Pozitronová emisní tomografie

Radionuklidů a radiotracersEdit

Radionuklidy používané v PET skenování jsou obvykle izotopy s krátkým poločasem, jako je uhlík-11 (~20 min), dusík-13 (~10 min), kyslík-15 (~2 min), fluor-18 (~110 min), galium-68 (~67 min), zirkoniu-89 (~78.41 hodin), nebo rubidium-82(~1.27 min). Tyto radionuklidy jsou začleněny buď do sloučenin normálně používaných v těle, jako je glukóza (nebo analogy glukózy), voda nebo amoniak, nebo do molekul, které se vážou na receptory nebo jiná místa působení léčiva. Takové značené sloučeniny jsou známé jako radiotracery. Technologie PET může být použita ke sledování biologické dráhy jakékoli sloučeniny u živých lidí (a mnoha dalších druhů) za předpokladu, že může být radioaktivně označena izotopem PET. To znamená, že specifické procesy, které mohou být prozkoumány s PET jsou prakticky neomezené, a radiotracers pro nové cílové molekuly a procesy jsou nadále být syntetizovány; jak tohoto psaní, tam jsou již desítky v klinické použití, a stovky použita ve výzkumu. V roce 2020 je zdaleka nejčastěji používaným radiotracerem v klinickém PET skenování 18F-FDG, FDG Analog glukózy značený fluorem-18. Tento studiích s radioaktivně značenou látkou se používá v podstatě všechny testy na onkologii a nejvíce vyšetření v neurologii, a tak tvoří velkou většinu studiích s radioaktivně značenou látkou (>95%) používaná v PET a PET-CT skenování.

Vzhledem ke krátké poločasy většina pozitron emitující radioizotopů, radiotracers byly tradičně vyráběny pomocí cyklotronu v těsné blízkosti PET zobrazovací zařízení. Poločas fluoru-18 je dostatečně dlouhý, aby radiotracery označené fluorem-18 mohly být komerčně vyráběny na místech mimo pracoviště a dodávány do zobrazovacích Center. Nedávno se generátory rubidium-82 staly komerčně dostupnými. Ty obsahují stroncium-82, které se rozpadá elektronovým zachycením za vzniku pozitronu emitujícího rubidium-82.

Immuno-PETEdit

izotop 89Zr byla aplikována na sledování a kvantifikace molekul protilátky s pozitronová emisní tomografie (PET) kamery (metoda zvaná „immuno-PET“). Metoda používá succinylated derivát desferrioxamine B (N-sucDf) jako bifunkční chelát,

EmissionEdit

provádět skenování, krátký-žil radioaktivní tracer izotop injekčně do obývacího předmětu (obvykle do krevního oběhu). Každý stopovací atom byl chemicky začleněn do biologicky aktivní molekuly. Je čekací doba, zatímco aktivní molekula se koncentruje v tkáních zájmu; pak je subjekt umístěn do zobrazovacího skeneru. Molekula nejčastěji používaná pro tento účel je fluorodeoxyglukóza značená F-18 (FDG), cukr, u kterého je čekací doba Obvykle hodina. Během skenování se zaznamenává koncentrace tkáně, jak se indikátor rozpadá.

Jako radioizotopové prochází pozitronová emisní rozkladu (také známý jako pozitivní beta rozpadu), emituje pozitron, antiparticle elektronu s opačným nábojem. Emitovaný pozitron cestuje v tkáni na krátkou vzdálenost (obvykle menší než 1 mm, ale závislý na izotopu), během této doby ztrácí kinetickou energii, dokud nezpomalí do bodu, kdy může interagovat s elektronem. Setkání anihiluje elektron i pozitron a vytváří dvojici anihilačních (gama) fotonů pohybujících se přibližně v opačných směrech. Tyto jsou zjištěny, když dosáhnou scintillator v skenovací zařízení, vytváří výbuch světla, které je detekováno pomocí fotonásobiče nebo křemíkové lavinové fotodiody (Si APD). Technika závisí na současné nebo koincidenční detekci dvojice fotonů pohybujících se v přibližně opačných směrech (měly by být přesně opačné, v jejich těžiště rámu, ale skener má žádný způsob, jak vědět to, a tak má vestavěný mírný směru-chybová tolerance). Fotony, které nedorazí do časových „párů“ (tj. v časovém okně několika nanosekund), jsou ignorovány.

Lokalizace pozitronové anihilace eventEdit

nejvýznamnější zlomek elektron–pozitronové eliminace výsledky ve dvou 511 keV gama fotony jsou emitovány v téměř 180 stupňů, aby se navzájem, a proto je možné lokalizovat jejich zdroj na přímce náhody (také nazýváno linka reakce, nebo LOR). V praxi má LOR nenulovou šířku, protože emitované fotony nejsou od sebe přesně 180 stupňů. Pokud řešení čas detektorů je méně než 500 picoseconds spíše než o 10 nanosekund, je možné lokalizovat událost na segment akord, jehož délka je určena detektor rozlišení načasování. Jak se rozlišení časování zlepšuje, poměr signálu k šumu (SNR) obrazu se zlepší, což vyžaduje méně událostí k dosažení stejné kvality obrazu. Tato technologie ještě není běžná, ale je k dispozici v některých nových systémech.

Obrázek reconstructionEdit

raw data získané pomocí PET skeneru je seznam náhoda, události představující téměř simultánní detekce (obvykle v okně 6 až 12 nanosekund sebe) zničení fotony dvojicí detektorů. Každá náhodná událost představuje přímku v prostoru spojující dva detektory, podél kterých došlo k pozitronové emisi (tj.

Analytické techniky, stejně jako rekonstrukce počítačová tomografie (CT) a jednofotonová emisní počítačová tomografie (SPECT) údaje, které jsou běžně používané, ačkoli souboru dat shromážděných v PET je mnohem chudší než CT, tak rekonstrukce techniky jsou složitější. Náhodné události lze seskupit do projekčních obrazů, nazývaných sinogramy. Sinogramy jsou seřazeny podle úhlu každého pohledu a náklonu (pro 3D obrázky). Obrazy sinogramu jsou analogické projekcím zachyceným skenery počítačové tomografie (CT) a mohou být rekonstruovány podobným způsobem. Statistiky takto získaných dat jsou mnohem horší než statistiky získané přenosovou tomografií. Normální soubor dat PET má miliony počtů za celou akvizici, zatímco CT může dosáhnout několika miliard počtů. To přispívá k tomu, že obrázky PET vypadají „hlučněji“ než CT. Dva hlavní zdroje hluku v ZÁJMOVÉM jsou scatter (zjištěné dvojice fotonů, z nichž alespoň jeden byl vychýlen ze své původní dráhy interakcí s hmotou v zorném poli, což vede k páru byl přidělen k nesprávné LOR) a náhodných událostí (fotonů pocházejících ze dvou různých zničení události, ale nesprávně zaznamenány jako náhoda, pár, protože jejich příchodu na příslušné detektory došlo v rámci náhoda, načasování okna).

V praxi značné pre-zpracování údajů je nutné—korekce pro náhodné náhody, odhad a odčítání rozptýlené fotony, detektor mrtvého-korekce času (po detekci fotonu, detektor musí „vychladnout“ znovu) a detektory-citlivost korekce (jak pro vlastní citlivost detektoru a změny v citlivosti vzhledem k úhlu dopadu).

filtrovaná zadní projekce (FBP) se často používá k rekonstrukci obrazů z projekcí. Tento algoritmus má tu výhodu, že je jednoduchý a zároveň má nízký požadavek na výpočetní zdroje. Nevýhody jsou, že výstřel šum v raw dat je prominentní v rekonstruované obrazy, a v oblastech s vysokou tracer příjmu mají tendenci tvořit pruhy přes obraz. Také FBP zachází s daty deterministicky-nezohledňuje inherentní náhodnost spojenou s daty PET, což vyžaduje všechny výše popsané korekce před rekonstrukcí.

statistické přístupy založené na pravděpodobnosti:Statistické, iterativní algoritmy pro maximalizaci očekávání založené na pravděpodobnosti, jako je algoritmus Shepp-Vardi, jsou nyní preferovanou metodou rekonstrukce. Tyto algoritmy vypočítávají odhad pravděpodobného rozdělení událostí zničení, které vedly k naměřeným datům, na základě statistických principů. Výhodou je lepší profil šumu a odolnost vůči streak artefakty společného s FBP, ale nevýhodou je vyšší výpočetní nároky na zdroje. Další výhodou statistický obraz obnovu techniky je, že fyzikální efekty, které by měly být pre-opravena při použití analytické rekonstrukce algoritmu, jako rozptýlené fotony, náhodné náhody, útlum a detektoru, mrtvá doba, mohou být začleněny do pravděpodobnosti modelu používá v rekonstrukci, což umožňuje další snížení hluku. Iterativní rekonstrukce bylo také prokázáno, že v důsledku zlepšení rozlišení, rekonstruované obrazy, protože více sofistikované modely skeneru fyziky mohou být začleněny do pravděpodobnosti modelu než ty, které používají analytické metody rekonstrukce, což umožňuje lepší kvantifikaci distribuce radioaktivity.

výzkum ukázal, že Bayesovské metody, které zahrnují poissonovu pravděpodobnostní funkci a odpovídající předchozí pravděpodobnost (např., vyhlazení před vedoucí k celkové variace regularizace nebo Laplaceova rozdělení, vedoucí k ℓ 1 {\displaystyle \ell _{1}} -na základě regularizace v vlnky nebo jiné doméně), jako přes Ulf Grenander je Sieve estimator nebo prostřednictvím Bayesovských trest metody nebo přes I. J. Dobré je drsnosti metoda může přinést vynikající výkon očekávání-maximalizace metody založené, které zahrnují Poissonovo rozdělení pravděpodobnosti funkce, ale nezahrnují takové předchozí.

korekce útlumu: kvantitativní zobrazování PET vyžaduje korekci útlumu. V těchto systémech je korekce útlumu založena na přenosu skenování pomocí 68Ge rotujícího zdroje tyče.

skenování přenosu přímo měří hodnoty útlumu při 511keV. Útlum nastává, když jsou fotony emitované radiotracerem uvnitř těla absorbovány zasahující tkání mezi detektorem a emisí fotonu. Protože různé Lory musí procházet různými tloušťkami tkáně, fotony jsou zeslabeny odlišně. Výsledkem je, že struktury hluboko v těle jsou rekonstruovány jako s falešně nízké tracer příjmu. Současné skenery mohou odhadnout útlum pomocí integrovaného rentgenového CT zařízení namísto dřívějších zařízení, které nabízelo surovou formu CT pomocí zdroje gama záření (pozitron emitující) a pet detektorů.

zatímco obrazy korigované útlumem jsou obecně věrnějšími reprezentacemi, proces korekce je sám o sobě citlivý na významné artefakty. Výsledkem je, že opravené i neopravené obrázky jsou vždy rekonstruovány a čteny společně.

2D/3D rekonstrukce: Rané pet skenery měly pouze jeden kruh detektorů, proto bylo získávání dat a následná rekonstrukce omezena na jednu příčnou rovinu. Modernější skenery nyní obsahují více kroužků, v podstatě tvoří válec detektorů.

existují dva přístupy k rekonstrukci dat z takového skeneru: 1) léčit každý prsten jako samostatný subjekt, tak, že pouze náhody v rámci kroužku jsou detekovány, obraz z každého prsten pak může být rekonstruován individuálně (2D rekonstrukce), nebo 2) umožňují náhody být zjištěny mezi kruhy, stejně jako v rámci kroužků, pak rekonstruovat celý objem dohromady (3D).

3D techniky mají lepší citlivost (protože více náhody jsou detekovány a používány), a proto méně hluku, ale jsou více citlivé na účinky scatter a náhodné náhody, stejně jako vyžaduje odpovídajícím způsobem větší počítačových zdrojů. Nástup subnanosekundových detektorů časového rozlišení umožňuje lepší odmítnutí náhodné náhody, čímž upřednostňuje rekonstrukci 3D obrazu.

Time-of-flight (TOF) PET: Pro moderní systémy s vyšším časovým rozlišením (zhruba 3 nanosekundy) technika nazývá „Time-of-flight“ se používá ke zlepšení celkové výkonnosti. Doba letu PET využívá velmi rychlé detektory gama záření a systém zpracování dat, který může přesněji rozhodnout o časovém rozdílu mezi detekcí dvou fotonů. I když to je technicky nemožné lokalizovat místo původu zničení událost přesně (v současné době do 10 cm), čímž obraz rekonstrukci, je stále zapotřebí, TOF technika dává pozoruhodné zlepšení kvality obrazu, a to zejména signál-šum.

kombinace PET s CT nebo MRIEdit

PET skeny jsou stále více přečíst vedle CT nebo magnetické rezonance (MRI), s kombinací (tzv. „co-registrace“), přičemž obě anatomické a metabolické informace (tj., co je struktura a co to dělá, biochemicky). Protože zobrazování PET je nejužitečnější v kombinaci s anatomickým zobrazováním, jako je CT, jsou nyní k dispozici moderní pet skenery s integrovanými špičkovými ct skenery s více detektory (tzv. Protože dva skeny může být provedena v bezprostředním sledu v průběhu téhož zasedání, s pacientem není změna polohy mezi dvěma typy skenuje, dvě sady obrázků jsou přesněji registrovaná, takže oblastech abnormality na PET zobrazování může být více dokonale koreluje s anatomii na CT snímky. To je velmi užitečné při zobrazování podrobných pohledů na pohybující se orgány nebo struktury s vyšší anatomickou variací, která je častější mimo mozek.

V Jülich Ústav Neurověd a Biofyziky, svět je největší PET-MRI přístroj začal fungovat v dubnu 2009: 9.4-tesla magnetická rezonanční tomografie (MRT) v kombinaci s pozitronová emisní tomografie (PET). V současné době lze při těchto vysokých silách magnetického pole zobrazit pouze hlavu a mozek.

Pro zobrazování mozku, registrace CT, MRI a PET vyšetření může být provedeno bez nutnosti integrovaného PET-CT nebo PET-MRI skeneru pomocí zařízení, známý jako N-localizer.

Omezeníeditovat

minimalizace dávky záření pro subjekt je atraktivním rysem použití krátkodobých radionuklidů. Kromě své zavedené role jako diagnostická technika, PET má rozšiřující úlohu jako metoda k posouzení odpovědi na terapii, zejména léčby rakoviny, kde je riziko pro pacienta z nedostatku znalostí o onemocnění pokroku, je mnohem větší, než riziko z testu záření. Jelikož vysílačky jsou radioaktivní, starší osoby a těhotné nejsou schopni používat vzhledem k rizikům, které představují záření.

Omezení pro široké použití PET vznikají vysoké náklady na cyklotrony potřebné k výrobě krátkodobých radionuklidů pro PET skenování a potřeba speciálně upravené na místě chemické syntézy přístroje na výrobu radiofarmak po radioizotopové přípravy. Organické studiích s radioaktivně značenou látkou molekuly, které budou obsahovat pozitron emitující radioizotopové nemůže být syntetizován jako první, a pak radioizotopové připraveni v nich, protože bombardování s cyklotron pro přípravu radioizotopu ničí všechny organické nosiče. Místo toho, izotop musí být připravená jako první, pak poté, chemie pro přípravu jakéhokoliv ekologických studiích s radioaktivně značenou látkou (jako je FDG) provedeno velmi rychle, v krátké době před izotop se rozpadá. Jen málo nemocnic a univerzit je schopno takové systémy udržovat a většina klinických PET je podporována dodavateli radiotracerů třetích stran, kteří mohou dodávat mnoho míst současně. Toto omezení omezuje klinické PET především k použití stopovací látky značené fluorem-18, který má poločas rozpadu 110 minut, a mohou být přepravovány přiměřené vzdálenosti před použitím, nebo rubidium-82 (používá se jako rubidium-82-chlorid) s poločasem 1,27 minut, který je vytvořen přenosný generátor, a je používán pro prokrvení myokardu studie. Nicméně, v posledních letech několik on-site cyklotrony s integrovaným stíněním a „hot labs“ (automatické chemie laboratoře, které jsou schopny pracovat s radioizotopů) začaly doprovázet PET jednotky do vzdálených nemocnic. Přítomnost malých na místě cyklotron slibuje rozšířit v budoucnu jako cyklotrony zmenšit v reakci na vysoké náklady na izotop doprava do vzdálené PET stroje. V posledních letech byl v USA zmírněn nedostatek PET skenů, protože zavádění radiofarmak pro zásobování radioizotopů vzrostlo o 30% ročně.

protože poločas fluoru-18 je asi dvě hodiny, připravená dávka radiofarmaka nesoucího tento radionuklid podstoupí během pracovního dne několik poločasů rozpadu. To vyžaduje častou rekalibraci zbývající dávky (stanovení aktivity na jednotku objemu) a pečlivé plánování s ohledem na plánování pacienta.