1. Принцип ПЭТ

1. Принцип ПЭТ

В 1931 году Ворбург обнаружил, что злокачественные опухоли отличаются повышенным уровнем потребления глюкозы. 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). Фтородезоксиглюкоза (ФДГ) является аналогом глюкозы на нескольких этапах ее метаболизма, но, в отличие от глюкозы, метаболизм ФДГ прекращается преждевременно и ее продукт накапливается в тканях. Радиоактивный 18F (T = 109 мин) распадается, испуская позитрон, b+. Эти работы и заложили основы позитронной эмиссионной томографии.

Позитроны (b+) — положительно заряженные электроны. 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).

1. Принцип ПЭТРис.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 (b+), 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.

1. Принцип ПЭТРис. 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).

1. Принцип ПЭТРис. 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.

1. Принцип ПЭТРис. 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.

1. Принцип ПЭТРис. 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.

1. Принцип ПЭТРис. 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).

1. Принцип ПЭТРис. 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.

В ПЭТ используются соединения, меченые 11С, Т = 20,4 мин.; 13N, T = 10,0 мин.; 15O, T = 2,1 мин.; 18F, T = 109 мин.; 82Rb, T = 1,25 мин. Все они короткоживущие и синтез на их основе меченых веществ представляет собой сложную задачу. Ввиду того, что радионуклид 18F — один из наиболее удобных для клинического использования, то на его основе синтезируется самый обширный класс фармпрепаратов для ПЭТ, среди которых — самое используемое соединение.

Позитронно-эмиссионная томография (сокращенно ПЭТ) 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 велики, так как:

  • 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.

Ниже приведено несколько слайдов, иллюстрирующих проблему реконструкции изображения в позитронной томографии.

1. Принцип ПЭТ1. Принцип ПЭТ1. Принцип ПЭТ

Визуализирующего метод нашел применение в исследовании многих биохимических процессов. Так как в большинстве случаев локализация и протяженность патологического процесса неизвестна, использование эффективного метода диагностики во всем организме является первостепенной задачей. Визуализация является чрезвычайно эффективным методом для решения этой задачи, так как данные представляются в виде изображений, а именно зрение является наиболее эффективной системой восприятия человека для поиска, определения и описания. Узнавание зависит от типа информации, представленной на изображении; как в плане определения, что оно означает, так и в плане какова его чувствительность для идентификация наличия патологического процесса.

ПЭТ предоставляет возможность визуализировать ход биологических процессов «in vivo». Визуализация реализуется путем интеграции двух методик: анализа кинетики метки и компьютерной томографии. Анализ кинетики метки включает в себя применение меченых радиоактивными изотопами биологически активных веществ (что и является меткой) и математических моделей, описывающих кинетику метки, при ее вовлечении в биологический процесс. Измерение концентрации метки в ткани, необходимое для математической модели производится ПЭТ сканером. Результатом является трехмерное изображение анатомического распределения исследуемого биологического процесса.

Меченые радиоизотопами метки и метод анализа кинетики метки используются в для количественной оценки таких процессов как кровоток, мембранный транспорт, метаболизм, синтез, лиганд-рецепторные взаимодействия, для картирования аксональных зон проецирования антероградной и ретроградной диффузией, регистрации моментов клеточного деления, маркерного анализа с использованием метода рекомбинантной ДНК, радиоиммунного анализа, исследования взаимодействия препаратов с химическими системами организма. Методика использования меток продолжает оставаться одной из самых чувствительных и широко используемых для анализа состояния биологических систем. Позитронно-эмиссионная томография позволяет проводить данное исследование на живых организмах, в частности на человеке. ПЭТ связывает воедино точные и клинические науки благодаря общности методов и решаемых задач.

Перенос методов меченых радиоизотопами веществ к использованию на человеке при помощи ПЭТ стал возможным благодаря уникальному классу радиоизотопов, используемых в позитронно-эмиссионной томографии для мечения веществ: 11C, 13N, 15О и 18F. Эти изотопы являются единственными формами естественных элементов (18F используется как замена водорода) которые излучают радиацию, способную проходить сквозь тело и быть зарегистрованной за его пределами. Естественные вещества, аналоги веществ и препараты могут быть помечены этими радиоизотопами, при этом их химические или биологические свойства не изменяться. Это позволяет полноценно использовать методы анализа кинетики меток из базисных биологических наук применительно к человеку. При этом необходимы возможности количественных измерений позитронно-эмиссионных томографов.

Помимо человека внешний сканер может быть использован для изучения мозга мелких животных. Как известно, многие болезни человека исследуются на подопытных животных. Поэтому значительное внимание уделяется проблеме использования методов лучевой диагностики в биологической практике. С этой целью разработан миниатюрный сканер, предназначенный для изучения процессов, происходящих в мозге мелких животных, таких, как мыши, например. Характерно, что это устройство не требует ввода каких-либо электродов и других деталей в череп. При этом прибор достаточно чувствителен, чтобы обнаружить малейшие изменения в обмене веществ в мозге. Генетически изменённые мыши используются для изучения таких нейрологических заболеваний, как синдромы Паркинсона или Альцгеймера. Ранее для того, чтобы исследовать изменения в мозге, вызванные этими недугами, подопытных мышей приходилось убивать и вскрывать. Позитронная томография (Positron Emission Tomography) позволит обходиться без этого.