Senter for Nukleærmedisin/PET Haukeland Universitetssykehus Fysiker Odd Harald Odland (Dr. Scient. kjernefysikk, UiB, 2000) nøytron Radioaktivt fluor proton Anriket oksygen (O-18) i vann Radio-kjemisk laboratorium PET/CT scanner Radioaktivt fluordruesukker FDG

Senter for Nukleærmedisin/PET Et senter for diagnostikk og behandling med radionuklider (radioaktive isotoper satt inn i molekyler som injiseres inn i blodbanen i kroppen). Startet opp høsten 2008 i nybygg på vestsiden av Sentralblokken ved HUS. Samarbeider tett med Avdeling for kreftbehandling og medisinsk fysikk og Radiologisk Avdeling. Fokus på såkalte radioaktive isotoper.

Elektron Nøytron Oksygenatom Proton Et atom består av en kjerne med nukleoner (protoner og nøytroner) og elektroner som går i baner utenfor atomkjernen. Et stabilt atom har like mange protoner som elektroner. Nøytroner finnes kun i bundet form inne i atomkjerner, levetiden til et ”fritt” nøytron er 900 [s]. Elektron Nøytron Oksygenatom Proton Vi ser her til en viss grad vekk fra at nukleonene er kompositt partikler bygget opp av kvarker (proton - uud og nøyton - udd).

Naturen (alt vi har rundt oss og oss selv) er bygget opp av grunnstoffene som er vist i dette diagrammet. [ Z ] A X Z N X = Isotop A = antall nukleoner i kjernen Z = antall protoner i kjernen N = antall nøytroner i kjernen [ N ]

Det periodiske system: oversikt over byggeklossene for alt som finnes i naturen:

Noen utvalgte isotoper: Ustabile isotoper Stabile isotoper

Det er (pr i dag) oppdaget nærmere 3000 isotoper i naturen, det oppdages i eksperimenter stadig nye. Definisjon av isotop = Atomkjerner med samme antall protoner men med ulikt antall nøytroner i kjernen. Det finnes både stabile og ustabile isotoper, om lag 10% av de oppdagede isotoper er stabile.

Det er de radioaktive isotopene man anvender innen nukleærmedisin. Grunnstoffene: O-16: 99.76% O-17: 0.038% O-18: 0.205% Den stabile isotop (for hvert enkelt protontall) som forekommer i størst utstrekning i naturen, inngår som et element i det ”periodiske system”, også kalt grunnstoffene i naturen. Ustabile isotoper kalles radioaktive isotoper, disse vil ha begrenset levetid på jorden, de vil ”henfalle” med en isotopspesifikk ”halveringstid”. Det er de radioaktive isotopene man anvender innen nukleærmedisin.

mulig energi – denne tilstanden kalles ”grunntilstanden”. Alle isotoper i naturen vil over tid søke den tilstand der isotopen har lavest mulig energi – denne tilstanden kalles ”grunntilstanden”. Når en radioaktiv isotop ”henfaller” så innebærer dette at isotopen sender ut radioaktiv stråling, som bærer med seg energi, idet isotopen går fra en energitilstand til en annen (lavere) energitilstand. En stabil isotop i grunntilstanden er en isotop som ikke lengre vil sende ut stråling for å kvitte seg med energi. Energi utsendelse

Dette er en statistisk fordelt prosess. En radioaktiv isotop vil henfalle med en viss sannsynlighet innen en viss tid. Dette er en statistisk fordelt prosess. Midlet over tid vil man kunne tilordne hver radioaktive isotop en spesifikk sannsynlighet for antall henfall i løpet av denne tiden. Man måler gjerne hvor lang tid det tar idet man har igjen halvparten av det opprinnelige antall radioaktive isotoper. Dermed tilordnes iostopen en ”halveringstid” – ”t ½”. Energi utsendelse En halveringstid En halveringstid

Den radioaktive strålingen som sendes ut vil være enten fotoner (”gamma”), elektroner/positroner (”beta”), heliumkjerner (”alpha”) eller nøytroner. Ved å kunne registrere den utsendte radioaktive strålingen på en slik måte at man kan følge sporet etter strålingen tilbake til hvor det radioaktive henfallet fant sted, kan man danne seg bilder av hvordan et radioaktivt stoff har fordelt seg i et medium (for eksempel i en menneskekropp).

For å lage F-18 (som altså er radioaktivt) bombarderer man O-18 Ved vanlige ”PET/CT” studier, vil den radioaktive isotopen som henfaller inne i pasienten være Fluor-18 (F-18). For å lage F-18 (som altså er radioaktivt) bombarderer man O-18 i vannform: H2O (O-18) med protoner. Protonene må tilføres energi for at man kan starte kjernereaksjoner. Proton (hydrogenkjerne). Metode: Å akselerere ladde partikler ved hjelp av et elektrisk felt: H2O (O-18), dvs 8 protoner og 10 nøytoner pr oksygenatom. q +V -V Proton (hydrogenkjerne). E Nøytron i O-18 atom. Proton i O-18 atom. F = q E

Protonene må tilføres energi for at man kan starte kjernereaksjoner. Til dette formål anvendes en såkalt Cyclotron (syklotron) hvor et permanent magnetfelt og et oscillerende elektrisk felt anvendes. Proton (hydrogenkjerne). H2O (O-18), dvs 8 protoner og 10 nøytoner pr oksygenatom. v Proton akselerert opp til høy hastighet, dvs høy energi; 16.4 [MeV]. Proton (hydrogenkjerne). Nøytron i O-18 atom. Proton i O-18 atom.

Reaksjonsligning: O-18 (p,n) F-18 Halveringstid F-18 = 109.7 [min] Proton (hydrogenkjerne) med høy hastighet, dvs høy energi, 16.4 [MeV]. Høyenergetisk nøytron sendt ut fra F-18 kjernen idet innkommende proton fanges opp i kjernen. H2O (O-18), dvs 8 protoner og 10 nøytoner pr oksygenatom. F-18 i H2O (O-18) vann, dvs 9 protoner og 9 nøytoner pr fluoratom. Proton (hydrogenkjerne). Nøytron i O-18 atom. Proton i O-18 atom.

Den produserte F-18 isotopen vil sende ut et positron (et ”anti-elektron”) fra kjernen idet isotopen henfaller fra F-18 tilbake til stabilt O-18. Et proton i kjernen omdannes til et nøytron idet positronet sendes ut. Et F-18 atom ……. …blir til et O-18 atom … … ved at et positron sendes ut fra kjernen! Og ved det omdannes et proton til et nøytron i atomkjernen!

E = mc Et F-18 atom ……. …blir til et O-18 atom. Et positron er antipartikkelen til et elektron. De har motsatt elektrisk ladning (+q og -q) men like stor masse, 511 [keV/c ]. 2 Et F-18 atom ……. …blir til et O-18 atom. Idet elektronet og positronet ”kolliderer”, vil de opphøre å eksistere (annihilasjon) og energien deres videreføres av to fotoner …… E = mc 2

E = mc 2me =2x511 [keV/c ] 511 [keV] Foton Foton 511 [keV] Når positronet kolliderer med et atomært elektron, annihilerer de (opphører å eksistere). Energien fra de to hvilemassene overtas av to fotoner som sendes ut i motsatt retning fra hverandre (180°) for bevaring av bevegelsesenergi (en naturlov). Hvert foton vil ha energien 511 [keV].

I nukleærmedisin ønsker man å benytte de radioaktive isotopene. Hvorfor det mon tro ? Man ønsker å finne ut om en pasient er syk (og hvor syk) eller frisk. Hvordan kan man gjøre det ved hjelp av radioaktive isotoper ? Jo, idet man injiserer et ” nukleærmedisinsk legemiddel” inn i en pasient, vil man kunne måle hvordan dette legemiddelet fordeler seg i kroppen. Dette kan man måle fordi: når radioaktive isotoper henfaller, så vil det kunne sendes ut fotoner ( ) fra det stedet i kroppen hvor den radioaktive isotopen befinner seg akkurat da. Disse fotonene vil man kunne oppdage (”detektere”) i krystaller og tilhørende utlesnings elektronikk plassert utenfor pasienten.

Utlest ladning: Q(1) og Q(2) Krystall Skur av partikler i krystall: danner frigjort ladning Q: Utlesnings elektronikk, utlesning av elektrisk ladning (Q) der et foton treffer et krystall. Ladningen blir uttrykk for hvor fotonet traff ”detektoren” (x, y, z, t). Q(1) Q(2) Eksitering: Et innkommende foton ”eksiterer” atomet ved at et elektron ”overtar” fotonenergien og løftes opp til en elektronbane med høyere energinivå (”elektronskall” modell). De-eksitering: ”henfall” og utsendelse av foton som bærer av en energi tilsvarende forskjellen mellom de to energinivåene. Fotoelektrisk effekt: Det innkommende foton ioniserer atomet ved at et elektron ”overtar” fotonenergien og frigjøres fra atomet dersom fotonenergien overstiger bindingsenergien til elektronet.

Utlest ladning: Q(1) og Q(2) Krystall Utlesnings elektronikk, utlesning av elektrisk ladning (Q) der et foton treffer et krystall. Ladningen blir uttrykk for hvor fotonet traff ”detektoren” (x, y, z, t). Q(1) Q(2) Fotonene har en hastighet: 30 [cm]/[nanosekund]

Reaksjonsligning: O-18 (p,n) F-18 Henfall: F-18 O-18 og positron (e+) Den produserte F-18 isotopen vil henfalle tilbake til stabilt O-18 med en halveringstid på om lag 110 minutter. Det tar nesten 2 timer å halvere opprinnelig mengde F-18. Foton med energi 511 keV 1 keV = 1000 eV 1 eV = den energi et elektron får når det akselereres over en spenningsforskjell på 1 Volt. Pasienten venter om lag 1 time mellom injeksjon av F-18 (nå i et FDG molekyl) og scanning i en PET/CT skanner. CT scanner PET scanner

PET/CT scanning: Pasienten legges på et bord og blir ”scannet” ved at det taes røntgenbilder (CT) og man registrerer (PET) strålingen ut fra pasienten. To fotoner med energi 511 keV detektert i hver sin retning, 180° mellom treffene, reflekterer henfall av F-18 tilbake til O-18 ett eller annet sted på linjen mellom de to fotonene. Detektorring bestående av krystaller og elektronikk CT scanner PET scanner

Ved å sammenstille treff på begge sider av pasienten, med 180° mellom treff fra hvert av de to fotonene (på samme tidspunkt), kan man rekonstruere ”responslinjer” som vil gi en oversikt over hvor i kroppen de radioaktive fluoratomene befant seg ved henfall. CT scanner PET scanner

CT-skanner: rekonstruksjon av tverrsnitt gjennom kroppen Projeksjoner (filtrert) Rekonstruksjon Rekonstruerer ’røntgen-tettheten’ i hvert bildepunkt

Rekonstruksjon U Registrerte strålebaner telles opp Rekonstruksjon Hvor mange strålebaner gikk akkurat her? U Registrerte strålebaner telles opp for alle mulige retninger og grupperes etter retning Rekonstruksjon

Ved å tilbakespore hvor i kroppen det radioaktive henfallet fant sted, vil man få ut et kart som viser fordelingen av det legemiddelet som ble injisert inn i blodbanen til pasienten ble. Ved å på forhånd vite hvordan en slik fordeling normalt ser ut hos friske og syke mennesker, vil man kunne avklare om en pasient er syk eller avgjøre hva som eventuelt må undersøkes videre.

Hvordan produsere radioaktive isotoper ? Senter for Nukleærmedisin/PET – Haukeland Universitetssykehus – Helse Bergen HF