Positronenemissionstomographie (PET)

Bei der Positronen-Emission-Tomographie (PET; Tomographie – aus dem altgriechischen: tome: der Schnitt; graphein: schreiben) handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin, mit dem die Visualisierung von Stoffwechselprozessen durch den Einsatz schwach radioaktiver Substanzen möglich wird. Dies ist hilfreich bei der Diagnostik von Entzündungen, Tumoren und anderen Erkrankungen mit gesteigerten oder erniedrigten Stoffwechselprozessen.

Das besonders in der Onkologie (Wissenschaft, die sich mit Krebs befasst), Kardiologie (Lehre vom Herzen, die sich mit der Struktur, der Funktion und den Erkrankungen des Herzens befasst) und Neurologie (Lehre vom Gehirn und dem Nervensystem sowie den Erkrankungen des Gehirns und dem Nervensystem) eingesetzte Verfahren kann unter Anwendung eines Radiopharmakons (Tracer; Tracersubstanz: chemische Substanz, die mit einem radiologisch aktiven Stoff markiert wurde) im zu untersuchenden Organismus die biochemische Aktivität ermitteln. Die Grundlage für die seit 15 Jahren in der Diagnostik eingesetzte Positronen-Emission-Tomographie ist die Verfolgung von Molekülen im Körper des Patienten durch die Positronenemission mithilfe eines Positronenstrahlers. Die Detektion (Entdeckung) der Positronen beruht dann auf dem Zusammenstoßen eines Positrons mit einem Elektron, da durch die Kollision der geladenen Teilchen eine Annihilation (Erzeugung von Gamma-Quanten) entsteht, die für eine Detektion ausreichend ist.

Die Umsetzung dieser schon seit Jahrzehnten bestehenden Idee gelang den amerikanischen Forschern Michel Ter-Pogossion, Michael E. Phelps, E. J. Hoffman und N. A. Mullani erst im Jahre 1975, als sie ihre Forschungsergebnisse im "Radiology" veröffentlichten. Allerdings gab es auch schon in den 1950er-Jahren teilweise erfolgreiche Versuche, Hirntumoren durch positronenbasierte Bildgebung darzustellen. Da die Positronen-Emission-Tomographie überdies als Funktionsprinzip eines Anreicherungsmechanismus' bedarf, ist auch der deutsche Nobelpreisträger Otto Heinrich Warburg, der schon 1930 den vermehrten Metabolismus von Tumorzellen einhergehend mit einem erhöhten Glucoseverbrauch erkannte, als einer der Väter dieses bildgebenden Verfahrens anzusehen.

Beurteilbare Strukturen

Bei einer Positronen-Emission-Tomographie (PET) können verschiedene Strukturen und Gewebearten beurteilt werden, abhängig vom verwendeten Radiotracer und der spezifischen klinischen Fragestellung. Zu den häufig beurteilten Strukturen gehören:

• Gehirn: Neurologische Aktivität, Beta-Amyloid-Plaques, Synapsenaktivität, Glukosemetabolismus.
• Herz: Myokardperfusion (Herzmuskeldurchblutung), Vitalität des Herzmuskels, Entzündungsprozesse im Herzgewebe.
• Tumoren: Lokalisation, Größe und Metabolismus von Tumoren und Metastasen, Differenzierung zwischen malignen und benignen Läsionen.
• Lymphknoten: Beurteilung der Lymphknoten auf Anzeichen von Lymphomen oder metastatischer Aktivität.
• Knochen: Aufspüren von Knochenmetastasen (Tochtergeschwülste in den Knochen) oder anderen Knochenpathologien.
• Weichgewebe: Einschätzung der Weichgewebetumoren und entzündlichen Prozessen.

Indikationen (Anwendungsgebiete)

• Onkologische Diagnostik
  • DCUP-Syndrom: Cancer of Unknown Primary (engl.): Krebs bei unbekanntem Primärtumor (Primarius): bei ca. 3 bis 5 % aller Tumorerkrankung lässt sich trotz umfangreicher Diagnostik kein Primarius, sondern nur die Metastasierung (Bildung von Tochtergeschwülsten) feststellen.
    Autopsiestudien können in 50 bis 85 % der Fälle den Primarius nachweisen, dieser wird in 27 % der Fälle in der Lunge, in 24 % im Pankreas (Bauchspeicheldrüse), und seltener in Leber/Gallenwegen, Niere, Nebenniere, Kolon (Dickdarm), Genitalorganen und Magen gefunden; histologisch (feingeweblich) handelt es sich meistens um Adenokarzinome.
  • Differenzierung benigner von malignen Neoplasien (gutartigen von bösartigen Neubildungen)
  • Frühzeitige Beurteilung eines Therapieansprechens
  • Detektion von Tumorrezidiven und deren Differenzierung von Narbengewebe
  • Optimierung der Strahlenbehandlungsplanung
  • Analkarzinom (Analkrebs) – Staging von Lymphknoten- und Fernmetastasen
  • Cervixkarzinom (Gebärmutterhalskrebs)
  • Hirntumoren (z. B. Gliome)
  • Hodentumoren
  • Kolorektales Karzinom (Dickdarm- und Mastdarmkrebs)
  • Kopf- und Halstumoren
  • Lungentumoren (solitäre Lungenrundherde; kleinzelliges Bronchialkarzinom, SCLC)
  • Maligne Lymphome – insb. Morbus Hodgkin wg. Eskalation oder Deeskalation der Therapie
  • Mammakarzinom (Brustkrebs)
  • Malignes Melanom (schwarzer Hautkrebs) – zum Staging bei Verdacht auf Metastasierung
  • Multiples Myelom (Plasmozytom
  • Mundhöhlenkarzinom
  • Neuroblastome
  • Ösophaguskarzinom (Speiseröhrenkrebs) sowie zur Unterscheidung nach den ersten Therapiezyklen einer neoadjuvanten (Radio)Chemotherapie bei Ösophaguskarzinom zwischen Therapieansprechern und Nicht-Therapieansprechern 
  • Ovarialkarzinom (Eierstockkrebs)
  • Pankreaskarzinom (Bauchspeicheldrüsenkrebs)
  • Prostatakarzinom (Prostatakrebs)
  • Sarkome (Ewing-Sarkome, Osteo-Sarkome, Weichteilsarkome, Rhabdomyosarkome)
  • Schilddrüsenkarzinom (Schilddrüsenkrebs)
• Degenerative Hirnerkrankungen (Morbus Alzheimer/Beta-Amyloid-PET-Bildgebung/Synapsenverlust im Hippocampus; Morbus Parkinson; Demenz)
• Skelettdiagnostik
• Verlaufskontrolle bei Lysetherapie (medikamentöse Therapie zur Auflösung eines Blutgerinnsels) bei Zustand nach Apoplex (Schlaganfall)
  
• Zerebrale Durchblutungsstörungen – zur Größendarstellung der Penumbra (als Penumbra (lat.: Halbschatten) bezeichnet man bei einem Hirninfarkt den Bereich, der unmittelbar an die zentrale Nekrosezone angrenzt und noch überlebensfähige Zellen enthält) und zur Ermittlung der Myokardvitalität z. B. nach Myokardinfarkt (Herzinfarkt).

Kontraindikationen (Gegenanzeigen)

• Schwangerschaft: Aufgrund der Strahlenexposition wird eine PET-Untersuchung bei schwangeren Frauen in der Regel vermieden, es sei denn, der Nutzen überwiegt das Risiko.
• Klaustrophobie: Personen mit extremer Platzangst können Probleme mit der Durchführung einer PET haben, die in einer engen Röhre durchgeführt wird.
• Schwere Nieren- oder Leberfunktionsstörungen: Diese können den Metabolismus des Radiotracers beeinträchtigen.

Vor der Untersuchung

• Patientenvorbereitung: Die Patienten müssen möglicherweise nüchtern sein, abhängig vom Zweck der PET. In der Regel wird empfohlen, mindestens sechs Stunden vor der Untersuchung nicht zu essen.
• Medikamentenmanagement: Patienten sollten mit ihrem Arzt besprechen, ob vorübergehend Medikamente angepasst oder abgesetzt werden müssen.
• Aufklärungsgespräch: Patienten erhalten Informationen über den Ablauf der Untersuchung, mögliche Risiken und den Umgang mit der leichten Radioaktivität.

Das Verfahren

• Tracer-Applikation: Dem Patienten wird eine geringe Menge eines radioaktiven Tracers, meistens Fluordesoxyglucose (FDG), injiziert.
• Wartezeit: Nach der Injektion muss eine Wartezeit von etwa 60 Minuten eingehalten werden, während der sich der Tracer im Körper verteilt.
• Scanning: Der Patient wird in die PET-Scanner-Röhre gelegt, und die Bilder werden über einen Zeitraum von 20 bis 30 Minuten aufgenommen.
• Bildauswertung: Die gesammelten Daten werden von einem Computer analysiert, um detaillierte Bilder der Stoffwechselaktivität im Körper zu erzeugen.

Das Prinzip der Positronen-Emission-Tomographie beruht auf der Verwendung von Betastrahlung, mit der Radionuklide (instabile Atome, dessen Kerne radioaktiv zerfallen und dadurch Betastrahlung aussendet) Positronen emittieren können. Zur Anwendung geeignete Radionuklide sind diejenigen, die im Zustand des Zerfallens Positronen aussenden können. Wie bereits beschrieben, kommt es zur Kollision der Positronen mit einem nahegelegenen Elektron. Die Entfernung, bei der die Annihilation stattfindet, beträgt durchschnittlich 2 mm. Bei der Annihilation handelt es sich um einen Prozess, bei dem sowohl die Positronen als auch die Elektronen zerstört werden, sodass zwei Photonen entstehen. Diese Photonen sind Bestandteil der elektromagnetischen Strahlung und bilden die sogenannte Vernichtungsstrahlung aus. Diese Strahlung trifft an mehreren Stellen eines Detektors auf, sodass die Emissionsquelle lokalisiert werden kann. Da sich jeweils zwei Detektoren gegenüberliegen, ist so die Lagebestimmung möglich.

Zur Erzeugung von Schnittbildern bedarf es folgender Prozesse:

• Zuerst wird dem Patienten ein Radiopharmakon appliziert. Diese sogenannten Tracer können durch unterschiedliche radioaktive Substanzen markiert sein. Am häufigsten werden radioaktive Isotope von Fluor und Kohlenstoff (z. B. ¹⁸F‑Fluordesoxyglukose, ⁸F‑FDG) verwendet. Aufgrund der Ähnlichkeit zum Grundmolekül ist der Körper nicht in der Lage, die radioaktiven Isotope von dem Grundelement zu unterscheiden, was dazu führt, dass die Isotope sowohl in anabole als auch in katabole Stoffwechselvorgänge integriert werden. Allerdings ist es notwendig, dass die Herstellung der Isotope als Resultat der geringen Halbwertszeit in direkter Nähe des PET-Scanners erfolgt.
  Pharmakologische Effekte werden aufgrund der geringen verabreichten Menge durch PET-Radiopharmaka nicht hervorgerufen.
  
• Die bereits beschriebenen Detektoren müssen in einer großen Zahl vorliegen, um die Detektion von Photonen zu gewährleisten. Die Methode zur Berechnung des Kollisionspunktes von Elektron und Positron wird Koinzidenzmethode genannt. Jeder Detektor stellt eine Kombination aus Szintilisationskristall und Photomultiplier (spezielle Elektronenröhre) dar.
• Aus der Kombination der räumlichen und zeitlichen Ereignisse ist es möglich, ein dreidimensionales Schnittbild zu erzeugen, welches eine höhere Auflösung erreichen kann als ein Szintigraphe.

Zum Ablauf der Positronen-Emission-Tomographie:

• Nach der intravenösen bzw. inhalativen Aufnahme des Radiopharmakons wird die Verteilung der radioaktiven Isotope im nüchternen Patienten abgewartet und nach ca. einer Stunde mit der eigentlichen PET-Durchführung begonnen. Die Position des Körpers muss so gewählt werden, dass der Ring der Detektoren in unmittelbarer Nähe zum zu überprüfenden Körperabschnitt liegt. Aufgrund dessen ist zur Ganzkörperaufnahme die Einnahme mehrerer Körperstellungen notwendig.
• Die Aufnahmedauer bei einer Untersuchung ist sowohl vom Gerätetyp als auch vom verwendeten Radiopharmakon abhängig.

Da der PET-Scanner verglichen mit der Computertomographie (CT) eine schlechtere Ortsauflösung hat und diese nur durch eine höhere Strahlenexposition ausgeglichen werden könnte, bedarf es einer Kombination der beiden Verfahren, die die Vorteile beider einzusetzen vermag:

• Bei dem entwickelten Verfahren PET/CT handelt es sich um ein hochsensitives Verfahren, welches mit geringer zusätzlicher Strahlung durch Anwendung sogenannter Korrekturmaps des CTs arbeitet.
• Neben der höheren Auflösung ist auch der verminderte Zeitaufwand als Vorteil gegenüber der herkömmlichen PET zu sehen.

• Neben der höheren Auflösung ist auch der verminderte Zeitaufwand als Vorteil gegenüber der herkömmlichen PET zu sehen.

Beachte: PET wird heute fast ausschließlich als Hybridverfahren durchgeführt, d. h. im Regelfall in Kombination mit einer Computertomographie (CT) als PET/CT, seltener in Kombination mit der Magnetresonanztomographie (MRT) als PET/MRT.

Als Nachteil des PET/CT-Verfahrens ist die notwendige Einnahme eines Röntgenkontrastmittels zu nennen.

Mögliche Befunde

Die Ergebnisse einer PET-Untersuchung können vielfältig sein und hängen stark von der Art des untersuchten Gewebes und den verwendeten Tracern ab. Zu den möglichen Befunden zählen:

• Onkologie
  • Positive Befunde: Erhöhte Aufnahme des Tracers in Bereichen, die aktiven Tumorgewebe entsprechen. Dies kann auf das Vorhandensein eines Primärtumors oder Metastasen hinweisen.
  • Negative Befunde: Keine ungewöhnliche Traceraufnahme, was auf das Fehlen von malignen Neoplasien hinweisen kann.
• Neurologie
  • Alzheimer-Krankheit: Nachweis von Beta-Amyloid-Plaques und veränderter Glukoseverwertung im Gehirn.
  • Epilepsie: Lokalisierung des epileptogenen Fokus durch Identifikation von Arealen mit abnormem Metabolismus während und außerhalb von Anfällen.
• Kardiologie
  • Myokardinfarkt (Herzinfarkt): Bereiche mit reduzierter Traceraufnahme können auf einen Herzinfarkt oder minderdurchblutete Regionen im Herzmuskel hinweisen.
  • Vitalität des Myokards: Nachweis von noch vitalem, aber momentan minderdurchblutetem Myokard, das von einer Revaskularisation (Wiederherstellung der Durchblutung) profitieren könnte.
• Entzündliche Erkrankungen
  • Erhöhte metabolische Aktivität in betroffenen Geweben kann auf entzündliche Prozesse hinweisen, z. B. bei Autoimmunerkrankungen oder infektiösen Erkrankungen.

Nach der Untersuchung

• Ergebnismitteilung: Die Ergebnisse der PET werden von einem spezialisierten Nuklearmediziner analysiert und dem behandelnden Arzt übermittelt, der sie dann mit dem Patienten bespricht.
• Weitere Schritte: Basierend auf den Ergebnissen können weitere diagnostische Tests oder Behandlungen empfohlen werden.
• Beobachtung: Nach der Untersuchung sollten Patienten auf mögliche unerwünschte Reaktionen auf den Tracer achten und ihren Arzt kontaktieren, wenn Bedenken bestehen.

Mögliche Komplikationen

• Allergische Reaktionen: Selten können Patienten allergische Reaktionen auf den Radiotracer zeigen.
• Strahlenexposition: Obwohl die Strahlendosis gering ist, besteht theoretisch ein minimales Risiko für die Entwicklung von Strahlen-induzierten Komplikationen.

Weitere Hinweise

• Radiopharmaka erlauben zum Teil – abhängig vom verwendeten Radionuklid – sowohl eine Diagnostik als auch eine zielgerichtete Therapie von Tumoren.
• Bei symptomatischen Patienten mit Verdacht auf eine Myokardischämie schneidet die Positronenemissionstomographie (PET)
  im direkten Vergleich mit der Koronar-CT-Angiographie und Single-Photon-Emissions-Tomographie (SPECT) am besten ab [7].

Literatur

1. Schober O: PET-CT. Georg Thieme Verlag 2007
2. Dössel O: Bildgebende Verfahren in der Medizin: Von der Technik zur medizinischen Anwendung. Springer Verlag 1999
3. Kramme R: Medizintechnik: Verfahren – Systeme – Informationsbearbeitung. Springer Verlag 2006
4. Goretzki G: Medizinische Strahlenkunde: Physikalisch-technische Grundlagen. Elsevier Verlag 2004
5. Kuwert T: Nuklearmedizin. Georg Thieme Verlag 2007
6. Hricak H: Bildgebung in der Onkologie: Diagnostik und Bewertung – Das Wesentliche für das Konsil. Elsevier Verlag 2009
7. Danad I et al.: Comparison of Coronary CT Angiography, SPECT, PET, and Hybrid Imaging for Diagnosis of Ischemic Heart Disease Determined by Fractional Flow Reserve. JAMA Cardiol 2017 Aug 16. doi: 10.1001/jamacardio.2017.2471.

Leitlinien

1. S1-Leitlinie: Skelettdiagnostik mittels 18F-Natriumfluorid-PET und -PET/CT. (AWMF-Registernummer: 031 - 047), Schattauer Dezember 2010
2. S1-Leitlinie: Ganzkörper-F-18-FDG-PET und -PET/CT bei Kindern mit onkologischen Erkrankungen. (AWMF-Registernummer: 031 - 049), Dezember 2011 Langfassung
3. S1-Leitlinie: PET- und SPECT-Untersuchungen von Patienten mit zerebralen Gliomen mittels radioaktiv markierter Aminosäuren. (AWMF-Registernummer: 031 - 051), Juli 2013 Langfassung
4. S1-Leitlinie: Beta-Amyloid-PET-Bildgebung des Gehirns. (AWMF-Registernummer: 031 - 052), Oktober 2015 Langfassung
5. Krämer A. et al.: Cancer of unknown primary: ESMO Clinical Practice Guideline for diagnosis, treatment and follow-up. Annals of Oncology November 2022. doi.org/10.1016/j.annonc.2022.11.013