Pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa - Positron emission tomography

Pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa
ECAT-Exact-HR--PET-Scanner.jpg
Obraz typowego skanera pozytonowej tomografii emisyjnej (PET)
ICD-10-SZT C?3
ICD-9-CM 92,0 - 92,1
Siatka D049268
Kod OPS-301 3-74
MedlinePlus 003827

Pozytonowa tomografia emisyjna ( PET ) to technika obrazowania funkcjonalnego , która wykorzystuje substancje radioaktywne znane jako radioznaczniki do wizualizacji i pomiaru zmian w procesach metabolicznych oraz innych czynnościach fizjologicznych , w tym przepływie krwi , regionalnym składzie chemicznym i absorpcji. Różne znaczniki są używane do różnych celów obrazowania, w zależności od docelowego procesu w ciele. Na przykład 18F-FDG jest powszechnie stosowany do wykrywania raka , NaF-F18 jest szeroko stosowany do wykrywania tworzenia kości, a tlen-15 jest czasami używany do pomiaru przepływu krwi.

PET jest powszechną techniką obrazowania , medyczną techniką scyntylograficzną stosowaną w medycynie nuklearnej . Radiofarmaceutyczny -  radioizotopy przyłączone do leku - wstrzykuje się do organizmu za pomocą znacznika . Promienie gamma są emitowane i wykrywane przez kamery gamma, tworząc trójwymiarowy obraz, w podobny sposób, jak rejestrowany jest obraz rentgenowski.

Skanery PET mogą zawierać skaner CT i są znane jako skanery PET-CT . Obrazy ze skanu PET można zrekonstruować za pomocą skanu CT wykonanego przy użyciu jednego skanera podczas tej samej sesji.

Jedną z wad skanera PET jest wysoki koszt początkowy i bieżące koszty operacyjne.

Zastosowania

PET/CT-System z 16-plasterkowym CT; urządzenie montowane na suficie to pompa iniekcyjna do środka kontrastowego CT

PET jest narzędziem zarówno medycznym, jak i badawczym stosowanym w warunkach przedklinicznych i klinicznych. Jest szeroko stosowany w obrazowaniu nowotworów i poszukiwaniu przerzutów w dziedzinie onkologii klinicznej oraz w diagnostyce klinicznej niektórych rozlanych chorób mózgu, takich jak te powodujące różnego rodzaju demencje. PET jest cennym narzędziem badawczym do poznawania i poszerzania naszej wiedzy na temat prawidłowego ludzkiego mózgu, funkcji serca i wspomagania opracowywania leków. PET jest również stosowany w badaniach przedklinicznych na zwierzętach. Pozwala to na powtarzanie badań na tych samych osobnikach w czasie, gdzie osobniki mogą działać jako ich własna kontrola i znacznie zmniejsza liczbę zwierząt wymaganych do danego badania. Takie podejście pozwala badaniom naukowym na zmniejszenie potrzebnej wielkości próby przy jednoczesnym zwiększeniu jakości statystycznej jej wyników.

Procesy fizjologiczne prowadzą do zmian anatomicznych w ciele. Ponieważ PET jest w stanie wykrywać procesy biochemiczne, a także ekspresję niektórych białek, PET może dostarczać informacji na poziomie molekularnym na długo przed pojawieniem się jakichkolwiek zmian anatomicznych. Skanowanie PET odbywa się za pomocą znakowanych radioaktywnie sond molekularnych, które mają różne szybkości wychwytu w zależności od rodzaju i funkcji zaangażowanej tkanki. Regionalny wychwyt znacznika w różnych strukturach anatomicznych można wizualizować i stosunkowo ilościowo pod względem wstrzykiwanego emitera pozytonów w ramach skanu PET.

Obrazowanie PET najlepiej wykonywać przy użyciu dedykowanego skanera PET. Możliwe jest również pozyskiwanie obrazów PET za pomocą konwencjonalnej dwugłowicowej kamery gamma wyposażonej w detektor koincydencji. Jakość obrazowania PET za pomocą kamery gamma jest niższa, a uzyskanie skanów trwa dłużej. Jednak ta metoda umożliwia tanie rozwiązanie na miejscu dla instytucji o niskim zapotrzebowaniu na skanowanie PET. Alternatywą byłoby skierowanie tych pacjentów do innego ośrodka lub poleganie na wizycie za pomocą mobilnego skanera.

Alternatywne metody obrazowania medycznego obejmują tomografię emisyjną pojedynczego fotonu (SPECT), rentgenowską tomografię komputerową (CT), obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) i funkcjonalne obrazowanie rezonansem magnetycznym (fMRI) oraz ultradźwięki . SPECT to technika obrazowania podobna do PET, która wykorzystuje radioligandy do wykrywania cząsteczek w organizmie. SPECT jest tańszy i zapewnia gorszą jakość obrazu niż PET.

Onkologia

Skan PET całego ciała przy użyciu 18F-FDG. Prawidłowy mózg i nerki są oznakowane, a radioaktywny mocz z rozpadu FDG jest widoczny w pęcherzu. Ponadto w wątrobie obserwuje się dużą masę guza przerzutowego z raka okrężnicy.

Skanowanie PET z użyciem znacznika 18F-FDG znajduje szerokie zastosowanie w onkologii klinicznej . FDG jest analogiem glukozy, który jest wychwytywany przez komórki wykorzystujące glukozę i fosforylowany przez heksokinazę (której forma mitochondrialna jest znacznie podwyższona w szybko rosnących nowotworach złośliwych). Wychwytywanie metaboliczne radioaktywnej cząsteczki glukozy umożliwia wykorzystanie skanu PET. Stężenia zobrazowanego znacznika FDG wskazują na aktywność metaboliczną tkanek, ponieważ odpowiada ona regionalnemu wychwytowi glukozy. 18F-FDG służy do badania możliwości rozprzestrzenienia się nowotworu na inne miejsca w organizmie ( przerzuty nowotworu ). Te skany 18F-FDG PET do wykrywania przerzutów raka są najczęstsze w standardowej opiece medycznej (stanowią 90% obecnych skanów). Ten sam znacznik może być również używany do diagnozy rodzajów demencji . Rzadziej inne znaczniki radioaktywne , zwykle, ale nie zawsze, znakowane fluorem-18 , są wykorzystywane do obrazowania stężenia w tkankach różnych rodzajów interesujących molekuł wewnątrz organizmu.

Typowa dawka FDG stosowana w badaniu onkologicznym ma efektywną dawkę promieniowania wynoszącą 7,6  mSv . Ponieważ grupa hydroksylowa zastąpiona przez fluor-18 do wytworzenia FDG jest wymagana do następnego etapu metabolizmu glukozy we wszystkich komórkach, w FDG nie zachodzą żadne dalsze reakcje. Co więcej, większość tkanek (z godnym uwagi wyjątkiem wątroby i nerek) nie jest w stanie usunąć fosforanu dodanego przez heksokinazę . Oznacza to, że FDG jest uwięziony w każdej komórce, która go zabiera, dopóki nie rozpadnie się, ponieważ fosforylowane cukry, ze względu na swój ładunek jonowy, nie mogą wydostać się z komórki. Powoduje to intensywne radioznakowanie tkanek o wysokim wychwytywaniu glukozy, takich jak prawidłowy mózg, wątroba, nerki i większość nowotworów, które mają wyższy wychwyt glukozy niż większość normalnych tkanek ze względu na efekt Warburga . W rezultacie FDG-PET może być stosowany do diagnozowania, określania stopnia zaawansowania i monitorowania leczenia nowotworów, zwłaszcza chłoniaka Hodgkina , chłoniaka nieziarniczego i raka płuc .

W przeglądzie badań nad zastosowaniem PET w chłoniaku Hodgkina z 2020 r. znaleziono dowody na to, że negatywne wyniki w tymczasowych skanach PET są powiązane z wyższym całkowitym przeżyciem i przeżyciem bez progresji choroby ; jednak pewność dostępnych dowodów była umiarkowana dla przeżycia i bardzo niska dla przeżycia bez progresji.

Kilka innych izotopów i radioznaczników jest powoli wprowadzanych do onkologii w określonych celach. Na przykład,11 C -znakowanego metomidate (11C-metomidate) został użyty do wykrycia guzy nadnerczy pochodzenia. Ponadto FDOPA PET/CT (lub F-18-DOPA PET/CT) okazała się być bardziej czułą alternatywą dla wykrywania i lokalizacji guza chromochłonnego niż skan MIBG .

Neuroobrazowanie

Neurologia

Skan PET ludzkiego mózgu

Obrazowanie PET z użyciem tlenu-15 pośrednio mierzy przepływ krwi do mózgu. W tej metodzie zwiększony sygnał radioaktywności wskazuje na zwiększony przepływ krwi, który, jak się zakłada, koreluje ze zwiększoną aktywnością mózgu. Ze względu na dwuminutowy okres półtrwania, 15 O musi być do takich zastosowań pobierane bezpośrednio z cyklotronu medycznego , co jest trudne.

Obrazowanie PET z 18 F-FDG wykorzystuje fakt, że mózg zwykle szybko zużywa glukozę. Standardowy 18 F-FDG PET mózgu mierzy regionalne zużycie glukozy i może być stosowany w diagnostyce neuropatologicznej.

Patologie mózgu, takie jak choroba Alzheimera, znacznie zmniejszają metabolizm glukozy i tlenu w mózgu jednocześnie. Dlatego 18 F-FDG PET mózgu może być również stosowany do skutecznego odróżniania choroby Alzheimera od innych procesów otępiennych, a także do wczesnego diagnozowania choroby Alzheimera. Zaletą 18 F-FDG PET w tych zastosowaniach jest jego znacznie szersza dostępność. Niektóre radioaktywne znaczniki oparte na 18 F stosowane w chorobie Alzheimera obejmują florbetapir , flutemetamol , PiB i florbetaben , które są używane do wykrywania płytek amyloidu beta (potencjalnego biomarkera choroby Alzheimera) w mózgu.

Obrazowanie PET z FDG może być również wykorzystywane do lokalizacji ogniska napadu . Podczas badania międzynapadowego ognisko napadu pojawi się jako hipometaboliczne. Kilka radioznaczniki (tj radioligandów ) zostały opracowane dla PET, które są Ugandami dla poszczególnych neuroreceptorem podtypy, takie jak [ 11 C] raklopryd , [ 18 d] fallypride i [ 18 F] desmethoxyfallypride do dopaminy, receptorów D2 / D3 [ 11 C] McN 5652 oraz [ 11 C] DASB dla transporterów serotoniny [ 18 F] Mefway serotoniny receptorów 5HT1A [ 18 F] Nifene dla receptorów nikotynowych acetylocholiny lub substratami enzymów (np 6- FDOPA dla enzymu AADC ). Środki te umożliwiają wizualizację puli neuroreceptorów w kontekście wielu chorób neuropsychiatrycznych i neurologicznych.

PET może być również stosowany do diagnozy stwardnienia hipokampa , które powoduje epilepsję. W tym celu zbadano FDG oraz mniej powszechne znaczniki flumazenil i MPPF . Jeśli stwardnienie jest jednostronne (prawy hipokamp lub lewy hipokamp), wychwyt 18 F-FDG można porównać ze stroną zdrową. Nawet jeśli diagnoza jest trudna za pomocą MRI, można ją zdiagnozować za pomocą PET.

Opracowanie wielu nowych sond do nieinwazyjnego obrazowania in vivo PET neuroagregatu w ludzkim mózgu przybliżyło obrazowanie amyloidu do zastosowania klinicznego. Najwcześniejsze czujniki obrazowania amyloidu zawiera 2- (1- {6 - [(2- [ 18 F] fluoroetylo) (metylo) amino] -2-naftylo} etylideno) malononitryl ([ 18 F] FDDNP) opracowany w University of California Los Angeles i N-metylo- [ 11 C] 2- (4'-metyloaminofenylo) -6-hydroksybenzotiazolu (nazywane Pittsburgh związek B ) opracowany w University of Pittsburgh. Te sondy do obrazowania amyloidu umożliwiają wizualizację blaszek amyloidowych w mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera i mogą pomóc klinicystom w postawieniu pozytywnej diagnozy klinicznej AD przed śmiercią oraz w opracowaniu nowych terapii antyamyloidowych. [ 11 C] PMP (N [ 11 C] metylopiperydyn-4-ylo propionian) jest nowym radiofarmaceutyczny stosowane w obrazowaniu PET w celu określenia aktywności acetylocholinergiczne neurotransmiterów układu poprzez działanie jako substrat dla acetylocholinoesterazy. Badanie pośmiertne pacjentów z AD wykazało obniżony poziom acetylocholinesterazy. [ 11 C] PMP używane do mapowania aktywności acetylocholinoesterazy w mózgu, co może pozwolić na diagnoz wstępnie mortem AD i umożliwia monitorowanie leczenia AD. Firma Avid Radiopharmaceuticals opracowała i wprowadziła na rynek związek o nazwie florbetapir, który wykorzystuje trwalszy radionuklid fluoru-18 do wykrywania blaszek amyloidowych za pomocą skanów PET.

Neuropsychologia lub neuronauka poznawcza

Zbadanie powiązań między określonymi procesami lub zaburzeniami psychologicznymi a aktywnością mózgu.

Psychiatria

Liczne związki, które wiążą się selektywnie z neuroreceptorami będącymi przedmiotem zainteresowania psychiatrii biologicznej, zostały radioznakowane C-11 lub F-18. Radioligandy, które wiążą się z receptorami dopaminowymi ( receptor D1, D2, transporter wychwytu zwrotnego), receptorami serotoninowymi (5HT1A, 5HT2A, transporter wychwytu zwrotnego), receptorami opioidowymi (mu i kappa), receptorami cholinergicznymi (nikotynowy i muskarynowy) oraz innymi miejscami zostały z powodzeniem wykorzystane w badaniach z podmioty ludzkie. Przeprowadzono badania oceniające stan tych receptorów u pacjentów w porównaniu ze zdrowymi osobami w schizofrenii , nadużywaniu substancji psychoaktywnych , zaburzeniach nastroju i innych stanach psychicznych.

Chirurgia stereotaktyczna i radiochirurgia

Chirurgia pod kontrolą PET ułatwia leczenie guzów wewnątrzczaszkowych, malformacji tętniczo-żylnych i innych schorzeń, które można leczyć chirurgicznie.

Kardiologia

Badanie kardiologii , miażdżycy i chorób naczyniowych: 18F-FDG PET może pomóc w identyfikacji hibernującego mięśnia sercowego . Jednak opłacalność PET w tej roli w porównaniu z SPECT jest niejasna. Możliwe jest również obrazowanie 18F-FDG PET miażdżycy w celu wykrycia pacjentów zagrożonych udarem . Może również pomóc w testowaniu skuteczności nowatorskich terapii przeciwmiażdżycowych.

Choroba zakaźna

Obrazowanie infekcji za pomocą technologii obrazowania molekularnego może poprawić diagnostykę i kontynuację leczenia. Klinicznie PET jest szeroko stosowany do obrazowania infekcji bakteryjnych przy użyciu fluorodeoksyglukozy (FDG) w celu identyfikacji reakcji zapalnej związanej z infekcją. Trzy różne PET środki kontrastowe zostały opracowane do obrazowania infekcji bakteryjnych in vivo są [ 18 F], maltoza , [ 18 F] maltoheksaozy i [ 18 C] 2-fluorodeoxy sorbitolu (FDS). FDS ma tę dodatkową zaletę, że może celować tylko w Enterobacteriaceae .

Badania biodystrybucji

W badaniach przedklinicznych nowy lek można znakować radioizotopem i wstrzykiwać zwierzętom. Takie skany nazywane są badaniami biodystrybucji. Informacje dotyczące wchłaniania, retencji i eliminacji leku w czasie można uzyskać szybko i ekonomicznie w porównaniu ze starszą techniką uśmiercania i dzielenia zwierząt. Powszechnie, obecność leku w domniemanym miejscu działania można wywnioskować pośrednio z badań kompetycyjnych między nieznakowanym lekiem a radioznakowanymi związkami, o których wiadomo a priori, że wiążą się ze specyficznością z tym miejscem. Pojedynczy radioligand może być użyty w ten sposób do przetestowania wielu potencjalnych kandydatów na lek dla tego samego celu. Pokrewna technika obejmuje skanowanie radioligandami, które konkurują z endogenną (naturalnie występującą) substancją w danym receptorze, aby wykazać, że lek powoduje uwalnianie substancji naturalnej.

Obrazowanie małych zwierząt

Skonstruowano miniaturowe zwierzęce PET, które jest wystarczająco małe, aby można było zeskanować w pełni przytomnego szczura. Ten RatCAP (Rat Conscious Animal PET) umożliwia skanowanie zwierząt bez zakłócających efektów znieczulenia . Skanery PET zaprojektowane specjalnie do obrazowania gryzoni, często określane jako microPET, a także skanery dla małych naczelnych są wprowadzane na rynek do badań akademickich i farmaceutycznych. Skanery są oparte na mikrominiaturowych scyntylatorach i amplifikowanych fotodiodach lawinowych (APD) poprzez system wykorzystujący jednoukładowe fotopowielacze krzemowe.

W 2018 r. Szkoła Medycyny Weterynaryjnej UC Davis stała się pierwszym ośrodkiem weterynaryjnym, który wykorzystał mały kliniczny skaner PET jako skan PET-PET do klinicznej (a nie badawczej) diagnostyki zwierząt. Ze względu na koszty, a także marginalną użyteczność wykrywania przerzutów nowotworowych u zwierząt towarzyszących (główne zastosowanie tej metody), oczekuje się, że weterynaryjne skanowanie PET będzie rzadko dostępne w najbliższej przyszłości.

Obrazowanie układu mięśniowo-szkieletowego

Obrazowanie PET zostało wykorzystane do obrazowania mięśni i kości. 18F-FDG jest najczęściej używanym znacznikiem do obrazowania mięśni, a NaF-F18 jest najczęściej używanym znacznikiem do obrazowania kości.

Mięśnie

PET to praktyczna technika badania mięśni szkieletowych podczas ćwiczeń takich jak chodzenie. Ponadto PET może dostarczać danych dotyczących aktywacji mięśni o głęboko położonych mięśniach (takich jak obszerny pośredni i pośladek minimalny ) w porównaniu z technikami takimi jak elektromiografia , które można stosować tylko na powierzchownych mięśniach bezpośrednio pod skórą. Jednak wadą jest to, że PET nie dostarcza informacji o czasie aktywacji mięśni, ponieważ należy je zmierzyć po zakończeniu ćwiczenia. Wynika to z czasu, w jakim FDG gromadzi się w aktywowanych mięśniach.

Kości

Wraz z NaF-F18, PET do obrazowania kości jest używany od 60 lat do pomiaru regionalnego metabolizmu kości i przepływu krwi za pomocą skanów statycznych i dynamicznych. Naukowcy niedawno zaczęli używać NaF-18 również do badania przerzutów do kości.

Bezpieczeństwo

Skanowanie PET jest nieinwazyjne, ale wiąże się z narażeniem na promieniowanie jonizujące .

18F-FDG , który jest obecnie standardowym radioznacznikiem stosowanym w neuroobrazowaniu PET i leczeniu pacjentów z nowotworami, ma skuteczną dawkę promieniowania 14  mSv .

Ilość promieniowania w 18F-FDG jest zbliżona do dawki efektywnej spędzonej przez rok w amerykańskim mieście Denver w Kolorado (12,4 mSv /rok). Dla porównania, dawka promieniowania dla innych procedur medycznych waha się od 0,02 mSv dla prześwietlenia klatki piersiowej i 6,5–8 mSv dla tomografii komputerowej klatki piersiowej. Przeciętne załogi samolotów cywilnych są narażone na 3 mSv/rok, a limit dawki dla całego ciała dla pracowników energetyki jądrowej w USA wynosi 50 mSv/rok. Aby zapoznać się ze skalą, zobacz Rzędy wielkości (promieniowanie) .

W przypadku skanowania PET-CT ekspozycja na promieniowanie może być znaczna — około 23–26 mSv (dla osoby o wadze 70 kg — dawka prawdopodobnie będzie wyższa w przypadku większej masy ciała).

Operacja

Radionuklidy i radioznaczniki

Schematyczny widok bloku detektora i pierścienia skanera PET
Izotopy stosowane w skanach PET
Izotop 11 stopni 13 N 15 O 18 F 68 Ga 61 Cu 52 mln 55 centów 89 Zr 82 Rb
Pół życia 20 minut 10 minut 2 min 110 minut 67,81 min 12,7 godz 5,6 dnia 17,5 godz 78,4 godz 1,3 minuty

Radionuklidy są włączane albo do związków normalnie używanych przez organizm, takich jak glukoza (lub analogi glukozy), woda lub amoniak , albo do cząsteczek, które wiążą się z receptorami lub innymi miejscami działania leku. Takie znakowane związki są znane jako radioznaczniki . Technologię PET można wykorzystać do śledzenia szlaku biologicznego dowolnego związku u żywych ludzi (i wielu innych gatunków), pod warunkiem, że można go radioznakować izotopem PET. Zatem specyficzne procesy, które można sondować za pomocą PET, są praktycznie nieograniczone, a radioznaczniki dla nowych cząsteczek docelowych i procesów są nadal syntetyzowane; w chwili pisania tego tekstu są już dziesiątki w użyciu klinicznym i setki w badaniach. W 2020 roku zdecydowanie najczęściej stosowanym radioznacznikiem w klinicznym skanowaniu PET jest pochodna węglowodanowa fludeoksyglukoza (18F) (18F-FDG). Ten radioznacznik jest stosowany w zasadzie we wszystkich skanach onkologicznych i większości skanów neurologicznych, a zatem stanowi zdecydowaną większość radioznaczników (> 95%) stosowanych w skanowaniu PET i PET-CT.

Ze względu na krótkie okresy półtrwania większości radioizotopów emitujących pozytony, radioznaczniki tradycyjnie wytwarzano przy użyciu cyklotronu w pobliżu zakładu obrazowania PET. Okres półtrwania fluoru-18 jest wystarczająco długi, aby radioznaczniki znakowane fluorem-18 można było wytwarzać komercyjnie w lokalizacjach poza siedzibą i wysyłać do ośrodków obrazowania. Ostatnio na rynku pojawiły się generatory rubidowe -82. Zawierają one stront-82, który rozpada się przez wychwyt elektronów, tworząc rubid-82 emitujący pozytony.

Dokonano przeglądu wykorzystania emitujących pozytony izotopów metali w skanach PET, w tym pierwiastków niewymienionych powyżej, takich jak lantanowce.

Immuno-PET

Izotop 89 Zr został zastosowany do śledzenia i oznaczania ilościowego przeciwciał molekularnych za pomocą kamer pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) (metoda zwana „immuno-PET”).

Biologicznego półtrwania przeciwciał jest typowo rzędu dni, patrz daklizumab i erenumab tytułem przykładu. Do wizualizacji i oceny ilościowej rozmieszczenia takich przeciwciał w organizmie dobrze nadaje się izotop PET 89 Zr, ponieważ jego fizyczny okres półtrwania odpowiada typowemu biologicznemu okresowi półtrwania przeciwciał, patrz tabela powyżej.

Emisja

Schemat procesu akwizycji PET

Aby przeprowadzić skanowanie, krótko żyjący izotop radioaktywny jest wstrzykiwany żywemu osobnikowi (zwykle do krążenia krwi). Każdy atom znacznika został chemicznie włączony do biologicznie aktywnej cząsteczki. Istnieje okres oczekiwania, podczas którego aktywna cząsteczka zostaje skoncentrowana w tkankach będących przedmiotem zainteresowania; następnie obiekt jest umieszczany w skanerze obrazowania. Cząsteczką najczęściej stosowaną do tego celu jest fluorodeoksyglukoza znakowana F-18 (FDG), cukier, dla którego okres oczekiwania wynosi zwykle godzinę. Podczas skanowania rejestrowana jest koncentracja tkanki w miarę rozpadu znacznika.

Jako ulega radioizotopowe emisyjnej rozpadu (znany również jako pozytywne rozpadu beta ) emituje pozytrony, takie antycząsteczka w elektrony o przeciwnym ładunku. Emitowany pozyton przemieszcza się w tkance na krótki dystans (zwykle mniej niż 1 mm, ale zależny od izotopu), w tym czasie traci energię kinetyczną, aż do momentu, w którym może wchodzić w interakcje z elektronem. Spotkanie anihiluje zarówno elektron, jak i pozyton, wytwarzając parę fotonów anihilacji ( gamma ) poruszających się w przybliżeniu w przeciwnych kierunkach. Są one wykrywane, gdy dotrą do scyntylatora w urządzeniu skanującym, tworząc rozbłysk światła, który jest wykrywany przez fotopowielacze lub krzemowe fotodiody lawinowe (Si APD). Technika polega na równoczesnym lub koincydencyjnym wykryciu pary fotonów poruszających się w przybliżeniu w przeciwnych kierunkach (byłyby one dokładnie przeciwne w swoim środku masy ramki , ale skaner nie ma możliwości o tym wiedzieć, a więc ma wbudowany lekki kierunek -tolerancja błędów). Fotony, które nie docierają w „parach” czasowych (tj. w oknie czasowym kilku nanosekund), są ignorowane.

Lokalizacja zdarzenia anihilacji pozytonów

Najbardziej znacząca część anihilacji elektron-pozyton powoduje, że dwa fotony gamma o energii 511 keV są emitowane pod kątem prawie 180 stopni względem siebie; stąd możliwe jest zlokalizowanie ich źródła wzdłuż prostej linii zbiegu okoliczności (zwanej również linią odpowiedzi lub LOR ). W praktyce LOR ma niezerową szerokość, ponieważ emitowane fotony nie są oddalone od siebie dokładnie o 180 stopni. Jeżeli czas rozdzielczy detektorów jest mniejszy niż 500 pikosekund, a nie około 10 nanosekund , możliwe jest zlokalizowanie zdarzenia w segmencie cięciwy , którego długość jest określona przez rozdzielczość czasową detektora. Wraz z poprawą rozdzielczości taktowania poprawia się stosunek sygnału do szumu (SNR) obrazu, co wymaga mniejszej liczby zdarzeń w celu uzyskania tej samej jakości obrazu. Ta technologia nie jest jeszcze powszechna, ale jest dostępna w niektórych nowych systemach.

Rekonstrukcja obrazu

Surowe dane zebrane przez skaner PET to lista „zdarzeń koincydencji” reprezentujących niemal równoczesną detekcję (zwykle w przedziale od 6 do 12 nanosekund od siebie) fotonów anihilacji przez parę detektorów. Każde zdarzenie koincydencji reprezentuje linię w przestrzeni łączącą dwa detektory, wzdłuż których wystąpiła emisja pozytonów (tj. linia odpowiedzi (LOR)).

Techniki analityczne, podobnie jak rekonstrukcja danych z tomografii komputerowej (CT) i danych z tomografii komputerowej z emisją pojedynczych fotonów (SPECT), są powszechnie stosowane, chociaż zbiór danych zebranych w PET jest znacznie uboższy niż CT, więc techniki rekonstrukcji są trudniejsze. Zdarzenia koincydencji można pogrupować w obrazy projekcyjne, zwane sinogramami . Sinogramy są sortowane według kąta każdego widoku i nachylenia (w przypadku obrazów 3D). Obrazy sinogramów są analogiczne do projekcji rejestrowanych przez tomografię komputerową (CT) i można je rekonstruować w podobny sposób. Statystyka uzyskanych w ten sposób danych jest znacznie gorsza niż w przypadku tomografii transmisyjnej. Normalny zestaw danych PET ma miliony zliczeń dla całej akwizycji, podczas gdy CT może osiągnąć kilka miliardów zliczeń. To przyczynia się do tego, że obrazy PET wydają się „głośniejsze” niż CT. Dwa główne źródła szumu w PET to rozproszenie (wykryta para fotonów, z których co najmniej jeden został odchylony od swojej pierwotnej ścieżki przez interakcję z materią w polu widzenia, co prowadzi do przypisania parze do nieprawidłowego LOR) i losowe zdarzenia (fotony pochodzące z dwóch różnych zdarzeń anihilacji, ale niepoprawnie zarejestrowane jako para koincydencji, ponieważ ich przybycie do odpowiednich detektorów nastąpiło w oknie czasowym koincydencji).

W praktyce wymagana jest znaczna wstępna obróbka danych – poprawka na przypadkowe koincydencje, estymacja i odejmowanie rozproszonych fotonów, korekcja czasu martwego detektora (po wykryciu fotonu detektor musi ponownie „ostygnąć”) i detektor- korekcja czułości (zarówno dla czułości własnej detektora, jak i zmian czułości spowodowanych kątem padania).

Projekcja z filtrem tylnym (FBP) była często używana do rekonstrukcji obrazów z projekcji. Algorytm ten ma tę zaletę, że jest prosty, a jednocześnie ma niewielkie wymagania dotyczące zasobów obliczeniowych. Wadą jest to, że szum śrutowy w nieprzetworzonych danych jest widoczny na zrekonstruowanych obrazach, a obszary o wysokim pochłonięciu znacznika mają tendencję do tworzenia smug na obrazie. Ponadto FBP traktuje dane deterministycznie — nie uwzględnia nieodłącznej losowości związanej z danymi PET, a zatem wymaga wszystkich opisanych powyżej poprawek przed rekonstrukcją.

Statystyczne podejścia oparte na prawdopodobieństwie : Statystyczne, oparte na prawdopodobieństwie iteracyjne algorytmy maksymalizacji oczekiwań, takie jak algorytm Sheppa-Vardiego, są obecnie preferowaną metodą rekonstrukcji. Algorytmy te obliczają oszacowanie prawdopodobnego rozkładu zdarzeń anihilacji, które doprowadziły do ​​zmierzonych danych, w oparciu o zasady statystyczne. Zaletą jest lepszy profil szumów i odporność na artefakty smugowe typowe dla FBP, ale wadą są wyższe wymagania dotyczące zasobów komputera. Kolejną zaletą statystycznych technik rekonstrukcji obrazów jest to, że efekty fizyczne, które należałoby wstępnie skorygować przy użyciu algorytmu rekonstrukcji analitycznej, takie jak rozproszone fotony, losowe koincydencje, tłumienie i czas martwy detektora, można włączyć do prawdopodobieństwa. model wykorzystywany w rekonstrukcji, co pozwala na dodatkową redukcję hałasu. Wykazano również, że rekonstrukcja iteracyjna prowadzi do poprawy rozdzielczości zrekonstruowanych obrazów, ponieważ do modelu wiarygodności można włączyć bardziej wyrafinowane modele fizyki skanera niż te używane w analitycznych metodach rekonstrukcji, co pozwala na lepszą ocenę ilościową rozkładu radioaktywności.

Badania wykazały, że metody bayesowskie , które obejmują funkcję wiarogodności Poissona i odpowiednie prawdopodobieństwo a priori (np. wygładzanie poprzedzające prowadzące do regularyzacji całkowitej zmienności lub rozkład Laplace'a prowadzący do regularyzacji opartej na falce lub innej domenie), takie jak za pośrednictwem Ulfa Grenandera "s Sito estymator lub sposobami kar bayesowskich lub przez IJ Dobra jest chropowatości metody mogą przynieść najwyższą wydajność metod maksymalizacji oczekiwanie na bazie obejmujących funkcję prawdopodobieństwa Poissona, ale nie wiążą się z takim wcześniej.

Korekcja atenuacji: Ilościowe obrazowanie PET wymaga korekcji atenuacji. W tych systemach korekcja tłumienia oparta jest na skanowaniu transmisji z wykorzystaniem obrotowego źródła prętowego 68 Ge.

Skany transmisji bezpośrednio mierzą wartości tłumienia przy 511 keV. Osłabienie następuje, gdy fotony emitowane przez radioznacznik wewnątrz ciała są pochłaniane przez tkankę pomiędzy detektorem a emisją fotonu. Ponieważ różne LOR muszą przechodzić przez różne grubości tkanki, fotony są osłabiane w różny sposób. W rezultacie struktury znajdujące się głęboko w ciele zostają zrekonstruowane jako mające fałszywie niski wychwyt znacznika. Współczesne skanery mogą szacować atenuację za pomocą zintegrowanego sprzętu rentgenowskiego CT, w miejsce wcześniejszego sprzętu, który oferował surową formę CT z wykorzystaniem źródła promieniowania gamma ( emisji pozytonów ) i detektorów PET.

Chociaż obrazy z korekcją tłumienia są zazwyczaj bardziej wiernymi reprezentacjami, sam proces korekcji jest podatny na znaczące artefakty. W rezultacie zarówno poprawione, jak i nieskorygowane obrazy są zawsze wspólnie rekonstruowane i odczytywane.

Rekonstrukcja 2D/3D : Wczesne skanery PET miały tylko jeden pierścień detektorów, stąd akwizycja danych i późniejsza rekonstrukcja były ograniczone do jednej płaszczyzny poprzecznej. Bardziej nowoczesne skanery zawierają teraz wiele pierścieni, zasadniczo tworzących cylinder detektorów.

Istnieją dwa podejścia do rekonstrukcji danych z takiego skanera: 1) traktuj każdy pierścień jako osobną całość, dzięki czemu wykrywane są tylko koincydencje w obrębie pierścienia, obraz z każdego pierścienia można następnie zrekonstruować indywidualnie (rekonstrukcja 2D) lub 2) umożliwiają wykrycie koincydencji między pierścieniami, a także w obrębie pierścieni, a następnie wspólnie zrekonstruuj całą objętość (3D).

Techniki 3D mają lepszą czułość (ponieważ wykrywanych i wykorzystywanych jest więcej koincydencji), a co za tym idzie mniej szumu, ale są bardziej wrażliwe na efekty rozproszenia i przypadkowych koincydencji, a także wymagają odpowiednio większych zasobów komputerowych. Pojawienie się detektorów o rozdzielczości sub-nanosekundowej zapewnia lepsze odrzucanie przypadkowych koincydencji, sprzyjając w ten sposób rekonstrukcji obrazu 3D.

Time-of-flight (TOF) PET : W przypadku nowoczesnych systemów o wyższej rozdzielczości czasowej (około 3 nanosekundy) w celu poprawy ogólnej wydajności stosowana jest technika zwana „Time-of-flight”. Time-of-flight PET wykorzystuje bardzo szybkie detektory promieniowania gamma i system przetwarzania danych, który może dokładniej określić różnicę czasu między detekcją dwóch fotonów. Chociaż technicznie niemożliwe jest dokładne zlokalizowanie miejsca powstania zdarzenia anihilacji (obecnie w odległości 10 cm), a zatem nadal potrzebna jest rekonstrukcja obrazu, technika TOF zapewnia znaczną poprawę jakości obrazu, zwłaszcza stosunku sygnału do szumu.

Połączenie PET z CT lub MRI

Obraz fuzji PET-CT całego ciała
Obraz fuzji PET-MRI mózgu

Skany PET są coraz częściej odczytywane wraz ze skanami CT lub rezonansu magnetycznego (MRI), z kombinacją (zwaną „wspólną rejestracją” ) dającą zarówno informacje anatomiczne, jak i metaboliczne (tj. Jaka jest struktura i co robi biochemicznie). Ponieważ obrazowanie PET jest najbardziej przydatne w połączeniu z obrazowaniem anatomicznym, takim jak CT, nowoczesne skanery PET są teraz dostępne ze zintegrowanymi, wysokiej klasy wielorzędowymi skanerami CT (tzw. „PET-CT”). Ponieważ oba skany mogą być wykonywane w natychmiastowej sekwencji podczas tej samej sesji, a pacjent nie zmienia pozycji między dwoma typami skanów, dwa zestawy obrazów są rejestrowane dokładniej , dzięki czemu obszary nieprawidłowości na obrazowaniu PET mogą być bardziej doskonale skorelowane z anatomią na obrazach CT. Jest to bardzo przydatne przy pokazywaniu szczegółowych widoków poruszających się narządów lub struktur o większej zmienności anatomicznej, która jest bardziej powszechna poza mózgiem.

W Instytucie Neuronauki i Biofizyki w Jülich w kwietniu 2009 r. rozpoczęło pracę największe na świecie urządzenie PET-MRI: tomograf rezonansu magnetycznego (MRT) o natężeniu 9,4 tesli połączony z tomografem pozytonowym (PET). Obecnie tylko głowa i mózg mogą być obrazowane przy tak silnych polach magnetycznych.

W przypadku obrazowania mózgu rejestrację skanów CT, MRI i PET można przeprowadzić bez konieczności stosowania zintegrowanego skanera PET-CT lub PET-MRI za pomocą urządzenia znanego jako N-localizer .

Ograniczenia

Atrakcyjną cechą stosowania krótkożyciowych radionuklidów jest minimalizacja dawki promieniowania dla osobnika. Poza swoją ugruntowaną rolą jako technika diagnostyczna, PET odgrywa coraz większą rolę jako metoda oceny odpowiedzi na terapię, w szczególności na terapię nowotworową, gdzie ryzyko dla pacjenta wynikające z braku wiedzy o postępie choroby jest znacznie większe niż ryzyko wynikające z braku wiedzy na temat postępu choroby. promieniowanie testowe. Ponieważ znaczniki są radioaktywne, osoby starsze i ciężarne nie mogą z nich korzystać ze względu na ryzyko związane z promieniowaniem.

Ograniczenia w powszechnym stosowaniu PET wynikają z wysokich kosztów cyklotronów potrzebnych do produkcji krótkożyciowych radionuklidów do skanowania PET oraz potrzeby specjalnie przystosowanej aparatury do syntezy chemicznej na miejscu do produkcji radiofarmaceutyków po przygotowaniu radioizotopów. Organicznych cząsteczek radioznacznika, które będą zawierać radioizotop emitujący pozytrony, nie może być najpierw zsyntetyzowany, a następnie wytworzony w nich radioizotop, ponieważ bombardowanie cyklotronem w celu przygotowania radioizotopu niszczy jego organiczny nośnik. Zamiast tego izotop musi być przygotowany najpierw, a potem, chemia do przygotowania dowolnego organicznego wskaźnika promieniotwórczego (takiego jak FDG ) odbywa się bardzo szybko, w krótkim czasie przed rozpadem izotopu. Niewiele szpitali i uniwersytetów jest w stanie utrzymać takie systemy, a większość klinicznych PET jest obsługiwana przez zewnętrznych dostawców radioznaczników, które mogą zasilać wiele ośrodków jednocześnie. To ograniczenie ogranicza kliniczne PET głównie do stosowania znaczników znakowanych fluorem-18, który ma okres półtrwania 110 minut i może być transportowany na rozsądną odległość przed użyciem, lub do rubidu-82 (stosowanego jako chlorek rubidu-82 ) z okres półtrwania 1,27 minuty, który jest wytwarzany w przenośnym generatorze i jest używany do badań perfuzji mięśnia sercowego . Niemniej jednak w ostatnich latach kilka lokalnych cyklotronów ze zintegrowanymi osłonami i „gorącymi laboratoriami” (zautomatyzowanymi laboratoriami chemicznymi, które są w stanie pracować z radioizotopami) zaczęło towarzyszyć jednostkom PET w odległych szpitalach. Obecność małego cyklotronu na miejscu daje nadzieję na ekspansję w przyszłości, ponieważ cyklotrony kurczą się w odpowiedzi na wysokie koszty transportu izotopów do odległych maszyn PET. W ostatnich latach niedobór skanów PET został złagodzony w Stanach Zjednoczonych, ponieważ liczba radiofarmaceutyków dostarczających radioizotopy wzrosła o 30% rocznie.

Ponieważ okres półtrwania fluoru-18 wynosi około dwóch godzin, przygotowana dawka radiofarmaceutyku zawierającego ten radionuklid będzie podlegać wielokrotnym okresom półtrwania rozpadu w ciągu dnia roboczego. Wymaga to częstej ponownej kalibracji pozostałej dawki (określenie aktywności na jednostkę objętości) i starannego planowania w odniesieniu do planowania pacjenta.

Historia

Pojęcie tomografii emisyjnej i transmisyjnej zostało wprowadzone przez Davida E. Kuhla , Luke'a Chapmana i Roya Edwardsa pod koniec lat pięćdziesiątych. Ich praca doprowadziła później do zaprojektowania i zbudowania kilku instrumentów tomograficznych na Uniwersytecie Pensylwanii . W 1975 roku techniki obrazowania tomograficznego zostały dalej rozwinięte przez Michela Ter-Pogossiana , Michaela E. Phelpsa , Edwarda J. Hoffmana i innych w Washington University School of Medicine .

Prace Gordona Brownella, Charlesa Burnhama i ich współpracowników w Massachusetts General Hospital rozpoczęte w latach 50. przyczyniły się znacząco do rozwoju technologii PET i obejmowały pierwszą demonstrację promieniowania anihilacyjnego w obrazowaniu medycznym. Ich innowacje, w tym wykorzystanie światłowodów i analiza wolumetryczna, były ważne we wdrażaniu obrazowania PET. W 1961 roku James Robertson i jego współpracownicy z Brookhaven National Laboratory zbudowali pierwszy jednopłaszczyznowy skan PET, nazywany „obkurczaczem głowy”.

Jednym z czynników najbardziej odpowiedzialnych za akceptację obrazowania pozytonowego był rozwój radiofarmaceutyków. W szczególności opracowanie znakowanej 2-fluorodeoksy-D-glukozy (2FDG) przez grupę Brookhaven pod kierownictwem Ala Wolfa i Joanny Fowler było głównym czynnikiem rozszerzającym zakres obrazowania PET. Związek został po raz pierwszy podany dwóm normalnym ludzkim ochotnikom przez Abass Alavi w sierpniu 1976 roku na Uniwersytecie Pensylwanii. Obrazy mózgu uzyskane zwykłym (nie PET) skanerem jądrowym wykazały stężenie FDG w tym narządzie. Później substancja została wykorzystana w dedykowanych tomografach pozytonowych, aby uzyskać nowoczesną procedurę.

Logicznym rozszerzeniem oprzyrządowania pozytonowego był projekt wykorzystujący dwie dwuwymiarowe tablice. PC-I był pierwszym instrumentem wykorzystującym tę koncepcję i został zaprojektowany w 1968 roku, ukończony w 1969 i zgłoszony w 1972. Pierwsze zastosowania PC-I w trybie tomograficznym, w odróżnieniu od trybu tomografii komputerowej, zostały zgłoszone w 1970 roku. Wkrótce stało się jasne Dla wielu osób zaangażowanych w rozwój PET, że okrągły lub cylindryczny układ detektorów jest logicznym kolejnym krokiem w oprzyrządowaniu PET. Chociaż wielu badaczy przyjęło to podejście, James Robertson i Zang-Hee Cho jako pierwsi zaproponowali system pierścieniowy, który stał się prototypem obecnego kształtu PET.

Skaner PET-CT, przypisywany Davidowi Townsendowi i Ronaldowi Nuttowi, został uznany przez Time za wynalazek medyczny roku 2000.

Koszt

Według stanu na sierpień 2008 r. Cancer Care Ontario donosi, że obecny średni koszt przyrostowy wykonania skanu PET w prowincji wynosi 1000–1200 USD za skan. Obejmuje to koszt radiofarmaceutyku i stypendium dla lekarza czytającego skan.

W Stanach Zjednoczonych badanie PET szacuje się na około 5000 USD, a większość firm ubezpieczeniowych nie płaci za rutynowe badania PET po leczeniu raka, ponieważ te badania są często niepotrzebne i stwarzają potencjalnie większe ryzyko niż korzyści.

W Anglii The NHS koszt odniesienia (2015-2016) dla dorosłych ambulatoryjnej skanowania PET wynosi £ 798 i £ 242 za usługi bezpośredniego dostępu.

W Australii od lipca 2018 r. opłata według harmonogramu świadczeń Medicare dla całego ciała FDG PET waha się od 953 A$ do 999 A$, w zależności od wskazania do badania.

Kontrola jakości

Ogólną wydajność systemów PET można ocenić za pomocą narzędzi kontroli jakości, takich jak fantom Jaszczaka .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki