Thema des Essays Die Positronenemissionstomographie Autor Ralf

							Thema des Essays:            Die Positronenemissionstomographie
Autor:                       Ralf Grünwald




Veranstaltung:               Geschichte und Methoden der physiologischen Psychologie
Dozentin:                    Prof. Dr. Monika Pritzel
Teilbereich:                 Moderne Methoden zur Erfassung der Beziehung von Hirn und Psyche




Einleitung


Die Positronenemissionstomographie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin.
Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren (CT, MRT) steht hierbei nicht die Darstellung einer
biologischen Struktur (z.B. der Ventrikel im Frontalschnitt), sondern von biochemischen und
physiologischen Vorgängen im Vordergrund. Es kann zum Beispiel sichtbar gemacht werden, in
welchem Bereich des Gehirns besonders starke Aktivitäten (z.B. durch Wachstum eines Tumors)
stattfinden.




Naturwissenschaftliche Grundlagen


Um die Funktionsweise der PET verständlich zu machen, wird im folgenden auf die wichtigsten
physikalischen und chemischen Grundlagen, welche zum Verständnis unabdingbar sind, kurz
eingegangen


Positron: Ein Positron ist das Gegenstück zum allseits bekannten Elektron. Es unterscheidet sich
von diesem nur in seiner elektrischen Ladung, welche positiv ist.


Isotop: Atomkerne bestehen im Allgemeinen aus Protonen und Neutronen. Die Zahl der den
Atomkern umkreisenden Elektronen entspricht wiederum dem der Protonen im Kern. Alle derzeit
bekannten chemischen Elemente sind mit einer Kernladungs- und einer Massezahl deklariert. Die
Kernladungszahl gibt dabei die Anzahl der Protonen im Kern an. Die Massezahl jedoch die
Summe aus Protonen und Neutronen, also den Kernbestandteilen insgesamt, an.


Beispielsweise besteht der Kern des chemischen Elements Wasserstoff nur aus einem Proton,
welches von einem Elektron umkreist wird. Manche Wasserstoffatomkerne haben zusätzlich noch
ein Neutron. Da dieses die elektrische Ladung jedoch nicht beeinflusst, ist das Atom immer noch
ein Wasserstoffatom, nur knapp doppelt so schwer (Neutronen sind in etwa so schwer wie
Protonen, das Gewicht der Elektronen ist zu vernachlässigen). Man spricht daher von schwerem
Wasser, oder aber –da der Kern aus zwei Teilchen besteht- auch von
Deuterium (griech.: „das zweite“). Weiterhin gibt es Wasserstoffatomkerne mit einem Proton und
zwei Neutronen, woraus zusammen mit Sauerstoff die Moleküle von überschwerem Wasser
bestehen. (Tritium, griech.: „der Dritte). Deuterium und Tritium sind beide Wasserstoffisotope.
Alle chemischen Elemente besitzen Isotope. Manche dieser Isotope sind radioaktiv, d.h. sie sind,
im Gegensatz zu den nicht radioaktiven Isotopen (dazu gehören Deuterium und Tritium) instabil,
da sie einem radioaktiven Zerfall unterliegen.


Radioaktiver Zerfall: Radioaktive Stoffe zeichnen sich durch ihre Instabilität aus, d.h. die
Atomkerne zerfallen nach einer gewissen Zeit, woraus die Kerne anderer Elemente hervorgehen,
welche, wenn sie ebenfalls instabil –also radioaktiv- sind ebenfalls wieder zerfallen. Diese Reihe
setzt sich so lange fort bis aus einem radioaktiven Zerfall ein stabiles Element hervorgeht. Uran
zum Beispiel, zerfällt zu Thorium, und dieses über mehrere Zwischenstufen zu dem letztlich
stabilen Element Blei. Bei dem Zerfall wird Energie abgegeben. Man spricht hierbei von
radioaktiver Strahlung. Es gibt verschiedene Formen dieser Strahlung, sie kann z.B. aus Helium-
Atomkernen, Elektronen, Positronen oder aber auch masselosen Energiepaketen bestehen. Bei der
Kernspaltung zur Energiegewinnung wird der Zerfallsprozeß forciert.


Halbwertszeit: Die Halbwertszeit gibt an in welchem Zeitraum ein radioaktiver Stoff zur Hälfte
dem radioaktiven Zerfall anheim gefallen ist. Uran z.B. hat eine Halbwertszeit von 4,47 Milliarden
Jahren. Hat man also eine „frische“ Kugel Uran, so ist diese nach dieser Zeitspanne zur Hälfte zu
Thorium zerfallen. Nach weiteren 4,47 Milliarden Jahren ist vom verbleibenden Rest wiederum
50 % zu Thorium zerfallen. Nach zwei Halbwertszeiten sind vom ursprünglichen Stoff also 75 %
zerfallen.
Die Halbwertszeit ist bei den verschiedenen Stoffen sehr unterschiedlich, ein bestimmtes
Poloniumisotop hat z.B. eine Halbwertszeit von nur 0,3 µs (3 Millionstel Sekunden).


Teilchenbeschleuniger: Mittels dem Teilchenbeschleuniger wird ein Atomkern das von Natur aus
nicht radioaktiv sind (z.B. Wasserstoff) mit einem Proton von hoher Geschwindigkeit bombardiert,
was zur Folge hat dass dieses in den jeweiligen Atomkern aufgenommen wird. Da jedoch die Zahl
der Hüllenelektronen gleich bleibt, entsteht ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladungen. Das
überschüssige Proton kann von den Elektronen nicht dauerhaft gebunden werden, das Atom ist
instabil – radioaktiv.


Relativitätstheorie: Die bekannteste Formel der allgemeinen Relativitätstheorie lautet „E=mc²“. In
Worten bedeutet dies, dass Energie lediglich eine andere Zustandsform von Masse (m) ist. Masse
kann in Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Anhand der Formel wird deutlich (c=
Lichtgeschwindigkeit = ca. 300.000 km/h) dass bereits geringe Massen (z.B. Atomkerne) großen
Mengen Energie entsprechen.


Photonen: Energiereiche, masselose Lichtteilchen.


Neutrino: Neutrinos sind Elementarteilchen wie Elektronen oder Positronen, jedoch elektrisch
neutral.


Metabolismus: Stoffwechsel, Umsatz an chemischen Stoffen wie z.B. Glukose




Praktische Verwendung der Isotope


Bei der Anwendung der PET macht man es sich zunutze dass Radioisotope beim Zerfall Positronen
emittieren, also abgeben. Daher auch die Bezeichnung PET. Tomographie bedeutet sinngemäß
übersetzt soviel wie „Schnittdarstellung“. Das kommt daher dass das der Untersuchungsgegenstand
jeweils in Schnitten gescannt wird, woraus mittels Computerverarbeitung aber auch ein 3D-Bild
geschaffen werden kann.


Das Radioisotop wird in das Molekül eines im Gehirn natürlich vorkommenden, an sich nicht
radioaktiven, Stoffes eingebaut, z.B. Sauerstoff, Glukose oder Fluormethan. Das dabei entstehende
Präparat wird dem Patienten intravenös oder mittels Einatmung verabreicht. Man nennt es
Radiopharmakon, oder auch“) Tracer („Leuchtspurgeschoß“), da es radioaktiv markiert wurde. Da
es wie bereits erwähnt natürlicherweise im Hirn vorkommt, wird es von der Blut-Hirn-Schranke
nicht aufgehalten, weil es nicht von seinen nichtradioaktiven Brüdern unterscheiden kann.


Nehmen wir in unserem Beispiel an, der verwendete Tracer wäre z.B. 2-Fluoro-2-Deoxyglukose
(FDG). Es lagert sich hauptsächlich in jenen Gehirnarealen ab, in denen quantitativ viel Glukose
verbraucht wird. Wird lokal ungewöhnlich viel Glukose verbraucht, kann ein wachsender Tumor
die Ursache hierfür sein. Neben FDG gibt es noch viele andere Radioisotope, welche andere
Indikationen aufweisen. So kann man z.B. mit Stickstoff-13 (N13) den lokalen Umsatz an
Stickstoff feststellen, mit Kohlenstoff-11 (11C) an Kohlenstoff und so weiter. Es eignen sich
jedoch nur Isotope die eine vergleichsweise kurze Halbwertszeit haben. Bei einem Isotop mit
langer Halbwertszeit, z.B. Uranisotope (mehrere Milliarden Jahre) wären keine Messungen
möglich, die zeitliche Auflösung wäre viel zu grob. Da die verwendeten Stoffe also nur kurzzeitig
haltbar sind und auch nicht konserviert werden können, müssen sie unmittelbar vor Gebrauch
hergestellt werden. Das geschieht mittels einem Teilchenbeschleuniger.




Das Verfahren der PET


Die Isotope senden beim Zerfall also Positronen aus.        Das muss man sich folgendermaßen
vorstellen: Das Überschüssige Kern-Proton zerfällt in drei Teile: ein Neutron, ein Neutrino, und
ein Positron. Das Neutron verbleibt im Kern, da es keine elektrische Ladung enthält sind die
Ladungsverhältnisse im Atom wieder ausgeglichen und somit stabil. Das Neutrino verlässt den
Kern, hat aber aufgrund dessen dass es masselos sowie elektrisch neutral ist, keine Auswirkungen
auf die umgebende Materie. Es spielt auch für die PET keine Rolle und wird nur der
Vollständigkeit halber erwähnt.
Anders sieht es mit dem Positron aus, welches ebenfalls den Kern verlässt. Wir erinnern uns dass
Positronen und Elektronen elektrisch gegensätzlich geladene Teilchen sind, was zur Folge hat dass
diese sich gegenseitig anziehen. So kommt das Positron auf seiner Reise auch nur 2-4 mm weit,
bevor es mit einem Hüllenelektron der umgebenden Atome kollidiert. Durch die antagonistische
elektrische Ladung werden beide Teilchen zerstört, bzw. deren Masse wird in Energie
umgewandelt. (Wir denken hierbei an die allgemeine Relativitätstheorie.) Die Energie wird in
Form von zwei Photonen freigesetzt. Dieser Vorgang wird Annihilation, „Auslöschung“, genannt.
Die Photonen nehmen einen Kurs der im 90°-Winkel zu der Flugbahn von Elektron und Positron
steht. Die Photonen nehmen zueinander einen diametral gegensätzlichen Kurs ein (180°-Winkel).
Man kann sich das ganze klar machen, indem man sich ein Kreuz vorstellt. Der eine Balken stellt
dabei die Flugbahn dar auf der Proton und Elektron aufeinander treffen, der andere die auf dem die
Protonen entweichen.


Das zu vermessende Objekt –in unserem Fall der Schädel) ist von einem Ringförmigen
Aufzeichnungsgerät umgeben. Die energiereichen Photonen können die Materie des Gehirns und
des   Schädels    mühelos    durchdringen,   und    gelangen    so   zu   den   Detektoren    des
Aufzeichnungsgerätes, wo sie registriert werden. Anhand einer gedachten Linie zwischen den
beiden eintreffenden Photonen und dem und den unterschiedlichen Einschlagszeiten auf dem Ring,
kann der Entstehungsort abgeleitet werden. Die Auflösung ist allerdings im Vergleich zu anderen
bildgebenden Verfahren (CT, MRT) relativ grob, da die Positronen erst 2-4 mm zurücklegen bevor
Energie emittiert wird. Die ermittelten Daten werden durch den Computer zu einem vollständigen,
colorierten Bild zusammengesetzt. Anhand der Strahlungsemissionen kann das Programm
erkennen in welchen Bereichen die Konzentration des Isotops am höchsten ist, diese werden meist
mit warmen Farben (Rot, Orange, Gelb), Bereiche in denen das Aufkommen gering ist jedoch mit
kalten Farben (Blau, Grün) gekennzeichnet.




Manchmal wird zusätzlich zur PET noch eine CT oder MTR angefertigt, wenn man die beiden
Bilder dann übereinander legt hat man die Vorteile beider Verfahren vereinigt: eine
hochauflösende Darstellung der Struktur mittels MRT oder CT, sowie eine Verbildlichung der
jeweiligen Stoffwechselvorgänge durch PET. An einer verbesserten Auflösung der PET wird
geforscht, dass hätte den Vorteil das dem Patienten die zusätzliche, nicht unerhebliche,
Strahlenbelastung einer CT auszusetzen. Was durch das PET dargestellt wird (z.B.
Glukosemetabolismus oder Sauerstoffmetabolismus) ist, wie bereits erwähnt, abhängig von dem
eingesetzten Isotop.
Forschung und Anwendung


Von allen bildgebenden Verfahren dürften jene welche die Gehirnfunktion darstellen können die
interessantesten für Psychologen und Hirnforscher sein. Diese Verfahren können nicht nur zur
Entdeckung von Krankheiten und Überwachung von Therapieverläufen eingesetzt werden, sondern
vor allem auch zur Erforschung der Hirnfunktionen. Beispielswiese hat man bei der Untersuchung
von Synästhetikern festgestellt, dass fallweise auch die Sehrinde aktiv war, wenn der Proband
etwas hörte.


Im klinischen Bereich (Neurologie) gehört die Anwendung der PET allerdings noch längst nicht
zum Alltag, die Durchführung einer solchen kostet im Moment noch ca. 1000 €, in Kombination
mit einer CT sogar 1700 €, weswegen häufiger nur eine CT oder die schonendere MRT
durchgeführt wird – was in den meisten Fällen allerdings auch ausreicht.


Die physiologischen Korrelate von psychischen Störungen können durch die PET immer besser
nachvollzogen werden. So konnte erwiesen werden, dass eine Anorexie Nervosa (Magersucht) mit
einer verminderten Funktion im Parietallappen einhergeht, was vermutlich mit einer gestörten
Körperwahrnehmung      zusammenhängt.      Ebenso    wurde   erforscht     dass   bei   Panik-   und
Angststörungen ein bestimmter Rezeptortyp nicht in ausreichendem Maße vorhanden zu sein
scheint. Auch versucht man mittels der PET zu eruieren, ob Zwangsstörungen mit einer Störung
des prozeduralen Lernens zusammenhängen.
Dies alles kann dabei helfen neue Medikamente zu entwickeln, aber die hierbei gewonnenen
Erkenntnisse sind auch für die Psychologie wichtig. Ob zuerst die psychische Störung, oder die
physiologische Dysfunktion entstand –wobei wir wieder bei der klassischen Leib-Seele-
Problematik wären- spielt dabei keine Rolle. Beide Seiten der Medaille haben wechselseitig
Einfluss aufeinander. Man muss herausfinden in welchen Fällen eine Verbesserung durch gezielte
psychologische Intervention, und in welchen eine pharmakologische Behandlung anzuraten ist. Zur
Zeit fährt man dabei meist eine Zwei-Säulen-Strategie. Der Therapieerfolg und die Effektivität
sowie Effizienz der jeweiligen Therapierichtung, kann zu Forschungszwecken durch PET
überwacht werden.