Quantifizierung eines hochauflösenden Einzelphotonemissionstomographen

Zusammenfassung Subsummierend gelang es mit der vorliegenden Arbeit, die Möglichkeit der Quantifizierung absoluter Aktivitätskonzentrationen des Nuklides Tc-99m durch eine SPECT-Untersuchung im in vitro Experiment nachzuweisen. Die Versuchsreihe beinhaltete Experimente, welche unter unterschiedlichen Bedingungen im Aufbau, diversen Phantomen, sowie differenzierten Aktivitätskonzentrationen durchgeführt wurden. Sechs unterschiedliche in vitro Versuche, welche auch die Bestimmung des Skalierungsfaktors für Tc-99m beinhalteten, wurden durchgeführt. Zur Verifizierung der hypothetisch möglichen absoluten Quantifizierung mittels SPECT, dienten also fünf experimentelle Untersuchungen mit ihren diversen Variationen: - Mit Hilfe des ersten Versuches konnte die Quantifizierung relativer Aktivitätskonzentrationen eines Vierkammerphantomes erzielt werden. Es wurden diverse Vorkehrungen getroffen, um das Auftreten eventuell auftretenden Fehlerquellen auf ein Minimum zu reduzieren. Relativ hohe Konzentrationen kamen zum Einsatz. Ausserdem wurden die vier Messkammern mit einheitlichen Konzentrationen befüllt. Um eine gute Differenzierung zu ermöglichen, wurde dem Hintergrund nur 1/10 der Aktivität der Kammern appliziert. Wir applizierten den Kammern eine Aktivität von 25mCi, wohingegen die Hintergrundkammer 2,5mCi enthielt. Erstaunlich gute Ergebnisse konnten bei diesem ersten Versuch errechnet werden. Der relative Fehler belief sich auf weniger als 1%. - Der zweite Versuch diente zur detaillierteren Analyse der Quantifizierung relativer Aktivitätskonzentrationen. Aufgrund der exakten Ergebnisse des ersten Versuches entschieden wir uns, den Sachverhalt des Partialvolumeneffektes näher zu untersuchen. Dieser Effekt beschreibt die Problematik der Quantifizierung kleiner Volumina, da diese in der SPECT-Abbildung im Randbereich nicht mehr korrekt wiedergegeben werden können. Somit besteht die Gefahr einer fehlerhaften Analyse bei nahe aneinandergelegenen Messkammern mit nur sehr geringem Volumina, wie sie bei dem Jaszczak-Phantom vorgefunden werden. Einem solchen Phantom applizierten wir eine Gesamtaktivität von 11,5 mCi des Nuklides Tc-99m. Das Phantom konnte in sechs Teilbereiche untergliedert werden, welche sich durch das Volumen der Einzelkammern, sowie deren Abstand unterschieden. Aufgrund unzureichender visueller Abgrenzbarkeit der Kammern in den Bereichen vier bis sechs konnten allerdings nur die Teilbereiche eins bis drei quantifiziert werden. Die relativen Konzentrationen beliefen sich bei diesen Kammern auf 100% im Bereich 1, 69,4% im Bereich 2 und 50% im Bereich 3. Die Berechnung der relativen Aktivitäten anhand der Auswertung des SPECT-Bildes erbrachte befriedigende Ergebnisse, welche allerdings mit der hervorragenden Übereinstimmung in Versuch 1 nicht zu vergleichen waren. Der Bereich 1 wurde auf eine Konzentration von 100% festgelegt. Folglich errechneten sich für den Bereich 2 eine Aktivität von 82,6%, für Bereich 3 von 66,8%. Der relative Fehler betrug demnach 13,2% für Bereich 2, 16,8% für Bereich 3. Anhand dieser Konzentrationsabweichungen des Istwertes vom Sollwert, konnten wir das Auftreten des Partialvolumeneffektes bei der Quantifizierung kleiner Volumina bestätigen. Die Problematik besteht deshalb in der Verlässlichkeit der Analyse der Aktivitätsanreicherung besonders kleiner Objekte bzw. Organen des lebenden Organismus. - Mit Hilfe des dritten Versuches betraten wir erstmals das Feld der Quantifizierung absoluter Aktivitätskonzentrationen im in vitro Experiment. Aufgrund dessen, entschieden wir uns zur Applikation realtiv hoher Konzentrationen des bekannten Nuklids. Ein Vierkammertortenphantom wurde somit mit Aktivitäten von ca. 900 µCi (Kammer 1), ca. 500 µCi (Kammer 2), ca. 374 µCi (Kammer 3), sowie 179µCi (Kammer 4) befüllt. Nach der Rekonstruktion der SPECT-Daten stellte sich folgende Problematik dar: Schon visuell erkennbar war eine inhomogene Aktivitätsverteilung in den Einzelkammern, wobei sich eine starke Anreicherung vor allem in deren Randbereichen präsentierte. Die Erstellung der Regions of Interest erfolgte deshalb folgendermassen: 1. ROIs auf den Inneren homogenen Bereich beschränkt 2. ROIs die gesamte Kammer umfassend Für beide Verfahren konnten sehr gute Ergebnisse notiert werden. Die absoluten Aktivitätskonzentrationen zeigten bei erstem Verfahren eine mittlere Abweichung von ca. 7,025. Bei zweitem Verfahren wurde der mittlere relative Fehler mit 6,37 berechnet. Folglich konnten durch diesen Versuch folgende Aussagen erbracht werden: 1. Bei Aktivitätskonzentrationen von ca. 200 bis 500 µCi gelingt eine sehr gute Quantifizierung absoluter Aktivitätskonzentrationen mittels SPECT-Analyse. 2. Die inhomogene Aktivitätsverteilung innerhalb der Einzelkammern führt zu keiner Verfälschung der Messergebnisse. - Aufgrund dieser mehr als zufriedenstellenden Ergebnisse des vorhergehenden Versuches initiierten wir eine weitere Analyse absoluter Aktivitätskonzentrationen im in vitro Experiment. Allerdings wurden nun geringere Aktivitätskonzentrationen appliziert, um die durch Versuch drei gewonnenen Erkenntnisse auch bei verminderten Konzentrationen belegen zu können. Weiterhin wählten wir geringere Konzentrationsunterschiede zwischen den Einzelkammern des Phantomes. Wir wählten ein Achtkammertortenphantom, welchem Aktivitäten von ca. 6,4 µCi/ml bis zu 53,4 µCi/ml appliziert wurden. Nach Auswertung der SPECT-Daten ergab der mittlere relative Fehler für alle Kammern einen Wert von .... Aufgrund dieser vorzüglichen Ergebnisse konnte die These der Quantifizierung absoluter Konzentrationen auch für Werte bis zu ca. 6µCi/ml verifiziert werden. - Auch der abschliessende in vitro Versuch diente zur weiteren Vertiefung dieses Themas. Deshalb wurde dieser Versuch mit demselben Phantom durchgeführt wie der vorhergehende. Die Aktivität allerdings wurde wiederum modifiziert. Wir applizierten Aktivitätskonzentrationen von maximal ca. 105µCi/ml bis zu einem Minimalwert von ca. 0,9µCi/ml, wobei vom Maximalwert ausgehend, eine Verdünnungsreihe um jeweils 50% erstellt wurde. Aufgrund der äusserst geringen Minimalkonzentration und der erwarteten Problematik bei der Quantifizierung solcher Konzentrationen, entschieden wir uns zu einer zweifachen Variation der Versuchsbedingungen. Die erste SPECT Messung wurde mit 30kcts/view durchgeführt, die erste Variation mit 60kcts/view, die zweite Variation mit 600kcts/view. Wie schon zuvor hypothetisiert, wurden bei der Berechnung der absoluten Aktivitätskonzentrationen der Messkammern 6-8 höhere Abweichungen des Istwertes vom Sollwert registriert, als bei den zuvor durchgeführten Versuchen. Insbesondere bei der Messung mit 30kcts/vw stellte sich für die Kammern 7 und 8 relative Fehler von ca. 82% bzw. ca. 86% dar. Durch die erste Variation der Messbedingungen konnte der Fehler auf ca. 55% bzw. ca. 25% reduziert werden. Allerdings konnte erst die zweite Variation eine gute Übereinstimmung von ca. 14% bzw. ca. 18% des Quotienten Sollwert/Istwert erzielen. Somit konnte durch diesen Versuch die Problematik der Quantifizierung niedrigster Aktivitätskonzentrationen unter bisherigen technischen und informatischen Bedingungen verifiziert werden. Desweiteren konnte allerdings die Aussage getroffen werden, dass die absolute Quantifizierung unter langen Aquisitionszeiten bzw. einer hohen Countzahl mit guten Ergebnissen möglich ist. Die klinische Anwendung unter diesen Versuchsbedingungen bleibt fraglich. Aufgrund der durchgehend sehr guten Quantifizierungsergebnisse der in vitro Versuchsreihe, trafen wir die Entscheidung, den Nachweis einer Quantifizierung absoluter Aktivitätskonzentrationen auch im in vivo Experiment zu erbringen. Es wurden zwei Experimente im Sinne eines small animal Pinhole-SPECTs, mit drei unterschiedlichen Versuchstieren durchgeführt: - Die erste Versuchsreihe beinhaltete die Untersuchung der Aktivitätskonzentrationen von Tc-99m-Gastrin zweier Versuchstiere mittels SPECT-Untersuchung, sowie Messung der entnommenen Organe im Gammacounter. Nach Rekonstruktion der SPECT-Daten des ersten Versuchstieres mussten wir erkennen, dass eine Anreicherung des Nuklids fast ausschliesslich in den Nieren stattgefunden hatte, über welche eine Elimination des Gastrins erfolgte. Aus diesem Grunde konnte eine Auswertung mittels Regions of Interest nur für diese Organe erfolgen. Da sich die Nieren ringförmig visualisierten, wobei der aktivitätsspeichernde Bereich nur das Parenchym umfasste, beschlossen wir, die ROIs auf zwei unterschiedliche Arten zu plazieren. Die erste Methode beinhaltete sowohl das Nierenparenchym, als auch das Nierenbecken, wohingegen die ROI bei der zweiten Methode nur das speichernde Parenchym umfasste. Beide Arten der Auswertung führten zu ähnlichen Ergebnissen, welche allerdings im Vergleich zu den in vitro Versuchen als unbefriedigend einzustufen waren. Beim Vergleich des Sollwertes von ca. 114 µCi/ml, welcher mit Hilfe des Gammacounters ermittelt wurde, mit dem durch die SPECT-Untersuchung berechneten Istwert von ca. 6,6 µCi/ml (Methode 2), mussten wir eine Abweichung um ca. den Faktor 17 notieren. Unterschiedliche Erklärungsansätze wurden aufgestellt, um diese hohe Diskrepanz nachvollziehen zu können. Diese beinhalteten unter anderem die grundsätzlich veränderten Bedingungen im in vivo Experiment wie z.B. die Physiologie des Organismus oder die erschwerte Abgrenzbarkeit der Organstrukturen. Weiterhin könnten allgemeine Fehler bei der Sektion des Tieres, der Organmessung im Gammacounter, bei der Rekonstruktion der Daten, sowie bei der manuellen Erstellung der ROIs aufgetreten sein. Aufgund dieser Ergebnisse, welche bei der Analyse des ersten Versuchstieres entstanden waren, wurde auf die Auswertung des zweiten Tieres verzichtet. - Der zweite in vivo Versuch wurde mit nur einem Versuchstier durchgeführt, bei welchem eine Applikation von In-111-Minigastrin stattgefunden hatte. Die Änderung des Nuklids wurde aufgrund der Ergebnisse der vorangehenden Versuches vorgenommen, da wir über grössere Erfahrung in der Handhabung mit In-111 verfügten. Schon im Vorfeld wurde die Hypothese erstellt, dass eine Anreicherung vor allem in den Nieren des Versuchstieres stattfinden würde, weshalb die Analyse im Gammacounter auf diese Organe beschränkt wurde. Trotz des Versuches einer Optimierung der Versuchsbedingungen, mussten wir eine unzureichende Übereinstimmung des Istwertes mit dem Sollwert erkennen. Allerdings handelte es sich bei einem berechneten Istwert von ca. 0,5 µCi/ml und einem erwarteten Sollwert von 555 µCi/ml um eine relative Abweichung um nahezu den Faktor 1000. Eine Erklärungsansatz für dieses erstaunliche Ergebnis wäre ein möglicher Fehler bei der Berechnung der Einheiten. Die für den vorherigen Versuch aufgeführten Fehlerquellen, sind allerdings auch hier nicht auszuschliessen. Durch die vorliegende Arbeit wird die entscheidende Grundlage für den Einsatz des SPECTs zur Quantifizierung absoluter Aktivitätskonzentrationen unterschiedlicher Nuklide unter klinischen Bedingungen gelegt. Eine Weiterführung der in vivo Untersuchungen scheint jedoch aufgrund der vorliegenden Ergebnisse unabdingbar, um nachzuweisen, dass die Methode nicht nur im in vitro Experiment, sondern auch im lebenden Organismus den herkömmlichen Methoden überlegen ist. Mit Hilfe technischer Innovationen, sowie neuartiger Errungenschaften auf dem Wissensgebiet der Informatik soll das Ziel der in vivo Quantifizierung absoluter Aktivitätskonzentrationen erreicht werden. Durch die Möglichkeit der Quantifizierung im Kleintierorganismus wird sich in naher Zukunft ein Wandel auf diesem Gebiet vollziehen. Auf die Opferung der Versuchstiere zur Anwendung der autoradiographischen Methode oder Messung der Organe im Gammacounter kann somit schon in naher Zukunft verzichtet werden. Ebenso wird die Möglichkeit der Verlaufskontrolle physiologischer bzw. pathologischer Stoffwechselvorgänge im Organismus des Versuchstieres entscheidende Fortschritte auf unterschiedliche Gebieten der wissenschaftlichen Forschung, wie z.B. Pharmakologie, bewirken. Weiterhin Fernziel allerdings bleibt die Anwendung des Multipinhole-SPECTs unter klinischen Bedingungen beim menschlichen Organismus. Die Darstellung und Quantifizierung geringster Aktivitätsveränderungen eines injizierten Nuklids unter pathologischen Stoffwechselkonditionen, wie z.B. Anreicherung von Tc-99m bei der Fraktur einer röntgenologisch nicht verifizierbaren Fraktur eines Handwurzelknochens, wird eine Revolution in der klinischen Diagnostik bewirken. An technischen Neuerungen sind hier vorrangig die Entwicklungen des sogenannten FASTSPECTs, sowie des U-SPECTs zu nennen, welche beide als Weiterentwicklung des Pinhole-SPECTs zu beschreiben sind. Durch die Anwendung multipler Pinholekollimatoren soll die Problematik der geringen räumlichen Auflösung des Systemes behoben werden. Forschungsgruppen auf dem Gebiet der Informatik beschreiben eine ebenfalls revolutionäre Verbesserung der Auflösung durch neuartige Rekonstruktionsmechanismen, wie z.B. dem Bayesianischen Rekonstruktionsmechanismus PH-MRP (pinholemedian root prior), oder dem sogenannten 3D-OSEM (threedimensional ordered subsets expectation maximisation)