Positroniemissiotomografia

radionuklidit ja radiotraklidit

PET-skannauksessa käytettävät radionuklidit ovat tyypillisesti isotooppeja, joilla on lyhyet puoliintumisajat, kuten hiili-11 (~20 min), typpi-13 (~10 min), happi-15 (~2 min), fluori-18 (~110 min), gallium-68 (~67 min), Zirkonium-89 (~78,41 tuntia) tai rubidium-82 (~1,27 min). Nämä radionuklidit yhdistetään joko kehon normaalisti käyttämiin yhdisteisiin, kuten glukoosiin (tai glukoosianalogeihin), veteen tai ammoniakkiin, tai molekyyleihin, jotka sitoutuvat reseptoreihin tai muihin lääkeaineiden vaikutuspaikkoihin. Tällaisia merkittyjä yhdisteitä kutsutaan radiotraketeiksi. PET-tekniikkaa voidaan käyttää minkä tahansa yhdisteen biologisen reitin jäljittämiseen elävissä ihmisissä (ja myös monissa muissa lajeissa), jos se voidaan radioleimata PET-isotoopilla. Niinpä PET: llä luotattavat erityiset prosessit ovat lähes rajattomat, ja uusien kohdemolekyylien ja-prosessien radiotraketit syntetisoidaan jatkuvasti; tätä kirjoitettaessa on jo kymmeniä kliinisessä käytössä ja satoja sovellettu tutkimuksessa. Vuonna 2020 ylivoimaisesti yleisimmin käytetty radiotrakenne kliinisessä PET-skannauksessa on 18F-FDG, FDG glukoosin analogi, joka on merkitty fluorilla-18. Tätä radiotrakeria käytetään pääasiassa kaikissa syöpätautien ja useimpien neurologian skannauksissa, ja siten se muodostaa suurimman osan (>95%) PET-ja PET-CT-skannauksissa käytetyistä radiotrakertoimista.

useimpien positroneja lähettävien radioisotooppien lyhyiden puoliintumisaikojen vuoksi radiotraketit on perinteisesti tuotettu syklotronin avulla PET-kuvauslaitoksen läheisyydessä. Fluori-18: n puoliintumisaika on niin pitkä, että fluori-18: lla merkittyjä radiotraketteja voidaan valmistaa kaupallisesti muualla kuin tuotantolaitoksessa ja toimittaa kuvauskeskuksiin. Viime aikoina rubidium-82-generaattorit ovat tulleet kaupallisesti saataville. Nämä sisältävät strontium-82: ta, joka hajoaa elektronisieppauksella muodostaen positronia emittoivan rubidium-82: n.

Immuno-PETEdit

isotooppia 89Zr on käytetty molekyylivasta-aineiden seurantaan ja kvantifiointiin positroniemissiotomografiakameroilla (Pet) (menetelmä nimeltä ”immuno-PET”). Menetelmässä käytetään desferrioksamiini B: n sukkinyloitua johdannaista (N-sucDf) bifunktionaalisena kelaattina,

Emissionsedit

skannauksen suorittamiseksi elävään kohteeseen ruiskutetaan lyhytikäinen radioaktiivinen merkkiaineen isotooppi (yleensä verenkiertoon). Jokainen merkkiatomi on yhdistetty kemiallisesti biologisesti aktiiviseen molekyyliin. On odotusaika, kun aktiivinen molekyyli tiivistyy kiinnostaviin kudoksiin; sitten kohde asetetaan kuvantamisskanneriin. Yleisimmin tähän tarkoitukseen käytetty molekyyli on F-18 merkitty fluorodeoksiglukoosi (FDG), sokeri, jonka odotusaika on tyypillisesti tunti. Skannauksen aikana tehdään merkintä kudospitoisuudesta merkkiaineen hajotessa.

kun radioisotooppi läpäisee positroniemissiohajoamisen (tunnetaan myös nimellä positiivinen beetahajoaminen), se emittoi positronin, vastakkaisen varauksen omaavan elektronin antipartikkelin. Emittoitunut positroni kulkee kudoksessa lyhyen matkan (tyypillisesti alle 1 mm, mutta riippuu isotoopista), jolloin se menettää liike-energiaa, kunnes se hidastuu pisteeseen, jossa se voi vuorovaikuttaa elektronin kanssa. Kohtaaminen annihiloi sekä elektronin että positronin, jolloin syntyy annihilaatiofotonipari (gamma), joka liikkuu suunnilleen vastakkaisiin suuntiin. Nämä havaitaan, kun ne saavuttavat skannauslaitteen tuikelaitteen, jolloin syntyy valopurkaus, joka havaitaan fotomonistinputkilla tai piivyöryvalodiodeilla (Si APD). Tekniikka riippuu fotoniparin samanaikaisesta tai samanaikaisesta havaitsemisesta, joka liikkuu suunnilleen vastakkaisiin suuntiin (ne olisivat täsmälleen vastakkaisia massakeskiössään, mutta skannerilla ei ole mitään keinoa tietää tätä, ja niin on sisäänrakennettu lievä suunta-virhe-toleranssi). Fotonit, jotka eivät saavu ajallisina ”pareina” (eli muutaman nanosekunnin aikaikkunassa), jätetään huomiotta.

positronin annihilaatiotapahtuman lokalisointi

elektroni–positronin annihilaation merkittävin fraktio johtaa siihen, että kaksi 511 keV: n gammafotonia emittoituu lähes 180 asteessa toisiinsa; näin ollen niiden lähde on mahdollista paikallistaa yhteensattumasuoraa pitkin (kutsutaan myös vastesuoraksi eli LOR: ksi). Käytännössä Lorin leveys on nollasta poikkeava, sillä emittoituneet fotonit eivät ole tarkalleen 180 asteen päässä toisistaan. Jos ilmaisimien selvittämisaika on alle 500 pikosekuntia noin 10 nanosekunnin sijaan, tapahtuma on mahdollista paikallistaa soinnun janalle, jonka pituus määräytyy ilmaisimen ajoitustarkkuuden mukaan. Ajoitustarkkuuden parantuessa kuvan signaali-kohina-suhde (SNR) paranee, jolloin saman kuvanlaadun saavuttaminen vaatii vähemmän tapahtumia. Tämä tekniikka ei ole vielä yleinen, mutta sitä on saatavilla joissakin uusissa järjestelmissä.

Kuvan rekonstruktio

PET-skannerin keräämä raakadata on luettelo ”yhteensattumatapahtumista”, jotka edustavat detektoriparin suorittamaa annihilaatiofotonien lähes samanaikaista havaitsemista (tyypillisesti 6-12 nanosekunnin välein). Jokainen yhteensattumatapahtuma edustaa avaruuden linjaa, joka yhdistää kaksi ilmaisinta, joita pitkin positroniemissio tapahtui (eli vastelinja (Lor)).

analyyttisiä tekniikoita, kuten tietokonetomografian (CT) ja yksifotoniemissiotomografian (SPECT) rekonstruointia, käytetään yleisesti, vaikka PET: ssä kerätyt tiedot ovat paljon huonompia kuin CT: ssä, joten rekonstruktiotekniikat ovat vaikeampia. Sattumat voidaan ryhmitellä projektiokuviin, joita kutsutaan sinogrammeiksi. Sinogrammit lajitellaan kunkin näkymän kulman ja kallistuksen mukaan (3D-kuville). Sinogram kuvat ovat analogisia ennusteet kiinni tietokonetomografia (CT) skannerit, ja voidaan rekonstruoida samalla tavalla. Näin saadun tiedon tilastot ovat paljon huonommat kuin transmissiotomografian avulla saadut. Normaalilla PET-aineistolla on miljoonia laskuja koko hankinnalle, kun taas CT voi nousta muutamaan miljardiin. Tämä edistää PET-kuvien näkymistä” äänekkäämpinä ” kuin CT. PET: n kaksi merkittävää melulähdettä ovat hajaantuminen (havaittu fotonipari, josta ainakin toinen poikkesi alkuperäisestä reitistään vuorovaikutuksessa näkökentässä olevan aineen kanssa, mikä johti siihen, että parille annettiin väärä LOR-arvo) ja satunnaistapahtumat (fotonit, jotka olivat peräisin kahdesta eri annihilaatiotapahtumasta, mutta jotka kirjattiin virheellisesti yhteensattumapariksi, koska niiden saapuminen ilmaisimilleen tapahtui yhteensattuman aikaikkunassa).

käytännössä tarvitaan huomattavaa tietojen esikäsittelyä-satunnaisten yhteensattumien korjaamista, hajanaisten fotonien estimointia ja vähentämistä, ilmaisimen kuolleen ajan korjausta (fotonin havaitsemisen jälkeen ilmaisimen on ”jäähdyttävä” uudelleen) ja ilmaisimen herkkyyskorjausta (sekä ilmaisimen luontaisen herkkyyden että kohtauskulmasta johtuvien herkkyyden muutosten osalta).

suodatettua taustaprojektiota (FBP) on käytetty usein rekonstruoimaan kuvia projektioista. Tämän algoritmin etuna on, että se on yksinkertainen, kun taas laskentaresurssien vaatimus on pieni. Haitat ovat, että laukaus melu raakadatan on näkyvästi rekonstruoiduissa kuvissa,ja alueilla korkea merkkiaineen ottoa taipumus muodostaa raitoja koko kuvan. Lisäksi FBP käsittelee tietoja deterministisesti-se ei ota huomioon Pet-tietoihin liittyvää luontaista satunnaisuutta, mikä edellyttää kaikkia edellä kuvattuja rekonstruktiota edeltäviä korjauksia.

tilastolliset, todennäköisyysperusteiset lähestymistavat:Tilastolliset, todennäköisyyteen perustuvat iteratiiviset odotuksen maksimointialgoritmit, kuten Shepp-Vardi-algoritmit, ovat nyt ensisijainen rekonstruktiomenetelmä. Nämä algoritmit laskevat tilastollisiin periaatteisiin perustuvan arvion mitattavaan dataan johtaneiden annihilaatiotapahtumien todennäköisestä jakaumasta. Etuna on parempi kohinaprofiili ja kestävyys FBP: n kanssa yhteisiä juova-artefakteja vastaan, mutta haittana on korkeammat tietokoneen resurssivaatimukset. Tilastollisen kuvan rekonstruktiotekniikan etuna on myös se, että fysikaaliset vaikutukset, jotka olisi korjattava etukäteen analyyttistä rekonstruktioalgoritmia käytettäessä, kuten hajanaiset fotonit, satunnaiset yhteensattumat, vaimennus ja detektori dead-time, voidaan sisällyttää rekonstruktiossa käytettävään todennäköisyysmalliin, jolloin kohina vähenee entisestään. Iteratiivisen rekonstruktion on myös osoitettu johtavan parannuksiin rekonstruoitujen kuvien resoluutiossa, sillä todennäköisyysmalliin voidaan sisällyttää kehittyneempiä skannerin fysiikan malleja kuin analyyttisten rekonstruktiomenetelmien käyttämät, mikä mahdollistaa radioaktiivisuusjakauman paremman kvantifioinnin.

tutkimus on osoittanut, että Bayesilaiset menetelmät, joihin liittyy Poissonin todennäköisyysfunktio ja sopiva ennakkotodennäköisyys (esim., tasoitus ennen johtaa kokonaisvaihtelun Regularisointi tai Laplacian jakelu johtaa ℓ 1 {\displaystyle \ ell _{1}} – pohjainen Regularisointi aaltoliitossa tai muussa verkkotunnuksessa), kuten Ulf Grenanderin seula estimaattori tai Bayes rangaistus menetelmiä tai kautta I. J. Good n karheus menetelmä voi tuottaa erinomaisen suorituskyvyn odotus-maksimointi-pohjainen menetelmiä, joihin liittyy Poisson todennäköisyysfunktio, mutta ei liity tällaista ennen.

Vaimennuskorjaus: kvantitatiivinen PET-kuvantaminen edellyttää vaimennuskorjausta. Näissä järjestelmissä vaimennuskorjaus perustuu 68g: n pyörivällä sauvalähteellä tehtyyn lähetyskuvaukseen.

Lähetyskannaukset mittaavat suoraan vaimennusarvot 511kev: ssä. Vaimeneminen tapahtuu, kun kehon sisällä olevan radiotraketin lähettämät fotonit absorboituvat detektorin ja fotoniemissioiden välissä olevaan kudokseen. Koska eri Lorien täytyy kulkea eri paksuisten kudosten läpi, fotonit vaimenevat eri tavoin. Tuloksena on, että syvällä kehossa olevat rakenteet rekonstruoidaan virheellisen alhaisiksi merkkiaineiden otoksi. Nykyaikainen skannerit voivat arvioida vaimennus integroidun x-ray CT laitteet, sijasta aiemmin laitteet, jotka tarjosivat karkea muoto CT käyttäen gammasäteilyä (positron emitting) lähde ja PET-ilmaisimet.

vaimennuskorjatut kuvat ovat yleensä uskollisempia representaatioita, mutta itse korjausprosessi on altis merkittäville artefakteille. Tämän seurauksena sekä korjatut että korjaamattomat kuvat rekonstruoidaan ja luetaan aina yhdessä.

2D / 3D-rekonstruktio: Varhaisissa PET-skannereissa oli vain yksi ilmaisinrengas, joten tiedonhankinta ja myöhempi rekonstruktio rajoittui yhteen poikittaistasoon. Nykyaikaisemmissa skannereissa on nykyään useita renkaita, jotka käytännössä muodostavat ilmaisimien sylinterin.

on olemassa kaksi tapaa rekonstruoida tietoja tällaisesta skannerista: 1) käsittele jokaista rengasta erillisenä kokonaisuutena siten, että havaitaan vain yhteensattumia renkaan sisällä, kunkin renkaan kuva voidaan sitten rekonstruoida erikseen (2D-rekonstruktio) tai 2) sallia yhteensattumien havaitsemisen renkaiden välillä sekä renkaiden sisällä, rekonstruoi sitten koko tilavuus yhdessä (3D).

3D-tekniikoilla on parempi herkkyys (koska yhteensattumia havaitaan ja käytetään enemmän) ja siten vähemmän melua, mutta ne ovat herkempiä sironnan ja satunnaisten yhteensattumien vaikutuksille ja vaativat vastaavasti suurempia tietokoneresursseja. Alinanosekunnin ajoitusresoluution ilmaisimien tulo mahdollistaa paremman satunnaisen yhteensattumien hylkäämisen, mikä suosii 3D-kuvan rekonstruktiota.

Time-of-flight (TOF) PET: nykyaikaisissa järjestelmissä, joissa on korkeampi aikaresoluutio (noin 3 nanosekuntia), käytetään tekniikkaa nimeltä ”Time-of-flight” yleisen suorituskyvyn parantamiseksi. Time-of-flight PET hyödyntää erittäin nopeita gammasäteilyilmaisimia ja tietojenkäsittelyjärjestelmää, joka pystyy tarkemmin päättämään kahden fotonin havaitsemisen aikaeron. Vaikka on teknisesti mahdotonta paikallistaa annihilaatiotapahtuman alkuperää tarkasti (tällä hetkellä 10 cm: n sisällä), kuvan rekonstruktio on edelleen tarpeen, TOF-tekniikka parantaa kuvanlaatua huomattavasti, erityisesti signaali-kohina-suhdetta.

PET: n ja CT: n tai Mrieditin yhdistelmä

PET-skannaukset luetaan yhä useammin CT-tai magneettikuvaus (MRI) – skannausten rinnalla, jolloin yhdistelmä (ns. ”co-rekisteröinti”) antaa sekä anatomista että metabolista tietoa (eli mikä rakenne on, ja mitä se tekee biokemiallisesti). Koska PET-kuvantaminen on hyödyllisintä yhdessä anatomisen kuvantamisen, kuten CT: n, kanssa, nykyaikaiset PET-skannerit ovat nyt saatavilla integroiduilla huippuluokan MONIANTURIRIVISILLÄ CT-skannereilla (ns. Koska kaksi skannausta voidaan suorittaa välittömästi saman istunnon aikana, jolloin potilas ei vaihda asentoa kahden skannaustyypin välillä, kaksi kuvasarjaa rekisteröidään tarkemmin, niin että PET-kuvantamisen poikkeavuusalueet korreloivat täydellisemmin CT-kuvien anatomian kanssa. Tämä on erittäin hyödyllinen esitettäessä yksityiskohtaisia näkymiä liikkuvista elimistä tai rakenteista, joilla on suurempi anatominen vaihtelu, joka on yleisempää aivojen ulkopuolella.

Jülichin neurotieteiden ja biofysiikan instituutissa aloitti huhtikuussa 2009 toimintansa maailman suurin PET-MRI-laite: 9,4-teslainen magneettikuvaus (MRT) yhdistettynä positroniemissiotomografiin (PET). Tällä hetkellä vain päätä ja aivoja voidaan kuvata näillä suurilla magneettikentän vahvuuksilla.

aivokuvantamisessa CT -, MK-ja PET-kuvausten rekisteröinti voidaan suorittaa ilman integroitua PET-CT-tai PET-MRI-skanneria käyttäen laitetta, joka tunnetaan nimellä N-localizer.

LimitationsEdit

kohteen säteilyannoksen minimointi on lyhytikäisten radionuklidien käytön houkutteleva piirre. Sen lisäksi, että sen vakiintunut rooli diagnostisena tekniikkana, PET: llä on laajeneva rooli menetelmänä arvioida hoitovastetta, erityisesti syöpähoitoa, jossa potilaan riski sairauden etenemisestä ei ole tiedossa, on paljon suurempi kuin testisäteilyn riski. Koska merkkiaineet ovat radioaktiivisia, vanhukset ja raskaana olevat eivät voi käyttää niitä säteilyn aiheuttamien riskien vuoksi.

PET: n laajamittaista käyttöä rajoittavat korkeat kustannukset, jotka aiheutuvat syklotroneista, joita tarvitaan PET: n skannaukseen tarkoitettujen lyhytikäisten radionuklidien tuottamiseen, ja tarve käyttää paikan päällä erityisesti soveltuvia kemiallisia synteesilaitteita radioisotooppivalmisteiden tuottamiseksi. Orgaaniset radiotrakerimolekyylit, jotka sisältävät positronia emittoivan radioisotoopin, eivät voi syntetisoitua ensin ja sitten niiden sisällä valmistettua radioisotooppia, koska syklotronin pommittaminen radioisotoopin valmistamiseksi tuhoaa sille kaikki orgaaniset kantajat. Sen sijaan isotooppi on valmistettava ensin, sitten sen jälkeen kemia minkä tahansa orgaanisen radiotraketin (kuten FDG) valmistamiseksi hyvin nopeasti, lyhyessä ajassa ennen isotoopin hajoamista. Harvat sairaalat ja yliopistot pystyvät ylläpitämään tällaisia järjestelmiä, ja useimmat kliiniset PET tukee kolmannen osapuolen toimittajat radiotraketit, jotka voivat toimittaa useita sivustoja samanaikaisesti. Tämä rajoitus rajoittaa kliinisen PET: n käytön ensisijaisesti fluoriini-18: lla merkittyihin merkkiaineisiin, joiden puoliintumisaika on 110 minuuttia ja jotka voidaan kuljettaa kohtuullisen matkan päähän ennen käyttöä, tai rubidium-82: een (käytetään rubidium-82-kloridina), jonka puoliintumisaika on 1,27 minuuttia, joka luodaan kannettavassa generaattorissa ja jota käytetään sydänlihasperfuusiotutkimuksissa. Viime vuosina on kuitenkin muutamia syklotroneja, joissa on integroitu suojaus, ja ”kuumalaboratorioita” (automatisoituja kemian laboratorioita, jotka pystyvät työskentelemään radioisotooppien kanssa), alkanut kuljettaa LEMMIKKIYKSIKÖITÄ syrjäisiin sairaaloihin. Pienen paikan päällä olevan syklotronin läsnäolo lupaa laajentua tulevaisuudessa, kun syklotronit kutistuvat vastauksena isotooppikuljetusten kalliisiin kustannuksiin kauko-ohjattaviin PET-koneisiin. Viime vuosina PET-kuvausten puute on helpottunut Yhdysvalloissa, kun radioisotooppien toimittamiseen tarkoitettujen radiofarmien yleistyminen on kasvanut 30% vuodessa.

koska fluori-18: n puoliintumisaika on noin kaksi tuntia, tätä radionuklidia sisältävällä valmistetulla radiofarmaseuttisella annoksella on useita hajoamisen puoliintumisaikoja työpäivän aikana. Tämä edellyttää jäljellä olevan annoksen toistuvaa kalibrointia (aktiivisuuden määrittämistä tilavuusyksikköä kohti) ja huolellista suunnittelua potilaan aikataulujen suhteen.