Позитронная эмиссионная томография

Позитронная эмиссионная томография является наиболее чувствительным методом для in vivo визуализации следовых количеств меченых молекул.

Рассмотрим её основные особенности и сферы применения.

Принцип двухфотонной эмиссионной томографии

Как было показано в гл. 2, при столкновении позитрона, образовавшегося при р⁺-распаде ядра, с электроном среды образуются два у-кванта с энергией 0,511 МэВ каждый, разлетающиеся в прямо противоположных направлениях. Этот эффект был положен в основу позитронноэмиссионной томографии.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), двухфотонная эмиссионная томография — радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары у-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов, образовавшихся при позитронном (5-распаде радионуклида, входящего в состав РФП, который вводится в организм перед исследованием.

Метод позитронно-эмиссионной томографии позволяет при помощи детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоиуклидами и получать объёмные (томографические) изображения зон интереса. ПЭТ представляет собой неинвазивный метод определения концентраций соединений, меченных позитронными эмиттерами, в биологических тканях. Преимущество ПЭТ заключается в его высокой чувствительности, примерно на два порядка большей, чем у ОФЭКТ. Наличие среди позитронных эмиттеров радионуклидов основных элементов-органогенов (углерод, азот, кислород) позволяет использовать меченные этими радионуклидами самые разнообразные биологически активные соединения, содержащиеся в нормально функционирующем живом организме. ПЭТ — метод, который позволяет выявлять отклонения от нормы в функционировании систем, например, головного мозга, даёт врачу возможность связывать и количественно оценивать наблюдаемые патологические отклонения с дисфункцией биохимических и/или физиологических параметров.

Основные радионуклиды, используемые в клинических исследованиях, это углерод ¹¹С, азот ‘3N, кислород *sO и фтор ^{, 8}F, поскольку эти химические элементы есть почти во всех соединениях в теле человека. Перспективными также считаются^Cu, 7²Ас, ⁸?Zr, ⁸⁶Y,^{Вг, 82}Sr, ⁶⁸Ga, «5Ti, ⁴³Sc и ⁸²Rb. Предпочтение отдают позитронным эмиттерам с низкой максимальной энергией р⁺-частиц, что позволяет повысить пространственное разрешение изображения.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — это трёхмерный визуализирующий лучевой метод исследования, основанный на способности радиоактивного изотопа накапливаться в тканях, обладающих высокой метаболической активностью. Метод ПЭТ выявляет участки с повышенной активностью обмена веществ, которые свойственны злокачественным опу^г— холям. Благодаря этому свойству опуколи становятся заметными на изображениях ПЭТ-сканах. ПЭТ используется в клинической медицине для получения изображений, как отражающих анатомическое строение ткани, так и отражающее их физиологические функции.

Рис. 1. Аннигиляция позитрона в системе ПЭТ.

Позитронная эмиссионная томография обеспечивает визуализацию протекания биологических процессов in vivo с высоким пространственным разрешением. Используя набор радиоактивных меток-трасеров, являющихся радиоактивными изотопами природных элементов постоянно присутствующих в организме («С, ¹³N, 'sO, ^{, 8}F), получают трёхмерные изображения диагностируемых органов. Эти трасеры и природные заменители, а также лекарства, меченные радионуклидами, моделируют естественные сахара, протеины, воду и кислород, находящиеся в человеке. Позитронный эмиссионный томограф позволяет установить местоположение трассера и получить изображения на уровне клеточной биологической активности.

К преимуществам ПЭТ относится количественная оценка параметров физиологических и биохимических процессов, высокая чувствительность и хорошая разрешающая способность метода, а также малая радиационная нагрузка на пациента.

ПЭТ позволяет получать функциональные изображения, отражающие процессы жизнедеятельности органов и тканей организма человека на молекулярном уровне, включая метаболизм глюкозы и утилизацию кислорода, интенсивность кровотока, концентрацию и сродство специфических рецепторов и др. Методом ПЭТ можно исследовать многие функции организма. Следует только выбрать химическое соединение, критически важное для осуществления этой функции.

Рис. 2. Типичный энергетический спектр от 511 кэВ фотонов, зарегистрированный сцинтилляционным детектором.

ПЭТ полезна для выявления опухолей, различения доброи злокачественных опухолей, определения стадий рака, а также для контролирования реакции на радиои химиотерапию. ПЭТ всего тела позволяет улучшить определение стадии рака в момент диагностики, а сканирование позволяет исключить удалённые метастазы. Врачи могут отслеживать реакцию пациента на терапию с помощью ПЭТ и корректировать при необходимости режим лечения.

К возможностям ПЭТ относится ранняя диагностика заболеваний до появления структурных изменений, оценка эффективности лечения, замена серии исследований одним наиболее информативным, прогнозирование результатов хирургического лечения и выявление метастаз, приводящее к изменению тактики лечения.

В 1931 г. Ворбург обнаружил, что злокачественные опухоли отличаются повышенным уровнем потребления глюкозы. В 1977 г. Соколов предложил измерять локальный уровень метаболического потребления глюкозы в мозгу крыс с помощью дезоксиглюкозы меченной радиоактивным изотопом углерода. Фелис в 1979 г. измерил тот же параметр у людей с помощью дезоксиглюкозы меченной радиоактивным изотопом фтора ^{, 8}F (фтородезоксиглюкозы). Фтордезоксиглюкоза (ФДГ) является аналогом глюкозы на нескольких этапах ее метаболизма, но, в отличие от глюкозы, метаболизм ФДГ прекращается преждевременно и её продукт накапливается в тканях. Радиоактивный ^{, 8}F (7=109 мин) распадается, испуская позитрон, р⁺. Эти работы и заложили основы позитронной эмиссионной томографии, которая теперь располагает большим разнообразием РФП, меченных радионуклидами — позитронными излучателями: «С, *3N, *50, ^l8F, ⁶⁸Ga, ⁸²Rb, «4J и др.

Рис. 3. Шприцы для инъекции РФП в методе ПЭТ (вольфрамовая защита).

ПЭТ включает производство радионуклидов и радиохимический синтез меченых фармпрепаратов, получение изображений (введение РФП в тело пациента, позитронный распад + анигилляция, вылетевшие в разные стороны у-кванты пронизывают тело пациента (некоторые фотоны взаимодействуют с биологической тканью), фотоны входят в детектор (некоторые взаимодействуют с материалом детектора), зарегестрированные фотоны спаривают в акты совпадения), сохранение всех событий в виде синограммы), анализ данных (коррекция данных с учётом физических эффектов, реконструкция изображения, интерпретация результатов диагностики).

Первым этапом ПЭТ исследования является производство радионуклида. Радиохимическая стадия (синтез РФП) включает маркировку выбранной молекулы испускающим позитроны радионуклидом и подготовку состава препарата в форме, пригодной для введения в пациента. Далее осуществляется транспортировка лекарственной формы из лаборатории к месту проведения исследования, введение РФП в организм пациента, сканирование радиационного поля вокруг пациента, получение изображения и других данных ПЭТ, компьютерный анализ результатов — пространственно-временное восстановление концентрационного поля РФП, и, наконец, интерпретация результата, выдача диагноза и рекомендаций лечения.

Для проведения исследования малое количество РФП внутривенно или путём ингаляции вводят пациенту'. РФП начинает циркулировать в кровяном русле и достигает, например, ткани головного мозга или сердечной мышцы, затем он поступает в клетки и распределяется в них. Спустя некоторое время его концентрация в тканях измеряется сканером, достаточно чувствительным для обнаружения даже небольшого количества радиоактивного вещества. Как только происходит аннигиляция, томограф регистрирует локализацию изотопа и вычисляет его концентрацию.

Рис. 4. Схема основных операций в ПЭТ.

У изотопов, используемых в ПЭТ, элемент, образующийся в результате позитронного распада, является стабильным (не радиоактивным). Все радионуклиды для ПЭТ претерпевают позитронный распад. Позитрон, испущенный распадающимся ядром, проходит короткое расстояние, прежде чем столкнется с электроном атома.

Рис. 5. Информация, получаемая в методе ПЭТ.

Позитрон соединяется с электроном близлежащего атома образуя атом позитрония. В зависимости от взаимного расположения спинов электрона и позитрона возникают атомы ортоили парапозитрония. Время жизни их различается, но для целей ПЭТ это не существенно, т.к. они все распадаются «практически мгновенно». При распаде атома позитрония электрон и позитрон аннигилируют, преобразуя свою массу в два у-кванта с энергией 511 кэВ, направленных почти противоположно друг от друга (на i8o±o, 25 градусов). Эти фотоны покидают тело пациента, в котором находятся молекулы РФП, и регистрируются внешними детекторами.

Замечание. До аннигиляции, как линейный, так и угловой момент равны нулю (если позитроны считать покоящимися), поэтому после аннигиляции суммарный линейный и угловой момент также должны быть равны нулю. Это достигается эмиссией двух фотонов со спином = 1 в противоположных направлениях. При аннигиляции в состоянии, когда суммарный спин =1, образуются три фотона и доступная энергия распространяется между этими тремя фотонами. Это существенно менее вероятный процесс и интереса для ПЭТ не представляет, т.к. по трём фотонам трудно определить координаты события аннигиляции.

Рис. 6. Схема совпадений в ПЭТ-камере.

Рис. 7. Схема регистрация аннигиляционных у-квантов аппаратурой ПЭТ: а — схема регистрации двух противоположно направленных у-квантов, одновременно возникших в одной точке пространства; б — кольцеобразное расположение детекторов вокруг анализируемого объекта; в — линейная выборка в схеме.

Сцинтиляционные детекторы настроены на регистрацию фотопика от излучения с энергией 0,511 МэВ. Регистрируемые противоположно направленные у-лучи, возникающие в результате распада позитрония, называются линией совпадения (LOR). Каждая линия регистрирует именно те два у-кванта, которые участвовали в акте аннигиляции. Томограф регистрирует эти лучи, означающие, что позитронная аннигиляция произошла где-то на данной линии совпадения.

Замечание. В ПЭТ под «совпадением» понимают событие при котором расположенные по обе стороны от источника детекторы D и D₂ (рис.6) «одновременно» зарегистрировали оба у-кванта. На самом деле детекторы находятся на разных расстояниях от источника и, следовательно, детекторы сработают в разные времена. Поэтому здесь под термином «одновременно» понимается регистрация фотонов двумя детекторами в интервал времени 10+25 наносекунд. Это означает, что если.

два аннигиляционных кванта прибыли в детекторы в этот интервал времени, то произошёл акт совпадения.

I.

Рис. 8. Гентри установки для совмещения компьютерной (слева) и позитронной

(справа) томографии.

Рис. 9. Коллиматор формирует изображение объекта путем прохождения лучей, идущих точно в детектор.

Линии совпадения используются в схеме регистрации для формирования томографических изображений на позитронном томографе. Эти данные реконструируют, получая карту' интенсивности радиоактивного распада внутри объекта (реконструкция пространственного распределения молекулярного зонда). Полученные изображения анализируются с целью выявления аномалий в интенсивности радиационного поля. Области повышенной (или пониженной) концентрации позитронного молекулярного зонда свидетельствуют о ненормальном функционировании органа.

Когда гамма-лучи с энергией 511 кэВ взаимодействуют с кристаллами сцинтиллятора, они преобразуются в фотоны света. Процессы преобразования и регистрация происходят практически мгновенно друт за другом, что позволяет сравнить события сцинтилляции с противоположных детекторов (вдоль большого количества линий совпадений). Детектируются только совпадающие события, разность по времени между которыми не превышает ю нс.

Два детектора, представленные на рис. 6, определяют линию совпадения (трубку, LOR) вдоль которой в каком-то месте произошла аннигиляция. Каждая зарегистрированная пара фотонов представляет собой такую линию, и совокупность таких линий отображает физиологическую активность ткани.

Замечание. Существует времяпролётный вариант ПЭТ TOFPET {Time of flight positron emission tomography) в котором измеряется различие во времени между прибытием совпадающих фотонов в пару детекторов. Эта информация позволяет намного точнее определить координаты источника, что совершенно необходимо для диагностики болезни Альцгеймера.

Детекторы кольцеобразно располагаются вокруг исследуемого объекта. Томограф может быть оборудован пятнадцатью (а то и больше) такими кольцами для одновременной томографии нескольких поперечных срезов. Каждый детектор работает в режиме регистрации совпадений со множеством расположенных напротив друг друга детекторов, определяя совпадения на нескольких углах (расходящийся пучок). Кроме того, при любом заданном угле, может быть определено множество выборок. Рис. 7 относится к случаю отсутствия объекта исследования. При наличии объекта гетерогенной структуры с неоднородным распределением источника позитронного излучения детекторы регистрируют радиационное поле, интенсивность которого изменяется в пространстве и/или времени.

Рис. ю. Набор сцинтилляционных детекторов для ПЭТ-аппаратуры.

Компьютер полу’чает данные о событиях совпадения, зарегистрированных в угловых и линейных положениях, воссоздает пространственно-временную конфигурацию интенсивности гаммаполя (точнее — дозового поля) вокрут исследуемого объекта, и выдаёт информацию в виде изображений (одного или нескольких, снятых в последовательные моменты времени). Затем компьютер решает обратную задачу, обеспечивая переход от пространственного распределения интенсивности (скорости счёта детекторов) гамма-поля к пространственному распределению источников излучения — молекул меченного 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, а также концентрация зонда в очаге (в динамических вариантах выдаётся зависимость количества зонда в опухоли от времени). При наличии нескольких близкорасположенных очагов, заслоняющих друг друга, предпринимаются меры по улучшению пространственного разрешения методики.

Позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ) — это прибор, регистрирующий в режиме совпадений уизлучение двух уквантов с энергией 511 кэВ, образующихся при аннигиляции электрона среды и позитрона, излучаемого при распаде р⁺-радиоактивного изотопа.

Позитронно-эмиссионный томограф измеряет локальную концентрацию следовых количеств радиоактивного изотопа, введённого в объект, помещённый в поле зрения ПЭТ-камеры.

Как уже упоминалось, в аппаратуре для ПЭТ датчики аннигиляционного у-излучения организованы в несколько плотно упакованных колец с минимальным расстоянием, как между' ними, так и между кольцами.