Untersuchung zur gegenseitigen Beeinflussung eines kombinierten

39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Untersuchung zur gegenseitigen Beeinflussung eines
kombinierten SPECT-CT Kleintierbildgebungssystems
Thomas Kriesche, Liji Cao, Jörg Peter
Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg
Abteilung für Medizinische Physik in der Radiologie
Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg
Einleitung
Ein trimodales Kleintierbildgebungssystem bestehend aus einem Pinhole-SPECT, einem Röntgenstrahl-CT und einer
optischen Kamera wurde in unserem Labor aufgebaut (siehe Abb. 1). Die Besonderheit dieses Aufbaus besteht darin,
dass alle Komponenten auf einer gemeinsamen Gantry montiert sind. Aufgrund der Überlagerung der Gesichtsfelder
liegt nicht nur eine sehr kompakte Bauweise vor, sondern das Objekt kann simultan mit allen Modalitäten ohne axiale
Verschiebung untersucht werden. Ziel dieser Studie ist die Untersuchung möglicher Beeinflussungen zwischen den
hochenergetischen (keV) Modalitäten SPECT und CT (Photon-Crosstalk) und wie diese, wenn vorhanden, behoben
werden könnten.
Material
Das CT setzt sich aus einer Oxford Instruments Röntgenröhre der Serie Apogee 5000 (Anodenspannung:
4  Ur  50 kVp, Anodenstrom: 0  Ir 1 mA) und einem Halbleiter-Röntgendetektor, RadIcon Shad-o-Box 2048
(CMOS, Sensorfläche: 50100 mm; Gd2O2S Szintillator), welcher für den Energiebereich von 10 bis 50 keV optimiert
ist, zusammen. Der Abstand des Detektors zur Rotationsachse (AOR) beträgt 71,9 mm; jener zwischen Röntgenröhre
und AOR beträgt 118,8 mm.
Die SPECT-Kamera besteht aus einer 22-Anordnung von Hamamatsu H8500 Photomultiplikationsröhren, welche
optisch an ein 6666 NaI(Tl) Kristallgitter (Pixelgröße: 1,31,36 mm³, sensitive Fläche: 100100 mm) gekoppelt ist.
Alle Messungen wurden mit einem Pinhole-Kollimator (Wolfram, Lochblendenöffnung: 1 mm, Öffnungskegelwinkel:
90 °, Fokuslänge: 50 mm) durchgeführt.
Für die Studie wurde ein zusammengesetztes Zylinderphantom entwickelt, (Abb. 2), welches aus zwei Zylindern
(Plexiglas, Länge: 80 mm, Durchmesser: 30 mm / 3 mm, Wandstärke: 2 mm / 1 mm) besteht, die unabhängig
voneinander mit Radioaktivität befüllt werden können. Für die Experimente wurden als Radioisotope 99mTc (140,5 keV)
und 125Iod (28-32 keV) gewählt, wobei die entsprechenden Substanzen nur in den inneren Zylinder gefüllt wurden; der
äußere Zylinder dient als Streumedium und wurde mit Wasser befüllt.
Abb 1:
Aufbau des Dreimodalitätensystems bestehend aus
SPECT-Detektor, CT-System, und optischer Kamera.
Abb 2:
Zweizylinderphantom mit austauschbarem Einsatz.
Methoden
1. Simultane SPECT-CT Aufnahmen wurden durchgeführt, um die Beeinflussung der SPECT-Kamera durch die
Röntgenröhre zu studieren. Folgende Aufnahmeparameter wurden gewählt: Phantom befüllt mit 99mTc, a) SPECT: 30 s,
Röntgenbetrieb: 2 s (Ur: 30, 35, 40 kVp, Ir: 0,11 mA, 0,22 mA, 0,33 mA, 0.44 mA); b) SPECT: 30 s, Röntgenbetrieb:
30 s (Ur: 40 kVp, Ir: 0.44 mA).
2. Simultane SPECT-CT Aufnahmen wurden durchgeführt, um den Einfluss der Radioaktivität im Phantom ( 125I:
66 MBq) auf den Röntgendetektor zu bestimmen. Folgende Aufnahmeparameter wurden gewählt: CT-Belichtungszeit:
0,5 s bis 6,5 s in 0,2 s Schritten (Ur: 30, 35, 40 kVp, Ir: 0,11 mA, 0,22 mA, 0,33 mA, 0,44 mA).
39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Ergebnisse
1. Die Flussdichte der durch die Röntgenröhre erzeugten Photonen ist ungleich höher als jene durch die Isotope
erzeugte. Aufgrund der geringen mittleren freie Weglänge der Röntgenphotonen in Wasser (10-40 keV :: 2-42 mm [1])
ist zu erwarten, dass eine erhebliche Anzahl Photonen im Phantom gestreut wird und durch die SPECT-Kamera
detektiert wird. Genau dies ist in Abb. 3 und 4 zu sehen. Obwohl die Energie der gestreuten Röntgenphotonen in den
unteren Energiebereich fallen und sich somit a posteriori durch Energieschwellwerte separieren lassen, so sättigen diese
dennoch den SPECT-Detektor. Als Konsequenz wird dadurch die Totzeit des SPECT-Detektors erhöht, d.h. die Zahl
der registrierbaren SPECT-Photonen minimiert. Wie in Abb. 4 zu sehen, ergeben Messungen mit 12 MBq, 15 MBq,
37MBq, 46 MBq und 87 MBq 99mTc bei überlanger Röntgenbestrahlung von 30 s eine Abschwächung des SPECTSignals auf 20-30 %.
Abb 3:
Auswirkung von 2s Röntgenstrahlung, 40kV, mit
Andodenströmen von 0,11 bis 0,44mA, bei 30s
SPECT-Messung von 99mTc mit 37 MBq
Abb 4:
Vergleich SPECT 30s 99mTc mit 15 MBq,
30s Röntgenstrahlung bei 40kV - 0,44mA und
30s 99mTc kombiniert mit Röntgen 40kV-0,44mA
Es sei jedoch anzumerken, dass für präklinische Studien die Röntgenröhrenbestrahlungszeit pro Projektion im Bereich
zwischen 0,5 und 2 s liegt. Für diesen Standardfall konnten keine erwähnenswerten Intensitätsverluste beobachtet
werden (Abb3). Demnach ist ein simultanes Messen beider Modalitäten möglich wenn die Energiedifferenz zwischen
SPECT- und Röntgenphotonen (wie z.B. für 99mTc) eine Energieselektierung erlaubt und die Totzeit des SPECTSystems durch die Messung gestreuter Photonen (0,5 - 2 s Röhrenbetrieb bei 30 s SPECT Aufnahmezeit) nicht erhöht
wird. Dahingegen kann der simultane Bildgebung energieüberlappender Radioisotope, wie z.B. 125Iod, nur projektionssequentiell angewandt werden, da eine Energiedifferenzierung nicht möglich ist.
2. Unabhängig vom Energiebereich der angewandten SPECT-Isotope ist der Anteil isotopischer Photonen, welche aus
dem radioaktiv markierten Objekt emittiert werden, bei den in der Kleintierbildgebung eingesetzten Aktivitäten im CTDetektor zu gering, um bei CT-Aufnahmezeiten im Bereich von 0,5 bis 2 s ein erhöhtes Hintergrundsignal zu erzeugen
(Abb. 5).
Abb 5:
Profil über die Mitte des unkorrigierten Röntgendetektors bei 2s Belichtungszeit ohne Röntgenstrahlung;
links: keine Aktivität im Phantom, rechts: Phantom befüllt mit 125I (66MBq).
Referenzen:
[1]
http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html