Nukl

Question 1

Gamma Kamera

Answer 1

Kollimator (Anforderungen):

• Material mit hoher Ordnungszahl Z
• Schwächungslänge: für Kollimator, je kürzer, desto besser
• Formen, Wanddicke: Hexagonal, rund, 4-eckig, Schlitz —> bestimmen Effizienz und räuml. Auflösung
• Orientierung der Löcher: parallel (Organe könnten Überlappen, Form des Bildes nicht von Distanz abhängig), schräg, divergent: Objekt wird kleiner, und konvergent:Objekt wird größer (von Kamera zu Patient)
• Multi(Pinhole): invertiertes vergrößertes Bild —> Challenge: Überlappung von versch. Größen., Auflösung verschlechtert sich bei zunehmender Distanz und größerer Löcher und kleinerem Septa
• effektive Länge ist abhängig vom Isotop

Szintillator (Umwandlung von Gamma-Photonen in Lichtphotonen):
- Lichtführung zur Verteilung der Lichtphotonen an PMTs
- Signale können überlappen
Je schwächer Szinti-Licht, desto mehr Signale verlieren wir

Light-Guide (Lichtsammlungseffizienz/Uniformität verbessern):
Kein muss
- verteilt und lässt Lichtphotonen durch zu PMT (weit verteilt auf PMT
Anordnungen)

PMT (Umwandlung der Lichtphotonen in Elektronen (Strom) und Verstärkt Signal)

Question 2

Unterschied parallel zu Pinhole/Fanbeam Kollimator ?

Answer 2

Pinhole/Fanbeam Kollimator —> Distanz hat Einfluss auf Effizienz

Question 3

Detektorelektronik von PMT zu Eventpositionierung

Answer 3

Augang PMT —> Vorverstärker —> Analog-zu Digital Umwandler digitalisiert Signal —> Signal
Prozessoreinheit —> Event Positionierung

Question 4

Energie eines Events ?

Bestimmung des Ortes der Gammastrahlinteraktion ?

Nachteil der Ortbestimmung?

Answer 4

… ist proportional zur Summe von allen PMT-Ausgangssignalen

Ort der Gammastrahlinteraktionen wird mit der Verteilung der Signalamplitude in den PMTs geschätzt.
Amplitude verkleinert sich mit Erhöhung der Distanz.
- Formel: Center of gravity (Anger-Logic) —> keine Tiefeninfo

Question 5

Radionuklide, Radioaktivität

Answer 5

Wahrscheinlichkeit, dass k=n*Zerfälle innerhalb Dt Intervall auftreten ist durch Wahrscheinlichkeitsverteilung gegeben:

Binomial (Erfolgswahrscheinlichkeit ändert sich nicht von einem zum nächsten Versuch)—> Poisson —> Gaussian (Normalverteilung)

Binomial kann durch Poisson angenähert werden und poisson kann durch Gaussian angenähert werden.

Zerfall eines Kerns ist unabhängig von Zerfall anderer Kerne in der Probe.
Alle Atome in der Probe sind identisch/unabhängig

Atomabhängig ob binomialer oder poissonscher Zerfall (also ob zu kurzer Zerfall)

Question 6

Szintillationsdetektoren

1. ) Komponenten
2. ) Detektion der Strahlung Abfolge

Answer 6

• Szintillationskristall, PMTs
  1. ) Szintillator absorbiert ionisierte Strahlung und produziert Licht-Photonen = Szintillationslicht
  2. )PMT wandelt Licht-Photonen in elektrischen Strom

Blockdetektor, verpixelte Detektoren mit Lichtteilung in PMTs und eins-zu-eins-Kopplung

Andere Detektortypen:

• Halbleiterdetektoren
• Proportionale Gaskammern

Question 7

Szintillatoren:
Intrinsische Energieauflösung

Dichte, effektive Ordnungszahl Z

Fotobrechung

Signalzerfall Zeit

Answer 7

Fotoumwandlung soll so linear wie möglich sein —> Ideal: # Scintillationsphotonen sollte
proportional zur Energie durch eingefallene strahlung in den Scintillator
- Hohe Energie-Auflösung —> um Streuung zu verwerfen: Energie durch Compton ist kleiner als
durch Photoeletrischen effekt

Z: Material für PET sollte dicker, da höhere Energie (511 keV)
Bei SPECT,Scint: 140 keV bei Tc

Hohe Fotobrechung ist gewollt(Absorbtion)

Kristalle sollten schnell sein —> Szintillationslicht sollte direkt nach Photonenwechselwirkung emittiert werden.

Question 8

Photodetektoren

PMTs: KOmponenten

Answer 8

Avalanche (APD), SilikonPM, PMTs

PMTs: produzieren Strompuls, wenn durch sehr schwache Lichtsignale stimuliert wird

• Kathode: hohe Quanteneffizient erreichen!
  Fokussierendes Gitter lenkt Photoelektronen zur ersten Dynode
• Dynoden: erste Dynode, die eine positive
  Spannung besitzt (atraktiv für Elektronen)
  Dyonodenmantelung sollte hoch-sekundäre Emissionen hervorbringen —> Exponentialer
  Prozess
  Und Unterschiede der Spannung
  Beispiel: Multiplikationsfaktor 5 mit 10 Dynoden: 5^10
• Anode: große Ströme werden gesammelt —> der Strom ist prop. Zur Intensität des
  Lichsignals
• Hochspannungsversorgung

Question 9

Energieauflösung vom PMT

Answer 9

Verwischung des Spektrums durch statistische Variationen

…

Question 10

Wechselwirkungen von Strahlung mit Marterie

Answer 10

Wechselwirkungen können im Patient und im Detektor (Gammakamera) auftreten:

Photoelektrische Absorption (Photon verschwindet und stößt Elektron raus bevorzugt und Compton Streuung nicht (keine doppelte Wechselwirkung mit dem Photon)
—> Sekundärelektronen treten bei beiden auf
Penetration des Septa’s nicht erwünscht, aber photoelektrische Absorption —> hohe Ordnungszahl)

Nicht relevant in klassischer NUKL:

• Paarproduktion
• raleigheffekt ( Kohärente Streuung)

Question 11

Szintigrafie

Answer 11

Patient erhält 99mTc(Technetium)

Man erhält ein Planares 2D-Bild —> keine Tiefenunterschiede der Pixel möglich
Datenaufnahme über
- Frame-Mode
- List-Mode

Szintigramm: Rohbild (Pixelintensität entspricht die Anzahl der Gamma-Photonen deren geschätzte Wechselwirkungsposition innerhalb des Pixels liegt)

Matrixgröße ist ein Kompromiss zwischen Auflösung und Rauschen —>
64x64: verschwommener Effekt
256x256: mehr Rauschen (wenig Photonen pro Pixel, Poisson-verteilt in einem Pixel)
Ortsauflösung: Pixelgröße nach SamplingTheorem!
Pixelgröße<=(FWHM der PSF)/2

Question 12

SPECT

Answer 12

Single-Photon-Emissions-Tomografie

Patient erhält 99mTc(Technetium) wie bei Szinti.

Ergänzung zur planeren, konventionellen Szintigrafie

2D/3D tomografische Verfahren —> tomografische Rekonstruktion

Einzel/mehrere um den Körper rotierende Kameras —> Schichtaufnahme —> Verteilung des Radiopharmakons genauer lokalisierbar

—> Fusion mit CT: strukturelle UND funktionelle Infos gleichzeitig

• Einfachstes SPECT-Gerät:
  Single-head gamma Kamera rotiert um Patient 360° —> Bei jedem Winkel wird eine 2D-Projektion erhalten.

Question 13

PET

Answer 13

Radiopharmaka im Zyklotron (Kreisbeschleuniger) hergestellt.
—> 18F-FDG: mit 18F markierter Traubenzucker in Patient
Substanz gelabelt mit Positron(durch Beta+Zerfal)-emittierendem Radionuklidtracer

Elternnuklid ist Protonenreich(instabil) —> beta+Strahlung —>Neutron+Positron+Neutrino
Positron Trift auf Elektron —> 2 GammaPhotonen

Question 14

Analytische Bildrekonstruktion

Answer 14

…

Question 15

Iterative:
Algebräische
Statistische Bildrekonstruktion

Answer 15

FBP

(ML)EM: Optimierungsalgo. einer likelyhood Statistik (ML)
- Schätzung finden: Algo., der nach dem Maximum sucht: Iterative Prozeduren, die Sequenz von Bildschätzungen produzieren.
—> generell: f(k+1)=f(k)+t Delta(f(k))

• ML-Kriterium:
  Die “beste Lösung” f ist definiert als das Bild, bei dem die gemessenen Daten mit der größten Wahrscheinlichkeit erkannt worden wären.

Likelyhoodfunktion L(f)=p(y/f): Wahrscheinlichkeit der Messung des Zufallsvektors y bei einer (unbekannten) Aktivitätsverteilung f und einem Poisson-Datenmodell

Question 16

SPECT- INstrumentation

Answer 16

…

Question 17

SPECT - Bildentstehungsmodell

Answer 17

..

Question 18

SPECT - Trends

Materialien

Answer 18

• Bestimmte HerzuntersuchungsSysteme
• Ganzkörpermassagen SPECT-CT Hochempfindlich

Cadmium Telluride

Question 19

Radioaktivezerfallskette

Was der Generator

Answer 19

3-Kern-Kette: Elternteil P —> Beta-Zerfall —> Tochter D (Radionuklid)—> Gamma-Umwandlung —> Tochter D —> Beta-Zerfall —> Nuklid

Tochternuklide werden im Generator hergestellt und alle 24h herausgelöst, um Wirkungsgrad des Generator zu erhöhen.

Question 20

Was macht das Energiefenster?

Answer 20

• sorgt dafür, dass man nur Signale, die in einem bestimmten Energieintervall liegen detektiert, da wenn kleinere Energien detektiert werden, die durch Compton zustande gekommen sein könnten.
• Es schränkt den Streuungswinkel der gestreuten Photonen ein.
• Je kleiner, desto besser, aber nicht zu klein, um nicht zu wenig Photonen zu detektieren.

SPECT: schwerer gestreute Photonen abzuschotten, da wir generell niedrigere Photonenenergien haben und diese sich durch die Streuung nur gering verändern.
PET: höherer Energieunterschied von E0 und E1min.

—> hohe Wsl für Streuung bei kleinere Streuungswinkel
—> Atome mit mehr Elektronen (Blei) weisen einen höheren Photoelektrischen Effekt-wsl als Compton Streuung auf.
Compton höher bei Wasser als bei Knochen

Question 21

Elastische und unelastische Kollisionen

Cherenkov Effekt?

Answer 21

Unelastisch (nahe und distante): geladenen Teilchen verlieren kinetische Energie —> Energieübertragung

Elastisch: kein Energieverlust, nicht relevant für Strahlungdetektion

Energieverlust durch Strahlungsprozesse
1.)—> Ablenkung des Elektrons —> X-Ray (bei CT und Radiografie/Therapie

2.) Cherenkov: elektromagnetische Strahlung wie akustische Schockwelle produziert (Elektron schneller als Licht durch Materie —> konstruktive Interferenz —> Emmission von Strahlen und Medium wird polarisiert
—> in Medizin: Visualisierung von Radioisotopen, die über Beta(minus)-Zerfall zerfallen und durch große Energiefreisetzung gekennzeichnet, und Radiotherapie

Question 22

Annihilation (nicht Paarproduktion)

Positronrange

Answer 22

Wenn ein subatomares Partikel mit Antipartikel zusammenprallt —> beide verschwinden —> Energie wird frei, 2 co-lineare Photonen entstehen

E=(me+ + me-)c^2= 2x511 keV

PET: Positron-Elektron-Vernichtung relevant

Positron nach Betazerfall (bei PET oder Paarproduktion) emittiert

Positronrange:
Elektron (geladenes Teilchen) durch Marterie —> Spur von Sekundärelektronen und ionisierte Atome werden hinterlassen
Elektronen und Positronen können mehrere Kollisionen/Wechselwirkungen erfahren —> unvorhersehbare Wege
Bereich: Position wo emittiert und wo sie vernichtet (Strahlung) werden

Question 23

Elektrisches Rauschen

Answer 23

In PMTs
statistische Prozesse: Emission der Szintillatorphotonen und sekundären Elektronen an Dynoden

Für Photon in N Phasen (Dynoden in PMT): M=Anzahl der gesammelten Elektronen in der Anode ist eine zufällige Variable —> Kettenprozess
—> erste Dynode sehr relevant: Spannung sollte stabile sein —> sonst mehr Schwankungen in der konstanten Energie
Spannung nimmt zu in Dynoden von 1 nach 2 nach 3 nach… Anode

Question 24

Szintigrafie - Bildwiederherstellung

Answer 24

Projektionsbild durch Kollimator —> zur direkten Diagnose genutzt, aber kann mit Rekonstruktionsalgos verbessert werden —>
- Rauschunterdrückung mit Entrauschfilter
- iterative Wiederherstellung: (iterative Annäherung):
f(Messungen)=A(PSF-Effekte)f(wahr)
- KI
- Deep CNN

Bildformationsmodell mit geschwächtem Radonintegral für parallel Kollimatoren

Question 25

Szintigrafie - Bild verschlechternde Effekte

Answer 25

Wahre Events:
Gammastrahl parallel zum Kollimator und durch Loch, im Szintillator absorbiert (photoel. Effekt) —> Energie im Photopeakfenster zu sehen

1. Detektorstreuung: Compton im Kristall (erhöht stat. Rauschen, da Gammastrahl nicht mehr im Energiefenster und deshalb ignoriert —> weniger Photonen detektiert)
2. Gestreutes Photon Wechsel wirkt nochmal mit im Kristall —>
   - Compton löst photoel.Effekt aus: wenn im Photopeak —> Photon ist mispositioniert YammaStrahlenergie= Comptonstrahlungsenergie+photoel.effektenergie=Edep
   - Compton löst nochmal Compton aus: entweder ignoriert oder mispositioniert —> YammaStrahlenergie= Comptonstrahlungsenergie1+ Comptonstrahlungsenergie2
   - Streuung im Septa
3. Objektstreuung (Hauptquelle): System mit hoher Energieauflösung würde Verschlechterungen verringern
4. Septale Penetration —> Material mit hoher Stoppkraft
5. Je dicker Kristall, desto schlechter Auflösung, da Lichtausbreitung höher

4.

Question 26

Szintigrafie - Zählratenperformanz

Answer 26

Pulsauflösungszeit= Todzeit: nötige Zeit, um detektiert es Event zu verarbeiten.
Sonst überlappen Signale und können nicht unterschieden werden —> Zählverlust und Bildverzerrung

Question 27

Statistische Rekonstruktionsverfahren - Systemmatrix A

Optimierungskriterium?

Af(Schlange)?

Answer 27

Matrixelement: Wahrscheinlichkeit, dass ein im Messelement i erkanntes Ereignis innerhalb des von Bildelement j umfassten Bereichs ausgesendet wurde.

PET:
Wahrscheinlichkeit, dass die beiden in LOR i entdeckten Annihilationsphotonen in dem Bereich emittiert wurden, der von Bildelement j umfasst wird.

Das Optimierungskriterium zielt in der Regel auf die Maximierung der Konsistenz zwischen den gemessenen Daten y und dem rekonstruierten Bild f.

Af: Erwartungswert der Messung für eine durch f beschriebene Aktivitätsverteilung und eine durch A beschriebene Systemreaktion.

Question 28

FBP vs. Statistische MEthoden

Answer 28

Statistische Iterative Techniken erlauben Datenmodelle und Systemantwortmodelle in die Rekonstruktion mit einzuschließen

Analytische (FBP) —> es müssen oft viele Annahmen gemacht werden, die in die Emissionstomografie oft nicht passen: zb. Kein Rauschen,…Projektionsdaten über 180° bekommen, sonst verzerrte Bilder