Positron emissie tomografie

Radionucliden en radiotracersEdit

Radionucliden gebruikt in PET-scans, worden meestal isotopen met korte halfwaardetijd zoals koolstof-11 (~20 min), stikstof-13 (~10 min), zuurstof-15 (~2 min), fluor-18 (~110 min), gallium-68 (~67 min), zirconium-89 (~78.41 uur), of rubidium-82(~1.27 min). Deze radionucliden worden opgenomen of in verbindingen die normaal door het lichaam zoals glucose (of glucose-analogen), water, of ammoniak, of in molecules worden gebruikt die aan receptoren of andere plaatsen van drugactie binden. Dergelijke geëtiketteerde verbindingen staan bekend als radiotracers. De technologie van het huisdier kan worden gebruikt om de biologische weg van om het even welke samenstelling in levende mensen (en vele andere species ook) te traceren, op voorwaarde dat het met een PET-isotoop kan worden radioactief gelabeld. Zo zijn de specifieke processen die met PET kunnen worden gesondeerd vrijwel onbegrensd, en radiotracers voor nieuwe doelmoleculen en processen blijven worden gesynthetiseerd; vanaf dit schrijven zijn er al tientallen in klinisch gebruik en honderden toegepast in onderzoek. In 2020 is veruit de meest gebruikte radiotracer in klinisch PET-aftasten 18F-FDG, FDG een analoog van glucose dat met Fluor-18 wordt geëtiketteerd. Deze radiotracer wordt gebruikt in vrijwel alle scans voor oncologie en de meeste scans voor Neurologie, en maakt dus de grote meerderheid uit van de radiotracer (>95%) die wordt gebruikt voor PET-en PET-CT-scanning.

vanwege de korte halfwaardetijden van de meeste positron-emitterende radio-isotopen, worden de radiotracers traditioneel geproduceerd met behulp van een cyclotron in de nabijheid van de PET-beeldvormingsfaciliteit. De halveringstijd van fluor-18 is lang genoeg dat radiotracers die met Fluor-18 worden geëtiketteerd Commercieel op offsite plaatsen kunnen worden vervaardigd en aan weergavecentra worden verscheept. Sinds kort zijn rubidium-82 generatoren in de handel verkrijgbaar. Deze bevatten strontium-82, dat vervalt door elektronenvangst om positron-emitterende rubidium-82 te produceren.

Immuno-PETEdit

de isotoop 89Zr is toegepast op het volgen en kwantificeren van moleculaire antilichamen met positron emissie tomografie (PET) camera ‘ s (een methode genaamd “immuno-PET”). De methode maakt gebruik van een gesuccinyleerd derivaat van desferrioxamine B (N-sucDf) als bifunctioneel chelaat,

EmissionEdit

om de scan uit te voeren, wordt een kortlevende radioactieve tracer isotoop geïnjecteerd in de levende proefpersoon (meestal in de bloedcirculatie). Elk traceratoom is chemisch opgenomen in een biologisch actief molecuul. Er is een wachttijd terwijl de actieve molecule wordt geconcentreerd in weefsels van belang; dan wordt het onderwerp geplaatst in de weergavescanner. De molecule die het meest meestal voor dit doel wordt gebruikt is F-18 geëtiketteerd fluorodeoxyglucose (FDG), een suiker, waarvoor de wachttijd typisch een uur is. Tijdens het aftasten, wordt een verslag van weefselconcentratie gemaakt aangezien de tracer vervalt.

omdat de radio-isotoop een positron-emissieverval ondergaat (ook bekend als positief bètaverval), zendt het een positron uit, een antideeltje van het elektron met tegengestelde lading. Het uitgestoten positron reist in weefsel voor een korte afstand (meestal minder dan 1 mm, maar afhankelijk van de isotoop), gedurende welke tijd het kinetische energie verliest, totdat het vertraagt tot een punt waar het kan interageren met een elektron. De encounter vernietigt zowel elektron als positron en produceert een paar annihilatie (gamma) fotonen die zich in ongeveer tegengestelde richtingen bewegen. Deze worden gedetecteerd wanneer ze een scintillator in het scanapparaat bereiken, waardoor een uitbarsting van licht ontstaat die wordt gedetecteerd door fotomultiplicatorbuizen of silicium avalanche photodiodes (Si APD). De techniek hangt af van gelijktijdige of samenvallende detectie van het paar fotonen die zich in ongeveer tegengestelde richtingen bewegen (ze zouden precies tegenovergesteld zijn in hun centrum van massa frame, maar de scanner heeft geen manier om dit te weten, en heeft dus een ingebouwde lichte richting-fouttolerantie). Fotonen die niet in temporele “paren” aankomen (d.w.z. binnen een tijdsvenster van enkele nanoseconden) worden genegeerd.

lokalisatie van de positron annihilatie eventEdit

de belangrijkste fractie van elektron-positron annihilaties resulteert in twee 511 keV gammamotonen die bij bijna 180 graden naar elkaar worden uitgezonden; daarom is het mogelijk om hun bron te lokaliseren langs een rechte lijn van toeval (ook wel de responslijn of Lor genoemd). In de praktijk heeft de LOR een niet-nulbreedte omdat de uitgestraalde fotonen niet precies 180 graden uit elkaar liggen. Als de oplossende tijd van de detectoren minder dan 500 picoseconden eerder dan ongeveer 10 nanoseconden is, is het mogelijk om de gebeurtenis aan een segment van een akkoord te lokaliseren, waarvan de lengte door de resolutie van de detectortiming wordt bepaald. Naarmate de tijdsresolutie verbetert, zal de signaal-ruisverhouding (SNR) van het beeld verbeteren, waardoor minder gebeurtenissen nodig zijn om dezelfde beeldkwaliteit te bereiken. Deze technologie is nog niet gebruikelijk, maar is beschikbaar op een aantal nieuwe systemen.

Beeldreconstructie

de ruwe gegevens die door een PET-scanner worden verzameld, zijn een lijst van ’toevalligheden’ die bijna-gelijktijdige detectie (meestal binnen een venster van 6 tot 12 nanoseconden van elkaar) van annihilatiefotonen door een paar detectoren weergeven. Elke toevalligheid vertegenwoordigt een lijn in de ruimte die de twee detectoren verbindt waarlangs de positronemissie plaatsvond (d.w.z. de responslijn (Lor)).

analytische technieken, zoals de reconstructie van computertomografie (CT) en single-photon emission computertomografie (SPECT) gegevens, worden vaak gebruikt, hoewel de gegevensverzameling in PET veel armer is dan CT, zodat reconstructie technieken moeilijker zijn. Toeval gebeurtenissen kunnen worden gegroepeerd in projectie beelden, genaamd sinogrammen. De sinogrammen worden gesorteerd op de hoek van elke weergave en kanteling (voor 3D-beelden). De sinogrambeelden zijn analoog aan de projecties die door scanners van computertomografie (CT) worden gevangen, en kunnen op een gelijkaardige manier worden gereconstrueerd. De statistieken van de aldus verkregen gegevens zijn veel slechter dan die verkregen door middel van transmissietomografie. Een normale PET-dataset heeft miljoenen tellingen voor de hele overname, terwijl de CT een paar miljard tellingen kan bereiken. Dit draagt bij aan huisdier beelden verschijnen “luidruchtiger” dan CT. Twee belangrijke bronnen van ruis in PET zijn verstrooiing (een gedetecteerd paar fotonen, waarvan er ten minste één werd afgebogen van zijn oorspronkelijke pad door interactie met materie in het gezichtsveld, waardoor het paar werd toegewezen aan een onjuiste LOR) en willekeurige gebeurtenissen (fotonen afkomstig van twee verschillende annihilatie gebeurtenissen, maar onjuist geregistreerd als een toeval paar omdat hun aankomst bij hun respectieve detectoren gebeurde binnen een toeval timing venster).

in de praktijk is een aanzienlijke voorbewerking van de gegevens vereist—correctie voor toevallige toevalligheden, schatting en aftrekking van verstrooide fotonen, correctie in de dode tijd van de detector (na detectie van een foton moet de detector opnieuw afkoelen) en correctie in de gevoeligheid van de detector (zowel voor inherente gevoeligheid van de detector als voor veranderingen in gevoeligheid als gevolg van de invalshoek).

Filtered back projection (FBP) is vaak gebruikt om beelden van de projecties te reconstrueren. Dit algoritme heeft het voordeel dat het eenvoudig is, terwijl het een lage behoefte heeft aan computing resources. De nadelen zijn dat het geschotene lawaai in de ruwe gegevens in de gereconstrueerde beelden prominent is, en gebieden van hoog tracerbegrijpen neigen om strepen over het beeld te vormen. Ook behandelt FBP de gegevens deterministisch-het houdt geen rekening met de inherente willekeur geassocieerd met PET-gegevens, waardoor alle hierboven beschreven pre-reconstructie-correcties vereist zijn.

statistische, op waarschijnlijkheid gebaseerde benaderingen:Statistische, waarschijnlijkheid-gebaseerde iteratieve verwachting-maximalisatie algoritmen zoals de Shepp-Vardi algoritmare nu de voorkeur methode van reconstructie. Deze algoritmen berekenen een schatting van de waarschijnlijke verdeling van annihilatie gebeurtenissen die hebben geleid tot de gemeten gegevens, gebaseerd op statistische principes. Het voordeel is een beter ruisprofiel en weerstand tegen de streak artefacten gemeenschappelijk met FBP, maar het nadeel is Hogere computer resource eisen. Een ander voordeel van statistische beeldreconstructie technieken is dat de fysische effecten die vooraf gecorrigeerd moeten worden bij het gebruik van een analytisch reconstructie algoritme, zoals verspreide fotonen, willekeurige toevalligheden, demping en Detector dode tijd, kunnen worden opgenomen in het waarschijnlijkheidsmodel dat wordt gebruikt in de reconstructie, waardoor extra ruisonderdrukking mogelijk is. Iteratieve reconstructie blijkt ook te resulteren in verbeteringen in de resolutie van de gereconstrueerde beelden, omdat meer geavanceerde modellen van de scannerfysica in het waarschijnlijkheidsmodel kunnen worden opgenomen dan die welke worden gebruikt door analytische reconstructie methoden, waardoor een betere kwantificering van de radioactiviteit distributie mogelijk is.

onderzoek heeft aangetoond dat Bayesiaanse methoden die een Poisson-waarschijnlijkheidsfunctie en een geschikte voorafgaande waarschijnlijkheid (bijv., a smoothing prior leading to total variation regularisatie or a Laplacian distribution leading to growth 1 {\displaystyle \ell _{1}} -based regularisatie in a wavelet or other domain), zoals via Ulf Grenander ’s Sieve estimator of via Bayes penalty methods of via I. J. Good’ s ruwheidsmethode kan superieure prestaties opleveren ten opzichte van verwachting-maximalisatie-gebaseerde methoden die een Poisson waarschijnlijkheidsfunctie impliceren, maar niet een dergelijke prior.

Verzwakkingscorrectie: kwantitatieve Pet-beeldvorming vereist verzwakkingscorrectie. In deze systemen demping correctie is gebaseerd op een transmissie scan met behulp van 68Ge roterende staaf bron.

Transmissiescans meten direct dempingswaarden bij 511keV. De verzwakking komt voor wanneer de fotonen die door de radiotracer binnen het lichaam worden uitgezonden door tussenliggende weefsel tussen de detector en de emissie van het foton worden geabsorbeerd. Aangezien verschillende LORs verschillende diktes van weefsel moeten doorkruisen, worden de fotonen verschillend verzwakt. Het resultaat is dat structuren diep in het lichaam worden gereconstrueerd als met vals lage Tracer opname. Hedendaagse scanners kunnen de verzwakking schatten met behulp van geïntegreerde X-ray CT-apparatuur, in plaats van eerdere apparatuur die een ruwe vorm van CT met behulp van een gammastraling (positron emitting) bron en de PET detectoren aangeboden.

terwijl voor verzwakking gecorrigeerde beelden over het algemeen meer getrouwe weergaven zijn, is het correctieproces zelf gevoelig voor belangrijke artefacten. Hierdoor worden zowel gecorrigeerde als ongecorrigeerde beelden altijd gereconstrueerd en samen gelezen.

2D / 3D-reconstructie: Vroege PET-scanners hadden slechts één ring detectoren, vandaar dat het verzamelen van gegevens en de daaropvolgende reconstructie beperkt was tot één enkel dwarsvlak. Modernere scanners bevatten nu meerdere ringen, die in wezen een cilinder van detectoren vormen.

er zijn twee benaderingen om gegevens van een dergelijke scanner te reconstrueren: 1) behandel elke ring als een aparte entiteit, zodat alleen toevalligheden binnen een ring worden gedetecteerd, het beeld van elke ring kan dan individueel worden gereconstrueerd (2D reconstructie), of 2) laat toevalligheden worden gedetecteerd tussen ringen en binnen ringen, reconstrueer dan het gehele volume samen (3D).

3D-technieken hebben een betere gevoeligheid (omdat er meer toevalligheden worden gedetecteerd en gebruikt) en dus minder ruis, maar zijn gevoeliger voor de effecten van verstrooiing en willekeurige toevalligheden, en vereisen dienovereenkomstig meer computerbronnen. De komst van de detectoren van de sub-nanoseconde timingsresolutie staat betere willekeurige toevalligheidsverwijzing toe, waarbij 3D beeldreconstructie wordt begunstigd.

time-of-flight (TOF) PET: voor moderne systemen met een hogere tijdresolutie (ongeveer 3 nanoseconden) wordt een techniek genaamd “Time-of-flight” gebruikt om de algehele prestaties te verbeteren. Time-of-flight PET maakt gebruik van zeer snelle gammastraling detectoren en data processing systeem dat nauwkeuriger kan beslissen het verschil in tijd tussen de detectie van de twee fotonen. Hoewel het technisch onmogelijk is om het punt van oorsprong van de annihilatie-gebeurtenis precies te lokaliseren (momenteel binnen 10 cm), is beeldreconstructie nog steeds nodig, TOF-techniek geeft een opmerkelijke verbetering in beeldkwaliteit, met name signaal-ruisverhouding.

combinatie van PET met CT of MRIEdit

PET-scans worden in toenemende mate gelezen naast CT-of magnetische resonantie imaging (MRI) scans, met de combinatie (genoemd “co-registratie”) geven zowel anatomische en metabolische informatie (d.w.z., wat de structuur is, en wat het biochemisch doet). Omdat pet-beeldvorming het nuttigst is in combinatie met anatomische beeldvorming, zoals CT, zijn moderne PET-scanners nu beschikbaar met geïntegreerde high-end multi-detector-rij CT-scanners (zogenaamde “PET-CT”). Omdat de twee scans in onmiddellijke volgorde tijdens dezelfde sessie kunnen worden uitgevoerd, waarbij de patiënt niet van positie verandert tussen de twee soorten scans, worden de twee reeksen beelden nauwkeuriger geregistreerd, zodat gebieden van abnormaliteit op de beeldvorming van het huisdier beter kunnen worden gecorreleerd met anatomie op de CT-beelden. Dit is zeer nuttig in het tonen van gedetailleerde meningen van bewegende organen of structuren met hogere anatomische variatie, die gemeenschappelijker buiten de hersenen is.

aan het Jülich Institute of Neurosciences and Biophysics werd in April 2009 het grootste PET-MRI-apparaat ter wereld operationeel: een 9,4-Tesla magnetic resonance tomograph (MRT) gecombineerd met een positron emission tomograph (PET). Op dit moment kunnen alleen het hoofd en de hersenen worden afgebeeld op deze hoge magnetische veldsterktes.

voor beeldvorming van de hersenen kan registratie van CT -, MRI-en PET-scans worden uitgevoerd zonder dat een geïntegreerde PET-CT-of PET-MRI-scanner nodig is met behulp van een apparaat dat bekend staat als de n-localizer.

limietwaarden

het minimaliseren van de stralingsdosis voor de proefpersoon is een aantrekkelijk kenmerk van het gebruik van kortlevende radionucliden. Naast zijn gevestigde rol als diagnostische techniek, heeft PET een groeiende rol als methode om de respons op therapie te beoordelen, in het bijzonder kankertherapie, waarbij het risico voor de patiënt door gebrek aan kennis over ziektevooruitgang veel groter is dan het risico van de teststraling. Aangezien de tracers radioactief zijn, kunnen ouderen en zwangere vrouwen het niet gebruiken vanwege de risico ‘ s van straling.

beperkingen op het wijdverbreide gebruik van PET zijn het gevolg van de hoge kosten van cyclotronen die nodig zijn om de kortlevende radionucliden voor PET-scanning te produceren en de behoefte aan speciaal aangepaste apparatuur voor chemische synthese ter plaatse om de radiofarmaceutica te produceren na bereiding van een radio-isotoop. Organische radiotracermoleculen die een positron-emitterende radio-isotoop zullen bevatten kunnen niet eerst worden gesynthetiseerd en vervolgens wordt de radio-isotoop erin bereid, omdat bombardement met een cyclotron om de radio-isotoop voor te bereiden elke organische drager voor het vernietigt. In plaats daarvan moet de isotoop eerst worden bereid, dan daarna, de chemie om een organische radiotracer (zoals FDG) te bereiden zeer snel bereikt, in de korte tijd voordat de isotoop vervalt. Weinig ziekenhuizen en universiteiten zijn in staat om dergelijke systemen te onderhouden, en de meeste klinische PET wordt ondersteund door externe leveranciers van radiotracers die veel sites tegelijkertijd kunnen leveren. Deze beperking beperkt klinische PET voornamelijk tot het gebruik van verklikstoffen die zijn geëtiketteerd met Fluor-18, met een halfwaardetijd van 110 minuten en die vóór gebruik over een redelijke afstand kunnen worden vervoerd, of tot rubidium-82 (gebruikt als rubidium-82 chloride) met een halfwaardetijd van 1,27 minuten, die wordt gecreëerd in een draagbare generator en wordt gebruikt voor myocardiale perfusiestudies. Niettemin zijn in de afgelopen jaren een paar on-site cyclotrons met geïntegreerde afscherming en “hot labs” (geautomatiseerde chemie labs die in staat zijn om te werken met radio-isotopen) begonnen met het begeleiden van PET-eenheden naar afgelegen ziekenhuizen. De aanwezigheid van de kleine cyclotron op locatie belooft in de toekomst uit te breiden als de cyclotron krimpen als reactie op de hoge kosten van isotopentransport naar externe PET-machines. In de afgelopen jaren is het tekort aan PET-scans in de VS verminderd, aangezien de uitrol van radiofarmacies om radio-isotopen te leveren met 30% per jaar is toegenomen.

omdat de halfwaardetijd van fluor-18 ongeveer twee uur bedraagt, zal de bereide dosis van een radiofarmaceuticum met dit radionuclide gedurende de werkdag meerdere vervalhalfwaardetijden ondergaan. Dit vereist frequente herkalibratie van de resterende dosis (bepaling van de activiteit per volume-eenheid) en zorgvuldige planning met betrekking tot de planning van de patiënt.