Transcript Pozitronova emisna tomografia

NUKLEÁRNA MEDICÍNA
Prístroje na detekciu žiarenia
PET – Pozitrónová emisná tomografia
01
Pozitrónová emisná tomografia
Čo je PET ?
PET, alebo Pozitrónová emisná tomografia
(Positron Emission Tomography) je diagnostická
metóda, je založená na koincidenčnej detekcii
fotónov gama s energiou 511 keV, ktoré sú
emitované pri premene pozitrónových žiaričov
aplikovaných do organizmu pacienta.
Nositeľom diagnostickej informácie
sú pozitrónové žiariče.
02
Pozitrónová emisná tomografia
Čo je pozitrónový žiarič ?
Pozitrónový žiarič je rádiofarmakum, označené
rádionuklidom, ktorý sa vyznačuje β+ rozpadom (rozpad,
pri ktorom sa z atómového jadra uvoľňuje pozitrón).
03
Pozitrónová emisná tomografia
Čo je pozitrón?
Pozitrón je antičastica elektrónu, je to vlastne
elektrón s kladným nábojom. Označuje sa e+.
Pozitrón je emitovaný z jadra pozitrónového
žiariča a postupne sa spomaľuje prechodom
cez látku (tkanivo).
Na konci svojej dráhy sa spojí s elektrónom
dochádza k anihilácii , elektrón a pozitrón
zanikajú a vznikajú dva anihilačné fotóny
s energiou 511 keV, ktoré smerujú
opačným smerom a zvierajú uhol 180˚.
Dosah pozitrónu v tkanive závisí na jeho energii,
vo všeobecnosti nepresiahne dráhu niekoľkých
milimetrov.
04
Pozitrónová emisná tomografia
Rádiofarmakum pre PET
Do tela pacienta je intravenózne alebo inhaláciou podané rádiofarmakum, čo je
molekula, na ktorú sú naviazané jadrá nestabilných pozitrónových žiaričov ako
napríklad 11C, 13N, 15O, 18F.
Výhodou 11C, 13N, 15O, 18F je, že sú to izotopy biogénnych prvkov a môžu byť
naviazané na molekuly bez zmeny pôvodných chemických štruktúr a ich
vlastností.
Hoci fluór nie je biogénny prvok, je možné izotop 18F naviazať na glukózu, čím
získavame molekulu nazvanú fluórdeoxyglukóza 18FDG, čo je aj v klinickej
praxi najpoužívanejšie rádiofarmakum pre PET.
Táto molekula sa bude akumulovať v tkanivách so zvýšenou
metabolickou aktivitou, ako je napr. onkologické tkanivo, zapálené
tkanivo, prípadne tkanivá so zvýšeným metabolizmom glukózy
(mozog, svaly).
Čiastočne je vylučovaná do moču, takže sa obvykle
zobrazuje dutý systém ľadvín a močový mechúr,
občas je možné 18FDG nájsť i v črevách.
05
Pozitrónová emisná tomografia
Charakteristika pozitrónových žiaričov pre PET
06
Pozitrónová emisná tomografia
Výroba pozitrónových žiaričov pre PET
Cyklotrón je urýchľovač častíc s elektrickým nábojom.
Urýchlené častice môžu po urýchlení nadobudnúť
pomerne veľkú energiu a keď narazia na iné častice,
napr. na niektoré atómy, zmenia ich vlastnosti.
Ostreľovaním atómov iónmi vznikajú pozitrónové žiariče.
07
Pozitrónová emisná tomografia
Fyzikálna podstata PET





Do organizmu pacienta je aplikované rádiofarmakum – pozitrónový žiarič
(najčastejšie 18FDG).
Po určitom čase sa rádiofamakum dostane do cieľového orgánu, odkiaľ
vyžaruje pozitróny.
Vyžiarené pozitróny po krátkom čase (125 ps →1ps=10-12/0,000000000001 s)
anihilujú, z každého miesta anihilácie sa vyžiaria dva fotóny o energii
511 keV, zvierajúce uhol 180˚.
Vyšetrenie PET je založené na tzv. koincidenčnej detekcii.
Keď dva protiľahlé detektory zaznamenajú anihilačné fotóny v krátkom
(15 ns →1ns=10-9/0,000000001 s) časovom intervale (koincidenčná udalosť),
tak sa predpokladá, že pochádzajú z rovnakej anihilačnej udalosti. Teda
miesto anihilácie bude ležať niekde na čiare, ktorá tvorí
spojnicu oboch detektorov.
Takúto čiaru nazývame čiarou odozvy (line of response - LOR).
08
Pozitrónová emisná tomografia
Fyzikálna podstata PET
Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri PET.
09a
Pozitrónová emisná tomografia
Fyzikálna podstata PET
Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri PET.
09b
Pozitrónová emisná tomografia
Rozdiel medzi PET a SPECT - princíp detekcie PET
Na vymedzenie fotónov, prichádzajúcich len zo zvoleného smeru sa pri
SPECT používajú clony – kolimátory.
V prípade PET je uskutočňovaná tzv. elektronická kolimácia prostredníctvom
koincidenčných obvodov, na ktorých sa nastavuje koincidenčné okno.
Koincidenčným obvodom prejdú do elektronickej aparatúry len fotóny, ktoré
dopadnú do detektorov súčasne (v rámci koincidenčného časového okna ).
Na výstupe koincidenčného
obvodu sa objaví impulz
a do pamäti počítača
sa zaznamená priamka
spájajúce tie dva detektory,
ktoré impulz zaznamenali.
Niektorému z bodov na tejto
priamke odpovedá miesto,
kde došlo k anihilácii.
10
Pozitrónová emisná tomografia
Rozdiel medzi PET a SPECT
Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri
SPECT a PET.
11
Pozitrónová emisná tomografia
Rozdiel medzi PET a SPECT
Počas akvizície dát v systéme SPECT sa detektor musí otáčať okolo
pacienta za účelom akvizície dát z viacerých uhlov pre získanie 3D
obrazu sledovanej lokality.
Systém PET nepotrebuje rotáciu - detektory sú umiestnené po
obvode kruhu a zhromažďujú údaje zo všetkých uhlov po celý
čas akvizície.
12
Pozitrónová emisná tomografia
Typy koincidenčných udalostí pri PET
Pri PET detekcii rozlišujeme :
A.
B.
C.
Pravú koincidenciu (True)
Rozptýlenú koincidenciu (Scatter)
Náhodnú koincidenciu (Random)
Poznámka: Iba detekcia pravých koincidencií
vytvára obraz distribúcie rádioaktivity pri
PET. Prítomnosť rozptýlených a náhodných
koincidencií predstavuje šum.
13
Pozitrónová emisná tomografia
Detektory PET
Obr.: Schematické znázornenie bloku detektorov PET.
14
Pozitrónová emisná tomografia
Detektory PET
Väčšina PET systémov využíva detektory, ktoré pozostávajú zo súboru
malých scintilačných kryštálov o rozmeroch ~ 4 mm oddelených
reflexnými vrstvami.
Súbory kryštálov (obyčajne 8x8, alebo 13x13) sú pevne viazané do blokov
(modulov) spolu so štyrmi fotonásobičmi.
Jednotlivé moduly sú zložené do prstencov obklopujúcich objem okolo tela
pacienta.
Zorné pole PET kamery má priemer ~ 60 cm a axiálnu dĺžku 16-18 cm.
15
Pozitrónová emisná tomografia
Scintilačné kryštály pre PET
Najviac používanými scintilátormi pre PET sú:
Scintilátor BGO
Bizmut germánium (Bi4Ge3O12 alebo BGO) bol najpoužívanejším kryštálom pre PET
systémy. Má o 50% vyššiu účinnosť ako NaI(Tl) a nie je hygroskopický. Jeho nevýhodou
je nízky svetelný výstup (15% z NaI(Tl) kryštálov) a dlhá doba vysvietenia 300 ns, ktorá
limituje koincidenčné časové rozlíšenie. BGO kryštály majú aj slabšie energetické rozlíšenie
ako NaI(Tl).
Scintilátor LSO
V súčasnosti najpoužívanejší typ kryštálov pre PET.Céziom aktivovaný lutécium ortosilikát
(Lu2SiO5:Ce alebo LSO) je relatívne nový monokryštálový anorganický scintilátor, ktorý má
niekoľko výhod oproti existujúcim scintilátorom. Hoci má podstatne nižší svetelný výstup ako
NaI(Tl), má omnoho vyššiu hustotu a efektívne atómové číslo potrebné na účinnú registráciu
511 keV fotónov.
LSO má štyrikrát vyšší svetelný výstup a osemkrát rýchlejšiu dobu vysvietenia
ako BGO, no zachováva si podobnú útlmovú vzdialenosť.
Scintilátor GSO
Gadolínium ortosilikát (Gd2SiO5:Ce alebo GSO) má o 50% vyšší
svetelný výstup ako BGO a päťkrát rýchlejšiu dobu vysvietenia,
16
ale jeho útlmová vzdialenosť je o 40% dlhšia.
Pozitrónová emisná tomografia
Scintilačné kryštály pre PET
Obr.: Fyzikálne a scintilačné vlastnosti detektorov pri 511 keV.
17
Pozitrónová emisná tomografia
Režimy akvizície PET
PET systémy môžu pracovať v 2D alebo 3D režime.
V 2D režime sú porovnávané iba čiary odozvy, ktoré prislúchajú
detektorovým párom v rovnakom prstenci. To je zabezpečené
kolimačnými priehradkami, ktoré každý prstenec obsahuje.
Súčasné skenery majú odstrániteľné priehradky, aby koincidencie
mohli byť získané medzi všetkými pármi detektorov, režim
nazývaný plne 3D PET.
Citlivosť pri 3D akvizícii sa výrazne zvýši.
18
Pozitrónová emisná tomografia
Režimy akvizície PET
PET systémy môžu pracovať v 2D alebo 3D režime.
19
Pozitrónová emisná tomografia
PET kamera pozostáva z:
-
-
-
Gantry : konštrukcia s kruhovým po obvode ktorého sú pevne
umiestnené detektory . Gantry obsahuje hardvér, ktorý je potrebný pre
spracovanie scintigrafického signálu z detektorov gamakamery.
Vyšetrovcie lôžko: lôžko slúžiace pre polohovanie pacienta, umožňuje
vertikálny i horizontálny pohyb. Lôžko je vyrobené zo špeciálnych
materiálov, ktoré sú pevné, no zároveň nespôsobujú útlm fotónov
gama z pacienta, najčastejšie karbónové vlákna.
Akvizičná stanica: PC so špeciálnym softvérom, ktorý umožňuje
ovládanie gantry a vyšetrovacieho lôžka, nastavenie akvizície,
zadávanie a vytváranie akvizičných protokolov, kontrolu kvality PET
kamery.
Vyhodnocovacia stanica: PC so špeciálnym softvérom pre
spracovanie a vyhodnocovanie scintigrafických nahrávok.
Súčasťou vyhodnocovacej stanice je špeciálny
vyhodnocovací monitor s vysokým rozlíšením
pre popis detailov zo štúdií.
20
Pozitrónová emisná tomografia
Rekonštrukcia obrazu pri PET
Proces rekonštrukcie obrazu využíva matematický aparát
filtrovanej spätnej projekcie a iteratívnej rekonštrukcie
podobný, ako sa používa pri počítačovej tomografii (CT) či
jednofotónovej emisnej tomografii (SPECT).
Pri PET zobrazení celého tela je iteratívna metóda najpoužívanejšia,
pretože oproti filtrovanej spätnej projekcii poskytuje lepší kontrast
obrazu (zvýšený pomer signálu k šumu).
Filtrovaná spätná projekcia je síce jednoduchšia
a rýchlejšia, býva však spojená s artefaktmi
a vyšším šumom.
21
Pozitrónová emisná tomografia
Rekonštrukcia obrazu pri PET
Obr.: Porovnanie PET obrazu po rekonštrukcii.
Vľavo: Filtrovaná spätná projekcia.
Vpravo: Iteratívna rekonštrukcia.
22
Pozitrónová emisná tomografia
Klinické aplikácie PET
V súčasnosti sa PET technológia používa na diagnostiku a
monitorovanie širokého spektra ochorení hlavne v oblastiach
onkológie, kardiológie a neurológie.
Vzhľadom k tomu, že maligné tumory majú obvykle zvýšenú
spotrebu glukózy, sa 18FDG-PET najviac uplatňuje v onkológii:
• pri posúdení malignity tumoru neznámej povahy
• pri určení rozsahu ochorenia
• pri monitorovaní efektu terapie a pri včasnom
odhalení recidívy nádorového ochorenia.
23
Pozitrónová emisná tomografia
Klinické aplikácie PET
Schopnosť PET popísať bunkový metabolizmus má v neurológii
významné dôsledky pri diagnostikovaní Alzheimerovej choroby,
Parkinsonovej choroby, epilepsii a iných neurologických ťažkostí,
pretože môže jasne zobraziť oblasti, kde sa mozgová aktivita líši
od normálu.
V kardiológii je 18FDG-PET považovaná za zlatý štandard pre
posúdenie viability infarzovaného myokardu pred
revaskularizačnou procedúrou.
Súčasným sledovaním perfúzie a metabolickej aktivity
srdca je z PET snímkou možné odhaliť miesta s
nedostatočným krvným zásobením spôsobeným
blokádami a odlíšiť tak viabilnú svalovinu od
nekrotickej.
24
Pozitrónová emisná tomografia
Klinické aplikácie PET
Príkladom neonkologických aplikácií PET je vyšetrovanie mozgovej
aktivity zdravého subjektu potom, ako v ňom boli externe stimulované
rôzne podnety.
Obr.: PET Mozgu.
Hore: Mozog v pokoji bez
podnetov.
Dole: Mozog po aplikácii
rôznych podnetov.
25
Pozitrónová emisná tomografia
Hybridné zobrazenie PET/CT
26
Pozitrónová emisná tomografia
Hybridné zobrazenie PET/CT
Kombinovaný PET/CT skener je zariadenie, ktoré získava obe funkčné
a anatomické informácie v priebehu jednej akvizície pri minimalizovaní
časových a priestorových rozdielov medzi dvoma zobrazovacími
modalitami.
Kľúčová vlastnosť tohto zariadenia je schopnosť využiť útlmovú
korekciu z CT pre PET dáta.
To eliminuje čas potrebný pre osobitný prechodový sken a poskytuje
korekciu, ktorá je podstatne menej šumová.
Výsledný obraz vznikne spojením anatomickej CT snímky a
Funkčnej PET snímky do jediného obrazu.
Ľubovolná anatomická abnormalita videná na CT snímke
môže byť porovnaná s metabolickou aktivitou tejto oblasti z
PET skenu.
27
Pozitrónová emisná tomografia
4D PET/CT
28
Pozitrónová emisná tomografia
4D PET/CT
29
Pozitrónová emisná tomografia
Ďakujem za pozornosť!
30