Tomografia ad emissione di positroni

Radionuclidi e radiotracersEdit

i Radionuclidi utilizzati in PET, sono in genere isotopi con emivita breve come il carbonio-11 (~20 min), azoto-13 (~10 min), l’ossigeno-15 (~2 min), il fluoro-18 (~110 min), gallio-68 (~67 min), zirconio-89 (~78.41 ore), o rubidio-82(~1.27 min). Questi radionuclidi sono incorporati in composti normalmente utilizzati dall’organismo come glucosio (o analoghi del glucosio), acqua o ammoniaca, o in molecole che si legano ai recettori o ad altri siti di azione del farmaco. Tali composti marcati sono noti come radiotraccianti. La tecnologia PET può essere utilizzata per tracciare il percorso biologico di qualsiasi composto negli esseri umani viventi (e anche in molte altre specie), a condizione che possa essere radiomarcato con un isotopo PET. Pertanto, i processi specifici che possono essere sondati con PET sono praticamente illimitati e i radiotraccianti per nuove molecole e processi bersaglio continuano a essere sintetizzati; al momento della stesura di questo documento ci sono già dozzine di uso clinico e centinaia applicati nella ricerca. Nel 2020 di gran lunga il radiotracciante più comunemente usato nella scansione PET clinica è 18F-FDG, FDG un analogo del glucosio etichettato con fluoro-18. Questo radiotracciante è utilizzato essenzialmente in tutte le scansioni per l’oncologia e la maggior parte delle scansioni in neurologia, e quindi costituisce la grande maggioranza dei radiotraccianti (>95%) utilizzati nella scansione PET e PET-CT.

A causa della breve emivita della maggior parte dei radioisotopi emettitori di positroni, i radiotraccianti sono stati tradizionalmente prodotti utilizzando un ciclotrone in prossimità dell’impianto di imaging PET. L’emivita di fluoro-18 è abbastanza lunga che i radiotraccianti etichettati con fluoro-18 possono essere fabbricati commercialmente in luoghi fuori sede e spediti ai centri di imaging. Recentemente i generatori di rubidio-82 sono diventati disponibili in commercio. Questi contengono stronzio-82, che decade per cattura elettronica per produrre rubidio-82 che emette positroni.

Immuno-PETEdit

L’isotopo 89Zr è stato applicato al tracciamento e alla quantificazione di anticorpi molecolari con telecamere PET (tomografia ad emissione di positroni) (un metodo chiamato “immuno-PET”). Il metodo utilizza un succinylated derivati di deferoxamina B (N-sucDf) come bifunzionale chelato,

EmissionEdit

Per condurre l’analisi, per un breve periodo, tracciante radioattivo di isotopi viene iniettato nel soggetto vivente (di solito nella circolazione del sangue). Ogni atomo tracciante è stato chimicamente incorporato in una molecola biologicamente attiva. C’è un periodo di attesa mentre la molecola attiva si concentra nei tessuti di interesse; quindi il soggetto viene inserito nello scanner per immagini. La molecola più comunemente utilizzata per questo scopo è F-18 fluorodeossiglucosio etichettato (FDG), uno zucchero, per il quale il periodo di attesa è tipicamente un’ora. Durante la scansione, viene effettuata una registrazione della concentrazione tissutale mentre il tracciante decade.

Mentre il radioisotopo subisce il decadimento dell’emissione di positroni (noto anche come decadimento beta positivo), emette un positrone, un’antiparticella dell’elettrone con carica opposta. Il positrone emesso viaggia nel tessuto per una breve distanza (tipicamente inferiore a 1 mm, ma dipendente dall’isotopo), durante il quale perde energia cinetica, finché non decelera fino a un punto in cui può interagire con un elettrone. L’incontro annichilisce sia l’elettrone che il positrone, producendo una coppia di fotoni di annichilazione (gamma) che si muovono in direzioni approssimativamente opposte. Questi vengono rilevati quando raggiungono uno scintillatore nel dispositivo di scansione, creando una raffica di luce che viene rilevata da tubi fotomoltiplicatori o fotodiodi a valanga di silicio (Si APD). La tecnica dipende dal rilevamento simultaneo o coincidente della coppia di fotoni che si muovono in direzioni approssimativamente opposte (sarebbero esattamente opposte nel loro centro di massa, ma lo scanner non ha modo di saperlo, e quindi ha una leggera tolleranza di errore di direzione incorporata). I fotoni che non arrivano in “coppie” temporali (cioè entro una finestra temporale di pochi nanosecondi) vengono ignorati.

Localizzazione dell’evento di annichilazione dei positronimodifica

La frazione più significativa di annichilazioni elettrone–positroni provoca l’emissione di due fotoni gamma da 511 keV a quasi 180 gradi l’uno dall’altro; quindi, è possibile localizzare la loro sorgente lungo una linea retta di coincidenza (chiamata anche linea di risposta, o LOR). In pratica, il LOR ha una larghezza diversa da zero in quanto i fotoni emessi non sono esattamente distanti 180 gradi. Se il tempo di risoluzione dei rivelatori è inferiore a 500 picosecondi anziché circa 10 nanosecondi, è possibile localizzare l’evento su un segmento di un accordo, la cui lunghezza è determinata dalla risoluzione dei tempi del rivelatore. Man mano che la risoluzione dei tempi migliora, il rapporto segnale-rumore (SNR) dell’immagine migliorerà, richiedendo meno eventi per ottenere la stessa qualità dell’immagine. Questa tecnologia non è ancora comune, ma è disponibile su alcuni nuovi sistemi.

Ricostruzione delle immaginimodifica

I dati grezzi raccolti da uno scanner PET sono un elenco di “eventi di coincidenza” che rappresentano il rilevamento quasi simultaneo (in genere, entro una finestra di 6-12 nanosecondi l’uno dall’altro) di fotoni di annichilazione da parte di una coppia di rivelatori. Ogni evento di coincidenza rappresenta una linea nello spazio che collega i due rivelatori lungo i quali si è verificata l’emissione di positroni (cioè la linea di risposta (LOR)).

Le tecniche analitiche, molto simili alla ricostruzione dei dati della tomografia computerizzata (CT) e della tomografia computerizzata a emissione di singolo fotone (SPECT), sono comunemente utilizzate, sebbene il set di dati raccolto in PET sia molto più povero della TC, quindi le tecniche di ricostruzione sono più difficili. Gli eventi di coincidenza possono essere raggruppati in immagini di proiezione, chiamate sinogrammi. I sinogrammi sono ordinati in base all’angolo di ogni vista e inclinazione (per le immagini 3D). Le immagini del sinogramma sono analoghe alle proiezioni catturate dagli scanner della tomografia computerizzata (CT) e possono essere ricostruite in modo simile. Le statistiche dei dati così ottenuti sono molto peggiori di quelle ottenute attraverso la tomografia a trasmissione. Un normale set di dati PET ha milioni di conteggi per l’intera acquisizione, mentre il CT può raggiungere alcuni miliardi di conteggi. Ciò contribuisce a far apparire le immagini degli ANIMALI DOMESTICI “più rumorose” di CT. Due principali fonti di rumore nel PET sono lo scatter (una coppia di fotoni rilevata, almeno uno dei quali è stato deviato dal suo percorso originale dall’interazione con la materia nel campo visivo, portando la coppia ad essere assegnata a un LOR errato) e gli eventi casuali (fotoni originati da due diversi eventi di annientamento ma erroneamente registrati come coppia di coincidenza perché il loro arrivo ai rispettivi rivelatori è avvenuto entro una finestra temporale di coincidenza).

In pratica, è necessaria una notevole pre-elaborazione dei dati-correzione per coincidenze casuali, stima e sottrazione di fotoni sparsi, correzione del tempo morto del rivelatore (dopo il rilevamento di un fotone, il rivelatore deve “raffreddarsi” di nuovo) e correzione della sensibilità del rivelatore (sia per la sensibilità intrinseca del rivelatore che per i cambiamenti di sensibilità dovuti all’angolo di incidenza).

La proiezione posteriore filtrata (FBP) è stata spesso utilizzata per ricostruire le immagini dalle proiezioni. Questo algoritmo ha il vantaggio di essere semplice pur avendo un basso requisito per le risorse di calcolo. Gli svantaggi sono che il rumore sparato nei dati grezzi è prominente nelle immagini ricostruite, e le aree di alto assorbimento tracciante tendono a formare strisce attraverso l’immagine. Inoltre, FBP tratta i dati in modo deterministico—non tiene conto della casualità intrinseca associata ai dati PET, richiedendo quindi tutte le correzioni pre-ricostruzione descritte sopra.

Approcci statistici basati sulla verosimiglianza:Gli algoritmi statistici di massimizzazione delle aspettative iterative basati sulla verosimiglianza, come l’algoritmo Shepp-Vardi, sono ora il metodo di ricostruzione preferito. Questi algoritmi calcolano una stima della probabile distribuzione degli eventi di annientamento che hanno portato ai dati misurati, sulla base di principi statistici. Il vantaggio è un migliore profilo di rumore e resistenza agli artefatti streak comuni con FBP, ma lo svantaggio è più elevati requisiti di risorse del computer. Un ulteriore vantaggio delle tecniche di ricostruzione statistica delle immagini è che gli effetti fisici che dovrebbero essere pre-corretti quando si utilizza un algoritmo di ricostruzione analitica, come fotoni sparsi, coincidenze casuali, attenuazione e tempo morto del rivelatore, possono essere incorporati nel modello di verosimiglianza utilizzato nella ricostruzione, consentendo un’ulteriore riduzione del rumore. La ricostruzione iterativa ha anche dimostrato di migliorare la risoluzione delle immagini ricostruite, poiché nel modello di verosimiglianza possono essere incorporati modelli più sofisticati della fisica dello scanner rispetto a quelli utilizzati dai metodi di ricostruzione analitica, consentendo una migliore quantificazione della distribuzione della radioattività.

La ricerca ha dimostrato che i metodi bayesiani che coinvolgono una funzione di verosimiglianza di Poisson e una probabilità precedente appropriata (ad es., un precedente di livellamento che porta alla regolarizzazione della variazione totale o una distribuzione laplaciana che porta a regul 1 {\displaystyle \ell _{1}} -regolarizzazione basata su wavelet o altro dominio), come tramite lo stimatore Sieve di Ulf Grenander o tramite i metodi di penalità di Bayes o tramite il metodo di rugosità di IJ Good può produrre prestazioni superiori ai metodi basati sulla massimizzazione delle aspettative che coinvolgono una funzione di verosimiglianza di Poisson ma non coinvolgono tale precedente.

Attenuazione correzione: quantitativa PET Imaging richiede attenuazione correzione. In questi sistemi la correzione dell’attenuazione si basa su una scansione di trasmissione utilizzando la sorgente dell’asta rotante 68Ge.

Le scansioni di trasmissione misurano direttamente i valori di attenuazione a 511keV. L’attenuazione si verifica quando i fotoni emessi dal radiotracer all’interno del corpo vengono assorbiti intervenendo tessuto tra il rivelatore e l’emissione del fotone. Poiché diversi LORS devono attraversare diversi spessori di tessuto, i fotoni sono attenuati in modo differenziato. Il risultato è che le strutture in profondità nel corpo vengono ricostruite come aventi un assorbimento falsamente basso del tracciante. Gli scanner contemporanei possono stimare l’attenuazione utilizzando apparecchiature CT a raggi X integrate, al posto di apparecchiature precedenti che offrivano una forma grezza di CT utilizzando una sorgente di raggi gamma (emissione di positroni) e i rivelatori PET.

Mentre le immagini corrette dall’attenuazione sono generalmente rappresentazioni più fedeli, il processo di correzione è di per sé suscettibile di artefatti significativi. Di conseguenza, sia le immagini corrette che quelle non corrette vengono sempre ricostruite e lette insieme.

Ricostruzione 2D/3D: I primi scanner PET avevano un solo anello di rivelatori, quindi l’acquisizione dei dati e la successiva ricostruzione era limitata a un singolo piano trasversale. Gli scanner più moderni ora includono più anelli, essenzialmente formando un cilindro di rivelatori.

Esistono due approcci per ricostruire i dati da tale scanner: 1) trattare ogni anello come un’entità separata, in modo che vengano rilevate solo coincidenze all’interno di un anello, l’immagine di ciascun anello può quindi essere ricostruita individualmente (ricostruzione 2D), o 2) consentire di rilevare coincidenze tra anelli e all’interno di anelli, quindi ricostruire l’intero volume insieme (3D).

Le tecniche 3D hanno una migliore sensibilità (perché vengono rilevate e utilizzate più coincidenze) e quindi meno rumore, ma sono più sensibili agli effetti di scatter e coincidenze casuali, oltre a richiedere corrispondentemente maggiori risorse del computer. L’avvento di rilevatori di risoluzione di temporizzazione sub-nanosecondi offre una migliore rifiuto casuale coincidenza, favorendo così la ricostruzione dell’immagine 3D.

Tempo di volo (TOF) PET: Per i sistemi moderni con una risoluzione temporale più elevata (circa 3 nanosecondi) viene utilizzata una tecnica chiamata “Tempo di volo” per migliorare le prestazioni complessive. Tempo di volo PET fa uso di rivelatori di raggi gamma molto veloci e sistema di elaborazione dati che può decidere con maggiore precisione la differenza di tempo tra il rilevamento dei due fotoni. Sebbene sia tecnicamente impossibile localizzare esattamente il punto di origine dell’evento di annientamento (attualmente entro 10 cm), quindi è ancora necessaria la ricostruzione dell’immagine, la tecnica TOF offre un notevole miglioramento della qualità dell’immagine, in particolare del rapporto segnale-rumore.

Combinazione di PET con CT o MRIEdit

le scansioni PET sono sempre più leggere insieme la TC o la risonanza magnetica (MRI), con la combinazione (chiamato “co-registrazione”) che dà anatomiche e informazioni metaboliche (cioè, che la struttura è, e che cosa sta facendo biochimicamente). Poiché l’imaging PET è molto utile in combinazione con l’imaging anatomico, come la TC, i moderni scanner PET sono ora disponibili con scanner CT multi-detector-row integrati di fascia alta (i cosiddetti “PET-CT”). Poiché le due scansioni possono essere eseguite in sequenza immediata durante la stessa sessione, con il paziente che non cambia posizione tra i due tipi di scansioni, le due serie di immagini sono registrate in modo più preciso, in modo che le aree di anomalia sull’imaging PET possano essere più perfettamente correlate con l’anatomia sulle immagini CT. Questo è molto utile per mostrare viste dettagliate di organi o strutture in movimento con una maggiore variazione anatomica, che è più comune al di fuori del cervello.

Presso l’Istituto di Neuroscienze e Biofisica di Jülich, il più grande dispositivo PET-MRI del mondo ha iniziato a funzionare nell’aprile 2009: un tomografo a risonanza magnetica da 9,4 tesla (MRT) combinato con un tomografo a emissione di positroni (PET). Attualmente, solo la testa e il cervello possono essere imaged a queste alte forze del campo magnetico.

Per l’imaging cerebrale, la registrazione delle scansioni TC, RM e PET può essere eseguita senza la necessità di uno scanner PET-CT o PET-MRI integrato utilizzando un dispositivo noto come N-localizzatore.

limitazionimodifica

La minimizzazione della dose di radiazioni al soggetto è una caratteristica interessante dell’uso di radionuclidi di breve durata. Oltre al suo ruolo consolidato come tecnica diagnostica, PET ha un ruolo in espansione come metodo per valutare la risposta alla terapia, in particolare, la terapia del cancro, dove il rischio per il paziente dalla mancanza di conoscenza circa il progresso della malattia è molto maggiore del rischio dalla radiazione di prova. Poiché i traccianti sono radioattivi, gli anziani e le donne incinte non sono in grado di utilizzarli a causa dei rischi posti dalle radiazioni.

Le limitazioni all’uso diffuso del PET derivano dagli elevati costi dei ciclotroni necessari per produrre i radionuclidi di breve durata per la scansione del PET e dalla necessità di apparecchi di sintesi chimica appositamente adattati in loco per produrre i radiofarmaci dopo la preparazione dei radioisotopi. Le molecole organiche di radiotracer che conterranno un radioisotopo emettitore di positroni non possono essere sintetizzate prima e poi il radioisotopo preparato al loro interno, perché il bombardamento con un ciclotrone per preparare il radioisotopo distrugge qualsiasi vettore organico per esso. Anziché, l “isotopo deve essere preparato prima, poi in seguito, la chimica per preparare qualsiasi radiotracciante organico (come FDG) compiuto molto rapidamente, nel breve tempo prima che l” isotopo decade. Pochi ospedali e università sono in grado di mantenere tali sistemi, e la maggior parte PET clinica è supportato da fornitori terzi di radiotraccianti che possono fornire molti siti contemporaneamente. Questa limitazione limita il PET clinico principalmente all’uso di traccianti etichettati con fluoro-18, che ha un’emivita di 110 minuti e può essere trasportato a una distanza ragionevole prima dell’uso, o al rubidio-82 (usato come cloruro di rubidio-82) con un’emivita di 1,27 minuti, che viene creato in un generatore portatile e viene utilizzato per studi di perfusione miocardica. Tuttavia, negli ultimi anni alcuni ciclotroni in loco con schermatura integrata e” hot labs ” (laboratori di chimica automatizzati in grado di lavorare con radioisotopi) hanno iniziato ad accompagnare le unità PET negli ospedali remoti. La presenza del piccolo ciclotrone in loco promette di espandersi in futuro mentre i ciclotroni si restringono in risposta all’elevato costo del trasporto di isotopi alle macchine PET remote. Negli ultimi anni la carenza di scansioni PET è stata alleviata negli Stati Uniti, poiché il lancio di radiofarmacie per fornire radioisotopi è cresciuto del 30%/anno.

Poiché l’emivita di fluoro-18 è di circa due ore, la dose preparata di un radiofarmaco che sopporta questo radionuclide subirà emivite multiple di decadimento durante la giornata lavorativa. Ciò richiede una frequente ricalibrazione della dose rimanente (determinazione dell’attività per unità di volume) e un’attenta pianificazione rispetto alla pianificazione del paziente.