDG-PET Study of Cardiac Function in Rat
01.06.2015 102
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Hamamatsu
Photonics 1 cm
Photomultiplier
Avalanche photodiodes
APD Matrices
01.06.2015 103
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APD matrix
LSO crystals (3.7 x 3.7 x 12 mm3)
- Energy resolution: 15%
- Spatial resolution: 2.3 mm
- Sensitivity: 0.04 %
4 mm
Munich Avalanche Diode PET Prototype
01.06.2015 104
MPI
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0 100%
MADPET – In Vivo Study
FDG in the myocardium of a rat
1 mCi, 45 min p.i.,
18 min acquisition time
Realigned images
MPI
01.06.2015 105
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Depth-of-Interaction
(DOI)
Coincidence Response Function Depends on ring diameter, crystal length
01.06.2015 106
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crystal
light sensor
light sensor
ratio of signals
DOI
LSO
GSO crystal
light sensor
light sensor
crystal
signal shape
DOI
individual layers
DOI
Depth Of Interaction (DOI) Measurement
01.06.2015 107
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• Custom 64 element PD array identifies hit crystal
• PD/(PD+PMT) determines depth of interaction
• Photomultiplier tube provides timing pulse
LSO Array
64
Element
PD Array
1” Square PMT 1" Square Photomultiplier Tube
20mm
Array of 64 Photodiodes
64 LSO Crystals 3 mm square
1"
1"
B. Moses, Lawrence Berkeley Laboratory
LBL PET Detector Concept
01.06.2015 108
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LGSO/LYSO
GSO
Phoswich Detector – DOI
01.06.2015 109
Block detector
with pulse shape
discriminator
PMT PMT
HRRT: MPI Köln, CTI 1998
ATLAS: NIH, 2001
Light guide
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Individual read-out of
2 radial crystal layers
1.6 mm x 1.6 mm
70 mm diameter
monolithic APD Matrix
MADPET II Dual Layer Tomograph
MPI
01.06.2015 110
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• Energy resolution:
~ 15% @ 511 keV
• Time resolution: 2,5 ns
APD-Matrix
LSO Crystals (2x2x8 mm3)
APD-Matrix LSO Crystals (2x2x6 mm3)
LSO-APD-Detector Module for 2 Radial Layers
01.06.2015 111
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Small Animal PET – Systems System Res.(mm) Sens. D(mm) LZ(mm) Detector Type
RAT –PET 2.4 4.3% 115 50 BGO PMT
Sherbrooke 2.1 0.51% 310 10.5 BGO APD
TierPET 2.1 0.32% 160 – 500 40 YAP PSPMT
MicroPET P4# 2.0 1.35% 260 80 LSO PSPMT
Brussels 3.0 3.5% 200 52 BaF2 Drift Ch.
YAP-PET 2.0 1.7% 100 – 250 40 YAP PSPMT
HIDAC# 1 0.9% 100 – 200 210 MWPC
ATLAS 1.9 1.8% 118 20 phoswich§ PSPMT
Massachusetts 1.3 0.08% 120 4.5 LSO PMT
MADPET 2.30 0.035% 86 3.6 LSO APD
MADPET II 1.0 2% 71 18.1 LSO APD m.
01.06.2015 112
Sensitivity at different energy thresholds #commercial; §GSO + LGSO
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Klinikum rechts der Isar
• Anesthesia
• Preparation of animals
• Fixation of animal
• Triggering (respiration, ECG)
• Morphologic Imaging
Animal PET – Other Issues
01.06.2015 113
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Combination PET–CT
• Functional (PET) and anatomic
(CT) information
• High accuracy of coregistration
• CT- based attenuation correction
– scale HU to (511keV)
• Quantitative data
114
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PET CT
Combination PET–CT
115
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PET CT
Combination PET–CT
116
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PET CT
Combination PET–CT
117
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X-ray tube
detectores
absorber
Measured attenuation coefficients are converted to
Hounsfield-units
X-Ray CT: What is measured?
118
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water
air
pancreas
fat
lung
liver blood
heart
bones
mamma
kidney spleen
glands
3000
60
40
0
-100
-200 -900
-1000
HU
spatial resolution
clinical: < 1mm
preclinical: ~50m
What is represented in a CT-Image
01.06.2015 119
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0
0.1
0.2
0.3
0 100 200 300 400 500
Energie (keV)
/ (cm/g)
PET 511 keV CT ~70 keV
bones
tissue
tissue bones
511 keV
PET Attenuation Correction with CT-Data Kinahan 1998
01.06.2015 120
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Scale CT Image Smooth to
match PET Res. Forward project
for ACFs
CT–based attenuation coefficients
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-1000 -500 1000 1500 500 0
scale factor = 0.495
scale factor = 0.406
non-bone tissue bone-like tissue H.U.
5
11 (
cm
-1)
300 H.U. air water cortical bone
01.06.2015 121
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PET/CT
• Measurement duration CT << Measurement duration PET
• Movement?
• Respiration?
respiration protocol
triggering, gating
01.06.2015 122
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Respiratory gating system:
Image taken from http://www.jcu.edu/biology/RESP4.JPG
Pressure sensor
Patient Belt
Computer
Trigger(s)
End expiration
Gate(s)
End inspiration
List Mode
Acquisition +
Respiratory Movement PET/CT
01.06.2015 123
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3D reconstruction
FORE + OSEM
CT-based
attenuation and
scattering corrections
CT
acquisition
Fused image
Upper limit
Lower limit
Topogram
PET image
PET CT
PET/CT Standard Protocol
01.06.2015 124
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CT
PET
Combination PET – CT
01.06.2015 125
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PET/CT – Melanoma Patient
01.06.2015 126
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Klinikum rechts der Isar
Hybride MR-PET Bildgebung Onkologie • Indikationen, bei denen MRI und PET synergistisch sind
• Logistische Vorteile (one-stop-shop)
• Mehrwert durch bessere Koregistrierung, PET-Bewegungskorrektur
basierend auf MR-Signal
CUP SCC in cervical lymph node
Contrast enhanced CT MRI T1w + Gd-DTPA MR-PET image fusion
A. Beer 2010
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Klinikum rechts der Isar
System Design – „Tandem“ Design Sequentieller Ganzkörper PET-MR
Achieva 3T MRT und PET Gemini TF
(Philips)
+ Existierende Technologie verwendbar
+ Minimale Interferenz zwischen PET und
MR
Installed in Mount Sinai NY , Dec 2009
- Großer Raum
- Nicht simultan
Vor- und Nachteile :
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MR PET MR/PET
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Klinikum rechts der Isar
System Design – „Integriertes“ Design Integrierter Ganzkörper PET-MR für simultane Bildgebung
Delso et al., 2009
+ zeitliche Korrelation von PET und MR
+ multiparametrische Aufnahmen
+ MR-Bewegungskorrektur
- technisch anspruchsvoll
- neue Technologie
Vor- und Nachteile :
Technische Universität München
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Klinikum rechts der Isar
aim: simultaneous data acquisition
requirements:
No influence of MR on PET
detectors?
signal transmission?
No influence of PET on MR
magnetic materials?
detectors size?
Technology PET/MR
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Klinikum rechts der Isar
Y. Shao, S.R. Cherry et al. IEEE TNS 1997
P.K. Marsden et al. Brit. J Radiology 2002
Long light guides and PMTs
Technische Universität München
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Klinikum rechts der Isar
B.J. Pichler et al. J Nucl Med 2006
Experimental PET/MR Systems
10 x 10 LSO crystals
(2 x 2 x 12 mm3)
3 x 3 APD matrix
(5 x 5 mm2)
LSO-APD block detector
Quadrature TRX coil installed inside the PET insert
PET scanner
parameters
Crystal size
1.6 x 1.6 x 4.5
mm³
Crystal
material
LSO
Number of
detector
blocks
10
FOV axial /
transaxial 19 mm / 38 mm
Coincidence
timing
resolution
8 ns
Resolution < 2 mm
PET/MRI Preclinical System
Laboratory for Preclinical Imaging & Imaging Technology
University of Tübingen, Germany
Pichler et al.
Technische Universität München
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Klinikum rechts der Isar
Insert Design • Siemens BrainPET Prototyp innerhalb MAGNETOM TIM installiert
- 23040 LSO Szintillatoren
- 1440 APDs
- axial FOV = 19 cm
- PET Auflösung = 2.5 mm
Catana et al., MGH Boston
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Klinikum rechts der Isar
System Design – Integrierte Ansätze Siemens:
PET Detektorring zwischen HF- und Gradienten-Spulen
Philips:
„Gesplitteter“ Gradient , dazwischen PET Ring
HYPERImage
MR/PET Designs: Integrated
137
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Siemens Biograph mMR
Munich MR-PET Consortium
Departments of Nuclear Medicine and
Departments of Radiology of
Funded by
• Electrical conductivity of semiconductors can be
varied by the implantation of impurities (doping)
Avalanche Photodiodes (APDs)
• Moving charged particles, e.g.
electrons, are deflected in
magnetic fields by the Lorentz
force
PMTs cannot be used inside
an MRI scanner
Solution: Semiconductor
photodetectors
138
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
B = 0 B ≠ 0
B. Pichler et al.
Avalanche Photodiodes (APDs)
• APDs offer an alternative
to conventional photo
detectors
• Basically a p-n-junction, a
simple device made out
of two specifically doped
layers
139
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
B = 0 B ≠ 0
B. Pichler et al.
Biograph mMR
• First fully integrated whole-body MR/PET system
• Based on a clinical 3 T MR scanner
140
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
PET Detector Blocks
141
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• 8 rings with 56 detector blocks each (ø 65.6 cm,
transaxial FOV: 59.4 cm, axial FOV: 25.8 cm)
• Each detector block contains:
• 8 x 8 LSO crystals (4 x 4 x 20 mm3)
• Crystal read-out by 3 x 3 APDs
• Cooling channels
• Pre-amplifiers, etc.
• Total number of
• detector blocks: 448
• crystals: 28,672
• APDs: 4,032
Courtesy of Siemens
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Klinikum rechts der Isar
Attenuation Correction in PET
18F-FDG PET not
corrected for attenuation
Attenuation Correction
Standalone PET
PET/CT
PET/MR
?
18F-FDG PET corrected
for attenuation
Segmentation-based attenuation correction using Dixon imaging
fat image water image
PET NAC PET AC u-map
in phase opposed phase
MR based attenuation correction
Avg ∆SUV lesions: 2.3% Segmented dual-echo Dixon MRI vs. CT
CT-based AC
MRI-based AC
MR MR
Seg CT
Martinez-Möller A, Nekolla SG, et al.; JNM 2009
The method based on segmentation is fast and reliable.
Some bias (5-13%) for osseous lesions.
MR-based AC: Dixon imaging for fat/water separation
Potential new artifacts by MR-AC Patient with hip prosthesis on left side; artifacts misinterpreted as air
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Klinikum rechts der Isar
MR based attenuation correction
Atlases and pattern recognition
Coregistration to MR atlas
+ bones detected
- errors in coregistration?
- large differences in patients?
Hofmann et al. Eur
J Nucl Med 2009 Schreibmann et al. Med Phys 2010
Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
PET/MR Quantification Challenges
Limited MR FOV Attenuation in coils
Correction needed
based on PET data
Include coil models in attenuation maps
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Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
• Nuclide: -emitter
• Scintillation detector: -energy pulse height
• Gamma camera: 2D distribution, projection
• Tomography: slices without overlap
• PET: coincidence electronic collimation
Nuclear Medical Imaging
01.06.2015 148