Общие сведения о радионуклидных методах диагностики

МИНОБРНАУКИ РФ ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Информационные технологии и менеджмент в медицинских и биотехнических системах»

КУРСОВАЯ РАБОТА на тему: «Общие сведения о радионуклидных методах диагностики»

по дисциплине: «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий»

Проверил: к.т.н., доцент Сидорова М.А.

Разработал: ст-т гр. 11ПБ1б Хохлова В.А.

Пенза, 2014

Введение

В последнее время значительное развитие получила клиническая диагностика заболеваний человека с помощью введения в его организм радиоизотопов в индикаторных количествах. Эта область медицины называется ядерной медициной. Визуализация с помощью радиоизотопов включает в себя ряд методов получения изображения, отражающих распределение в организме меченных радионуклидами веществ. Эти вещества называются радиофармпрепаратами (РФП) и предназначены для наблюдения и оценки физиологических функций отдельных внутренних органов. Характер распределения РФП в организме определяется способами его введения, а также такими факторами, как величина кровотока объёма циркулирующей крови и наличием того или иного метаболического процесса.

В данной работе рассмотрены фундаментальные основы метода радионуклидной диагностики.

радионуклидный диагностика эмиссионный томография

1. Особенности радионуклидной диагностики Радионуклидная диагностика заключается в анализе информации, полученной после введения в организм пациента определенного химического или биохимического соединения, меченного g-излучающим радионуклидом, с последующей регистрацией пространственно-временного распределения этого соединения в организме с помощью позиционно-чувствительного детектора гамма-излучения. Конечным результатом функциональных радионуклидных исследований является совокупность временных гистограмм (гамма-хронограмм). Полученные в лаборатории статические изображения изучаемого органа свидетельствуют о наличии и размере патологической области с аномальным распределением радиофармпрепарата.

Как уже упоминалось, изображения органов, избирательно концентрирующих препарат, получают методом сцинтиграфии. Пространственно — временная картина распределения радионуклида дает представление о топографии, форме и размерах органа, а также о наличии в нем патологических очагов. Радиоизотопная диагностика даёт менее чёткое изображение, чем КТ, ЯМР и УЗИ и имеет меньшее разрешение. Метод дает информацию о функциональной активности ткани.

Распределение радиофармпрепаратов зависит от кровотока и метаболической активности, поэтому методы ядерной медицины в большей степени направлены на функциональное исследование органов и систем, и в меньшей — на анализ их анатомо-морфологических особенностей. Этим методы ядерной медицины принципиально отличаются от рентгенологических и ультразвуковых методов исследования, которые фиксируют лишь анатомо-морфологические особенности органов или тканей. Функциональные изменения, намного опережающие анатомические, делают методы ядерной медицины уникальными как в ранней диагностике заболеваний, так и при динамическом наблюдении, при этом разовая лучевая нагрузка на пациента приблизительно в 100 раз меньше, чем при обычном рентгенологическом обследовании.

Методы ядерной медицины являются альтернативой так называемым методам функциональной диагностики (электрокардиография и электроэнцефалография), электрические феномены которых косвенно отражают кровоток и метаболизм. Прямое отображение кровотока, микроциркуляции и метаболизма (в том числе и объемное) миокарда и головного мозга методами ядерной медицины обеспечило стремительный прогресс кардиологии и неврологии. Радиофармпрепараты дают возможность получать изображения мест с аномальным метаболизмом, что позволяет визуализировать опухоли, воспаления или места тромбоза.

Методами изотопной диагностики производятся такие исследования, как перфузия миокарда, анги-вено-лимфография, визуализация щитовидной и слюнных желез, исследование опорожнения желудка и кишечного транзита, определение места и интенсивности кишечного кровотечения, визуализация печени и селезенки, визуализация почек с расчетом скорости клубочковой фильтрации, диагностика мочеточника, диагностика гипертонии, визуализация мошонки и яичек, визуализация скелета и костных метастазов, визуализация костного мозга, сцинтиграфия молочной железы и др.

К сожалению, в подавляющем большинстве подразделений радионуклидной диагностики медицинских учреждений используются субъективные и эмпирические методы анализа гамма-хронограмм, что приводит к диагностическим ошибкам в оценке функционального состояния исследуемых органов и физиологических систем. Однако объективная обработка гамма-хронограмм возможна только при привлечении априорной дополнительной информации о процессе транспорта используемого радиофармпрепарата в организме, формализованной в виде соответствующей математической модели. Определение (идентификация) неизвестных параметров модели по зарегистрированным гамма-хронограммам позволяет получать недоступную ранее диагностическую информацию в виде совокупности этих параметров, обладающих конкретным клинико-физиологическим смыслом. Поэтому перспективы развития функциональной радионуклидной диагностики, связаны с созданием методов математического моделирования процессов транспорта РФП. Сейчас разрабатывается комплекс математических моделей для исследований печени, костной системы, органной и тканевой гемоциркуляции; пакет программ идентификации системы физиологически содержательных параметров для получения принципиально новой диагностической информации; внедряется математический аппарат дифференциальных уравнений в частных производных, обеспечивающий возможность получения информации о пространственных изменениях физиологических параметров функционирования органов; разрабатываются алгоритмы и программы формирования функциональных изображений органов в терминах различных диагностических параметров; создается универсальный динамический фантом для проверки адекватности моделей.

Диагностика предназначена для решения таких задач, как определение показаний к проведению хирургической операции резекции печени у больных первичным раком; своевременная корректировка курсов лучевой терапии больных с метастазами опухолей различных локализаций; оптимизация плана прицельного лечения на клеточном уровне в послеоперационном периоде; точная локализация границ оперативного вмешательства при саркомах нижних конечностей; установление возможности отказа от калечащей операции ампутации нижних конечностей при саркоме после химиотерапии; определение пригодности кожного лоскута для пересадки при пластической операции восстановления молочной железы у женщин после мастэктомии по поводу рака молочной железы; выработка оптимальной тактики послеоперационного лечения и реабилитации больных после операции по поводу саркомы, в частности, установления возможности и сроков протезирования нижней конечности.

Современное развитие ядерной медицины характеризуется прежде всего разработкой уникальных новых радиофармпрепаратов, которые позволяют оценивать состояние различных органов и тканей организма на клеточном уровне. Наиболее перспективным является создание пептидных препаратов, меток рецепторов, которые позволяют проводить исследования патогенных заболеваний. Еще одним направлением является направленный транспорт лекарств, использование специализированных веществ для доставки терапевтических и диагностических доз непосредственно в нужное место. Использование этих радиофармпрепаратов требует оснащение соответствующей техникой в первую очередь эмиссионными и, особенно, позитронными томографами.

В этом плане в мире активно развивается позитронная томография, где существует около 30 наименований, уже коммерческих, препаратов для исследования в таких областях как кардиология, онкология, неврология. Разрабатываются новые эмиссионные томографы с двумя-тремя детекторами, которые позволяют проводить эмиссионную томографию за минимальное время и с высоким разрешением. Слабым местом в радионуклидной диагностике является относительно невысокое пространственное разрешение аппаратуры. В первую очередь это относится к эмиссионным томографам и в меньшей степени к позитронным. Поэтому тенденцией в развитии методов диагностики и аппаратуры является появление комбинированных методов и аппаратуры, соединяющей эмиссионную томографию с рентгеновской с ЯМР-томографией.

Первые аппараты такого класса были разработаны для исследования животных и представляли собой небольшой томограф совмещенный с рентгеновским и ЯМР томографом. Сегодня в мире появились первые подобные аппараты для пациентов — эмиссионный томограф совмещенный с рентгеновским томографом. И вторая разработка — это эмиссионный томограф совмещенный с рентгеновским томографом, позволяющий одномоментно видеть не только включение нашего препарата в какой-то патологический процесс, орган, особенно при онкологических заболеваниях, но и точно определить пространственную локализацию, по картине томографического среза. Технической новинкой является блок совпадения для проведения позитронных исследований на эмиссионном томографе и блок коррекции поглощения, значительно улучшающий качество сцинтиграфических изображений и повышает точность диагностики. Разрабатываются специализированные гамма-камеры и гамма-томографы в первую очередь для таких областей как кардиология, онкология, исследований головного мозга и др.

Если говорить об оснащении отделений радионуклидной диагностики, то моногопрофильная больница или институт должны иметь универсальную томографическую гамма-камеру с большим полем для всех типов исследования и специализированную аппаратуру для исследования различных органов (сердца, головного мозга, щитовидной железы, сцинтимаммографии).

2. Радиоактивные нуклиды и радиофармпрепараты

2.1 Критерии выбора радионуклида

· Оптимальным нуклидом для радиофармпрепарата является тот, который позволяет получить максимум диагностической информации при минимальной лучевой нагрузке на больного. Желательно выбирать такой РФП, который быстро поступает в исследуемый орган и быстро выводится из организма, тем самым снижая лучевую нагрузку.

· По физическим характеристикам он должен обладать коротким периодом полураспада. Быстрый распад нуклида также обеспечивает безопасность исследования.

· К числу основных требований следует отнести наличие у нуклидаизлучения; удобного для наружной регистрации.

· Пригодность РФП обуславливается еще и биологической характеристикой отражения функций организма или отдельного органа (например, избирательное поглощение ¹³¹I щитовидной железой). Однако этот критерий не является первостепенным, т. к. в настоящее время стало возможным включать радионуклиды в состав различных химических соединений, биологические свойства которых резко отличаются от используемого нуклида (например, распределение в организме ⁹⁹Тс в соединении с технефитом, пентатехом, броммезидой и др. совершенно иное, чем собственно ⁹⁹Тс).

· РФП, вводимые внутрь организма, не должны содержать токсических примесей или радиоактивных веществ, которые в процессе распада образуют долгоживущие дочерние нуклиды.

2.2 Изотопы и радиофармпрепараты для радионуклидной диагностики В практике радионуклидной медицинской диагностики наибольшее распространение получили следующие изотопы:

Золото (¹⁹⁸Аu): Т = 2,7 дн. — источник излучений. Препарат коллоидного золота быстро поглощается из кровяного русла печенью, селезенкой и красным костным мозгом. Выведения ¹⁹⁸Аu не происходит, он остается в клетках до полного распада (12−15 дней). Учитывая относительно высокую степень лучевой нагрузки на больного, вместо ¹⁹⁸Аu чаще используют ^99 мТс. Применяется для сканирования печени, селезенки, лимфоузлов (в случае их опухолевого поражения); определения кровотока в печени.

Индий (^133 мIn): Т=99,3 мин — за счет изомерного перехода (гамма-излучение с энергией 329 кэВ, рентгеновское излучение 24−28 кэВ, электроны конверсии 365−392 кэВ) переходит в ¹¹³In. ^113 мIn генерируется распадом его материнского изотопа ¹¹³Sn (Т=115 сут). При внутривенном введении прочно связывается с m-глобулинами крови и циркулирует в организме. Поскольку в таком виде ^113 мIn является токсичным продуктом, то в клинической практике его используют в виде солей металлов. Генератор индия может быть использован в течении 6 месяцев. Редко используется в чистом виде, обычно входит в состав специальных меченых химических соединений — радиофармпрепаратов, получаемых на изотопных генераторах на территории госпиталя.

Йод (¹²⁵I), Т = 60 дн. Является источником чистого m-излучения. Из-за большого периода полураспада применяется для метки гормонов, определяемых в сыворотке крови больного in vitro.

Йод (¹³¹I), Т = 8,1 дня, источник n-частиц и m-квантов с различным уровнем энергий. Участвует в обменных процессах в организме, в частности. Критическим органом является щитовидная железа (здесь и далее: критический орган — это орган, ткань, часть тела, облучение которых причиняет наибольший ущерб здоровью данного лица или его потомству). Применяется в более чем в 90% всех терапевтических и диагностических процедур ядерной медицины, в частности, для определения функционального состояния и морфологических особенностей щитовидной железы.

Бенгальская роза — ¹³¹I. После введения препарат поглощается из крови клетками печени и вместе с желчью выводится в кишечник. Критические органы — печень и желчный пузырь. Применяется для изучения функционального состояния печени при гепатитах, циррозах, желтухах и опухолях.

¹³¹I-BSCN используется в качестве меченого препарата для определения содержания бора в опухоли in vivo и для диагностики опухолей.

Альбумин человеческой сыворотки, меченный изотопом ¹³¹I или ^99 мТс. Выпускается в виде микро и макроагрегатов с величиной частиц 20−80 мкм, которые задерживаются в капиллярах легких. Через 3−4 часа микроагрегаты под действием ферментов крови разрушаются и выводятся из организма. Применяется для определения показателей центральной и мозговой гемодинамики: минутного и ударного объемов сердца, скорости кровотока в большом и малом круге кровообращения, объема крови в легких, периферического кровотока, кровотока в головном мозге, скорости лимфотока.

Гиппуран — ¹³¹I после внутривенного введения быстро и избирательно выводится почками. Критические органы: почки и мочевой пузырь. Применение: оценка секреторно-выделительной функции почек, проходимости мочевыводящих путей, выявление количества остаточной мочи.

Йод (¹³²I) является генераторным препаратом с Т = 2,3 часа, излучает только m-кванты с энергией 0,31 МэВ. Короткий период полураспада и отсутствие n-излучения уменьшает лучевую нагрузку на щитовидную железу почти в 200 раз по сравнению с ¹³¹I, что позволяет применять его у детей.

Ксенон (¹³³Хе), Т = 5,3 дня, является источником m-квантов. Воздушно-ксенововая смесь применяется для определения нарушений проходимости спинного мозга при опухоли, менингите, сколиозе, объема остаточного воздуха в легких; регионарной вентиляции легких.

Самарий-153 (Т = 47,1 час) — n-излучатель Самарий-153-оксабифор — фармпрепарат для лучевой терапии метастатических поражений скелета.

Стронций-89 (Т= 50,5 дн) источник n-частиц с максимальной энергией МэВ. Препарат «хлорид стронция-89», «МЕТАСТРОН» — паллиативное средство при костных метастазах. ⁸⁹Sr является одним из наиболее современных и эффективных терапевтических радиоизотопов, который используется в онкологии для обезболивания, позволяя отказаться от наркотических веществ.

Таллий (¹⁹⁹Tl), Т = 7,43 час, срок годности 14 час, производится на циклотроне, предназначен для сцинтиграфии с целью диагностики инфаркта миокарда (Т1−199-хлорид) и исследования кровоснабжения головного мозга (диэтилдитиокабамат, ДДК-Т1−199) в кардиологии. Радиофармпрепарат ¹⁹⁹Tl-диэтилдитиокарбамат, способен стойко фиксироваться в структурах центральной нервной системы пропорционально кровотоку; используется для проведения томосцинтиграфии головного мозга с целью диагностики цереброваскулярной недостаточности. Этот индикатор дает возможность значительного снижения лучевой нагрузки на пациента.

Технеций (^99 мТс), T= 6 часов — дочерний нуклид 99Мо, который получается при n-распаде последнего в специальном генератор, является источником только m-квантов с энергией 140 КэB. Генератор представляет собой колонку, заполненную сорбентом с прочно фиксированным на нем материнским нуклидом ⁹⁹Мо. Вымывание ⁹⁹Тс в раствор составляют не менее 80%. Срок эксплуатации генератора 14 дней.

Технеций (^99 мТс) пертехнетат, ^99 мТс — пертехнетат проявляет себя в организме подобно йоду. Отличие заключается в том, что ^99 мТс — пертехнетат не включается в синтез гормонов, поэтому его можно использовать для определения функции щитовидной железы на фоне применения с лечебной целью препаратов, блокирующих синтез гормонов.

В последние годы в радионуклидной диагностике широко используются стандартные наборы реагентов, связывающиеся с^99 мТс и поставляющие его после внутривенного введения в определенный орган. Примером является генератор ^99 мTc на основе альбумина крови человека.

^99 мТс — ХИДА (ТСК-15) отличается быстрым проходом и высокой концентрацией в желчевыводящих протоках и желчном пузыре, что обусловливает их хорошую визуализацию при минимальной лучевой нагрузке. Критические органы: печень, желчный пузырь и кишечник. Применяется для динамической гепатосцинтиграфии в диагностике желчнокаменной болезни, холецистита, холангита, желчевыводящих путей.

^99 мТс — фитон избирательно накапливается в клетках печени и селезенки. При введении быстро элиминируется из крови с достижением максимального накопления в печени к 10^-15-й мин. Критические органы: печень, селезенка и красный костный мозг. Применяется в диагностике очаговых поражений и цирроза печени.

^99 мТс — ДТПА (ТСК) — нефротропный препарат. При внутри венном введении быстро фильтруется клубочками почек и полностью выводится из организма за 24 часа. Максимальная концентрация препарата в почках достигается через 5−6 минут. Критические органы: почки и мочевой пузырь. Применяется для динамической сцинтиграфии почек в изучении клубочковой фильтрации и морфологии почек, мочекаменной болезни, туберкулезе почек, пиелонефрите, сахарном диабете.

^99 мТс — цитон — нефротропный препарат, фиксирующийся в проксимальных и дистальных отделах канальцев почек. Максимальная концентрация препарата в почках наступает через 3 часа. Критические органы — почки и мочевой пузырь. Применяется для статической диагностики опухолей и пороков развития почек.

^99 мТс — пирофосфат (ТСК-8) накапливается в костях, некротических тканях. Максимальная концентрация в костях достигается через 4 часа. Выводится почками. Критические органы: скелет и почки. Применяется в диагностике метастазов в кости, инфаркте миокарда.

^99 мТс-МАА (макроагрегаты альбумина сыворотки человеческой крови) после внутри венного введения задерживаются в капиллярах легких, вызывая их временную эмболию. При внутриартериальном введении МАА фиксируются в капиллярах того органа, который снабжается кровью из данной артерии. Критическим органом являются легкие или исследуемый орган. Применяется для выявления нарушений микроциркуляции артерии, закрытой травме груди.

Фосфор (³²Р): Т = 14,2 дн. — источник n-частиц с максимальной энергией 1,7 МэВ и наибольшей длиной пробега в тканях 8 мм. Используется для диагностики злокачественных новообразований глаз, кожи слизистых оболочек, молочной железы, головного мозга (во время операции).

Отметим, что в настоящее время бурно развиваются исследования с препаратами на основе антител, пептидов и нуклеатидов, меченных различными радионуклидами, в основном ¹³¹I, ⁹⁰Y, ¹¹¹In. Ведутся исследования по использованию ?- и n — излучателей.

Препарат «Астат-211 — метиленовый синий» обнаружил высокую эффективность при действии на клетки злокачественной опухоли меланомы человека — опухоли, которая быстро развивается в организме человека. В развитии радиофармпромышленности можно выделить два этапа. Первый — производство готовых радиофармпрепаратов. Второй начался в связи с появлением генераторных систем, которые дали возможность получать радиофармпрепарат с заданными свойствами непосредственно в лаборатории, — из сочетания радионуклида с набором реагентов. С этого момента в радиофармпромышленности выделилось два направления — производство генераторов и наборов к ним.

В последние годы проводятся новые разработки, в частности, препаратов самария-153, олова-117m, генераторов рения-188, в планах — создание генератора технеция, других препаратов и источников для медицины.

Следует помнить, что методы ядерной медицины предусматривает использование короткоживущих радионуклидов, которые невозможно перевозить на большие расстояния, и они должны быть применены в непосредственной близости от места их получения. Поэтому производство радиофармпрепаратов должно осуществляться или вблизи или на территории клиники.

Радиофармацевтические препараты Радиофармацевтическим препаратом (РФП) называют разрешенное для введения человеку с диагностичекой или лечебной целью химическое соединение, содержащее в своей молекуле определенный радиоактивный нуклид. РФП должны отвечать определенным требованиям — иметь относительно короткий период полураспада, обладать низкой радиотоксичностью, соответствовать биологическим свойствам, иметь оптимальную энергию гамма-излучения. Оптимальными для ядерной медицины в плане радиационной безопасности является использование короткоживущих гамма-излучающих нуклидов и ультракороткоживущих нуклидов. В настоящее время известно порядка 80 радионуклидов, которые используют для получения РФП, но практическое значение для изотопной диагностики имеют 99m-технеций, 123-йод, излучающие нуклиды таллия и радиоизотопы индия. По своим свойствам они признаны оптимальными для проведения исследований. РФП бывают органотропными, туморотропными, или специфическими, и соединения без выраженной селективности. РФП, как правило, вводят внутривенно (в некоторых случаях при исследовании легких — ингаляционно).

Основные типы аппаратов:

1. Лабораторные радиометры — для измерения радиоактивности отдельных образцов или проб различных биологических сред.

2. Дозкалибраторы — для измерения величины абсолютной радиоактивности образцов или растворов радиоактивных нуклидов.

3. Медицинские радиометры — для измерения радиоактивности всего тела или отдельного органа.

4. Радиографы — для регистрации динамики перемещения РФП в органах с представлением информации в виде кривых.

5. Профильные сканеры — для регистрации распределения РФП в теле больного или в исследуемом органе

6. Сцинтилляционная гамма-камера — для регистрации динамики перемещения, а также для изучения распределения в теле больного и исследуемого органа РФП.

Сегодня все функции радиографов и сканеров совмещают в себе современные сцинтилляционные гамма-камеры, прототипом которых является гамма-камера, созданная H.O.Anger в 1963 году.

2.3 Изотопы и препараты для позитронной эмиссионной томографии Для целей позитронной эмиссионной томографии используются чрезвычайно короткоживущие нуклиды. Получение из них фармпрепаратов представляет собой серьезную проблему: на производство изотопа, синтез меченого соединения (причем не простой, а направленный — изотоп должен быть введен в точно назначенное место в молекуле), доставку препарата к больному, введение препарата в организм человека и проведение анализа отводится несколько минут! Естественно, что в этом случае могут быть использованы только экспрессные методы синтеза. Обычно применяются не столько химические, сколько биохимические методики, причем и генератор нуклида (циклотрон) и фабрика меченых соединений располагаются на непосредственно на территории госпиталя или даже в здании лечебного учреждения.

Изотопы для позитронной томографии:

Углерод-11, ¹¹С, Т = 20,4 мин.;

Азот-13, ¹³N, T = 10,0 мин.;

Кислород-15, ¹⁵O, T = 2,1 мин.;

Фтор-18, ¹⁸F, T = 109 мин.;

Рубидий-82, ⁸²Rb, T = 1,25 мин.

Двуокись углерода. Меченные радиоактивными изотопами вода и двуокись углерода используются для исследований локального кровоснабжения головного мозга.

Кислород [¹⁵O]-меченная вода и кислород используются для количественной оценки потребления кислорода миокардом и кислородной фракции выброса, а так же для измерения степени некроза в опухоли.

Вода [¹⁵O]-меченная вода и кислород используются для количественной оценки потребления кислорода миокардом и кислородной фракции выброса. [¹⁵O]-вода также используется как метка миокардиальной перфузии (контрастирующая с [¹³N]-аммиаком. Использование [¹⁵O]-воды имеет преимущество 100% фракции выброса в миокарде. Выброс не зависит от метаболизма, который потенциально изменяет фракции выбросов для других изотопов, таких как [⁸²Rb] или [¹³N]-аммиак. Недостатком является высокая концентрационная активность [¹⁵O] в сосудах сердца, полостях сердца и легких. Поэтому трудно точно измерить концентрацию метки.

Азот-13 Т = 10,0 мин.

Аммиак [¹³N]-меченный аммиак используется для измерения кровотока. Метка двигается из сосудов в ткани с помощью активного транспорта (натрий-калиевый насос) и путем пассивной диффузии. После того как метка оказывается внутри клетки, она преимущественно метаболизируется по цепочке глутаминовой кислоты. [¹³N]-аммиак применяется как способ измерения региональной перфузии в миокарде как в норме, так и при патологии. Преимуществом [¹³N]-аммиака является его короткий период полураспада, что позволяет использовать его при повторных исследованиях. [¹³N]-аммиак быстро покидает кровяное русло и долго удерживается в тканях, что обеспечивает получение высококонтрастных поперечных изображений сердечной мышцы. Зачастую исследования с использованием [13N]-аммиака комбинируются с введением [¹⁸F]ФДГ, что позволяет сравнивать миокардиальный кровоток с метаболизмом глюкозы, диагносцировать несоответствие и рассчитывать индекс жизнеспособности сердечной мышцы.

Углерод-11 Т = 20,4 мин Ацетат ¹¹C-меченный ацетат используется для количественной оценки окислительного метаболизма. Основным источником питания миокарда являются жирные кислоты, поэтому данная метка полезна в оценке метаболического состояния сердца.

Карфентанил является агонистом мю-опиатных рецепторов, он в 8000 раз мощнее, чем морфин. [¹¹C]-меченный карфентанил используется в позитронно-эмиссионной томографии для исследования опиатных рецепторов головного мозга.

Кокаин ПЭТ используется для идентификации и характеризации мест связывания опиатных веществ в головном мозге. [¹¹C]-меченный кокаин применяется в исследованиях на человеке и обезьянах для изучения распределения и фармакокинетики данного агента. Например, было показано, кокаин быстро накапливается и выходит из полосатого тела и временная диаграмма данного процесса коррелирует с временной моделью кокаинового «кайфа». ПЭТ также используется для исследования биологических эффектов кокаина. Большие одноразовые дозы кокаина имеют слабо влияют на работоспособность допаминовых рецепторов D2 (что измерялось при помощи [¹¹C]N-метилпипоперидола), в то время как хроническое употребление кокаина приводит к снижению функций данных рецепторов. У лиц, хронически злоупотребляющих кокаином, снижается метаболизм допамина (что измерялось при помощи 6-[¹⁸F]-фтор-L-допа) Депренил. После внутривенного введения радиоактивного [¹¹C]-депренила, проводится ПЭТ-исследование. Депренил эффективен для лечения ранних стадий болезни Паркинсона.

Лейцин. [¹¹C]-меченные метионин и лейцин используются для качественной оценки потребления аминокислоты и синтеза белка, являясь таким образом индикатором жизнеспособности опухоли.

Метионин [¹¹C]-меченные метионин и лейцин используются для качественной оценки потребления аминокислоты и синтеза белка, являясь таким образом индикатором жизнеспособности опухоли.

N-метилспиперонал. N-метилспиперонал (N-метилспироперидол) связывает допаминэргические D2 рецепторы. [¹¹C]-меченный N-метилпиперонал применяется для исследования нейрохимического влияния различных веществ на допаминэргическую систему.

Раклоприд. [¹¹C]-меченный раклоприд используется в позитронно-эмиссионной томографии для изучения функционирования допаминэргических синапсов. Раклоприд связывает допаминовые D2 рецепторы и является селективным, обратимым ингибитором D2 рецепторов.

Фтор 18 Т= 109 мин.

Галоперидол ПЭТ используется для изучения мест связывания галоперидола, широко используемого антипсихотического и снижающего беспокойство препарата. Галоперидол действует на допаминовые рецепторы можжечка.

Ион фтора Радиомеченный ион фтора [¹⁸F-] являлся стандартным агентом для клинических исследований костной системы. Схема накопления [¹⁸F-] схожа с таковой у технеция-99m-дифосфоната (распространенной метки при исследованиях на гамма-камере). При этом, нормальные костные структуры имеют равномерное накопление в скелете [¹⁸F-]. Оба [¹⁸F-] и [^99mTc] имеют хорошую чувствительность как индикаторы патологии скелета, но имеют ограниченные возможности в плане патологической специфичности (например, и доброкачественные, и злокачественные процессы стимулируют остеобластную активность и повышение накопления). Однако, из-за того, что [¹⁸F-] имеет большие различия в скорости накопления между мягкими тканями и костями скелета по сравнению с [^99mTc]-дифосфонатом, позитронно-эмиссионная томография всего тела будет более анатомически и количественно точной, чем такое же исследование на гамма-камере.

Фтордеоксиглюкоза [¹⁸F]-меченные ПЭТ метки используются в неврологии для изучения метаболизма, нервной передачи и клеточных процессов. L-[¹⁸F]-допа применяется для исследования распределения запасов медиатора и исследования болезни Паркинсона.

Фторэтилспиперонал [¹⁸F]-меченные ПЭТ метки используются в неврологии дя изучения метаболизма, нервной передачи и клеточных процессов. [¹⁸F]-меченный фторэтилспиперонал является радиолигандом, который используется для исследования D2-допаминовых рецепторов. ПЭТ исследования допаминэргической функции используются для изучения гормональных эффектов, процесса старения и нейропатологических состояний, таких как болезнь Паркинсона и шизофрения.

Фторурацил [¹⁸F]- меченный фторурацил используется для измерения доставки препаратов применяемых при химиотерапевтическом лечении рака.

Рубидий-82, Т = 1,25 мин. ⁸²Rb используется при проведении исследований миокардиальной перфузии. Короткое время полураспада (Т=76 с) позволяет проводить парные стресс-исследования с высокой скоростью. Одной из отличительных особенностей данной метки является то, что она может быть произведена без циклотрона из генераторной колонки. Однако существуют и ограничения, из-за низкой разрешающей способности изображений связанной с относительно высокой дальностью полета позитронов от данного эмиттера. ⁸²Rb используется для определения недостаточности гематоэнцефалического барьера. Короткое время полураспада ⁸²Rb для получения статистически значимых изображений требует применения высокоэффективных томографов, но зато обеспечивает возможность проведения серий измерений у одного пациента, т. е. возможность изучения кратковременных изменений, вызванных препаратами.

3. Методы радионуклидной диагностики их применение

Планарная, или плоскостная, сцинтиграфия является наиболее простым методом сцинтиграфического исследования. Для получения планарной сцинтиграммы излучение от объекта фиксируется в течение определенного времени неподвижным детектором. При анализе сцинтиграммы обращают внимание на интенсивность накопления в интересующей области, ровность и четкость контуров различных структур, наличие участков аномально высокого или низкого накопления («горячие» или «холодные» очаги).

Динамические исследования (динамическая сцинтиграфия) проводят с целью изучения динамики распределения РФП в том или ином органе. Они состоят из записи серии кадров (плоскостных сцинтиграмм) от момента внутривенной инъекции РФП в течение определенного времени. Затем с помощью компьютерных программ производится обработка данных и построение кривых распределения РФП. Наиболее часто динамические исследования используются при исследовании функции почек, печени и желчевыводящих путей, щитовидной железы.

Рисунок 1. Динамическая нефросцинтиграфия

Метод однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ, или томосцинтиграфия) позволяет преодолеть пространственные ограничения плоскостных сцинтиграфических исследований.

Рисунок 2. Перфузионная однофотонная эмиссионная компьютерная томография миокарда (ОЭКТ)

Особо следует выделить позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ, PET), основанную на регистрации пары гаммы-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов (они появляются при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием). Это развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В основе ПЭТ лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами. Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений — радиофармпрепаратов. Именно выбор подходящего РФП позволяет изучать с помощью ПЭТ такие процессы, как метаболизм, транспорт веществ, лиганд-рецепторные взаимодействия, экспрессию генов и т. д.

Рисунок 3. Позитронно-эмиссионный томограф

Отличительной чертой методов ядерной медицины является их функциональность. Они не обладают таким высоким пространственным разрешением, как изображения, получаемые с помощью компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии, но зато сцинтиграммы способны отражать физиологические и патофизиологические изменения, происходящие в организме. В последние годы ведущие фирмы-производители медицинской техники стали выпускать аппаратуру, которая объединяет в себе однофотонные и позитронно-эмиссионные томографы с КТ и МРТ, что, безусловно, улучшает качество диагностики.

Основное достоинство радионуклидных методов — высокая чувствительность к различным видам патологических процессов, возможность анализа динамических процессов и функциональных исследований. К недостаткам, как говорилось выше, относят невысокое пространственное разрешение, а также низкую специфичность, лучевую нагрузку и определенные трудности, связанные с радиоактивными препаратами.

Применение Все виды и методики радионуклидных исследований наиболее часто применяют для изучения перфузии/вентиляции легких, сцинтиграфии костей, исследования миокарда, головного мозга, почек, щитовидной железы и других органов и тканей.

Рисунок 4. Перфузионная сцинтиграфия легких

Рисунок 5. Перфузионная сцинтиграфия головного мозга

Классификация методов.

1. Радиометрия;

* Лабораторная (In vivo, In vitro);

* Клиническая.

2. Гамма-хронометрия;

3. Гамма-топография;

* Статическая г-топография;

* Динамическая г-топография;

* Эмиссионная компьютерная томография (однофотонная эмиссионная компьютерная томография, позитронная (двухфотонная) эмиссионная компьютерная томография).

Краткая характеристика методов.

Лабораторная радиометрия — измерение концентрации РФП в том или ином веществе по его излучению. Это может быть анализ какой-либо физиологической жидкости, полученной после введения РФП больному (in vivo), либо чисто лабораторное исследование (in vitro), без контакта между РФП и больным (радиоиммунные анализы и т. п.). Для регистрации излучения (подсчёта сцинтиляций) может быть исспользован простейший детектор (счётчик Гейгера).

Клиническая радиометрия — непосредственное измерение интенсивности излучения над тем или иным участком тела в статике. Позволяет судить лишь о степени накопления РФП в той или иной анатомической области, при низкой скорости изменения концентрации РФП.

Гамма-хронометрия — развёрнутая по времени клиническая радиометрия, т. е. радиометрия в динамике. Показывает не только концентрацию РФП в той или иной области в разные периоды времени, но и степень прироста и уменьшения этой концентрации. Этот метод позволяет визуализировать быстро — протекающие процессы.

Статическая гамма-топография — позволяет получить изображение органа и исследовать однородность заполнения РФП, если есть «холодные» или «горячие» пятна — характер этих пятен, их гомогенность, характер границ, соответствие анатомическим долям органа.

Динамическая гамма-топография — последовательность статических сцинтиграмм. Метод обладает всеми преимуществами статической гамма-топографии, плюс к этому, позволяет проследить динамичность изменения концентрации РФП в том или ином очаге.

Эмиссионная компьютерная томография — получение томографического среза путём компьютерной реконструкции изображения, полученного при вращении детектора (гамма-камеры). Выделяют однои двухфотонную (позитронную) ЭКТ. При однофотонной ЭКТ регистрируют гамма-излучение РФП. Регистрация излучения производится на вращающуюся одну гамма-камеру. Далее производится дигитальная реконструкция изображения.

При позитронной ЭКТ регистрируют ?-излучение полученное в результате аннигиляции протона и электрона. При аннигиляции частиц образуются два ?-фотона с энергией по 511 кэВ, «разлетающихся» в противоположные стороны. Энергия этих фотонов слишком велика для использования обычных вращающихся гамма-камер. Используют два специальных вращающихся детектора, расположенных друг напротив друга.

Таким образом, для этого исследования необходим РФП, в состав которого входил-бы позитронно-эмитирующий изотоп (11C, 13N, 15O, 18F). Это представляет собой наибольшее неудобство, т.к. эти изотопы имеют очень короткие периоды полураспада (15O — 2 мин., 18 °F — 110 мин.), для их производства нужны очень дорогие циклотроны. Кроме того, необходимо что-бы циклотрон находился в непосредственной близости от радио-изотопной лаборатории.

Диагностика проводится высокопрофессиональными специалистами врачами-радиологами и процедурными медсестрами высшей квалификационной категории и большим опытом работы.

В медико-биологической практике проводятся следующие радионуклидные исследования органов и систем человека:

Костная система

· Сцинтиграфия костей скелета.

· Томография.

· Сцинтиграфия костного мозга.

Методика позволяет выявлять метастазы опухолей различных органов в кости скелета на ранних стадиях, определять распространенность поражения и точную локализацию. Возможна оценка метаболизма костной ткани в местах травм и переломов.

Рисунок 6. Радионуклидная диагностика костной системы

Печень

· Сцинтиграфия.

· Томография.

Методика позволяет оценивать форму, размеры, положение органа относительно стандартных топографических ориентиров, количество функционально сохранных клеток ретикулоэндотелия печени, а также распределение накопления препарата в ткани печени при различных заболеваниях (хронические гепатиты, циррозы и т. д.).

Рисунок 7. Радионуклидная диагностика печени

Почки

· Динамическая сцинтиграфия.

· Комплексное исследование почек с м99Технецием пентатехом (ангиография сцинтиграфия ренография).

· Томография.

Предусматривается комплексное исследование, включающее в себя непрямую ангиографию, сцинтиграфию и ренографию почек. Позволяет оценивать почечный кровоток, общую и раздельную клубочковую фильтрацию, выделительную функцию почек при различных заболеваниях, а также перед операциями. Метод облегчает диагностику некоторых видов аномалий развития почек и мочевыводящих путей.

Рисунок 8. Радионуклидная диагностика почек

Сердце

· Сцинтиграфия миокарда с м99Технецием технетрилом.

· Сцинтиграфия миокарда с физической нагрузкой.

· Томография («бычий глаз»).

Используется для оценки перфузии (кровоснабжения) сердечной мышцы. При исследовании с нагрузкой возможно сравнение с данными, полученными в покое. Проводится также оценка регионарной сократимости сердца.

Рисунок 9. Радионуклидная диагностика сердца. Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОЭКТ) миокарда левого желудочка сердца. Вверху — перфузия миокарда больного ишемической болезнью сердца в покое (практически норма), внизу — при стрессе определяется выраженное уменьшение накопления радиофармпрепарата (ишемия миокарда). А и С — поперечное сечение, В и D — продольное сечение

Легкие

· Ангиография.

· Сцинтиграфия.

· Томография.

Одна из самых высокочувствительных методик для выявления тромбоэмболии легочной артерии и ее ветвей. Оценка кровотока по системе легочной артерии при различных заболеваниях легких.

Рисунок 10. Радионуклидная диагностика легких

Щитовидная железа

· Сцинтиграфия.

· Томография.

Сцинтиграфия щитовидной железы позволяет оценивать форму, контуры, общий уровень накопления препарата в ткани железы, функциональную активность выявленных при ультразвуковом исследовании узловых образований, облегчает поиск тиреотоксических аденом (гормонпродуцируюших аденом). Метод позволяет выявлять загрудинное или другое атипичное расположение ткани железы, а также рецидивы узловых образований после оперативных вмешательств на щитовидной железе.

Рисунок 11. Радионуклидная диагностика щитовидной железы

Головной мозг

· Сцинтиграфия.

· Томография.

· Ангиография.

Производится оценка регионального мозгового кровотока при инсультах, эпилепсии, преходящих ишемических атаках, психических заболеваниях, при травмах головы.

Исследование мозгового кровотока (кора мозга, нервные узлы):

· количественный анализ перфузии в пространстве Талайраха

· количественный анализ перфузии с учетом артериальных бассейнов

· количественный анализ перфузии с учетом функциональных зон Бродмана

· количественный анализ перфузии в томографических срезах (трансверзальных, сагиттальных и фронтальных).

Выявление острых и хронических нарушений мозгового кровотока, диагностика болезни Альцгеймера и других видов деменции, цереброваскулярной дисфункции при эпилепсии.

Подготовки к исследованию не требуется. Обследование выполняется через 1.5 — 2 часа после в/в введения РФП (продолжительность — 40 мин).

Рисунок 12. Радионуклидная диагностика головного мозга

Ангиография

· Почек.

· Аортография.

· Сосудов головного мозга.

· Сосудов верхних конечностей.

· Сосудов нижних конечностей.

· Флебография нижних конечностей.

· Флебография верхних конечностей.

· Флебография нижней полой вены.

· Ангиография верхней полой вены, легочной артерии и ее ветвей.

Методика позволяет получать изображение крупных сосудов и оценивать их проходимость, анатомические особенности, расчитывать временные показатели прохождения препарата по ним.

Рисунок 13. Радионуклидная диагностика сосудов

Схема 1. Методы РНД (радионуклидной диагностики)

4. Получение изображений с помощью радиоизотопов

Радиоизотопные изображения позволяют получать ценную диагностическую информацию. В ядерной медицине наиболее распространённым методом клинической диагностики является статическая изотопная визуализация в плоскости, называемая планарной сцинтиграфией. Планарные сцинтиграммы представляют собой двумерные распределения, а именно проекции трёхмерного распределения активности изотопов, находящихся в поле зрения детектора. В отличие от рентгенографии, в которой точно известно начальное и конечное положения каждого рентгеновского луча, при визуализации радиоизотопного источника можно определить положение лишь регистрируемого mизлучения. Следовательно, для получения изотопного изображения необходимо применять систему коллимации, которая способна выделять направление прихода mквантов. Способ коллимирования излучения может быть механическим (например, с использованием свинцовых экранов) или электронным.

Временные изменения пространственного распределения радиофармпрепарата можно регистрировать, регистрируя многократные изображения за промежутки времени от нескольких миллисекунд до сотен секунд. Этот способ визуализации с помощью радиоизотопов, называемый динамической сцинтиграфией, является основным при базовых функциональных исследованиях внутренних органов и систем организма.

Поскольку планарные сцинтиграммы содержат информацию о трёхмерном распределении изотопов, во многих случаях трудно точно определить функциональные изменения в тканях, расположенных в глубине тела. Томографические исследования с применением системы многоракурсного сбора информации об объекте позволяют преодолеть большинство проблем, связанных с наложением информации при одноракурсном способе сбора данных. Метод эмиссионной компьютерной томографии (ЭКТ) имеет ряд аналогий с рентгеновской компьютерной томографией (РКТ); в тоже время существуют и некоторые важные отличия. Рентгеновская компьютерная томография основана на определении степени ослабления излучения тканями организма, тогда как при ЭКТ принципиально требуется коррекция ослабления гамма-излучения для регистрации распределения радиоактивности внутри тела. Кроме того, ограниченность скорости счёта при радиоизотопных исследованиях ведёт к ухудшению качества изображения по сравнению с изображением в рентгеновской компьютерной томографии.

В последние годы в медицине нашла применение однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT) — метод полипозиционной регистрации сцинтиграфического изображения, более информативный по сравнению с традиционной планарной сцинтиграфией. Кроме того, современное программное обеспечение радиодиагностических приборов позволяет рассчитывать объем исследуемого объекта (например, селезенки) на основе трехмерной реконструкции сцинтиграфических изображений, полученных в режиме SPECT.

5. Аппаратура для радионуклидной диагностики

5.1 Сцинтилляционные детекторы

В основе сцинтилляционных детекторов лежат вещества, излучающие свет в видимом диапазоне (или вблизи него) при поглощении энергии ионизирующего излучения. Они используются как для регистрации (счёта) частиц, так и для визуализации с помощью радиоизотопов. В Табл.1 представлены неорганические сцинтиляторы с большим атомным номером Z и, следовательно, с хорошей тормозной способностью для фотонов. Если световые эмиссионные характеристики сцинтиллятора согласуются со спектральной чувствительностью фотоумножителя (ФЭУ) и сцинтилятор прозрачен для излучаемого им света, то детекторы ионизирующего излучения, использующие комбинацию «сцинтиллятор — ФЭУ», обеспечивают высокую чувствительность.

Таблица 1. Физические свойства неорганических материалов для сцинтилляторов

Световой выход для большинства неорганических сцинтилляторов пропорционален поглощаемой ими энергии. Следовательно, при этом можно не только регистрировать mкванты, используя сцинтилляционный счётчик, но также и определять их энергию. Разрешающая способность по энергии в диапазоне 100 — 200 кэВ для этих счётчиков составляет обычно 10 — 15%, благодаря чему сцинтилляционный счётчик позволяет отделять m-кванты, излучаемые организмом без рассеяния, от тех квантов, которые претерпели рассеяние с потерей энергии. Ограничения в применении сцинтилляторов для целей визуализации связаны в основном с их размерами.

Более распространены монокристаллы малого диаметра (10 см) и малой толщины (10 см); монокристаллы же большого диаметра (40 — 50 см) и толщиной более чем 1- 1,5 см трудны в изготовлении.

Сцинтилляционные счётчики можно использовать в качестве детекторов для визуализации с помощью радиоизотопов в области энергий 50 — 100 кэВ.

5.2 Гамма-камера Гамма-камера — основной инструмент современной радионуклидной диагностики. Гамма-камеры предназначены для визуализации и исследования кинетики радиофармпрепаратов во внутренних органах и физиологических системах организма пациента с целью ранней диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний человека. Гамма-камеры применяются в лабораториях радиоизотопной диагностики городских клинических больниц, научно-исследовательских медицинских институтов, онкодиспансерах и других медицинских учреждений.

Помимо диагностических исследований щитовидной железы, почек, печени и желчного пузыря, головного мозга, легких, сердца и др., современные гамма-камеры должны обеспечивать сканирование всего тела пациента (скелета) и компьютерную томографию внутренних органов для получения трехмерной информации.

Современная гамма-камера содержит многоканальный коллиматор, кристалл NaI (Tl) с большой площадью поверхности, световод для оптической связи кристалла с гексагональной матрицей ФЭУ и блока аналоговых электронных устройств, обеспечивающих определение координат и амплитуд сигналов. Все указанный компоненты заключены в свинцовый экран достаточной толщины, чтобы свести к минимуму фон от источников радиации, находящихся вне поля зрения камеры.

Коллиматор служит для селекции по направлению mквантов, падающих на камеру. В коллиматоре с параллельными отверстиями (каналами) на сцинтиллятор попадают лишь те m-кванты, которые движутся перпендикулярно поверхности коллиматора. Коллиматор определяет также геометрическое поле зрения камеры и обусловливает пространственное разрешение и чувствительность всей системы. Для построения распределений радионуклидов с различной энергией m-излучения и достижения приемлемого компромисса между пространственным разрешением и чувствительностью применяют набор из коллиматоров нескольких типов. Помимо коллиматоров с параллельными отверстиями существуют и коллиматоры с единственным отверстием малого размера, предназначенные для визуализации малых, приповерхностных органов, а также коллиматоры со сходящимися или расходящимися отверстиями для получения изображений всего тела и органов средних размеров.