Letztes mal habe ich über einen Versuch zur Gamma-Spektroskopie berichtet. Dieses mal will ich etwas über einen neuen Versuch erzählen, den wir (mein Praktikumspartner und ich) vor zwei Wochen durchgeführt haben.
Das Thema war Grundlagen der Positronen-Emissions-Tomographie. Das ist ein bildgebendes Verfahren in der Medizin, welches überwiegend bei Krebsuntersuchungen benutzt wird. Der Patient bekommt einen Tracer injiziert, der sich im ganzen Körper ausbreitet und besonders in stoffwechselaktiven Regionen, wie Tumoren, anreichert. Bei dem Tracer handelt es sich um eine Substanz, die radioaktive Isotope mit kurzer Halbwertszeit (einige Stunden) enthält und durch den Beta-Plus-Zerfall zerfällt. Das radioaktive Isotop zerfällt im Körper und sendet dabei ein Positron aus. Da es sich dabei um Antimaterie handelt, zerstrahlt das freigesetze Positron nach einer kurzen Flugstrecke mit einem Elektron aus irgendeinem Atom in der Umgebung. Die Ruhemasse des Elektrons und des Positrons wird nach E=mc2 in Energie umgewandelt und in Form von zwei Gammaquanten ausgesandt. Das entscheidende ist hier, dass es zwei Gammaquanten sind, die genau in die entgegengesetzte Richtung fliegen, der nur so wird die Impulserhaltung erfüllt (Echt faszinierend, wie die Natur eigene Regeln befolgt).
Es werden also irgendwo im Körper zwei Gammaquanten ausgesandt, die sich in entgegengesetzte Richtung ausbreiten. Man bringt jetzt um den Körper Gammadetektoren an, die sich genau gegenüber liegen. Wenn man jetzt in beiden Detektoren gleichzeitig (bis auf eine kleine Verzögerung,die durch unterschiedlich lange Flugstrecke zurückzuführen ist) Gammaquanten registriert, so kann man davon ausgehen, dass sich auf der Verbindungslinie zwischen ihnen ein Positron mit einem Elektron zerstrahlt ist. Um alle Richtungen abzudecken werden die Detektoren meistens als eine Art Zylinder um den Patienten herum angeordnet.
Hat man erst mal die Information darüber wo die Annihilation stattgefunden hat, so kann man daraus eine Zerfallsintensitätsverteilung berechnen, so dass man dann ein Bild vom Inneren des Patienten bekommt. So hat der Arzt bessere Übersicht über den Ausmaß der Krankheit und kann sein Vorgehen besser planen, was letztendlich bessere Überlebenschancen für den Patienten bedeutet.
So weit zum Thema Positronen-Emissions-Tomographie. Wir haben im Versuch natürlich nur den grundlegenden Funktionsaufbau untersucht. Dazu haben wir vom Praktikumsbetreuer eine verschlossene Aluminiumbox bekommen, in der sich uns unbekannte Anzahl von 22Na-Quellen an verschiedenen Stellen positioniert wurden. Unser Ziel war es durch eine Messung von Gamma-Quanten aus der Positronen-Elektronen-Annihilation herauszufinden, wo genau sich die Quellen befanden und welche relative Stärke sie zu einander hatten.
Wir haben die Kiste zwischen zwei Detektoren platziert und dann in festen Schritten zuerst die eine Seite und nach einer Drehung die andere Seite vermessen. Danach haben wir die Messwerte aus der X- und Y-Richtung multipliziert und die entstandene Aktivitätsmatrix dreidimensional dargestellt.
Zunächst mal sieht es aus, als ob sich in der Kiste vier Quellen befinden, dies stimmte aber nicht. Wir haben die Schatzkiste zusätzlich diagonal vermessen und es stellte sich heraus, dass zwei Peaks nur Artefakte sind.
Download: Positronen-Emissions-Tomographie 29.11.2010
Alles in allem ein interessanter Versuch, der nicht nur die Physik dahinter verdeutlicht, sondern auch zeigt welche Möglichkeiten uns die Forschung bringt. PET ist ein sehr junges Verfahren und wird ständig weiter optimiert und mit anderen Verfahren, wie beispielsweise Computertomographie kombiniert, um eine bessere Darstellung zu erzeugen. Letztendlich werden durch dieses Verfahren indirekt Menschenleben gerettet. Dies ist eine weitere Motivation die Welt zu erforschen um neue Erkenntnisse zu gewinnen.