Однофотонная эмиссионная компьютерная томография

Термин «эмиссионная томография» (ЭТ) относится к двум методам получения трёхмерных изображений областей интереса. Обе техники основаны на введении в организм пациента радиофармпрепарата (РФП) и измерении радиационного поля, создаваемого излучением радионуклида вне тела больного. К ЭТ относится однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) и двухфотонная эмиссионная компьютерная томография (позитронная эмиссионная томография, ПЭТ). Эти методы применяются для исследования биологических функций в организме человека с целью обнаружения и описания отклонений, характерных для конкретных заболеваний — онкологических, неврологических, сердечно-сосудистых и т. п. Эти виды томографии используется и для тестирования новых лекарств.

Данная глава посвящена физическому, инженерному, химическому и математическому обеспечению методов эмиссионной компьютерной томографии.

Эмиссионная томография

Эмиссионная компьютерная томография, как и сцингиграфия, генерирует изображения, создаваемые излучением от РФП, распределенного в организме человека. Метод является неинвазивным, т. е. никак не повреждает исследуемый объект.

Меченное радионуклидом соединение участвует в процессах обмена веществ точно так, как и немеченое, и поэтому не нарушает биологических функций, зато делает видимыми пути перемещения и места локализации биологически важного вещества. Отличие компьютерной томографии от сцинтиграфии заключатся в построении трёхмерных изображений скоплений РФП и, следовательно, биологических объектов, которые они декорируют.

Рис. 1. Основные стадии эмиссионной томографии. Метод визуализации нашёл применение в исследовании многих биохимических процессов. Так как обычно локализация и протяженность патологического процесса неизвестна, создание эффективного метода диагностики всего организма и отдельных его систем является первостепенной задачей. Визуализация решает эту' задачу, так как данные представляются в виде изображений, а зрение — наиболее эффективной способ получения и анализа информации человеком.

Эмиссионная томография позволяет визуализировать протекание биологических процессов in vivo. Она реализуется путём интеграции двух методик: кинетического варианта метода меченых атомов и компьютерной томографии. Анализ кинетики накопления и выведения молекулярного зонда, в качестве которого используется меченное радионуклидом биологически активное вещество, проводится в рамках математических моделей, описывающих динамику перераспределения РФП при его вовлечении в биологический процесс. Измерение концентрации радиоактивной метки в ткани, необходимое для проверки адекватности математической модели, производится сканером. Томография даёт возможность преобразовать невидимые поперечные сечения через внутренности человека в видимые изображения, доступные для анализа на компьютере. Цифровая компьютерная технология позволяет обращаться с изображением как с массивом чисел, представляющих локальные значения свойств изучаемого объекта, а также рассчитывать необходимые для диагноза параметры органов и тканей. Результатом является трёхмерные изображения анатомических распределений РФП, возникающие в ходе протекания исследуемого биологического процесса.

Издревле анализ изображений в медицине традиционно включал только визуальную оценку изображений доктором. В современной медицине важную роль играет компьютерный анализ изображений, который предоставляет врачам дополнительную информацию и помогает в выборе тактики лечения. В частности, компьютер используют для оценки параметров динамики перераспределения РФП между' различными структурами тела человека.

В ходе эмиссионной томографии проводится регистрация излучения, накопление данных, их предварительная обработка, построение изображений, их восстановление, анализ, интерпретация, и постановка диагноза. Эти изображения представляют объект или его свойства не вполне точно, поскольку' любая система получения изображений регистрирует и отображает только ограниченное число свойств объекта. Неточность представления объекта возникает из-за размывания границ объекта, нелинейного искажения, пространственной деформации и артефактов, а также изза случайных колебаний и наложения шумов. Поэтому расчёты параметров и свойств объекта на основе его изображения всегда не точны.

Повысить надёжность измерений можно за счёт улучшения разрешающей способности (для уменьшения ошибки измерения среднего); увеличения чувствительности системы получения изображений (для уменьшения времени наблюдения или размывания изображения вследствие движения объекта); увеличения разрешающей способности во времени (для уменьшения нелинейных эффектов при использовании счётчиков фотонов); улучшения энергетической разрешающей способности (для уменьшения эффектов, связанных с рассеянием излучения), и уменьшения искажения, деформации, артефактов и т. д. Улучшить воспроизводимость результатов можно уменьшив шум путём увеличения чувствительности системы детектирования; путём использования улучшенных радиоактивных маркеров, увеличивающих амплитуды локального сигнала и контраста, с одновременным уменьшением токсичности и активности РФП; путём использования совершенных технологий реконструкции изображений; путём увеличения времени наблюдения.

Формирование изображений означает не только отображение свойств объекта на поверхность проекции этого изображения, но и классификацию объектов по их физическим, химическим и радиологическим свойствам. Сюда входят стратегии отображения, математические концепции, используемые для моделирования этих стратегий, классификация недостатков, характерных для конкретных типов отображения. Проводится определение границ зон интереса, измеряется периметр, площадь и объём объекта, характеризуется его сегментация, текстура, описывается характер движения объекта изучения. Процесс заканчивается морфологическим анализом изображения и оценкой точности диагностики.

В отличие от видимого света, улучи могут проходить через тело относительно беспрепятственно. Если бы наши глаза были чувствительны к улучам, то тело стало бы для нас полупрозрачным, но тёмным, в то время как введенная в организм радиоактивная метка выглядела как ярко светящаяся субстанция. При введении радиоактивной метки она быстро продвигается по кровеносному руслу, затем концентрируется в некоторых тканях, обусловливая их яркое свечение, после чего интенсивность свечения медленно уменьшается.

В эмиссионной томографии данные записываются прибором, создающим изображение, и представляются в форме проекций. Томографические изображения нельзя рассматривать непосредственно, они строятся компьютером из полученных проекций в процессе реконструкции изображений. Цель томографии — оценка распределения радиоактивной метки по некоторому срезу, исходя из проекционных данных. Во всех современных системах ЭТ получают проекции для множества различных одномерных срезов одновременно, после чего создаётся трёхмерное (3D) распределение радиоактивного вещества.

Первой ступенью в методах эмиссионной томографии является производство РФП, подходящего для обнаружения заболевания. Качество изображения зависит от количества введённого в исследуемый объект РФП, однако, действие излучения на внутренние органы накладывает ограничения на размер безопасной дозы препарата. Время между введением РФП и началом сбора данных зависит от целей исследования и от природы радиоактивной метки. В некоторых исследованиях сбор данных начинается немедленно; в друтих он может производиться через несколько часов или дней после введения радиоактивной метки. Радиоактивный изотоп, с помощью которого метят молекулы РФП, испускает у-лучи. Эти лучи распространяются во всех направлениях изнутри тела пациента с интенсивностью, пропорциональной локальной концентрации РФП (эта концентрация зависит от способности изучаемого объекта аккумулировать РФП, причём важно, чтобы концентрация метки в диагностируемом органе была существенно выше, чем в окружающих тканях). Гамма-лучи, исходящие от пациента, детектируются и записываются в память компьютера. Детекторы окружают пациента или вращаются вокруг него. Регистрируется интенсивности излучения в различных направлениях выхода у-лучей, а затем результаты оцифровываются и преобразуются в гистограмму из столбцов, содержащих параметры проекций.

На стадии реконструкции изображения данные проекции используются для получения томографического изображения. Обычно реконструкцию изображений проводят методом фильтрованной обратной проекции (ФОП), хотя существуют и итеративные методы, такие как алгоритм максимизации ожидания (МО) и алгоритм МО упорядоченных подмножеств (МО-УП).

Все данные эмиссионной томографии искажены шумом, ухудшающим качество изображений. Гамма-лучи — это фотоны, и поэтому они подчиняются законам квантовой физики и теории вероятностей. Следовательно, приходится рассматривать проекцию на поверхности гамма-камеры как функцию плотности вероятности, описывающую процесс детектирования фотонов. Вероятность того, что любое данное событие произойдет на данном участке изображения (например, пикселе), пропорциональна среднему числу попаданий у-лучей на этот участок. При этом в любой промежуток времени в ярких областях проекционного изображения в среднем отмечается больше событий, чем в тёмных. Поскольку' на определенном участке изображения за любой фиксированный промежуток времени регистрируется случайное число событий, то при многократной повторной съёмке одного и того же объекта получаются несколько различающиеся результаты. Эта изменчивость на каждом проекционном изображении, и есть шум. Фотонный шум на изображениях подчиняется распределению Пуассона. Этот шум подавляется путём сглаживания проекций перед реконструкцией или сглаживанием изображений после их реконструкции.

Для получения двумерного изображения среза простого объекта строят параллельную проекцию этого среза под углом 0. Для создания полного набора данных системы эмиссионной томографии измеряют проекции с многих точек зрения вокруг объекта (т.е. проекции для многих значений утла 0). Конкретный срез даёт набор проекций, которые выглядят как 2D-изoбpaжeниe. Это изображение называют синограммой. Для превращения синограммы в изображение, используют процедуру обратной проекции, которая заключается в переводе каждой проекции обратно в участок объекта в направлении 0, вдоль которого она была измерена. Проецируя обратно проекцию для каждого утла на участок изображения, и совмещая вместе результаты всех операций преобразования, получают довольно хорошее, но размытое изображение исходного объекта.

Аналитическая роль компьютера состоит в цифровом преобразовании изображений, поскольку в процессе простого визуального изучения сложно увидеть параметрические данные. Некоторые из таких параметров служат для обобщения информации, полученной в процессе исследования изображений (например, данные о характеристиках сердечной функции). Параметрические изображения описывают изменения биологической функции на всей анализируемой площади тела. Так, картирование мозга имеет целью определение участков мозга, в которых повышена или подавлена активность в ответ на внешние стимулы (например, лекарства), а также участков с нормальной активностью или патологических очагов. При кинетическом моделировании для описания распределения РФП во времени и его взаимодействий с организмом используют системы дифференциальных уравнений, с помощью которых определяют константы скорости реакций, а также другие важные параметры.

Методы эмиссионной томографии различаются по способу получения данных с учётом времени распределения радиоактивной метки. При статическом исследовании, которое аналогично фотографии с длинной экспозицией, на изображениях фиксируется распределение РФП в среднестатистический момент времени относительно всего периода получения данных. Статическое исследование возможно, когда физиологически обусловленные изменения в распределении РФП во времени очень медленные или когда количество испускаемых у-лучей настолько мало, что для создания изображения с удовлетворительным качеством требуется длительный период получения данных.

Динамическое исследование имеет целью зафиксировать распределение РФП как функцию времени. Такое исследование применятся для визуальной оценки функции органа. Оно необходимо для определения кинетических параметров. В импульсном исследовании получение данных синхронизировано с ритмом сердечных сокращений или с дыханием пациента. Важное применение метода — исследование деятельности сердца, представленное в виде короткого фильма, передающего движение во время одного сердечного цикла пациента. Этот единственный удар сердца является сложной картиной, сформированной с помощью усреднения данных, собранных за время наблюдения большого количества сердечных циклов. Цель этой процедуры — избавление от шума: составное изображение имеет приемлемое качество, поскольку собирается из всех импульсов, полученных за время исследования. При импульсной томографии сердца сигнал электрокардиограммы используется для синхронизации полученных данных. Гамма-лучи, регистрируемые сразу же после начала каждого сердечного цикла, объединяются /утя формирования составного первого кадра.

Цель статических исследований — измерение пространственного распределения РФП, т. е. нахождение функции J (x, y, z). В импульсных и динамических исследованиях добавляется дополнительная координата — время, формируя 4Л-изображения (четырёхмерные), которые можно описать как fix, у, z;t). Однако на практике изображения рассматриваются в виде набора 2/)-срезов из-за сложностей визуализации 3D- и 4/)-данных.

Хотя при ПЭТ получаются более качественные изображения, чем при ОФЭКТ, последний — более доступный метод создания изображений. РФП, используемые при ОФЭКТ, проще и дешевле, чем в ПЭТ, поскольку используют более долгоживущие и более разнообразные изотопы. ОФЭКТсисгемы также менее дорогие, чем ПЭТ-системы. Однако, в научных исследованиях предпочтительнее использовать ПЭТ.

Меченные радиоизотопами молекулярные зонды совместно с кинетическими данными по миграции метки используются для количественной оценки таких процессов как кровоток, мембранный транспорт, метаболизм, лиганд-рецепторные взаимодействия, для регистрации моментов клеточного деления, радиоиммуиного анализа, исследования взаимодействия препаратов с химическими системами организма.