Bitte wählen Sie:

Universitätsklinikum Essen
Direkteinstieg:
Lehre

Kurse

Kursskript:

  • Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung und Strahlenschutz
  • Nuklearmedizin
  • Grundlagen der Nuklearmedizin
  • Prinzipien

Die Nuklearmedizin diagnostiziert oder therapiert funktionsorientiert. Es werden Radiopharmazeutika verwendet um physiologische oder pathologische Funktionen oder Eigenschaften von Zellen darzustellen.

Die Ansatzpunkte sind dabei vielfältig. Es können z.B. der Transport in die Zelle untersucht werden (Schilddrüsenszintigraphie), die Verstoffwechselung (MIBG-Szintigraphie), die Rezeptorendichte (Somatostatin-Rezoptorszintigraphie, IBZM-SPECT), der Blutfluss (Myokardszintigraphie, oder die Volumenstromverteilung (Lungeninhalationsszintigraphie). Voraussetzung für die nuklearmedizinische Untersuchung oder T herapie ist stets das Verständnis der Pathophysiologie, die Identifizierung eines geeigneten Biomoleküls und die Möglichkeit, diese oder ein Analogon radioaktiv zu markieren.
Heute werden meist Bilder der Aktivitätsverteilung (Szintigramme) angefertigt. Die relative Anreicherung in den Szintigrammen lässt sich quantifizieren und korreliert oft mit der relativen Funktion. Bei einigen Untersuchungen (z.B. Nierenclearance) ist es auch möglich, die absolute Funktion zu messen. Die nuklearmedizinische Diagnostik unterscheidet sich also grundlegend von den sonstigen morphologisch orientierten, bildgebenden Verfahren.

Die verwendeten Radiopharmaka werden inkorporiert (meistens injiziert) und nehmen meist am Stoffwechsel teil. Die Markierung erfolgt häufig vor Ort im Kontrollbereich der Nuklearmedizin. Die Markierungsnuklide sollen bezüglich der Halbwertszeit der Untersuchungsdauer angepasst sein (ideal: Halbwertszeit ähnelt der Gesamtuntersuchungsdauer). Die Untersuchungsdauer wird von der Physiologie oder Pathophysiologie der zu untersuchenden Stoffwechselvorgänge vorgegeben. Im Interesse einer niedrigen Strahlenexposition für den Patienten wird von dem Markierungsnuklid weiterhin gefordert, daß es ein ausschließlicher oder überwiegender- Gamma-Strahler (z.B. 99mTc) ist und daß die Energie möglichst im 100 keV Bereich liegt. Energien deutlich unter 100 keV führen zu einer hohen Absorption im Körper, hohe Energien bedeuten auf der einen Seite eine erhöhte Strahlenexposition und auf der anderen eine Abnahme der Bildqualität infolge der Eigenschaften der Messgeräte (z.B. Gammakamera). Besonders bewährt haben sich aus den genannten Gründen das metastabile 99-Technetium (99mTc) für kürzere Untersuchungsdauern (ca. 0,5 bis 10 h, bis maximal etwa 24 h) und 111-Indium [111In] für Untersuchungen im Bereich weniger Tage. Für länger dauernde Untersuchungen, im Bereich von 1 bis 2 Wochen wird 131-Jod [131I] verwendet, obwohl es als überwiegender b-Strahler für die Diagnostik wenig günstig ist. Es gibt jedoch kein geeignetes Nuklid für diesen Zeitraum. Hinzu kommt, daß die Jodierung vieler Biomolekule vergleichsweise einfach ist. In der Therapie ist eine hohe Strahlenexposition in der unmittelbaren Umgebung der Aktivitatsanreicherung erwünscht. Daher sind reine b-Strahler ideal. Eine zusätzliche geringe g-Komponente ermöglicht die optimale Darstellung der Verteilung des Therapienuklids. Diese Bedingungen sind bei 131I ausreichend erfüllt.

Einige gebräuchliche Nuklide sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Nuklidgenerator
Künstliche Radionuklide werden durch Bestrahlung von Atomkernen mit Neutronen im Kernreaktor oder im Zyklotron durch Beschuß meist mit Protonen, Deuteronen oder Alphateilchen erzeugt. Dabei entstehen meist angeregte neue Kerne (Isotope) mit ihren charakteristischen Eigenschaften wie Energie der Anregungsniveaus (= charakteristische Strahlenenergie) und Halbwertzeit.
Während angeregte Kernzustände üblicherweise sehr kurzlebig sind (ps, ns), kommen selten auch langlebige (µs) oder extrem langlebige, sog. metastabile angeregte Zustände eines Kerns auf (z.B. 99mTc – nach korrekter Nomenklatur eigentlich 99Tcm – mit 6 Stunden Halbwertszeit. Zum Beispiel zerfällt 99Mo (Molybdän) mit hoher Wahrscheinlichkeit erst zum 99mTc, was dann unter Abgabe von Gammaquanten weiter zu 99Tcg (g = Grundzustand) zerfällt.

Diese Eigenschaft kann zur Herstellung eines Radionuklidgenerators genutzt werden. Verwendet wird das im Kernreaktor erzeugtes Mutterradionuklid 99Mo mit einer HWZ von einigen Tagen, das zu einem kurzlebigen Tochternuklid zerfällt. Am häufigsten wird der Molybdän-Technetium-Generator benutzt (siehe Abbildung).

Er besteht aus einer Anionenaustauschersäule, an die das Mutternuklid 99Mo (HWZ 66h) gebunden ist. Es zerfällt zu 99mTc (HWZ 6h), das als Technetiumpertechnetat (99mTc04-) keine Affinität mehr zur Säule hat und mit physiologischer Kochsalzlösung ausgewaschen wird. Nach dem Auswaschen (Eluation, „Melken“) bildet sich wieder neues, radioaktives 99mTc, das natürlich nach seiner Entstehung mit der charakteristischen Halbwertszeit zerfällt. Daher dauert es eine Weile, bis der Generator erneut eluiert werden kann. Nach etwa 3 Halbwertszeiten, hier 18 Stunden, hat sich ein Gleichgewicht zwischen Entstehung und Zerfall eingestellt. Dann ist die maximale Aktivität erreicht, die bei einer Eluation gewonnen werden kann. Das metastabile 99mTc ist als kurzlebiger (HWZ 6h) und jederzeit verfügbarer Gammastrahler mit einer für die Szintigraphie günstigen Quantenenergie (140 keV) für die nuklearmedizinische Diagnostik gut geeignet. Die Technetiumchemie ist schwierig, das Nuklid 99mTc jedoch so attraktiv, dass inzwischen die Entwicklung unterschiedlicher 99mTc-markierbarer Substanzen erfolgt ist, die die Untersuchung zahlreicher Organe und Funktionen ermöglichen. Dank der kurzen Halbwertzeit ist die Strahlenexposition des Patienten gering. Das 99Tc ist als Zerfallsprodukt des 99mTc zwar auch noch radioaktiv, doch zerfällt es mit einer HWZ von 200.000 Jahren, so daß nur sehr wenige der inkorporierten Atome noch zu Lebzeiten des Patienten zerfallen. Die im Rahmen einer Untersuchung mit 99mTc-markierten Radiopharmaka zugeführten 99Tc-Radioaktivität beträgt nur etwa 1 Bq und ist damit vernachlässigbar gering.

Zyklotron- und Kernreaktor-Produkte
z.B.: Zyklotron 18F, 123I; Reaktor 99Mo, 131I

Szintigraphie
Arten der Szintigraphie
statisch oder dynamisch
planar oder tomographisch
tomographisch: Single Photonen Emissions Computer Tomographie (SPECT) oder
Positronen-Emissions-Tomographie (PET) (Koinzidenzmessung <ß> „single“)

Gamma-Kamera
In der praktischen Ausführung verwendet man jedoch statt einer Lochblende einen mit vielen Löchern versehenen Kollimator. Eine Gammakamera („Anger“-Kamera nach dem Erfinder) besteht aus einem Kollimator, einem Szintillationskristall mit Photovervielfachern (Photomultiplier) und anschließender Auswerteelektronik. Der Kollimator ist im Prinzip eine Bleiplatte mit sehr vielen dünnen, parallelen Löchern, die nur die parallel zu diesen „Röhren“ auftretenden g-Quanten durch lassen. Damit wird hinter der Kollimator das Bild einer vor ihm befindlichen Radioaktivitätsverteilung erzeugt. Direkt hinter dem Kollimator befindet sich eine sehr große Scheibe eines Szintillationskristalls (z.B. 50 cm Durchmesser, 1 bis 2 cm dick). Die von einem auftreffenden g-Quant erzeugten Lichtblitze werden von den einzelnen Photomultipliern mit unterschiedlicher Intensität registriert und aus den Intensitätunterschieden wird der Ursprungsort abgeleitet. Heutzutage erfolgt sind Gammakameras in der Regel volldigitalisiert.

Bei der g-Kamera werden abhängig von der Aufgabenstellung unterschiedliche Kollimatoren verwendet.


SPECT-Kamera
Single-Photon-Emission-Computer-Tomographie (SPECT) ist ein Verfahren zur Abbildung der Radionuklidverteilung in mehreren Schichten des Körpers. Im Prinzip besteht eine SPECT-Kamera aus einer, zwei oder mehr Szintillationskameras. Die Aufnahme eines Szintigramms geschieht ähnlich wie bei der Computertomographie. Eine oder mehrere Szintillationskameras rotieren um den zu untersuchenden Körperbereich, meist 180° oder 360°. Die Kameras nehmen die Intensität der Gammastrahlung auf und mit Hilfe eines Rechners werden daraus planare Szintigramme erstellt und gespeichert.
Das Ergebnis einer SPECT-Untersuchung ist eine Anzahl von Schnittbildern aus einem Organ. Die Untersuchung mehrerer Schichten eines Organs kann aber bis 40 Minuten dauern und man muss eine quasistationäre Verteilung der Radioaktivität voraussetzen, d.h. die radioaktiven Isotope sollten solange im Organ verweilen. Deshalb können schnell verlaufende Stoffwechselvorgänge mit einer konventi–onellen rotierenden SPECT-Kamera nicht erfasst werden.

PET-Kamera
Positronenstrahler sind Nuklide, die unter Aussendunge eines Positrons zerfallen. Das Positron ist die Antimaterie des elektrons. Wenn sich die beiden treffen, zerstrahlen sie unter Emission von Vernichtungsstrahlung, 2 Photonen von jeweils 511 keV, die in genau entgegengesetzte Richtung ausgesendet werden. Mißt man diese beiden gleichzeitig (in Koinzidenz) läßt sich damit die Linie festlegen, auf der der Zerfall stattgefunden hat. Eine PET Kamera besteht aus einer sehr großen Anzahl einzelner kleiner Detektoen. Diese sind auf Ringen um den Patienten angeordnet. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit werden mehrere solcher Ringe nebeneinander montiert. Eine moderne PET-Kamera verfügt über 10.000 bis 100.000 Detektoren und deckt ein Sichtfeld von 15 – 20 cm der Körperachse ab. Im Ergebnis erzeugt eine PET-Kamera ein 3-dimensionales Bild der Positronenstrahlerverteilung im Patienten. Durch zusammenfügen mehrere Untersuchungsabschnitte läßt sich problemlos ein Ganzkörperbild erzeugen. Eine PET-Untersuchung dauert üblicherweise 30 bis 60 Minuten.

  • Schilddrüse
  • Grundlagen

Die Resorption von Jod aus der Nahrung findet im Dünndarm statt. Dieses wird von der SD durch einen aktiven, enzymatisch kontrollierten Prozeß an der Basalmembran der Follikelzelle aufgenommen (Jodination), der durch TSH-stimuliert wird. Dem gleichen Mechanismus unterliegen auch Brom, Pertechnetat und Perchlorat (kompetitiv).
In der Follikelzelle erfolgt die Jod-Oxidation durch die Peroxidase zu elementarem Jod, welches ins Thyrosin eingebaut wird (Jodisation). Thyreostatika wieThiamazol, Carbimazol und Propylthiouracil hemmen die Peroxidase und somit die Jod-Oxidation und Thyrosin-Einbau.
Die Regulation der SD-Funktion erfolgt durch den Hypothalamus und die Hypophyse mit negativer Rückkopplung.

Funktionsdiagnostik (Szintigraphie)
Mit 99mTc–Pertechnetat i.v. Umschriebene Mehranreicherungen: autonomes Adenom, selten: hochdifferenziertes Ca. Umschriebene Minderanreicherungen: Hypofunktionelles Adenom, Zyste, Carzinom. Erhörter Globaluptake: Autoimmunhyperthyreose, Thyreoiditis (passager),
iatrogen (z.B. Thyreostatika-Gabe). Erniedrigter Globaluptake: Schilddrüsenhormonbehandlung, Jodkontamination, Autoimmunthyreoiditis, kleine Restschilddrüse nach Therapie

SD-Karzinom:
Epidemiologie: Ca. 1 % der malignen Tumore, Inzidenz 3 pro 100000/Jahr,
Frauen doppelt so häufig wie Männer.
Klassifikation:
Papillär (F/M ca. 3/1, 10 Jahre Überlebensrate* 80-95%)
Follikulär (F/M ca. 2,5/1, 10 Jahre Überlebensrate* 50-70%)
Medullär(C-Zell-Ca, F/M ca. 1/1, 10 Jahre Überlebensrate 60-70%)
Anaplastisch (F/M ca. 1/1, Überlebensrate ca. 2 Mon.)
* nach Literatur, eigene Erfahrung sind günstiger

Skelettszintigraphie
Einige Indikationen:
Metastasensuche, maligne/benigne primäre Knochenerkrankungen, Osteomyelitis, postoperative Folgezustände (z.B. nach Endoprothesenimplantation), Trauma, rheumatische / degenerative Erkrankungen

Physiologisches Prinzip:
99mTc markierte Phosphonate werden an Hydroxylapatit angelagert und nehmen am Knochenstoffwechsel teil (ständiger Knochenabbau durch Osteoklasten und Aufbau durch Osteoblasten). Dabei wird das Technetium im Bereich der Mineralisationsfront abgelagert und verbleibt dort zumindest für die Zeit der Untersuchung. Zur überlagerungsfreien Darstellung Einsatz der SPECT (z.B. Schädel, Wirbelsäule, Becken).

Lungenszintigraphie
Einige Indikationen:
Frische Lungenembolie, vor Strahlentherapie oder Resektion eines Lungenflügels

Physiologisches Prinzip:
Ventilation der Lunge mit radioaktivem Gas bzw. Inhalation gasähnlicher Radiopharmaka.
Perfusion (Durchblutung) der Lunge mit 99mTc-markierten Albuminpartikeln, die etwas größer als der Durchmesser einer Lungenkapillare sind und so zur reversiblen Mikroembolisation führen (ca. 1 von 10.000 Lungenkapillaren, Rekanalisation von Stunden).

Herzbinnenraumszintigraphie
Einige Indikationen:
Messung der linksventrikulare Ejektionsfraktion (z.B. bei cardiotoxischer Chemotherapie) und regionaler Wandbewegungsstörungen

Physiologisches Prinzip:
Markierung der Erythrozyten; die gemessenen Impulse sind den intraventrikulären Blutvolumina proportional. Getriggerte szintigraphische Aufnahmen. Hunderte Herzzyklen werden synchronisiert aufaddiert. Der Herzzyklus wird z.B. in 16 Zeitaschnitte zerlegt und die Zeitaktivitätskurve generiert und ausgewertet.
Linksventrikulare Ejektionsfraktion= (EDV-ESV)x100/EDV [%]

Myokardszintigraphie
Einige Indikationen:
koronare Herzkrankheit
(reversible belastungsinduzierte Ischämie, Narben, Vitalitätsnachweis, Therapie-kontrolle)

Physiologisches Prinzip:
Die Myokardszintigraphie wird mit myokardaffinen Substanzen wie dem 99mTc-markierten Methoxyisobutylisonitril (MIBI) oder mit 201Tl-Chlorid durchgeführt. MIBI, ein lipophiles Kation, reichert sich nach i.v.-Injektion wegen seines großen negativen transmembralen Potentials vorwiegend in den Mitochondrien an. Das Verteilungsmuster ist hierbei abhängig von der regionalen Durchblutung des Myokards mit verminderter Anreicherung in schlechter perfundierten Arealen. Die Substanz zeigt auch bei Absinken der Konzentration im Blut keinen nennenswerten Auswascheffekt. Das Kaliumanalogon 201Tl reichert sich ähnlich wie Kalium im Myokard (4-6 %) und in anderer beanspruchter Muskulatur an, wahrscheinlich aktiv über das Na-K-ATPase-System. Da Thallium nicht fest in den Muskelzellen gebunden ist, kommt es hier bei sinkender Blutkonzentration zu einem Auswaschen der Aktivität aus dem Muskel. Hierbei wird ein dynamisches Gleichgewicht zwischen ständigem Ein- und Ausstrom angestrebt, das jedoch nur bei guter Durchblutung erreicht wird. Kurz nach Applikation zeigen gut perfundierte Areale eine starke Anreicherung, während ischämische Bezirke erst langsam Aktivität akkumulieren. Fällt die Blutkonzentration, kommt es zu einem Ausstrom eines Teils der Aktivität aus dem besser perfundierten Myokard, wohingegen die ischämischen Anteile durch den schlechten Blutaustausch und den geringen Konzentrationsgradienten ihre Aktivität nur langsam wieder abgeben. Szintigraphisch kommt es durch diesen Effekt nach einigen Stunden zu einer allmählichen Umverteilung im Anreicherungsmuster zugunsten der minderdurchbluteten Areale, der sogenannten Redistribution. Durch eine weitere Tl-Injektion (Reinjektion) nach einigen Stunden unter voller antianginöser Therapie kann man durch eine Erhöhung der Blutkonzentration eine verbesserte Anreicherung in chronisch-ischämischem, aber noch vitalem Myokard erreichen. 201Tl ist somit nicht nur zur Perfusions-, sondern auch zur Vitalitätsdiagnostik am Herzmuskel geeignet. Ein entscheidender Nachteil von 201Tl gegenüber 99mTc-markierten Verbindungen sind die ungünstigeren Zerfallseigenschaften (lange Halbwertzeit, mehrere Übergangsenergien, Untergrund durch Comptonstreuung). Wegen der vergleichsweise hohen Strahlenexposition, können nur relativ kleine Aktivitätsmengen verabreicht werden, was zu verrauschten Bildern führt. Verwertbare Bilder bei der Myokardszintigraphie mit 201Tl müssen mit der mit Abstand höchsten Strahlenexposition aller Untersuchungen in der nuklearmedizinischen Diagnostik erkauft werden. Daher wird heute bei der wichtigsten Indikation zur Myokardszintigraphie (zur Frage einer belastungsinduzierten Ischämie) in der Regel dem MIBI der Vorzug gegeben. Die Myokard-Vitalitätsdiagnostik bei 99mTc-MIBI Szintigraphie erfolgt mittels einer PET Untersuchung mit [18F]Fluorodeoxyglucose.

Niere (Radionuklidnephrographie = RNG)
Einige Indikationen:
Nierenfunktion, Clearance, seitengetrennte Funktion, Harnabflußstörung, Reflux, Nierenarterienstenose, Narben

Physiologisches Prinzip:
99mTc-DTPA Perfusion, glomeruläre Filtration
99mTc-MAG3 Tubuläre Sekretion
123I-Hippuran Tubuläre Sekretion
99mTc-DMSA Tubuläre Fixation

Verfügbare PET Tracer
18F-FDG: Darstellung des Glukosemetabolismus.
Anwendung: Hirntumoren, Demenzen, Epilepsie.
(15O)H20: Darstellung der zerebralen Perfusion.
Anwendung: Zerebrovaskuläre Erkrankungen, Aktivierungsstudien.

PET und SPECT-Tracer
Multiple andere, die die Benzodiazepinrezeptoren, dopaminergen Rezeptoren
Serotinerge System oder den Aminosäurentransport (Tumoren) darstellen
Oder die Hirndurchblutung

Therapienuklide, - Radiopharmazeutika
131Iod (z.B. Schilddrüsenautonomien, M. Basedow, Strumaverkleinerung, differenzierte papilläre/ follikuläre Schilddrüsenkarzinome)
[131I]Meta-Jod-Benzylguanidin (Vorläufer des Katecholaminstoffwechsels, z.B. Phäochromozytom, Neuroblastom)
32Phosphor (Polycythämia z.B. vera)
90Yttrium (intrakavitäre Therapie: z.B. artikulär, peritoneal, pleural)
89Strontium (palliative Therapie bei osteoblastischen Skelettmetastasen)

Literatur:
Büll U, Schicha H, Biersack HJ, Knapp WH, Reiners C, Schober O. Nuklearmedizin. 3. Auflage Stuttgart, New York: Thieme 1999.
Schicha H, Schober O.
Nuklearmedizin Compact Lehrbuch.
3. Auflage Stuttgart: Schattauer 1997.