14 Билет

1. Физические принципы метода позитронно - эмиссионной томографии

С технической точки зрения, позитронно-эмиссионный томограф измеряет локальную концентрацию следовых количеств радиоактивного изотопа, введенного в объект, помещенный в поле зрения ПЭТ-камеры. Вследствие неустойчивости ядра, в котором количество протонов превышает количество нейтронов, ультракороткоживущий изотоп при переходе в устойчивое состояние излучает позитрон.

Позитрон - античастица электрона с положительным зарядом. Пролетев обычно меньше миллиметра, позитрон встречает на своем пути электрон и происходит аннигиляция - позитрон и электрон взаимоуничтожаются. При аннигиляции рождаются два гамма-кванта (фотона) с энергией 511 кЭв, которые вылетают в противоположных направлениях (под углом 180 ± 0.4 ) и регистрируются датчиками-сцинтилляторами. Датчики организованы в несколько плотно упакованных колец с минимальным расстоянием как между датчиками, так и между кольцами. Если два детектора одновременно зарегистрируют сигнал (т.е. происходит так называемое "совпадение"), можно утверждать, что точка аннигиляции находится на линии, соединяющей детекторы. Отсечка незначительного числа гамма-квантов, отклонившихся от прямой траектории при столкновении с ядрами других атомов (так называемое явление скаттера, или рассеяния), а также случайных совпадений происходит во время предварительной обработки данных путем задания энергетического и временного окон регистрации.

Своей точностью по сравнению с другими методами радиологических исследований ПЭТ обязана тем, что учитываются только пары фотонов, прибывающие к детекторам с разницей по времени не более нескольких наносекунд. Зная, что фотоны вылетают в противоположных направлениях, можно определить линию, на которой произошел позитронный бета-распад. После регистрации нескольких десятков тысяч пар фотонов компьютер строит трехмерную карту накопления радиофармпрепарата в организме, которую затем интерпретирует врач-радиолог.

Методы отптимизации цифровых изображений. Смотри 13 билет 2 вопрос

15 Билет

пространственное разрешение позитрон-эмиссионной томографии

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, ⁺. Эти работы и заложили основы позитронной эмиссионной томографии.

Позитроны (⁺) - положительно заряженные электроны. Они излучаются из ядра некоторых радиоизотопов, являющихся нестабильными, так как те имеют избыточное число протонов и несут положительный заряд.

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 (⁺), 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.

 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 они преобразуются в фотоны света.

Регистрация 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.

Кольцеобразное расположение детекторов вокруг анализируемого объекта.

Детекторы кольцеобразно располагаются вокруг исследуемого объект. Томограф быть оборудован пятнадцатью (а то и больше) такими кольцами для одновременной томографии нескольких поперечных срезов.

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.

 Линейная выборка в схеме совпадений.

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).

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.

Пространственное разрешение характеризует способность ПЭТ-сканера различать на малом расстоянии два точечных либо линейных радиоактивных источника. Оценку пространственного разрешения проводят по ширине пика функции чувствительности на половине его высоты (FWHM) в измерениях с использованием точечного радиоактивного источника малой активности на воздухе без рассеяния:

 

где: К - константа, зависящая от применяемого алгоритма реконструкции;

С, р, s, b - факторы, связанные соответственно с неколлинеарностью аннигиляционных фотонов (отклонения от угла 180°), длиной пробега позитрона от точки эмиссии до точки аннигиляции, размером индивидуального детектора и блоковой конструкцией детекторов, обусловливающей погрешность локализации совпадений из-за статистических флюктуаций сигналов фотоэлектронного умножителя, рассеяния излучения в детекторе и несовершенства схемы блокового декодирования.

Факторы С (неколлинеарность аннигиляционных фотонов) и p (длина пробега позитрона от точки эмиссии до точки аннигиляции), входящие в формулу , описывают физические ограничения пространственного разрешения индивидуального детектора. Так, если суммарный импульс системы электрон-позитрон в момент аннигиляции не равен нулю, аннигиляционные фотоны неколлинеарны, в соответствии с законом сохранения импульса. Погрешность в определении координаты из-за отклонения от угла в 180° при аннигиляции фотонов, описываемая фактором С, будет тем больше, чем больше диаметр детекторного кольца (d): С = 0,0022d. Так, при увеличении величины d от 80 до 90 см пространственное разрешение ухудшается с 1,5 мм до 2 мм.

Фактор р в свою очередь зависит от энергии позитронов и атомного номера вещества, с которым они взаимодействуют. Так для позитронов, излучаемых 18F и 82Rb с максимальной энергией соответственно 640 и 3350 кэВ, длина пробега в водноэквивалентном веществе составляет менее 1 мм и ~10 мм, а величина поправки на пробег позитронов 0,2 мм и 2,6 мм соответственно.

Длины пробега позитронов от радионуклидов 11C,13N,15O,18F,68Ga,82Rb в специфических тканях тела (костях, жире, мягких тканях и легком) оцениваются методом Монте-Карло. Данные для трехмерных распределений аннигиляционных событий проецируются на плоскость изображения для оценки их влияния на пространственное разрешение ПЭТ. Получаемые кривые функций точечного источника не имеют гауссовской формы и характеризуются двусторонними длинными хвостами, создающими неопределенность для традиционно измеряемой величины FWHM. Для указанных радионуклидов установлена значительная разница величины потерь пространственного разрешения изображений для различных тканей, связанная с различием пробегов позитронов. Так, для 18F эта величина составляет 0,54 мм в мягких тканях и 1,52 мм в ткани легкого по сравнению с 4,1 мм и 10,5 мм, соответственно, для 82Rb. «Размытие» изображений оказывается в 3 раза выше для ткани легкого по сравнению с мягкими тканями или жиром, и в 5 раз больше, чем величина "размытия" изображений костной ткани. Таким образом, потери пространственного разрешения, связанные с длиной пробега позитронов, во всех тканях (с возможным исключением для легкого) малозначительны до тех пор, пока разрешение ПЭТ-сканера при работе с ФДГ лежит в пределах 5-7 мм FWHM. При сверхвысоком разрешении ПЭТ-сканера (3-4 мм FWHM) и особенно при работе с другими радионуклидами пробег позитронов может стать доминирующим фактором в формировании общего пространственного разрешения ПЭТ.

Различные методы сканирования в трансмиссионной КТ