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Nuclear Medical Imaging Basics
Jorge Cabello
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• Basic Nuclear Medicine
• Detectors
• Gamma Camera, SPECT
• Positron Emission Tomography
• Multimodal Imaging
• Biokinetic Modelling
6/6/2016 2
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• Basic Nuclear Medicine
• Detectors
• Gamma Camera, SPECT
• Positron Emission Tomography
• Multimodal Imaging
• Biokinetic Modelling
6/6/2016 3
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Aims of Nuclear Medicine
• Diagnostics
Visualisation and quantification of biochemical
processes (metabolism, receptor binding…) in vivo
• Therapy:
Treatment of pathologic processes based on selective
accumulation in body tissues
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Principles of Nuclear Medical Diagnostics
• Tracer principle
Radiopharmaceuticals are distributed, metabolized or excreted in
the organism according to their structure
• Representation of body functions by:
– Images
– Numerical data
– Graphs
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Radiation
Source
Radiology
Contrast between tissues with
different densities for x-rays,
e.g. lung vs. bone.
Detector
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
6/6/2016 6
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Nuclear Medicine
Detector
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
6/6/2016 7
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Nuclear Medicine
Detector
Activity distribution equivalent
to distribution of the injected
substance.
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
6/6/2016 8
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Radiation
Source
Detector
Radiology vs. Diagnostic Nuclear Medicine
6/6/2016 9
Radiology
(Transmission imaging)
Nuclear Medicine
(Emission imaging)
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Radiopharmaceuticals
• Selection of the pharmaceutical according to the organ-
specific question
• Labelling of pharmaceuticals with radioactive isotopes
External detection possible
• Radiopharmaceuticals must not affect the metabolism
6/6/2016 10
[18F]Fludeoxyglucose
Glucose analog
Developed in 1976
Used in PET in 1980
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Types of Radiation – Range in Tissue
Energy Range
α some MeV < 1mm
β 100 keV – 1MeV ~ some mm
γ 100 keV – 500 keV < some cm
116/6/2016
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Isotopes for Nuclear Medical Imaging
Nuclide Half Life Type Energy [keV]
99mTc 6 h γ 140
201Tl 73 h γ 70
123I 13 h γ 159
131I 8 d γ 364
18F 110 min e+, γγ 511
6/6/2016 12
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Typical radioligands
Radioligand Target18F-FDG Glucose consumption (cancer, dementia…)
68Ga-PSMA Prostate cancer
18F-FET Aminoacid transporter (glioma grading)
18F-DOPA Dopamine transporters (Schizophrenia, Parkinson)
18F-FMISO Hypoxia (cancer cells resistance)
11C-PIB Fibrillar amyloid-beta (Aβ) plaques (Alzheimer)
99mTc-HMPAO Cerebral blood flow
99mTc-Sestamibi Myocardial perfusion
123I/131I-MIBG Neuroendocrine or neurological tumors
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Locked metabolism
[18F]FDG
ASTPS
MAb, Fragmente
Hormone
Drugs
Peptide
Internalization
AS Transport
Protein synthesis
Target Structure
Immune response
Anti-Gen Strategie,
DNA - Synthese
Catecholamine
Transport
Receptors
Red.DNA-S
HED
Extracellular
structure
Transport
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Underlying physics…
• Physical interactions of radiation
– Photoelectric absorption
– Compton scattering
• Nuclear detector
– Scintillators
– Photodetectors
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Interaction of Gamma Quanta with Matter
Gamma energy in nuclear medicine:
Compton scattering and photoelectric effect
Interaction depends on:
• Energy Ehν of gamma quantum
• Density ρ of material
• Atomic number Z of material
• Thickness D of material
6/6/2016 16
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e ee
ee
eee
ee
Energy of gamma quantum gets absorbed
Gamma Radiation – Photoelectric Effect
6/6/2016 17
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34
hE
A
Z
Photoelectric Effect
6/6/2016 18
τ: probability of absorption
ρ: Material density
Z: Atomic number (number of protons)
Ehν: Photon energy
A: Atomic weight
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Parts of -energy are transferred to the electron
-quantum changes energy and direction
e
e
e
Gamma Radiation – Compton Scattering
6/6/2016 19
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hEf
A
Z
Compton Scattering
6/6/2016 20
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Compton Scattering - Angular Distribution
6/6/2016 21
Klein-Nishina formula
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Impact of Photoelectric and Compton events
on image resolution
Stickel PMB 2004
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Probability of γ Interaction with Matter
6/6/2016 23
Diagnostic
Lead
NaI
Tissue
Photo effect
Compton effect
Gamma Energy [keV]
Ato
mic
Num
ber
Z
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µm = + Attenuation coefficient photo effect:
Attenuation coefficient Compton effect:
Cherry, Sorenson, Phelps: Physics in Nuclear Medicine 1980
Attenuation Coefficient
6/6/2016 24
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conduction band
activator level (doping)
valence band
activator ground level
Gap (Eg>5eV)
Scintillation Crystals – Inorganic Crystals
Electron ionizes electron hole pair hole ionizes
activator, electron “drops“ into activator activator
deactivates by emission of a photon (10-7 sec)
6/6/2016 25
phe-Light photons
e-
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Scintillation Crystals
PropertyNaI BGO LSO GSO
NaI:Tl Bi4Ge3O12 Lu2SiO5:Ce Gd2SiO5:Ce
Density (g/cm3) 3,67 7,1 7,4 6,7
Effective Z 51 73 65 59
Attenuation length at 511keV (mm) 29,1 10,4 11,4 14,1
Light yield (photons/MeV) 41000 9000 26000 8000
Decay time (ns) 230 300 40 60
Emission (nm) 410 480 420 440
6/6/2016 26
Lu-176 (2,6%): + >350 keV: ~100/sec per cm3
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1 cm
light sensitive
cathode
anodeHV
Photomultiplier
6/6/2016 27
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LSO BGO
Hamamatsu Photonics
Quantum Efficiency Photomultiplier
quantalight#
electronsphoto#QE
6/6/2016 28
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Kristall
photomultiplier
electronslight
γ
electrical signal
crystalTl doped
sodium iodide(NaI)
Scintillation Detector
energy ~ light quantity ~ signal height
6/6/2016 29
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γ
Scintillation light
NaI-Crystal(40 cm x 40 cm)
Light guide
Photomultiplier
Position,
Energy
Gamma Camera – Anger Principle
6/6/2016 30
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• High efficiency(>85%)
• Good energy resol. (<15 keV fwhm)
• High spatial resol.
• (<4 mm)
• Small costs(<€15/cm2)
• “Short” deadtime(<2000 s cm2)
*Image courtesy of L. Shao, Philips Medical Systems
ScintillationCrystals(NaI:Tl)
Photomultiplier
At 140keV (99mTc):
SPECT Detector Requirements
6/6/2016 31
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ideal
intrinsic
crystallight guide
photomultiplier
Source position
PM
T S
ignal*
Gamma Camera – Linearity
6/6/2016 32
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Klinikum rechts der Isar
(about 30000 pulses per second)
Without homogeneity
correction matrix
UFOV Integral 6,17%
CFOV Integral 5,25%
UFOV Differential 4,46%
CFOV Differential 4,46%
6/6/2016 33
99mTc Point Source
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(about 30000 pulses per second)
With homogeneity correction
matrix
UFOV Integral 2,49%
CFOV Integral 2,44%
UFOV Differential 1,99%
CFOV Differential 1,99%
99mTc Point Source
6/6/2016 34
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ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
ADC
integration time,
X-Y,
linearity correction,
energy discrimination
X Y
collimator
NaI crystal
light guide
photomultiplier
with preamplifier
digital
pulse processing
6/6/2016 35
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γ γ
γ
Crystal
γ
Light quantity
γ
Scintillation Detector – Deposited Energy
6/6/2016 36
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Cherry, Sorenson, Phelps: Physics in
Nuclear Medicine 1980
Scintillation Detector – Ideal Spectrum
6/6/2016 37
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primary
scattered
all
Abundance
Gamma Camera – Energy Spectrum
6/6/2016 38
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Energy Window – 99mTc Sphere Phantom
6/6/2016 39
140 keV (15%)
Events: 100%
104 keV (20%)
Events: 35%
Matrix: 128x128
Pixel size: 3,8mm
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Gamma Camera – H. Anger 1964
6/6/2016 40
Crystal
Collimator Photomultiplier
Position
Energy
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Collimator – Limiting ComponentSeptum thickness depends on energy and attenuation coefficient
6/6/2016 41
Principle
SeptaCrystal
γ
γ
Lead collimator, several
hundreds holes
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Collimator – Resolution Sensitivity
6/6/2016 42
crystal crystal crystal
e.g.: length 35 mm, distance 1.5 mm, thickness 0.2 mm
more events
or
higher resolution
signal to noise
Planar Scintigraphy
Detector size ca. 50 cm x 60 cm
ca. 60 photomultiplier tubes per
detector
Energy resolution:
< 10% @140 keV
Intrinsic spatial resolution:
3.5 - 4 mm
Extrinsic spatial resolution
(Collimator): 8 - 20 mm
6/6/2016 43
Planar Scintigraphy
bone scintigraphy shows
increased metabolism in bone,
e.g. due to
- bone fractures
- inflammatory processes
- degenerative processes
- bone metastasis
99mTc-Bisphosphonat ventral dorsal
6/6/2016 44
Planar Scintigraphy
rib
fracture
knee
arthrosis
bone
metastasis
6/6/2016 45
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Planar ScintigraphyCameras for special use, e.g. thyroidal gland
6/6/2016 46
Planar Scintigraphy
thyroidal scintigraphy
normal thyroids
uptake
unifocal autonomy
Hyperthyroidism
6/6/2016 47
Planar Scintigraphy
99mTc-MAG3 (Mercaptoacetyltriglzcin)
Acquisition over time, e.g. renal scintigraphy
6/6/2016 48
Planar Scintigraphy
Visual and quantitative analysis
99mTc-MAG3 (Mercaptoacetyltriglzcin)
6/6/2016 49
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Tomography
SPECT Recording
Gamma Camera
Gamma Camera
measures
projections of
activity distribution Spatial Resolution
clinical: ~8 – 20 mm
6/6/2016 50
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Images of Different Directions
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Single Photon Emission CT SPECT
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Emission Tomography
• Measurement of many projections, many angles
• Mathematical reconstruction
• Tomographic images / slices through body
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Projection, Discrete Sampling
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SPECT Imaging – Projection
6/6/2016 55
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Klinikum rechts der Isar
Reconstruction – Back Projection
Back projection
of two projectionsBack projection
of three projections
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Filtration of Line Profile
6/6/2016 57
Unfilteredwithout
noise
with
noise
Filter
hamming
cutoff = 0.2
Filtered
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Filtered Back Projection
6/6/2016 58
Without
Filter
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Acceleration: OSEM, Cluster
Statistical Iterative Reconstruction
6/6/2016 59
ProjectionEstimate
Back-projection
Comparison
Object Space Projection Space
Correction
Error-Estimate
Error-Estimate
EstimatedProjection
Measured Projection
Error -Projection
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Statistical Iterative Reconstruction
Image space Projection spaceSystem
response
Forward projection
Backward projection
System response:
Probability of an event is emitted in voxel i and detected in detector j.
j
i
𝐹𝑃: 𝑖=0
𝑁
𝐴𝑖𝑗λ𝑖
𝐵𝑃: 𝑗=0
𝑃
𝐴𝑖𝑗𝑦𝑗
Λ YA
SR (A) can be estimated:
• Analytical
• Monte Carlo Simulated
• Experimental
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Statistical Iterative Reconstruction
Maximum Likelihood – Expectation Maximization (Shepp and Vardi)
𝐹𝑃: 𝑖=0
𝑁
𝐴𝑖𝑗λ𝑖
𝐵𝑃: 𝑗=0
𝑃
𝐴𝑖𝑗𝑦𝑗
λ𝑖𝑘+1 =
λ𝑖𝑘
𝑗=0𝑃 𝐴𝑖𝑗
𝑗=0
𝑃
𝐴𝑖𝑗𝑦𝑗
𝑖=0𝑁 𝐴𝑖𝑗λ𝑖
𝑘
Size of A:
Number of voxels x Number of detectors
172x172x172 x 30000
1.5x1011 elements x 4 bytes (unsigned)
570 Gb
Acceleration methods, compression methods, computational methods…
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Quality Control
• Daily Background
Energy window
Tilt angle
• Weekly Efficiency
Inhomogeneity
Flood correction
Rotation Centre
• Half-yearly Geometric scale
Linearity
Spatial resolution
Tomographic inhomogeneity
6/6/2016 62
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New Developments
Single Photon Detection
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Consequence: higher percentage of inactive area
worse spatial and energy resolution
Gamma Camera – Anger Principle
• Collimator system resolution
• Intrinsic resolution ~ 4 mm
dependent on energy, crystal thickness
Reduction by:
narrower distribution of light
smaller photomultipliers
more photomultipliers
6/6/2016 64
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Requirements:
• Compact
• High intrinsic resolution
• Good energy resolution
High Resolution Gamma Camera
Imaging close to the object: thyroid
mammography
small animals
6/6/2016 65
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Crystal
Photomultiplier
Photodiodes
Semiconductor
detector
Detectors
6/6/2016 66
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signal
distribution
anode wires (X-Y)
scintillation light
X
light sensitive
cathode
Position Sensitive Photomultiplier PSPMT
6/6/2016 67
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FZ Jülich
28 X and 28 Y Anode wires
+ center of mass determination
NaI(Tl) slice
( 13 cm, thickness 3 mm)
collimator
PSPMTHamamatsu 2
50m
m
164mm
Intrinsic: < 2 mm
E/E(140 keV): 9,6%
High Resolution Gamma Camera PSPMT
6/6/2016 68
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Patt et al., Majewski et al., LumaGEM, Dilon
NaI(Tl) pixel: 2 x 2 x 6 mm
2,8 x 2,8 cm2 x 2,7 cm
4 X and 4 Y wires
(Hamamatsu)
Intrinsic: < 2 mm; E/E(140 keV): 18%
Matrix of Compact PSPMT
6/6/2016 69
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Dilon
Matrix of PSPMT and NaI pixel
compact detector head
6/6/2016 70
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
• One-to-one coupling crystal – sensor
pixel size intrinsic resolution
• Silicon photo diodes (PD) versus PMT:
− high quantum efficiency− very compact− MR-compatible− require pre-amplification− relatively high noise, electronic necessary
Scintillation Read-Out with Semiconductor
Detectors
6/6/2016 71
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Semiconductor detectors
PMT PS-PMT APD array
SiPM array SiPM pixel Digital SiPM array
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Klinikum rechts der Isar
Luminous Scintillators
Properties NaI(Tl) CsI(Tl)
Density 2.3 4.5
Effective Z 32 54
Attenuation length at
140 keV (mm)3.4 2.2
Light yield (%) 100 165
Wavelength (nm) 410 550
Decay time (ns) 230 1000
Hygroscopic ++ (+)
6/6/2016 73
Yield PMT / yield PD (at 550nm) = 1 : 3
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Klinikum rechts der Isar
UCLA, LBL, Digirad
Digirad
4096 CsI(Tl) Crystals
5 cm
Collimator
Electronics
Crystal pixel size: 1.5 mm to 3 mm
Individual Read-Out with PD-Matrix
6/6/2016 74
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Detector Head
(21 cm x 21 cm)
Digirad
Gamma Camera with CsI-PD Detector
6/6/2016 75
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Klinikum rechts der Isar
Semiconductor Detector
• Direct detection of gamma quanta
• Low noise
• Excellent energy resolution
Cadmium-Zinc-Telluride CZT:
• High atomic number
7 mm CZT = 1 cm NaI (at 140keV)
• Room temperature
• Energy resolution 6%
Individual pixels, size: 330µm ... 5mm
6/6/2016 76
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Klinikum rechts der Isar
Siemens, Hoffman Estates 1999
top view
bottom view
Cadmium Zinc Telluride Camera
Detector Element
6/6/2016 77
Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Cardiac Imaging
Semiconductor Detector
Spectrum Dynamics D-SPECT Camera
Based on CZT detectors
6/6/2016 78
Pinhole collimators
focus on heart
Er 5.5%
Isr 2.46 mm
Rse 12.5 mm
Erlandsson PMB 2009