Man bekommt Antimaterie in den Körper gespritzt! Wie cool ist das denn? Na OK, sorry, lasst mich lieber von vorne anfangen und mal ausführlich erzählen. Ich werde jetzt nicht anfangen für jede medizinische Prozedur, die man an mir verübt hat, einen eigenen Artikel zu schreiben, aber gerade der PET-Scan ist aus Sicht des Strahlenphysikers hochgradig interessant und mit Sicherheit ein paar eigene Zeilen wert, da man gerade hier ein super Beispiel für radioaktive Isotope und Detektortechnik findet, die sogar noch mit tollen biologischen Wirkmechanismen gepaart sind. Fun Fun Fun!

Also ein PET-Scan ist ein bildgebendes Verfahren, das vor allem dazu verwendet wird Zellen mit erhöhtem Stoffwechsel (also meistens Krebszellen) aufzuspüren. Man wird wie auch beim CT und MRT in eine Art Röhre gesteckt, aber das physikalische Verfahren dahinter ist ein total anderes. Zuerst bekommt man ein radioaktives Präparat gespritzt. Im Fall von normalen Krebszellen ist es z.B. Zucker, an dem das radioaktive Isotop Fluor 18 angedockt ist. Da Krebszellen im Allgemeinen einen höheren bzw. schnelleren Zellstoffwechsel mit Zucker haben, nehmen sie den Zucker schneller auf, als gesunde Zellen. Dadurch, dass sie mehr Zucker aufnehmen, leuchten sie dann nachher auf dem PET-Bild heller als die gesunden Zellen und können darüber identifiziert werden.

Das radioaktive Fluor 18 hat eine Halbwertszeit von 2 Stunden. Das heißt nach der Faustregel der 10 Halbwertszeiten ist nach 20 Stunden alle Radioaktivität wieder verflogen, was für den Patienten zwar gut und sinnvoll ist (damit er eben nicht ewig in der Gegend herumstrahlt) aber das medizinische Personal vor eine Herausforderung stellt. Das heißt nämlich, dass das F18 vor Ort hergestellt werden muss und man es nicht im Schrank lagern kann. Um das F18 herzustellen benötigt man einen Teilchenbeschleuniger und es ist für ein Krankenhaus gar nicht mal so einfach einen eigenen Teilchenbeschleuniger anzuschaffen und zu betreiben. Glücklicherweise hat sich da in der Beschleunigertechnik in den letzten Jahrzehnten einiges getan und aktuell ist es mit der neuen Generation an medizinischen Zyklotron Geräten – von der Stange – für eine gut ausgestattete größere Klinik durchaus im Bereich des Machbaren.

Also man bekommt das radioaktive F18 gespritzt und muss dann eine Stunde (oder so) warten, bis es von den Krebszellen aufgenommen worden ist. Der radioaktive Zucker wird idr. in einer echten Bleispritze … also einer mit Blei ummantelten Spritze, vom Teilchenbeschleuniger zum Patienten gebracht, weil es schon ordentlich in der Gegend herumstrahlt und man natürlich das Personal schützen will, dass damit Tagtäglich umgeht. Eine Aktivität von 200 GigaBequerel pro 100kg Körpergewicht, ist dabei eine durchaus übliche Dosis um ein vernünftiges Bild zu bekommen. Grundsätzlich würde (von einem rein physikalischen Standpunkt aus) gelten: Je höher die Aktivität des radioaktiven Materials, desto besser die Bildqualität. Das stimmt aber in der Welt der Biologie leider nicht mehr. Denn nicht nur die Krebszellen nehmen den Zucker auf, sondern auch gesunde Zellen und diese produzieren dann ungewollte Störsignale, auch bekannt als Rauschen. Letztendlich ist es das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen, was die Bildqualität ausmacht und dieses Verhältnis basiert halt auch maßgeblich auf den Biologischen Faktoren. Naja und man möchte den Patienten natürlich auch nicht zu viel verstrahlen. Das ist halt alles ein Zusammenspiel aus verschiedenen Faktoren.

Radioaktive Medikamente werden oft in Blei ummantelten Spritzen transportiert um das Personal zu schützen.

 

Jetzt kommen wir zurück zu der Antimaterie. Denn das verwendete radioaktive Mittel (z.B. das F18) ist ein Beta+ Strahler und Beta+ Strahler strahlen Positronen ab. Positronen sind die Antimaterie zu Elektronen. Das heißt sie haben die gleiche Masse wie ein Elektron, nur das Vorzeichen der elektrischen Ladung ist umgekehrt. Jetzt ist es wie bei StarTrek. Wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, dann vernichten sie sich gegenseitig und produzieren sehr viel Energie. Weil das Antiteilchen zum Positron eben das Elektron ist, geschieht das sehr sehr schnell, sprich das Positron fliegt gerade mal bis zum nächsten Atom, bevor es dann dort von einem Elektron vernichtet wird.

Die viele Energie, die bei dem Anihilierungsprozess produziert wird, sind zwei elektromagnetische Gamma-Quanten mit jeweils 511keV an Energie. Diese haben den super Vorteil, dass sie genau in einem 180° Winkel, von ihrem Entstehungsort aus gesehen, auseinander fliegen. Beim PET-Scan baut man jetzt einen Ring aus Detektoren um den Patienten und wenn zwei Detektoren gleichzeitig ein 511keV Gamma Teilchen detektieren, dann weiß man, dass gerade genau zwischen diesen beiden Detektoren auf einer geraden Linie ein Positron gestorben ist.

Das die Detektoren nur Photonen mit einer Energie von exakt 511keV detektieren müssen ist ein riesiger Vorteil aus ingenieurtechnischer Sicht. Denn es prasseln immer Störsignale und Rauschen auf einen Detektor ein und wenn man z.B. ein ganzes Energiespektrum von 10keV bis 10MeV zur selben Zeit aufnehmen möchte, dann handelt man sich auch über diesen ganzen Energiebereich die entsprechenden Störsignale ein. Wenn ich aber nun mein Energieband auf das kleine Intervall um 511keV herum diskriminieren kann, dann gewinne ich einen großen Vorteil im Signal zu Rausch Verhältnis und damit auch in der Bildqualität.

Ich habe mir beim meinem PET-Scan natürlich einen Strahlungsmesser in die Hosentasche gesteckt um mal zu dokumentieren, wieviel Dosis dabei überhaupt so in der Gegend herumfliegt. Also wir fangen mit der natürlichen Hintergrundstrahlung mit 0,1µSv/h an und schon direkt nachdem man den radioaktivien Zucker in meine Armvene gespritzt hat schnell die Dosisleistung auf 150µSv/h hoch. Dann nimmt die Dosis wie erwartet mit der Zeit ab, wie es sich für ein Isotop mit einer Halbwertszeit von 2Stunden gehört (exponentieller Abfall, rote Linie) so dass nach 20 Stunden kaum noch was da wäre. Bei Punkt A hat man mich dann ins CT gesteckt und da kommt dann noch die Dosis von dem Röntgen dazu. C, B und D sind Bewegunsartekfakte. Wie gesagt hatte ich das Messgerät in der Hosentasche und bin danach nach Hause gefahren. Im Laufe dieser Tätigkeit habe ich dann die Elektronik noch mal ordentlich durchgeschüttelt, was bei dem billigen Messgerät eben zu Fehlmessungen geführt hat.

Das ist jetzt beileibe nicht die schönste Messung der Welt und wenn ich hätte drauf anlegen wollen, dann hätte ich sicherlich schönere Daten produzieren können, aber für einen Schnellschuss war es doch schon mal interessant. Da das Messgerät in der Hosentasche gesteckt hatte ist die gemessene Dosis auch nahe an dem, was die Person auf dem Stuhl neben mir abbekommen hat. Das war nämlich jemand, der eine Angehörige zu ihrem Scan begleitet hat und selber gar kein Patient war. Aus Strahlenschutzsicht ist mal eben 150µSv abzubekommen, nur weil man auf dem falschen Stuhl sitzt jetzt nicht inbedingt die hohe Schule der Kunst und sollte eigentlich nach Möglichkeit vermieden werden. Naja, aber ein Fass werde ich jetzt sicher nicht deswegen aufmachen und den Kolegen in der Unikinik in ihre Arbeit reinreden.

In der praktischen Anwendung kombiniert man gerne einen PET-Scan auch noch mit einem CT um ein schönes Bild von dem Patienten zu bekommen. Sprich das CT liefert ein 3D Bild von Organen und Knochen des Patienten in Schwarz/Weiß je nachdem, wieviel Röntgestrahlung von den entsprechenden Organen absorbiert wird und das PET liefert ein Blau/Rot Bild je nachdem, wieviel Zucker von den entsprechenden Zellen aufgenommen wurde. Diese beiden Bilder liegen dann übereinander und die Ärtze können leicht erkennen, wo denn Zellen mit erhöhtem Zucker-Zellstoffwechsel im Körper liegen.

 

Theoretisch kann man beide Messungen gleichzeitig durchführen. Rein physikalisch spricht nichts dagegen und die moderne Detektortechnik ist so weit, dass sie das durchaus bewerkstelligen könnte. Das Gerät, in das sie mich reingeschoben haben, hatte zwei Detektorringe. Einen für das CT und einen anderen für den PET-Scan, die hintereinander angeordnet waren. Das heißt auch die Messungen wurden hintereinander durchgeführt. Erst 20 Minuten PET, dann 20 Minuten CT. Der Nachteil dabei ist natürlich, dass so Bewegungsartefakte entstehen, wenn sich der Patient zwischen den beiden Messungen bewegt und die beiden Bilder dann nicht mehr 100%tig übereinander passen. Das ist aber mal wieder ein übliches Problem der Medizintechnik über das ich mich hier schon öfter mal ausgelassen habe. Aktuelle Technik benötigt immer 10-20 Jahre, bis sie in der Medizin angekommen ist. Sprich auch die modernsten medizinischen Maschinen arbeiten mit Technik, die mir als Physiker in dem entsprechenden Bereich total veraltet vorkommt. Naja, ist halt so.

PET ist eine tolle Technik, aus Sicht des Physikers, aber auch teuer und aufwendig. Der Beta+ Strahler muss vor Ort aufwendig hergestellt werden und dann hat man nur ein kleines Zeitfenster, in dem man das Bild vom Patienten machen kann. Darüber hinaus ist die Ortsauflösung der aktuellen Geräte nicht unbedingt die Beste, vor allem, wenn man es mit aktuellen Röntgen oder MRT Geräten vergleicht. Wie schon oben gesagt könnte man da theoretisch einiges dran tun (aus physikalischer Sicht), aber diese Möglichkeiten haben ihren Weg noch nicht in die Humanmedizin gefunden. Interessanterweise gibt es sehr leistungsstarke PET-Scanner für Mäuse, die in wissenschaftlichen Studien benutzt werden und sich technisch wesentlich mehr austoben können, weil man hier eben keine medizinischen Zulassungsprozesse braucht.

Außerdem geht man hier immer von der Prämisse aus, dass Krebszellen deutlich mehr Zucker aufnehmen, als gesunde Zellen. Grob gesehen stimmt das zwar, aber es gilt noch lange nicht für alle Krebsarten in der gleichen Art und Weise. Daher ist auch hier wieder Vorsicht geboten. Grundsätzlich werden aktuell viele neue Möglichkeiten entwickelt chemische Substanzen im menschlichen Körper an bestimmte Orte zu bringen. Speziell gezüchtete Antikörper und Nanoteilchen sind nur zwei Möglichkeiten und solche Transporter könnten natürlich auch mit Beta+ Strahlern beladen werden um schöne PET-Bilder zu machen. Diese Bildgebende Methode hat auf jeden Fall noch viel Potential. Vielleicht nicht in der Breite der Anwendungen, wie Röntgen oder MRT, aber sicherlich für Spezialfälle vor allem in Kombination mit den anderen existierenden Verfahren.

 

Kommentare (14)

  1. #1 UMa
    17. September 2019

    Hallo Tobias,

    150µSv unnötig, weil man daneben sitzt, und das noch in der kurzen Zeit sind schon eine ganze Menge.

    Wenn die Dosis mit den Quadrat der Entfernung abnimmt sind es mit 2,5 bis 3 Metern Abstand aber nur noch ein Hundertstel also 1,5µSv.
    Diesen Abstand (falls keine Abschirmung durch Wände o.Ä.) würde ich für einen längeren Aufenthalt schon empfehlen. Selbst wenn nicht, auch in 1 Meter Abstand sind es nur noch etwa 11µSv, viel besser als direkt daneben. Direkt daneben sitzen sollte man also besser nicht, vor allem nicht schwangere Frauen.

    150µSv sind ungefähr so gefährlich wie 2,5 Liter Cola/Limonade (Zucker) oder 2 Liter Wein (Alkohol) oder 15 Zigaretten. Muss ohne Not nicht sein.

    Wenn man das jeden Tag einmal machte, 150 µSv, also jeden Tag etwa eine Stunde neben einem strahlenden Patienten säße, 5 Tage die Woche, 47 Wochen im Jahr, käme man auf eine Jahresdosis von 35 mSv.
    Das ist zu viel.

    Wie sehen eigentlich die Sicherheitsvorkehrungen für das medizinische Personal aus? Tragen die Dosimeter?

  2. #2 Captain E.
    17. September 2019

    Die Szintigrafie ist ein verwandtes Verfahren, nur entsteht da die Gammastrahlung beim Zerfall eines Technetium-Kernisomers. Der Nachteil gegenüber PET dürfte sein, dass die Gammastrahlen wild in alle Richtung schießen und nicht so klar erkennbare Paare im 180°-Winkel bilden. Sind die Energien vielleicht auch nicht so scharf abgegrenzt wie bei der Elektron-Positron-Annihilation?

  3. #3 Tobias Cronert
    17. September 2019

    Ja, wenn man im Forschungsreaktor eine wilde Quelle hätte, die mit 150µSv/h unnötig durch die Gegend strahlt, dann würde der Strahlenschutz da schon recht geschwind einschreiten und was dagegen unternehmen. Aber die Medizin hat da schon den gesetzlichen Joker gezogen und nutzt das auch aus.
    Ich glaube schwangere Frauen werden erst gar nicht in die Abteilung reingelassen, weil es einfach zu heikel ist und bei normalen Leute … ja, nicht toll, aber definitiv nicht meine Baustelle. Da werde ich den Kollegen nicht in die Suppe reden *g*

    Das Personal trägt Dosimeter und wird vernünftig überwacht. Da kann ja durchaus schon mal ordentlich was zusammen kommen. Die müssen die Isotope ja auch erst mal produzieren und abfüllen. Das ist jetzt nicht ganz trivial, aber durchaus handhabbar. Die haben ja ganz ähnliche Tätigkeiten, wie ich während meiner Arbeit und laufen gesetzlich auch nach dem Arbeitsschutzgesetz und nicht über die Medizinischen Ausnahmeregelungen.

  4. #4 Tobias Cronert
    17. September 2019

    @Captain E.: Das Technentium bei der Gamma-Szintigrafie hat auch klare Gamma-Energien, auf die man diskriminieren kann. Aber es ist per se halt ein 2D Verfahren, im Gegensatz zu dem 3D beim PET.

    Ich weis jetzt gerade nicht auswendig, ob man Tc bzw. den Vorgänger Molybdän mit einem “einfachen” medizinischen Synchrotron herstellen kann oder ob man da mehr Wums fürs braucht. Das kommt auf jeden Fall auch noch mal auf die 2do Liste an Artikeln, die ich noch schreiben muss.

  5. #5 Captain E.
    18. September 2019

    @Tobias Cronert:

    Wenn du dazu kommst, kannst du uns ja deine Sicht auf den Technetium-99m-Generator schildern, der mit dem von dir erwähnten Molybdän-Isotop Mo-99 arbeitet. Dabei soll es sich (laut Wikipedia) um “Spaltmolybdän” handeln. Mir schwebt auch vage vor, dass es gar so viele Reaktoren zur Produktion von Tc-99m gar nicht mehr gibt und dringend der eine oder andere gebaut werden müsste. Oh je! Wasser auf die Mühlen der Kernkraftgegner! Raktoren sind doch böse.

    Laienhaft formuliert, bestehend aus vager Erinnerung und frisch nachgelesenem Wikipedia-Wissen: Man nehme das (stabile) Molybdän-Isotop Mo-98, beschieße es mit Neutronen und aktiviere es zu Mo-99, Halbwertszeit ca. 66 Stunden. Dann transportiere man dieses Mo-99 in eine nuklearmedizinische Einrichtung und fülle es dort in den schon erwähnten Technetium-99m-Generator ein. Das nun beim Zerfall von Mo-99 entstehende Tc-99m trenne man etwa alle sechs Stunden (= Halbwertszeit von Tc-99m) ab und injiziere es in den Patienten. Zuguterletzt lasse das entstandene Tc-99 mit einer Halbwertszeit von 211.100 aus dem Patienten per natürlichem Prozess entweichen und verteile es in der Umwelt.

    Strahlenphobiker aufgepasst: Bei der schon recht langen Halbwertszeit strahlt das Tc-99 nicht sehr stark und ist eher ungefährlich, zumindest in diesen medizinischen Mengen. In Kernkraftwerken entsteht es allerdings tonnenweise, und somit fallen schon ein paar Becquerel an.

  6. #6 Tobias Cronert
    18. September 2019

    Äh, ja kommt auf die Liste.

    Soweit ich es auswenidig im Hinterkopf habe ist deine Besdhreibung auch das, an das ich mich erinnere. Technetiumproduktion ist auch immer ein wichtiges Aspekt von Forscghungsreaktoren. In Leistungsreaktoren wird das mWn nicht gemacht. Nach dem Abschalten des Berliner Reaktors gibt es in Deutschland mWn nur noch zwei Reaktoren, die das machen. Trier und München. Das ist natürlich für die Medizin nicht so tolle und eine weitere Argument für meine tollen kleinen Beschleunigergetriebenen Neutronenquellen *g*

  7. #7 Captain E.
    18. September 2019

    Wikipedia erwähnt, dass es weltweit nur fünf Reaktoren gäbe, und zwar drei in Europa, einer in Südafrika und einer in Kanada. Das war aber offensichtlich der Stand 2010, so dass mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit “Europa” mit “Deutschland” zu übersetzen wäre. Aber selbst wenn nicht, so sind zwei existierende Reaktoren geradezu eine Überversorgung – bzw. wären es, wenn diese nicht auch halb oder ganz Europa, Asien und Afrika mit versorgen müssten.

    Über kurz oder lang wird die Gesellschaft wohl um deine “Neutronenkotzer” nicht mehr herum kommen. 😉

    Aber wie auch immer, da es nun einmal nur so wenige Produktionsorte für Mo-99 gibt, fahren mit Sicherheit etliche Kraftfahrzeuge durch Deutschland mit radioaktiver Ladung, möglicherweise so in Sprinterklasse, vielleicht auch kleiner. Da bekommt so mancher Kernkraftgegner sicherlich wieder seine Wut.

  8. #8 Tobias Cronert
    18. September 2019

    Hm, das muss ich mal nachgucken.

    Also die Forschungsreaktoren fallen derzeit auch wie die Fliegen. Auch bzw. vor allem in Europa. In den nächsten 10 Jahren wird es da wahrscheinlich noch Optionen geben. Darüber hinaus???

    Naja, nur wegen Szintigrafie allein wird man jetzt keinen neuen Reaktor bauen. Hm, mal gucken, was das wird.

  9. #9 Captain E.
    18. September 2019

    Da wäre anscheinend nicht nur Deutschland und seine Bevölkerung zu befragen, wie die kerntechnische Zukunft aussehen soll.

    Übrigens: Fl-18 kann an gut ausgestatteten radiologischen Kliniken hergestellt werden (und muss es auch, Mo-99 zumindest bislang nicht. Beides sind aber Radiopharmaka für bildgebende Verfahren. Gibt es noch mehr solcher Verfahren, die einen Reaktor voraussetzen? Auch im therapeutischen Bereich anstelle des hier besprochenen diagnostischen?

  10. #10 M
    Bolivien
    18. September 2019

    @TC #6
    In Trier gibt es keinen Forschungsreaktor. In Schland bleibt da mWn nur Garching. In den USA will aber eine Firma SHINE oder Shinemed den Weltmarkt bedienen, mit einem patentierten Herstellungsverfahren ohne Reaktor (?).
    Inwieweit Petten/NL am Ball bleibt weiß ich nicht.

  11. #11 rolak
    19. September 2019

    (?)

    Siehe u.a. dort, M.

  12. #12 Tobias Cronert
    19. September 2019

    @M: Uuuups sorry ich meinte Mainz nicht Trier. Das ist für den Kölner irgendwie alles dasselbe 😉
    Die TRIGAs sollten mWn zumindest technisch in der Lage sein das Molybdän herzustellen. Ob es auch wirklich gemacht wird bzw. wurde weis ich auswendig jetzt nicht.

    Bei Teilchenbeschleunigern ist mWn das Problem, dass recht hohe Neutronenflüsse erreicht werden müssen und das das tradiditionell mit den Beschleunigern ein Problem ist. Aber genau an dem Problem arbeitet meine Gruppe ja aktuell *g*

  13. #13 Captain E.
    24. September 2019

    @Tobias Cronert:

    Äh, ja kommt auf die Liste.

    Soweit ich es auswenidig im Hinterkopf habe ist deine Besdhreibung auch das, an das ich mich erinnere. Technetiumproduktion ist auch immer ein wichtiges Aspekt von Forscghungsreaktoren. In Leistungsreaktoren wird das mWn nicht gemacht. Nach dem Abschalten des Berliner Reaktors gibt es in Deutschland mWn nur noch zwei Reaktoren, die das machen. Trier und München. Das ist natürlich für die Medizin nicht so tolle und eine weitere Argument für meine tollen kleinen Beschleunigergetriebenen Neutronenquellen *g*

    Wie weit seid ihr da eigentlich? Gestern Abend in “Wissen vor Acht – Zukunft” hieß es, ein japanisches Team sei bei einer Länge von 15 Meter angelangt und wolle demnächst einen Mess-LKW mit einer fahrbaren Neutronenquelle einsatzbereit haben. (Aber wer weiß schon, wie lange es bis “demnächst” dauern mag?)

    Und wer mag, kann jetzt schon einmal anfangen, Angst zu bekommen und sich aufzuregen. Ihr wisst ja: Ein Neutronenfluss kann gesundheitsgefährdend oder sogar tödlich sein, und zwecks Überprüfung großer Strukturen wie beispielweise Brücken werden diese irgendwann direkt vor Ort mit Neutronen beschossen und durchleuchtet werden. 😉

  14. #14 Tobias Cronert
    24. September 2019

    Wir arbeiten eng mit den Japanern zusammen, die den LKW bauen. Mein Lieblingsjapaner mit den Löchern in den Socken stammt aus der Gruppe. Vor zwei Jahren hatte ich sie in Tokyo besucht und z.B. dieses Bild von der Neutronenquelle gemacht.

    Also die Neutronenquelle ist so gut wie fertig. An den Detektoren muss noch ein wenig herumgeschraubt werden und die Zulassungsverfahren sind auch nicht ganz einfach. Sprich 3-5 Jahre wirds noch dauern, bis der Prototyp auf den LKW gebastelt werden kann.

    Meine Kollegen waren diesen Sommer wieder dort und nächsten Sommer kommen die zu uns nach Jülich. … Ja, ich sollte vielleicht mal einen Artikel …. Ach arme 2do Liste.