1 straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie dr. ir. dennis schaart radiation,...

28
1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

Post on 21-Dec-2015

243 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

1

Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie

Dr. Ir. Dennis SchaartRadiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

Page 2: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

2

Health• radiation and radioactivity for diagnostics

• radiation and radioactivity for therapy

• production routes for radionuclides

• radiation detection systems for imaging

Research themesResearch themes

Dennis R. Schaart, 14 oktober 2010

Page 3: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

3

radioactive

Energie + neutronen!

Kernsplijting

Page 4: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

4

Radionuclidenkaart

aantal neutronen in kern

aan

tal p

roto

nen

in

kern

n,g reactie

Page 5: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

5

Veelgebruikte Radionucliden

Molybdeen-99

Fluor-18

Page 6: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

6

• Gerichte distributie• Gerichte accumulatie• Gericht metabolisme• Gerichte clearance (klaring)

Maar dit moet dus ook inhouden:

• Gerichte productie van het radionuclide• Gerichte selectie van de chemische eigenschappen• Gerichte selectie van de stralingseigenschappen

FOCUS: Targeting (gerichtheid)

Targeting

Diseased site Free compound Targeted compound

Afwijkend weefsel

Verdeling na “ongerichte” injectie

Gerichte verdelingmet targeting

Radionuclides in Medicine

Page 7: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

7

Doelorgaan

carrier Verbinding(linker)

doelzoeker

Radionuclide

Radionuclides in Medicine

Page 8: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

8

(a)(b)

Scanning Electron Microscopy (SEM)(a) Ho-MS non-irradiated(b) Ho-MS 6 h irradiated(c) Ho-MS 10 h irradiated(d) MS 10 h irradiated.

(a)

(b)

10 m

(c)

(d)

10 m

(a) (c)

HOR 5.1012 n.cm-2s-1(Nijsen JWF et al. 2005) SEM Ho-loaded

poly (L-lactic acid) microspheres

166Ho microspheres

Radionuclide Production

Page 9: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

9

Gamma camera

Radiopharmaceutical

Multihole lead collimator crucial for image formation=> low sensitivity

1

Radio-Molecular Imaging

Page 10: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

10

Two gamma cameras

Also three cameras

Radiopharmaceutical

Single Photon Emission CT

rotating

3D Imaging: SPECT

Page 11: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

11

3D Imaging: SPECT

SPECT-CT

Page 12: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

12

Cardiac SPECT

short axis vertical long axis horizontal long axis

Images courtesy of F. Verzijlbergen, St. Antonius Hospital, Nieuwegein

Page 13: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

13

The spectrum of medical imaging Jones, 1996

Structure/anatomy X-ray/CT/MRI

Physiology US, SPECT, PET, MRI/S

Metabolism PET, MRS

Drug distribution PET

Molecular pathways PET

Molecular targets PET, SPECT

Medical Imaging Modalities

Page 14: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

14

nn

np p

pp

np

n

e-

Neutron-deficient radionuclide

Detector

Detector

Positron Emission Tomography

p n + e+ + e

positron range

e+

511 keV annihilation photon

~180o

511 keV annihilation photon

Page 15: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

15

PET Scanner

Scanner: ring of gamma detectors

Collinearly emitted annihilation quanta detected in coincidence

Radiopharmaceuticalwhich binds to a specific target, such as tumour cells

Detectors:scintillator +light sensor

Page 16: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

16

Philips GEMINI PET/CT scanner with OpenView Gantry

Multimodality: PET/CT scanner

Pictures: Y. Haemisch, Philips

Page 17: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

17

Multimodality: PET + CT

Primary Pancreatic Cancer with Suspicious Chest Wall and Mediastinum Lesions

PET + CT Fused Images

PET + CT Fused Images

PET + CT Fused Images

Pictures: A.A. Lammertsma, VUmc PET Centre

PET + CT (fused images): primary pancreatic cancer with suspicious chest wall and mediastinum lesions

In principle, PET does not provide anatonical information. Hence, in cases where it is important to localize e.g. metabolic activity, PET is often combined with other imaging modalities. For example, PET/CT is regularly used in (radio-)oncology for tumor localisation and treatment planning.

Page 18: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

18

PET Image Quality used to be patient size dependent

Slim 58 kg “Normal” 89 kg Heavy 127 kg

Time-of-flight PET

From: Y. Haemisch, Philips Medical Systems

Page 19: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

19

AnnihilationAnnihilation

LORLOR

t1

t2

without TOF

with TOF

t2-t1

TOF PET: basic concept

From: Y. Haemisch, Philips Medical Systems

Page 20: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

20

x = uncertainty in position along LOR = c . t/2if, for example, t = 500 ps x = 7.5 cm

D

x

TOF reconstruction Conventionalback-

projection

TOF PET: basic concept

Accuracy of source position localization along line of response depends on timing resolution t

From: Y. Haemisch, Philips Medical Systems

Page 21: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

21

114 kg; BMI = 32.213.4 mCi; 2 hr post-inj

Colon cancer, left upper quadrant peritoneal node, PhilipsTruFlight™ scanner

TOF (~650 ps)

Non-TOF

Time-of-flight PET

From: J. Karp, University of Pennsylvania

Page 22: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

22

• Monolithic scintillation crystal

• One or more light sensor arrays (double-sided readout, DSR, shown here)

• Gamma entry position on front surface from scintillation light distribution

• Intrinsic correction for depth-of-interaction!

SiPM arrays

scintillator511 keVgammaphoton

front surface

back surface

Monolithic scintillator detectors

Page 23: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

23

Individual readout of array elements => position-sensitive light sensor

Silicon Photomultipliers

Hamamatsu

Philips Digital Photon Counting

SensL

Page 24: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

24

Density (g/cm3)

Effective Z

Atten. l. 511 keV (mm)

Decay time (ns)

# photons /MeV

Emission max. (nm)

Hygroscopic

7.13

75

10.4

300

8,500

480

no

7.4

66

11.4

35-45

26,000

420

no

NaI:Tl BGO LSO:Ce GSO:Ce LaBr3:Ce

3.67

51

29.1

230

40,000

410

yes

6.7

60

14.1

30-60

8,000

440

no

5.1

47

21.3

16

70,000

380

yes

PET scintillators

Good for TOF!

Page 25: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

25

TOF setup

• SiPM signals are amplified with two

cascaded stages

• After first stage energy signals are

branched out, shaped, and fed into

peak sensing ADCs

• Timing signals are sampled at 8 GS/s

• Digitizers are triggered by coincidence

signal from two leading edge triggers

Reflective enclosure

3x3x5 mm3

LaBr3:Ce5%

or 3x3x5 mm3

LYSO:Ce

MPPC S10362-33-050c

Seifert et al, NSS-MIC 2009

Page 26: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

26

20 mm 20 mm

World-record timing resolution with LaBr3:Ce & SiPMs

100 ps FWHM=> 15 mm FWHM

Schaart et al, Phys Med Biol 2010 (in press)

Page 27: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

27

SUBLIMA Project (2010-2014)

SUB nanosecond Leverage In PET/MR ImAging

Image courtesy of Philips

Whole-body TOF-PET / MRI

Page 28: 1 Straling en radioactiviteit in medische beeldvorming en therapie Dr. Ir. Dennis Schaart Radiation, Radionuclides & Reactors, Technische Natuurwetenschappen

28

Thank You