Позитронно-эмиссионная томография

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Позитронная эмиссионная томография - это диагностическая процедура визуализации пространственно-временного распределения позитронно-излучающего радиофармпрепарата в теле пациента по аннигиляционному излучению. Для визуализации патологических изменений при проведении ПЭТ используются соответствующие биологически активные молекулы, меченые позитронно-излучающими радионуклидами. Эти меченые соединения содержат минимальное количество активного вещества и поэтому не нарушают естественного хода излучаемых биологических процессов. Проведение измерений без нарушения гомеостаза - фундаментальный принцип метода ПЭТ.

Неоспоримое преимущество метода ПЭТ заключается в его уникальной чувствительности. Метод ПЭТ наиболее часто используется в режиме сканирования всего тела с фтородезоксиглюкозой, меченной 18F (ФДГ). Поглощение ФДГ в опухоли отражает её функциональный статус, а не морфологическую структуру, и позволяет получить дополнительную диагностическую информацию, а в некоторых случаях даже заменить альтернативные морфологические технологии такие, как магниторезонансная томография (МРТ) или рентгеновская компьютерная томография (КТ).

В своем стремлении сделать метод ПЭТ доступным для клиник разного уровня разработчики и производители предлагают ПЭТ-сканеры с различными характеристиками и качеством получаемых ПЭТ-изображений. К ним относятся томографы с конструкцией детекторов в виде сплошного и незамкнутого кольца, гамма-камеры двойного назначения с двумя либо тремя детекторными головками, работающие в режимах совпадений и однофотонного детектирования, а также ПЭТ-сканеры, совмещенные с многосрезовыми КТ-сканерами.

 

 

 

 

 

 

 

 

Краткая история развития ПЭТ

История ПЭТ началась в 1931 году, когда Ворбург обнаружил, что злокачественные опухоли отличаются повышенным уровнем потребления глюкозы. В 1950-ых, когда появилась возможность отображения позитрона, испускающего нуклиды: фотоны с высокой энергией, произведенные при уничтожении позитрона, можно использовать для описания физиологического 3D распределения химического состава. В середине 1950-ых, Терпогосян выдвинул идею, что, несмотря на короткое время полураспада этих радионуклидов, они пригодны для изучения регионального метаболизма. В 1977 году Соколов предложил измерять локальный уровень метаболического потребления глюкозы в мозгу крыс с помощью дезоксиглюкозы меченой радиоактивным изотопом углерода. Фелпс в 1979 году предложил измерять тот же параметр у людей с помощью дезоксиглюкозы меченой радиоактивным изотопом фтора 18F (фтородезоксиглюкозы). Первый прототип ПЭТ сканера появился в 1952 году Массачусетском госпитале. Он имел всего лишь два детектора, разрешение было низким, но чувствительность устройства все же позволяла обнаружить опухоль и ее пространственное положение относительно срединной линии мозга.

Первые ПЭТ сканеры с множеством детекторов были созданы в начале 1960-ых и представляли собой системы с кольцом из 32 датчиков, позволяющие получать единичные срезы. Это позволило повысить чувствительность метода и получить двумерное изображение. В следующем поколении ПЭТ сканеров, появившемся в 1968 году был уменьшен размер датчика и добавлены дополнительные кольца, позволяющие одновременно получать несколько срезов с разрешением менее 1 см. Дальнейшее усовершенствование ПЭТ-сканеров состоит в повышении пространственного разрешения, чувствительности детекторов, увеличении числа одновременно получаемых срезов, коррекции аттенюации и разработке новых алгоритмов реконструкции изображений.

Метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Позитронно-эмиссионная томография - это новый точный и современный способ ранней диагностики онкологических, кардиологических и неврологических заболеваний.

Любое ПЭТ исследование состоит из нескольких основных этапов:

1.производство радиоизотопа;

2.маркировка выбранного  состава испускающим позитроны  радионуклидом и подготовка состава в форме, пригодной для воздействия на людей;

3.транспортировка состава  из лаборатории к месту проведения  исследования;

4.воздействие радиоактивного  индикатора и получение данных  ПЭТ;

5.отображение распределения  активности позитрона как функции  времени, обработка данных;

6.интерпретация результата.

Система производства радиоизотопов состоит из трех основных частей:

— циклотрона (ускорителя частиц);

— биологического синтезатора, присоединяющего радиоизотопы к биологическим молекулам;

— компьютера, контролирующего процесс.

До начала исследования в циклотроне производится радиоактивное вещество, входящее в естественный химический состав тела (атомы кислорода, углерода, азота) и распадающееся с испусканием позитронов.

Позитроны  - положительно заряженные частицы. Они излучаются из ядра некоторых радиоизотопов, являющихся нестабильными, так как те имеют избыточное число протонов и несут положительный заряд. Некоторые наиболее известные излучатели позитронов представлены на рис.1 (на нем же даны энергии позитронов и максимальное расстояние, которое способен преодолеть позитрон в биологической ткани, пробег).

Рис.1 Радионуклиды – позитронные излучатели, используемые в ПЭТ, и максимальные пробеги испускаемых ими позитронов в биологической ткани (Чем выше пробег, тем хуже пространственное разрешение метода, но тем выше глубина диагностики).

Позитронная эмиссия стабилизирует ядро за счет устранения положительного заряда путем превращения протона в нейтрон. За счет этого, один элемент превращается в другой, атомное число последнего на единицу меньше, чем у исходного. Для изотопов, использующихся при позитронно-эмиссионной томографии, элемент, образующий в результате позитронного распада является стабильным (не радиоактивным). Все радиоизотопы, использующиеся в ПЭТ распадаются путем позитронной эмиссии. Позитрон, испущенный распадающимся ядром, проходит короткое расстояние прежде чем столкнуться с электроном близлежащего атома.

Позитрон соединяется с электроном близлежащего атома образуя атом позитрония (В зависимости от взаимного расположения спинов электрона и позитрона возникают атомы орто- или парапозитрония. Они живут разное время, но для целей ПЭТ это не существенно, т.к. распадаются «практически мгновенно»). При распаде атома позитрония электрон и позитрон аннигилируют, преобразуя свою массу два гамма-кванта с энергией 511 КэВ направленных почти на 180 градусов (противоположно) друг от друга. Данные фотоны с легкостью выходят за пределы тела в котором находятся и могут регистрироваться внешними детекторами. Регистрируемые противоположно направленные гамма-лучи, возникающие в результате раздробления позитрония называются линией совпадения (каждая линия регистрирует именно те два гамма-кванта, которые участвовали в акте аннигиляции). Линии совпадения используются в схеме регистрации для формирования томографических изображений на позитронном томографе. Эти данные реконструируются с тем, чтобы получить карту интенсивности радиоактивного распада внутри объекта (реконструкция пространственного распределения молекулярного зонда). Полученные изображения анализируются специальными методами с целью выявления аномалий в интенсивности радиационного поля. Области повышенной (или пониженной) концентрации позитронного молекулярного зонда свидетельствуют о ненормальном функционировании органа.

Рис. 2. Аннигиляция позитрон-электронной пары в диагностической установке ПЭТ.

В процессе ПЭТ-исследования позитрон-эмиттирующий радиоизотоп вводится пациенту внутривенно или путем ингаляции. После этого, изотоп циркулирует в кровяном русле и достигает, например ткани головного мозга или сердечной мышцы. Как только происходит аннигиляция, томограф регистрирует локализацию изотопа и вычисляет его концентрацию. Линия, которая возникает после аннигиляции отражает собой эмиссию двух гамма-лучей, с энергией 511 кэВ направленных приблизительно на 180 градусов (противоположно) друг по отношению к другу. Работа томографа заключается в том, чтобы регистрировать эти лучи, означающие, что позитронная аннигиляция произошла где-то на данной линии совпадения.

Когда гамма-лучи с энергией 511 кэВ взаимодействуют с кристаллами сцинтиллятора сделанными например из  германата висмута они преобразуются в фотоны света. На Рис.5, 6 в схематической форме показано преобразование электронными устройствами томографа фотонов света в электрические сигналы. Процессы  конвертации и регистрация происходят практически мгновенно друг за другом, для того чтобы можно было сравнивать события сцинтилляции с противоположных детекторов (вдоль большого количества линий совпадений).

Рис. 3. Схема регистрации двух противоположно направленных гамма-квантов, одновременно возникших в одной точке пространства.

Пространственное и временное распределение эмитирующего позитрон радиоизотопа зависит от того как сканируемый орган реагирует на него биохимически и физиологически. В данном случае отображаются события позитронной аннигиляции и происходящие следствие этого эмиссии гамма-лучей.

Рис. 4. Кольцеобразное расположение детекторов вокруг анализируемого объекта.

Детекторы кольцеобразно располагаются вокруг исследуемого объект. На рис.4 кольцо, состоящее из квадратов представляет собой кольцо детекторов позитронно-эмиссионного томографа. Томограф быть оборудован пятнадцатью (а то и больше) такими кольцами для одновременной томографии нескольких поперечных срезов.

Рис. 5. Регистрация совпадений на расходящемся пучке.

Каждый детектор может работать режиме регистрации совпадений со множеством расположенных напротив детекторов. Таким образом, существует возможность определения совпадений на нескольких углах (расходящийся пучок). Также, при любом заданном угле, может быть определено множество выборок, что приводит к увеличению "линейной выборки". Это все вносит вклад в качество изображений на выходе.

Рис. 6. Линейная выборка в схеме совпадений.

Приведенные выше рисунки относятся к случаю отсутствия объекта исследования. При наличии объекта исследования гетерогенной структуры с неоднородным распределением источника позитронного излучения детекторы регистрируют радиационное поле, интенсивность которого изменяется в пространстве и/или времени.

Программное обеспечение томографа получает данные о событиях совпадения, зарегистрированных в угловых и линейных положениях, воссоздает пространственно- временную конфигурацию интенсивности гамма-поля (точнее – дозового поля) вокруг исследуемого объекта, и выдает информацию в виде изображений (одного или нескольких, снятых в последовательные моменты времени).

Рис. 7. Реконструкция объекта исследования в плоскости сканирования (одно кольцо).

Компьютер решает обратную задачу – переход от пространственного распределения интенсивности (скорости счета детекторов) гамма-поля к пространственному распределению источников излучения – молекул меченого радионуклидом зонда (сначала – в плоскости сканирования, а затем – во всем пространстве (по данным всех пятнадцати колец). При наличии центров повышенной абсорбции зонда (очагов поражения) осуществляется локализация таких центров (находятся все три пространственные координаты очагов), рассчитываются его размеры и форма и находится концентрация зонда в очаге (в динамических вариантах выдается зависимость количества зонда в очаге от времени). При наличии нескольких близкорасположенных очагов, заслоняющих друг друга, предпринимаются специальные меры по улучшения пространственного разрешения методики.

Позитронно-эмиссионная томография расширила наше понимание биохимических основ нормальной и патологической работы систем внутри организма и позволила проводить биохимические исследования пациентам одновременно с их лечением.

Возможности позитронно-эмиссионной томографии.

• В основе функционирования тканей лежат химические процессы.
• Заболевания являются результатами нарушений в химических системах организма, которые вызываются вирусами, бактериями, генетическими нарушениями, лекарственными препаратами, факторами окружающей среды, старением и поведением.
• Наиболее избирательной, специфичной и подходящей является терапия, выбранная на основании данных исследования нарушений химических процессов, лежащих в основе заболеваний.
• Детекция химических нарушений обеспечивает наиболее раннюю диагностику заболеваний, даже на досимптомных стадиях, еще до того, как израсходованы химические резервы или истощены компенсаторные механизмы головного мозга.
• Оценка возможности восстановления химической функции позволяет объективно определять эффективность терапевтических вмешательств для каждого конкретного пациента.
• Лучшим способом диагностики нормальности ткани является определение ее биохимических функций.

Применение ПЭТ при онкологических заболеваниях

 

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) -  самый современный метод диагностики и контроля лечения онкологических заболеваний. С помощью позитронно-эмиссионной томографии  можно обнаружить онкологические заболевания на раннем этапе, до начала прогрессирования заболевания.

Современная диагностика рака, используя ПЭТ, позволяет выявить цепи пораженных опухолью тканей путем введения в организм радиоактивной глюкозы, которая перерабатывается всеми клетками. Клетки с повышенным обменом веществ воспринимают больше глюкозы. Именно этим отличаются раковые клетки. Раковые опухоли потребляют больше энергии, чем здоровые ткани, поэтому они захватывают больше радиоактивного препарата , таким образом опухоли становятся видны при проведении позитронно-эмиссионной томографии. Они фиксируются сканером и отображаются на снимках. ПЭТ определяет раковую опухоль размером даже менее 1 см. Радиоактивная субстанция, вводимая в организм, теряет свою активность в течение нескольких часов и является безвредной. Особая ценность этого диагностического метода в том, что он позволяет подобрать наиболее целесообразную форму терапии, особенно лимфатических онкологических заболеваний. По окончании химиотерапии ПЭТ позволяет определить эффективность проведенного лечения.