Entwicklung und Charakterisierung eines dedizierten PET-Prototyps für die in-vivo Bildgebung von adulten Zebrafischen und kleinen Wassertieren

Die Entwicklung des ersten dedizierten Positronen-Emissions-Tomografie
(PET)-Prototyps für die Bildgebung von adulten Zebrafischen und kleinen
Wassertieren ist zentrales Ziel des MERMAID Projekts und Kern dieser Dissertation.
Im Bereich der biomedizinischen Forschung spielt die Nuklearbildgebung und
dabei die PET eine wichtige Rolle im Bereich der funktionellen Bildgebung für Modellorganismen
wie Mäuse und Ratten. Durch ein stetig wachsendes Interesse an
Zebrafischen als zusätzlichen Modellorganismus ergibt sich daher auch der Bedarf
für einen dedizierten PET-Scanner, der speziell auf die Bedürfnisse der Zebrafisch
Bildgebung abgestimmt ist, welche durch aktuelle, kommerziell verfügbare, Kleintier
PET Scanner nicht erfüllt werden.
Der entwickelte MERMAID Prototyp besteht aus pixelierten Szintillationsdetektoren
mit eins zu eins gekoppelten Siliziumphotomultipliern (SiPMs). Diese Art der
Kopplung zusammen mit den sehr kleinen Einzelkristallen soll für eine besonders
hohe räumliche Auflösung des Prototyps sorgen. Die Einzelkristalle sind in Matrizen
mit 16×8 Elementen angeordnet, die zusammen mit je zwei SiPMs mit jeweils
8×8 Detektorelementen ein Detektormodul ergeben. Je zwei Detektormodule sind
dann wiederum in einem Detektorkopf in einem Winkel von 33◦ zueinander angeordnet.
Der Prototyp verfügt insgesamt über zwei Detektorkopfe mit einem Abstand
von 66 mm, welche um das zu untersuchende Objekt rotieren. Zusammen mit der
notwendigen Ausleseelektronik und weitere mechanischen Komponenten sind die
Detektoren in einem mobilen Aufbau zusammengefasst.
Alle Einzelkomponenten des Systems wurden kalibriert, charakterisiert und deren
Zusammenspiel für die geplante Bildgebung überprüft. Das System erreicht mit den
gewählten Komponenten trotz eines ausgeprägten Sättigungsverhaltens der SiPMs
eine Energieauflösung von 21,6% bei 511 keV für 18F-FDG. Die Zeitauflösung beträgt
knapp unter 300 ps. Mit Nutzung eines, auf die Systemgeometrie angepassten
Rekonstruktionsalgorithmus erreicht das System für Punktquellen eine hohe mittlere
räumliche Auflösung von 0,74mm über alle Achsen. Messungen mit komplexeren
Bildqualitätsphantomen in Anlehnung an Standards für Kleintier PET Scanner
(NEMA NU4-2008) haben weiterhin die Eignung des Systems für die geplanten
Messungen belegt, auch wenn das Sichtfeld entlang der Rotationsachse des Scanners
aufgrund seiner Länge von 7mm für größere Objekte aktuell noch eine hohe Zahl
Messungen notwendig macht.
Neben dem Prototyp wurden im Hinblick auf die in-vivo Bildgebung der adulten
Zebrafische eine Bildgebungskammer konzipiert, welche den Fisch unter stetigem
Wasserzufluss schonend immobilisiert und so längere Messungen ermöglicht. Diese
Kammer sowie erste Ansätze zur Tracer Verabreichung konnten bereits in in-vivo
Versuchen getestet werden.