PET

Transcript PET

TEHNIČKI FAKULTET SVEUČILIŠTE U RIJECI UNIVERSITY OF RIJEKA FACULTY OF ENGINEERING POZITRONSKA EMISIJSKA TOMOGRAFIJA Autor: Dalen Bernaca Preddiplonski studij računarstva Kolegij: Osnove fizike za biomedicinu Predavač: Doc.dr.sc. Marta Žuvić-Butorac Rijeka, 05.04.2011.

Što je potrebno znati

• Anihilacija je proces u kojemu se subatomske čestice sudaraju sa svojim anti-česticama, pri čemu se, radi očuvanja energije, stvaraju nove čestice. Anihilacijom na nižim energetskim razinama nastaju fotoni. Većina takvih anihilacija događa se spontano. Kod umjetno izazvanih anihilacija (pri visokim energijama) nastaju druge subatomske čestice velikih masa.

• Izotopi su atomi istog elementa koji imaju isti broj protona i elektrona, a različit broj neutrona, zbog čega imaju ista kemijska, a različita fizička svojstva. Izotopi nekog elementa imaju isti atomski i različit maseni broj. U pravilu, svaki prirodni element ima jedan ili više stabilnih izotopa, dok su mu ostali radioaktivni, a samim tim i nestabilni, te se prije ili kasnije raspadaju.

• Vrijeme polu-raspada radioaktivnih elemenata je vrijeme potrebno da se količina zračenja (broj radioaktivnih jezgri) smanji na pola. Radioaktivni izotopi se ravnomjerno raspadaju pa im se lako određuje vrijeme polu-raspada.

• Ciklotron (akcelerator čestica) je uređaj u kojemu se, uz pomoć magnetskog polja i izmjeničnih napona visokih frekvencija, ubrzavaju električki nabijene atomske čestice.

• Collider (sudarač čestica) je posebna vrsta akceleratora čestica koji koristi mlazeve ubrzanih čestica za izazivanje sudara pri kojima nastaju druge čestice, elementi ili spojevi. Kao i akceleratori, sudarači čestica mogu biti kružni ili linearni.

Pozitronska emisijska tomografija (PET)

• je tehnika oslikavanja u nuklearnoj medicini kojom se dobiva trodimenzionalni prikaz aktivnih procesa u tijelu. Najčešće se snima metabolizam stanica, ali moguće je snimati i druge procese biološkog sustava.

• Koncept pozitronske emisijske i transmisijske tomografije predstavili su, krajem 1950-ih, David E. Kuhl i Roy Edwards.

• Njihov rad dovesti će do konstrukcije tomografskih instrumenata, na bazi pozitronske emisije na Sveučilištu Pennsylvania.

• Tehnike tomografskih oslikavanja dalje razvijaju Michel Ter Pogossian, Michael E. Phelps i ostali znanstvenici sa Washington-ske Sveučilišne Medicinske Škole.

• Rad Gordona Brownella, Charlesa Burnhama, i njihovih suradnika, u Massachusetts-skoj Općoj Bolnici, koji započinje 1950-ih, značajno je doprinio razvoju PET-a.

• Ondje su oni prvi put demonstrirali uporabu anihilacijskog zračenja u svrhu medicinskog oslikavanja.

• Njihovi izumi, kao što su uporaba svjetlosnih cijevi i volumetrijska analiza, bili su važni u razvoju formacije PET oslikavanja.

• 1961. James Robertson, i njegovi suradnici, u Brookhaven skom Nacionalnom Laboratoriju izradili su prvi jednoplošni (2D) PET scanner pod nadimkom "the head-shrinker".

• Logičan nastavak razvoja instrumentarija bilo je korištenje 2 dvodimenzionalna polja.

• Prvi takav uređaj bio je "PC-I" dizajniran 1968., dovršen 1969. i prijavljen 1972.

Prvi klinički uređaj za pozitronsko snimanje, Drs. Brownell (lijevo) i Aronow (1953). Hybrid Positron Scanner (1962).

prvi uređaj za pozitronsko snimanje sa više detektora –

Komercijalna verzija PC II, (1976) PC-I, prvi PET tomograf (1972)

• Nakon toga, većini osoba uključenih u razvoj PETa, postalo je jasno da je slijedeći korak postavljanje detektora u cilindričan niz tj. u krug.

• To su ipak prvi predložili James Robertson i Z.H. Cho.

• Tako je prstenasti oblik PET-a postao prototip današnje konfiguracije uređaja.

PCR-I, jedno prstenasti PET -koristi analogno kodiranje.

PCR-II, cilindrični PET tomograf. PET/CT danas Poliklinika Medikol 2011., Hrvatska

RADIOTRACERI

• •

Radioaktivni izotop koji je pridodan nekoj kemijski sličnoj supstanci i/ili injektiran u biološki ili fizički sustav te se pomoću detektora zračenja može odrediti položaj ili pratiti rasprostiranje sustavom supstance s pridodanim izotopom, naziva se radiotracer (radioaktivna oznaka)

Radiofarmaceutik je pripremljena otopina radiotracera spremna za uporabu na biološkim sustavima.

Radionuklidi najčešće korišteni u tracerima za PET snimanja imaju kratko vrijeme polu-raspada.

To su:

Ime ( ENG ) Carbon11 Nitrogen13 Oxygen15 Fluorine18 Ime ( HR ) Ugljik11 Dušik13 Kisik15 Fluor18 Oznaka C11 N13 O15 F18 Polu-raspad 20 Min 10 Min 2 Min 110 Min Ovi radionuklidi se ugrađuju ili u spojeve koje koristi tijelo kao što su glukoza, voda, amonijak itd. ili u molekule koje se vežu na određene receptore, antigene ili područja djelovanja lijekova.

Najčešće korišteni tracer je FDG (Fluordeoksiglukoza).

• To je molekula analogna glukozi, dakle deoksidirana glukoza, gdje je, nakon deoksidacije, 1 atom kisika zamijenjen fluorom osamnaest.

Fluorodeoxyglucose-FDG

Glukoza

• Tijelu je potrebna glukoza kao izvor energije. Maliciozne stanice, su stanice koje se brzo razmnožavaju i treba im više energije.

• FDG-u je dovoljan jedan sat, nakon unošenja, da se u potpunosti i ravnomjerno raširi cijelim tijelom.

Razlog tome jest to što je molekula glukoze (dakle i FDG-a) jako mala, čime je olakšana difuzija, i to što postoji velika potražnja tijela za energijom.

• Deoksidacija i sinteza (dodavanje F18) se odvija prisilno, u ciklotronima.

• Pošto F18 ima dovoljno dug period polu-raspada (110 Min), moguća je proizvodnja i transport FDG-a sa udaljenijih mjesta.

• U drugim slučajevima (sa drugim izotopima ili tracerima), trebao bi postojati ciklotron u sklopu PET centra, što je skupo i nepraktično.

Proizvodnja radionuklida

• Bez obzira što je FDG klinički dokazan kao odličan PET tracer za detekciju tumora, postoje rijetki slučajevi gdje je moguće dobiti lažno-pozitivan ili lažno-negativan nalaz.

• Još jedan nedostatak FDG-a je što se nemože koristiti na pacijentima sa diabetskim poremećajima kao što su hiperglikemija i hiperinzulinia.

• Zbog toga radiofarmakologija sada radi na razvoju FDG komplementarnih ili zamjenskih radiotracera.

• Najviše ima pokušaja sa izotopom F18, zbog komplementarnosti sa FDG-om i prihvatljivog vremena polu-raspada.

Kandidati za nove PET-tracere

• 18F-fluoro-deoxythymidine (18F-FLT) • 18F-deoxy-fluoro-arabinofuranosylthymine (18F-FMAU ) • Cu-diacetyl-bis methylthiosemicarbazone (Cu-ATSM) • 18F-fluoromisonidazole (18F-FMISO) • 11C-methionine (11C-MET) • 18F-fluoro-dihydrotestosterone (18F-FDHT) • 18F-fluoro-estradiol (18F-FES) • 11C-Acetate

Kako nastaje slika

• Pri Beta+ radioaktivnom raspadu izotopa pridodanog radiotraceru, pozitron iz jezgre putuje tkivom oko 1 milimetar (ovisno o izotopu), pri čemu izgubi dovoljno kinetičke energije i brzine, nakon čega anihilira sa elektronom iz okolnog tkiva.

• U anihilaciji nastaju dva gama fotona energije 511 keV.

• Oni se emitiraju u suprotnim smjerovima sa otklonom od skoro 180 stupnjeva.

• Pravac kojim se kreću naziva se linija odgovora - eng. line of response (LOR).

Anihilacija pozitrona i elektrona

• Pacijent je okružen detektorima gama fotona i kada se registrira dva približno suprotna "udara" fotona u približno isto vrijeme, smatra se da potječu sa istog mjesta.

• To vrijeme naziva se vrijeme preleta - eng. time-of-flight (TOF).

• Prema izmjerenoj brzini (razlici u vremenima detekcije unutar vremenskog prozora) i energiji moguće je, uzevši u obzir pogreške, izračunati odakle su ti fotoni krenuli. Fotoni koji ne stignu u vremenskim parovima tj. unutar vremenskog prozora od par nano sekundi se ignoriraju.

• Detektori gama fotona (scintilatori) sastoje se od jedne ili više ravnih kristalnih površina optički povezanih sa nizom fotomultipricirajućih cijevi ili Si APDa (silicon avalanche photodiodes).

• Obično se koristi veliki ravni kristal natrijevog jodida dopiranog talijem ili kristal bizmutovog germanata koje se smjeste u laserski zapečaćeno kućište.

• Gama foton, emitiran iz pacijenta, izbija slobodan elektron iz atoma ioda u rešetku kristala.

• Slabašan bljesak svjetla emitira se dok se izbačeni elektron vraća u minimalno energetsko stanje.

• Fluorescencia se detektira pomoću fotomultiplikatorskih cijevi ili Si-APDa, u kojima dolazi do fotoelektričkog efekta. One su postavljene u šesterokut iza apsorbcijskog kristala i detektiraju svjetlosni bljesak u isto vrijeme, ali se pomoću razlike u naponima u pojedinim detektorima izračunava položaj bljeska. Suma napona svih detektora je proporcionalna energiji "udara" gama fotona.

• Rezoluciju detektora može se povećati postavljanjem jako guste olovne rešetke pred apsorbcijski kristal.

Detektori su postavljeni u prstenove oko pacijenta, a postoje i verzije PET-CTa gdje se detektori kreću oko pacienta zajedno sa CT detektorima.

• Fotomultiplikatorska cijev je vakuumska cijev sa tzv. fotokatodom priključenom na negativni pol izvora visokog istosmjernog napona, oko koje su raspoređene pozitivno nabijene dinode. Kad električki nabijena čestica (foton) pogodi fotokatodu, iz nje izbije elektron koji ubrzava i pogađa prvu dinodu, gdje izbije još elektrona koji se prebacuju na sljedeću dinodu, sve dok se ne zatvori krug. Na taj se način povečava učinak udara prve nabijene čestice i oslobađa se dovoljno elektrona koji mogu proizvesti puls napona kroz vanjske otpornike, gdje se puls elektronskim metodama pojačava i detektira.

• APD je jako osjetljiv elektronski poluvodički element koji koristi fotoelektrički efekt za pretvorbu svjetla u električnu energiju. Kad na APD narinemo visoki reverzibilni napon (100 200 V za silicijsku APD) u APD dolazi do povečanja unutarnjeg napona zbog učinka ionizacije. Kad električki nabijena čestica dodatno pobudi elektrone u poluvodiču, dolazi do promjena u prethodno narinutom naponu, koje se onda povečavaju i detektiraju.

• Svaki detektor predaje informacije računalu u raw data obliku. Za svaki foton šalje se položaj i energija. Informacije sa svih detektora prikupljaju se istovremeno u vremenskom prozoru trajanja od 500 pico do 10 nano sekundi, ovisno o senzitivnosti detektora. Što je manji vremenski prozor, isključuje se mogućnost šuma, ali detektori moraju biti proporcionalno precizni. Nakon što su podatci prikupljeni, računalo pronalazi vremenske parove (fotone koji su pobudili detektore na otprilike diametralno suprotnim mjestima) i prema podatcima o energiji i razlici u vremenu detekcije unutar vremenskog prozora izračunava mjesto anihilacije pozitrona sa elektronom. Koristeći napredne algoritme, moguće je čak odrediti i gdje se otprilike nalazi jezgra iz koje je pozitron krenuo. Poznavajuči međusobnu udaljenost i prostorni raspored detektora, računalo smješta detektirane "točke" u 3D koordinatni sustav i kreira bit-map sliku koju kasnije, prema potrebi, može još obrađivati u skladu s potrebama.

Kombinacija PET-a sa drugim tomografskim uređajima

• Pošto PET daje informaciju samo o metabolizmu stanica, dakle tkiva i tijela, teško je odrediti položaj određene promjene.

• Kako bi se slika metabolizma tkiva mogla prikazati u anatomskom kontekstu, koristi se kombinacija PET-a i CT a ili PET-a i MRI-a.

• Danas je u većinu PET uređaja integriran i CT ili MRI kako se na pacijentu ne bi trebala odvijati dva različita snimanja.

Prikaz standardne PET jedinice PET/CT jedinica

Primjer sličnih rezultata PET/CT i MRI

Prsten detektora gama fotona i prsten sa CT/MRI opremom su udaljeni međusobno manje od 60 cm i snimanja se vrše, više manje, simultano.

• Pod uvjetom da je pacijent miran tijekom snimanja, snimke oba scannera biti će moguće računalno superponirati.

• Tako ćemo dobiti jednu 3D snimku organizma, gdje će biti prikazani i anatomija tijela i njegov metabolizam.

• Točnije, anatomska slika bit će nadopunjena slikom metabolizma. Na taj će se način vidjeti sve fizičke i metaboličke promjene, i točno odrediti njihov položaj.

• Znati ćemo kako što izgleda i kakve su tamo metaboličke promjene u tijeku.

• Moguće je snimati prvo jednom tehnikom pa drugom u dva odvojena uređaja i zatim računalski pokušati superponirati snimke, ali to je nezgodno i po pacijenta i po računalo.

• Tijekom povezivanja snimaka računalo vrši i ispravljanja nepravilnosti na PET snimci, uz pomoć druge snimke, do kojih dolazi zbog skretanja i usporavanja gama fotona sa polazištem u unutrašnjosti tijela, što je jednostavnije, nego čista matematička obrada samo PET snimke.

http://www.youtube.com/watch?v=elpijZ6JMlU&feature=player_embedded http://www.meditourshungary.com/site/DM/Call%20to%20actions/PET%20CT% 20Imaging/20/article

Mislila sam da je ovo PET centar ?!

IZVORI:

• • • • • • • • • http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography http://www.brighamandwomens.org/Departments_and_Services/r adiology/services/nuclearmedicine/Patient/PETScan.aspx

https://wikihost.uib.no/ift/index.php/PET_Project http://www.meditourshungary.com/site/DM/Call%20to%20actio ns/PET%20CT%20Imaging/20/article http://www.mit.edu/~glb/alb.html

http://www3.imperial.ac.uk/people/a.gee/research http://medicalphysicsweb.org/cws/article/research/43526 http://nepoznatisvijet.blog.hr/2009/07/index.html

http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/PR_display.asp?prID=1235 &template=Today

• • http://www.biij.org/2007/2/e36 • H Zaidi, Optimisation of whole-body PET/CT scanning protocols http://www.zanovidan.hr/to-je-pet-ct-i-koja-je-razlika-izme-u-pet i-pet-ct/ • • www.zanovidan.hr/kompjuterizirana-i-pozitronska-tomografija-

pet

-i-