Tomografía por emisión de positrones

Radionucleidos y Radiosarcoseditar

Los radionúclidos utilizados en la exploración por PET son típicamente isótopos con períodos de semidesintegración cortos, como carbono-11(~ 20 min), nitrógeno-13 (~10 min), oxígeno-15 (~2 min), flúor-18 (~110 min), galio-68 (~67 min), circonio-89 (~78,41 horas) o rubidio-82(~1,27 min). Estos radionucleidos se incorporan a compuestos utilizados normalmente por el cuerpo, como la glucosa (o análogos de glucosa), el agua o el amoníaco, o a moléculas que se unen a receptores u otros sitios de acción del fármaco. Estos compuestos marcados se conocen como radiosondas. La tecnología PET se puede utilizar para rastrear la ruta biológica de cualquier compuesto en seres humanos vivos (y muchas otras especies también), siempre que se pueda radiomarcar con un isótopo PET. Por lo tanto, los procesos específicos que se pueden sondear con PET son virtualmente ilimitados, y se siguen sintetizando radiosondas para nuevas moléculas y procesos objetivo; al momento de escribir este artículo, ya hay docenas en uso clínico y cientos aplicados en investigación. En 2020, con diferencia, la radiosonda más utilizada en la exploración clínica por PET es 18F-FDG, FDG, un análogo de la glucosa marcado con flúor-18. Esta radiosonda se utiliza esencialmente en todas las exploraciones para oncología y en la mayoría de las exploraciones en neurología, y por lo tanto constituye la gran mayoría de la radiosonda (>95%) utilizada en la exploración por PET y PET-TC.

Debido a la corta vida media de la mayoría de los radioisótopos emisores de positrones, las radiosondas se han producido tradicionalmente utilizando un ciclotrón en las proximidades de la instalación de imágenes PET. La vida media del flúor-18 es lo suficientemente larga como para que las radiosondas etiquetadas con flúor-18 puedan fabricarse comercialmente en ubicaciones externas y enviarse a centros de diagnóstico por imágenes. Recientemente se han comercializado generadores de rubidio-82. Estos contienen estroncio-82, que se descompone por captura de electrones para producir rubidio-82 emisor de positrones.

Inmuno-PETEdit

El isótopo 89Zr se ha aplicado al seguimiento y cuantificación de anticuerpos moleculares con cámaras de tomografía por emisión de positrones (PET) (un método llamado «inmuno-PET»). El método utiliza un derivado succinilado de la desferrioxamina B (N-sucDf) como quelato bifuncional,

emisióneditar

Para realizar la exploración, se inyecta un isótopo trazador radiactivo de corta duración en el sujeto vivo (generalmente en la circulación sanguínea). Cada átomo trazador ha sido incorporado químicamente a una molécula biológicamente activa. Hay un período de espera mientras la molécula activa se concentra en los tejidos de interés; luego, el sujeto se coloca en el escáner de imágenes. La molécula más comúnmente utilizada para este propósito es la fluorodesoxiglucosa (FDG) etiquetada con F-18, un azúcar, para el cual el período de espera es típicamente de una hora. Durante la exploración, se realiza un registro de la concentración de tejido a medida que el marcador se descompone.

A medida que el radioisótopo sufre una desintegración de emisión de positrones (también conocida como desintegración beta positiva), emite un positrón, una antipartícula del electrón con carga opuesta. El positrón emitido viaja en el tejido por una distancia corta (típicamente menos de 1 mm, pero depende del isótopo), durante el cual pierde energía cinética, hasta que se desacelera hasta un punto en el que puede interactuar con un electrón. El encuentro aniquila tanto al electrón como al positrón, produciendo un par de fotones de aniquilación (gamma) que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas. Estos se detectan cuando alcanzan un centelleador en el dispositivo de escaneo, creando una ráfaga de luz que es detectada por tubos fotomultiplicadores o fotodiodos de avalancha de silicio (Si APD). La técnica depende de la detección simultánea o coincidente del par de fotones que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas (serían exactamente opuestas en su marco del centro de masa, pero el escáner no tiene forma de saber esto, y por lo tanto tiene una tolerancia de error de dirección ligera incorporada). Los fotones que no llegan en «pares» temporales (es decir, dentro de una ventana de tiempo de unos pocos nanosegundos) se ignoran.

Localización del evento de aniquilación de positróneditar

La fracción más significativa de aniquilaciones electrón–positrón resulta en dos fotones gamma de 511 keV emitidos a casi 180 grados entre sí; por lo tanto, es posible localizar su fuente a lo largo de una línea recta de coincidencia (también llamada línea de respuesta, o LOR). En la práctica, el LOR tiene un ancho distinto de cero, ya que los fotones emitidos no están exactamente a 180 grados de distancia. Si el tiempo de resolución de los detectores es inferior a 500 picosegundos en lugar de aproximadamente 10 nanosegundos, es posible localizar el evento a un segmento de un acorde, cuya longitud está determinada por la resolución de tiempo del detector. A medida que mejora la resolución de temporización, mejorará la relación señal / ruido (SNR) de la imagen, lo que requerirá menos eventos para lograr la misma calidad de imagen. Esta tecnología aún no es común, pero está disponible en algunos sistemas.

Reconstrucción de imageneditar

Los datos sin procesar recopilados por un escáner PET son una lista de «eventos de coincidencia» que representan la detección casi simultánea (típicamente, dentro de una ventana de 6 a 12 nanosegundos entre sí) de fotones de aniquilación por un par de detectores. Cada evento de coincidencia representa una línea en el espacio que conecta los dos detectores a lo largo de los cuales se produjo la emisión de positrones (es decir, la línea de respuesta (LOR)).

Las técnicas analíticas, al igual que la reconstrucción de los datos de tomografía computarizada (TC) y tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT), se utilizan comúnmente, aunque el conjunto de datos recopilados en la PET es mucho más pobre que la TC, por lo que las técnicas de reconstrucción son más difíciles. Los eventos de coincidencia se pueden agrupar en imágenes de proyección, llamadas sinogramas. Los sinogramas se ordenan por el ángulo de cada vista e inclinación (para imágenes 3D). Las imágenes de sinograma son análogas a las proyecciones capturadas por escáneres de tomografía computarizada (TC), y se pueden reconstruir de manera similar. Las estadísticas de los datos así obtenidos son mucho peores que las obtenidas por tomografía de transmisión. Un conjunto de datos de PET normal tiene millones de recuentos para toda la adquisición, mientras que el TAC puede alcanzar unos pocos miles de millones de recuentos. Esto contribuye a que las imágenes de MASCOTAS parezcan «más ruidosas» que la TC. Dos fuentes principales de ruido en PET son la dispersión (un par de fotones detectados, al menos uno de los cuales fue desviado de su trayectoria original por interacción con la materia en el campo de visión, lo que lleva al par a ser asignado a un LOR incorrecto) y los eventos aleatorios (fotones que se originan de dos eventos de aniquilación diferentes, pero registrados incorrectamente como un par de coincidencia porque su llegada a sus respectivos detectores ocurrió dentro de una ventana de tiempo de coincidencia).

En la práctica, se requiere un procesamiento previo considerable de los datos: corrección de coincidencias aleatorias, estimación y sustracción de fotones dispersos, corrección del tiempo muerto del detector (después de la detección de un fotón, el detector debe «enfriarse» de nuevo) y corrección de la sensibilidad del detector (tanto para la sensibilidad inherente del detector como para los cambios en la sensibilidad debidos al ángulo de incidencia).

La proyección posterior filtrada (FBP) se ha utilizado con frecuencia para reconstruir imágenes a partir de las proyecciones. Este algoritmo tiene la ventaja de ser simple al tiempo que tiene un bajo requerimiento de recursos informáticos. Las desventajas son que el ruido de disparo en los datos sin procesar es prominente en las imágenes reconstruidas, y las áreas de alta absorción del trazador tienden a formar rayas a través de la imagen. Además, FBP trata los datos de manera determinista, no tiene en cuenta la aleatoriedad inherente asociada con los datos de PET, por lo que requiere todas las correcciones previas a la reconstrucción descritas anteriormente.

Enfoques estadísticos basados en la probabilidad:Los algoritmos de maximización de expectativas iterativas basados en verosimilitud, como el algoritmo Shepp-Vardi, son ahora el método preferido de reconstrucción. Estos algoritmos calculan una estimación de la distribución probable de los eventos de aniquilación que condujeron a los datos medidos, basándose en principios estadísticos. La ventaja es un mejor perfil de ruido y resistencia a los artefactos de rayas comunes con FBP, pero la desventaja es que los requisitos de recursos informáticos son más altos. Otra ventaja de las técnicas estadísticas de reconstrucción de imágenes es que los efectos físicos que habría que corregir previamente al utilizar un algoritmo de reconstrucción analítica, como fotones dispersos, coincidencias aleatorias, atenuación y tiempo muerto del detector, se pueden incorporar al modelo de probabilidad que se está utilizando en la reconstrucción, lo que permite una reducción adicional del ruido. También se ha demostrado que la reconstrucción iterativa resulta en mejoras en la resolución de las imágenes reconstruidas, ya que se pueden incorporar al modelo de probabilidad modelos más sofisticados de la física del escáner que los utilizados por los métodos analíticos de reconstrucción, lo que permite una mejor cuantificación de la distribución de la radiactividad.

La investigación ha demostrado que los métodos bayesianos que involucran una función de verosimilitud de Poisson y una probabilidad previa apropiada (p. ej., un previo de suavizado que conduce a la regularización de la variación total o una distribución laplaciana que conduce a la regularización basada en ℓ 1 {\displaystyle \ell _{1}} en una wavelet u otro dominio), como a través del estimador de Tamiz de Ulf Grenander o a través de métodos de penalización de Bayes o a través del método de rugosidad de I. J. Good, puede producir un rendimiento superior a los métodos basados en la maximización de expectativas que involucran una función de verosimilitud de Poisson, pero no involucran tal previo.Corrección de atenuación

: Las imágenes cuantitativas de PET requieren corrección de atenuación. En estos sistemas, la corrección de atenuación se basa en un escaneo de transmisión utilizando una fuente de varilla giratoria 68Ge.

Los escaneos de transmisión miden directamente los valores de atenuación a 511 Kev. La atenuación ocurre cuando los fotones emitidos por la radiosonda dentro del cuerpo son absorbidos por el tejido intermedio entre el detector y la emisión del fotón. Como diferentes LORs deben atravesar diferentes espesores de tejido, los fotones se atenúan de manera diferente. El resultado es que las estructuras profundas del cuerpo se reconstruyen con una captación falsamente baja del trazador. Los escáneres contemporáneos pueden estimar la atenuación utilizando equipos integrados de tomografía computarizada de rayos X, en lugar de equipos anteriores que ofrecían una forma cruda de tomografía computarizada utilizando una fuente de rayos gamma (emisión de positrones) y los detectores PET.

Mientras que las imágenes corregidas por atenuación son generalmente representaciones más fieles, el proceso de corrección en sí es susceptible a artefactos significativos. Como resultado, las imágenes corregidas y no corregidas siempre se reconstruyen y leen juntas.

Reconstrucción 2D / 3D: Los primeros escáneres PET tenían un solo anillo de detectores, por lo que la adquisición de datos y la posterior reconstrucción se restringieron a un solo plano transversal. Los escáneres más modernos ahora incluyen múltiples anillos, esencialmente formando un cilindro de detectores.

Hay dos enfoques para reconstruir los datos de un escáner de este tipo: 1) tratar cada anillo como una entidad separada, de modo que solo se detecten coincidencias dentro de un anillo, la imagen de cada anillo se puede reconstruir individualmente (reconstrucción 2D), o 2) permitir que se detecten coincidencias entre anillos, así como dentro de anillos, y luego reconstruir todo el volumen juntos (3D).

Las técnicas 3D tienen mejor sensibilidad (porque se detectan y utilizan más coincidencias) y, por lo tanto, menos ruido, pero son más sensibles a los efectos de la dispersión y las coincidencias aleatorias, además de requerir mayores recursos informáticos en consecuencia. El advenimiento de detectores de resolución de temporización de sub-nanosegundos permite un mejor rechazo de coincidencias aleatorias, favoreciendo así la reconstrucción de imágenes 3D.

PET de tiempo de vuelo (TOF): Para sistemas modernos con una resolución de tiempo más alta (aproximadamente 3 nanosegundos), se utiliza una técnica llamada «Tiempo de vuelo» para mejorar el rendimiento general. El PET de tiempo de vuelo utiliza detectores de rayos gamma muy rápidos y un sistema de procesamiento de datos que puede decidir con mayor precisión la diferencia de tiempo entre la detección de los dos fotones. Aunque es técnicamente imposible localizar exactamente el punto de origen del evento de aniquilación (actualmente a menos de 10 cm), por lo que la reconstrucción de la imagen aún es necesaria, la técnica TOF proporciona una mejora notable en la calidad de la imagen, especialmente en la relación señal / ruido.

Combinación de PET con TC o MRIEDITAR

Las exploraciones por PET se leen cada vez más junto con las exploraciones por tomografía computarizada o resonancia magnética (RM), con la combinación (llamada «registro conjunto») que proporciona información anatómica y metabólica (es decir, qué es la estructura y qué está haciendo bioquímicamente). Debido a que las imágenes de PET son más útiles en combinación con imágenes anatómicas, como la TC, los escáneres de PET modernos ahora están disponibles con escáneres de TC de múltiples filas de detectores de alta gama integrados (los llamados «TC de PET»). Debido a que las dos exploraciones se pueden realizar en secuencia inmediata durante la misma sesión, sin que el paciente cambie de posición entre los dos tipos de exploraciones, los dos conjuntos de imágenes se registran con mayor precisión, de modo que las áreas de anormalidad en las imágenes de PET se pueden correlacionar más perfectamente con la anatomía en las imágenes de TC. Esto es muy útil para mostrar vistas detalladas de órganos en movimiento o estructuras con mayor variación anatómica, que es más común fuera del cerebro.

En el Instituto de Neurociencias y Biofísica de Jülich, el dispositivo de resonancia magnética por PET más grande del mundo comenzó a funcionar en abril de 2009: un tomógrafo de resonancia magnética (MRT) de 9,4 tesla combinado con un tomógrafo de emisión de positrones (PET). En la actualidad, solo la cabeza y el cerebro pueden ser fotografiados con estas altas fuerzas de campo magnético.

Para la obtención de imágenes cerebrales, el registro de las exploraciones por TC, RMN y TEP se puede realizar sin la necesidad de un escáner de TEP-TC o TEP-RM integrado mediante el uso de un dispositivo conocido como N-localizer.

Limitacioneseditar

La minimización de la dosis de radiación para el sujeto es una característica atractiva del uso de radionucleidos de corta duración. Además de su papel establecido como técnica de diagnóstico, la PET tiene un papel creciente como método para evaluar la respuesta a la terapia, en particular, la terapia del cáncer, donde el riesgo para el paciente de la falta de conocimiento sobre el progreso de la enfermedad es mucho mayor que el riesgo de la radiación de prueba. Dado que los marcadores son radiactivos, las personas de edad avanzada y las embarazadas no pueden usarlos debido a los riesgos que plantea la radiación.

Las limitaciones al uso generalizado de PET se deben a los altos costos de los ciclotrones necesarios para producir radionúclidos de corta duración para la exploración por PET y a la necesidad de un aparato de síntesis química in situ especialmente adaptado para producir radiofármacos después de la preparación de radioisótopos. Las moléculas de radiosonda orgánica que contendrán un radioisótopo emisor de positrones no se pueden sintetizar primero y luego el radioisótopo se prepara dentro de ellos, porque el bombardeo con un ciclotrón para preparar el radioisótopo destruye cualquier portador orgánico para él. En cambio, el isótopo debe prepararse primero, luego, la química para preparar cualquier radiosonda orgánica (como FDG) lograda muy rápidamente, en el corto tiempo antes de que el isótopo se descomponga. Pocos hospitales y universidades son capaces de mantener tales sistemas, y la mayoría de las PET clínicas cuentan con el apoyo de proveedores externos de radiosondas que pueden suministrar muchos sitios simultáneamente. Esta limitación restringe la PET clínica principalmente al uso de marcadores marcados con flúor-18, que tiene una vida media de 110 minutos y puede transportarse a una distancia razonable antes de su uso, o al rubidio-82 (utilizado como cloruro de rubidio-82) con una vida media de 1,27 minutos, que se crea en un generador portátil y se utiliza para estudios de perfusión miocárdica. Sin embargo, en los últimos años, algunos ciclotrones in situ con blindaje integrado y «laboratorios calientes» (laboratorios de química automatizados que pueden trabajar con radioisótopos) han comenzado a acompañar a las unidades de PET a hospitales remotos. La presencia del pequeño ciclotrón in situ promete expandirse en el futuro a medida que los ciclotrones se contraigan en respuesta al alto costo del transporte de isótopos a máquinas de PET remotas. En los últimos años, la escasez de TEP se ha aliviado en los Estados Unidos, ya que el despliegue de radiofármacos para suministrar radioisótopos ha crecido un 30%/año.

Debido a que la semivida del flúor-18 es de aproximadamente dos horas, la dosis preparada de un radiofármaco que contenga este radionúclido experimentará múltiples semividas de descomposición durante el día de trabajo. Esto requiere una recalibración frecuente de la dosis restante (determinación de la actividad por unidad de volumen) y una planificación cuidadosa con respecto a la programación del paciente.