Pozytonowa tomografia emisyjna

radionuklidy i radioznaczniki edytuj

radionuklidy stosowane w skanowaniu PET są zazwyczaj izotopami o krótkim okresie półtrwania, takimi jak węgiel-11 (~20 min), azot-13 (~10 min), tlen-15 (~2 min), fluor-18 (~110 min), gal-68 (~67 min), cyrkon-89 (~78,41 godziny) lub rubid-82(~1,27 min). Te radionuklidy są włączone albo do związków normalnie stosowanych przez organizm, takich jak glukoza (lub analogi glukozy), woda lub amoniak, lub do cząsteczek, które wiążą się z receptorami lub innymi miejscami działania leku. Takie znakowane związki są znane jako radioznaczniki. Technologia PET może być wykorzystana do śledzenia szlaku biologicznego dowolnego związku u żywych ludzi (i wielu innych gatunków), pod warunkiem, że może być znakowany izotopem PET. Tak więc specyficzne procesy, które mogą być badane za pomocą PET, są praktycznie nieograniczone, a radiotracery dla nowych cząsteczek docelowych i procesów są nadal syntetyzowane; w chwili pisania tego tekstu istnieją już dziesiątki w użyciu klinicznym i setki stosowane w badaniach. W 2020 r. najczęściej stosowanym radioznacznikiem w klinicznym skanowaniu PET jest 18F-FDG, FDG Analog glukozy oznaczony fluorem-18. Ten radiotracer jest używany w zasadzie we wszystkich skanach do onkologii i większości skanów w neurologii, a zatem stanowi znaczną większość radioznacznika (>95%) używanego w skanowaniu PET i PET-CT.

ze względu na krótki okres półtrwania większości radioizotopów emitujących pozyton, radioznaczniki tradycyjnie wytwarzano przy użyciu cyklotronu w pobliżu obiektu obrazowania PET. Okres półtrwania fluoru-18 jest na tyle długi, że radioznaczniki oznaczone fluorem-18 mogą być wytwarzane komercyjnie w lokalizacjach poza siedzibą firmy i wysyłane do ośrodków obrazowania. Ostatnio Generatory rubidu-82 stały się dostępne na rynku. Zawierają one stront-82, który rozpada się w wyniku wychwytywania elektronów w celu wytworzenia emitującego pozyton rubidu-82.

Immuno-PETEdit

izotop 89Zr został zastosowany do śledzenia i kwantyfikacji przeciwciał molekularnych za pomocą kamer pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) (metoda zwana „immuno-PET”). Metoda wykorzystuje sukcynylowaną pochodną desferrioksaminy B (n-sucDf) jako chelat dwufunkcyjny,

Emisjedytuj

aby przeprowadzić skan, krótkotrwały radioaktywny izotop znacznika jest wstrzykiwany do żywego podmiotu (Zwykle do krążenia krwi). Każdy atom znacznika został chemicznie włączony do biologicznie aktywnej cząsteczki. Istnieje okres oczekiwania, podczas gdy aktywna cząsteczka zostaje skoncentrowana w interesujących tkankach; następnie podmiot jest umieszczany w skanerze obrazowym. Cząsteczką najczęściej używaną do tego celu jest fluorodeoksyglukoza znakowana F-18 (FDG), cukier, dla którego okres oczekiwania wynosi zazwyczaj godzinę. Podczas skanowania zapis stężenia tkanki jest dokonywany w miarę rozpadu znacznika.

gdy radioizotop ulega pozytronowemu rozpadowi emisyjnemu (znanemu również jako dodatni rozpad beta), emituje pozyton, antycząstkę elektronu o przeciwnym ładunku. Emitowany pozyton przemieszcza się w tkance na krótki dystans (zwykle mniejszy niż 1 mm, ale zależny od izotopu), podczas którego traci energię kinetyczną, aż do momentu, w którym może oddziaływać z elektronem. Encounter anihiluje zarówno elektron, jak i pozyton, tworząc parę fotonów anihilacyjnych (gamma) poruszających się w mniej więcej przeciwnych kierunkach. Są one wykrywane, gdy dotrą do scyntylatora w urządzeniu skanującym, tworząc wybuch światła, który jest wykrywany przez lampy fotopowielacza lub krzemowe fotodiody lawinowe (Si APD). Technika polega na równoczesnym lub przypadkowym wykryciu pary fotonów poruszających się w mniej więcej przeciwnych kierunkach (byłyby one dokładnie przeciwne w ich środku masy, ale skaner nie ma możliwości tego wiedzieć, a więc ma wbudowaną lekką tolerancję kierunku błędu). Fotony, które nie docierają w temporalnych „parach” (tj. w przedziale czasowym kilku nanosekund) są ignorowane.

lokalizacja zdarzenia anihilacji pozytronowejedytuj

najbardziej znaczący ułamek anihilacji elektronowo–pozytonowej powoduje, że dwa fotony gamma 511 keV są emitowane w prawie 180 stopniach względem siebie; stąd możliwe jest zlokalizowanie ich źródła wzdłuż prostej linii zbiegu okoliczności (zwanej również linią odpowiedzi lub LOR). W praktyce LOR ma niezerową szerokość, ponieważ emitowane fotony nie są dokładnie oddalone o 180 stopni. Jeśli czas rozdzielania detektorów jest mniejszy niż 500 pikosekund, a nie około 10 nanosekund, możliwe jest zlokalizowanie zdarzenia na segmencie akordu, którego długość jest określona przez rozdzielczość taktowania detektora. Wraz z poprawą rozdzielczości czasowej poprawi się stosunek sygnału do szumu (SNR) obrazu, co wymaga mniejszej liczby zdarzeń, aby osiągnąć tę samą jakość obrazu. Technologia ta nie jest jeszcze powszechna, ale jest dostępna w niektórych nowych systemach.

rekonstrukcjaedytuj

surowe dane zebrane przez skaner PET są listą „zdarzeń zbiegów okoliczności” reprezentujących niemal jednoczesne wykrywanie (zwykle w ciągu 6 do 12 nanosekund od siebie) fotonów anihilacyjnych przez parę detektorów. Każde zdarzenie koincydencji reprezentuje linię w przestrzeni łączącą dwa detektory, wzdłuż których wystąpiła emisja pozytonowa (tj. linię odpowiedzi (lor)).

techniki analityczne, podobnie jak rekonstrukcja tomografii komputerowej (CT) i danych z tomografii komputerowej z emisją pojedynczego fotonu (SPECT), są powszechnie stosowane, chociaż zbiór danych zebranych w PET jest znacznie uboższy niż CT, więc techniki rekonstrukcji są trudniejsze. Zdarzenia zbieg okoliczności można pogrupować w obrazy projekcyjne, zwane sinogramami. Sinogramy są sortowane według kąta każdego widoku i pochylenia (dla obrazów 3D). Obrazy sinogramów są analogiczne do projekcji rejestrowanych przez skanery tomografii komputerowej (CT) i mogą być zrekonstruowane w podobny sposób. Statystyka uzyskanych w ten sposób danych jest znacznie gorsza niż uzyskiwana za pomocą tomografii transmisyjnej. Normalny zestaw danych PET ma miliony zliczeń dla całego pozyskania, podczas gdy CT może osiągnąć kilka miliardów zliczeń. Przyczynia się to do obrazów PET pojawiających się „głośniej” niż CT. Dwa główne źródła hałasu w PET to rozproszenie (wykryta para fotonów, z których co najmniej jeden został odchylony od swojej pierwotnej ścieżki przez interakcję z materią w polu widzenia, co doprowadziło do przypisania pary do nieprawidłowego LOR) i Zdarzenia losowe (fotony pochodzące z dwóch różnych zdarzeń anihilacji, ale nieprawidłowo zarejestrowane jako para zbiegu okoliczności, ponieważ ich przybycie do odpowiednich detektorów nastąpiło w oknie czasu zbiegu okoliczności).

w praktyce wymagane jest znaczne wstępne przetwarzanie danych-korekta przypadkowych przypadków, szacowanie i odejmowanie rozproszonych fotonów, korekcja czasu martwego detektora (po wykryciu fotonu detektor musi ponownie „ostygnąć”) i korekcja czułości detektora (zarówno dla wewnętrznej czułości detektora, jak i zmian czułości ze względu na kąt padania).

filtrowana projekcja tylna (FBP) była często używana do rekonstrukcji obrazów z projekcji. Algorytm ten ma tę zaletę, że jest prosty, a jednocześnie ma niskie zapotrzebowanie na zasoby obliczeniowe. Wadą jest to, że szum ujęcia w surowych danych jest widoczny w zrekonstruowanych obrazach, a obszary o wysokim poborze znaczników mają tendencję do tworzenia smug na obrazie. Ponadto FBP traktuje dane deterministycznie—nie uwzględnia nieodłącznej losowości związanej z danymi PET, wymagając w ten sposób wszystkich opisanych powyżej korekt przed rekonstrukcją.

metody statystyczne, oparte na prawdopodobieństwie:Statystyczne, oparte na prawdopodobieństwie iteracyjne algorytmy maksymalizacji oczekiwań, takie jak algorytm Sheppa-Vardiego, są obecnie preferowaną metodą rekonstrukcji. Algorytmy te obliczają oszacowanie prawdopodobnego rozkładu zdarzeń anihilacji, które doprowadziły do zmierzonych danych, w oparciu o zasady statystyczne. Zaletą jest lepszy profil szumów i odporność na Artefakty smug wspólnych z FBP, ale wadą są wyższe wymagania dotyczące zasobów komputerowych. Kolejną zaletą technik rekonstrukcji obrazu statystycznego jest to, że efekty fizyczne, które muszą być wstępnie skorygowane przy użyciu algorytmu rekonstrukcji analitycznej, takie jak rozproszone fotony, przypadkowe zbiegi okoliczności, tłumienie i czas martwy detektora, mogą być włączone do modelu prawdopodobieństwa stosowanego w rekonstrukcji, umożliwiając dodatkową redukcję szumów. Wykazano również, że rekonstrukcja iteracyjna skutkuje poprawą rozdzielczości zrekonstruowanych obrazów, ponieważ do modelu prawdopodobieństwa można włączyć bardziej zaawansowane modele fizyki skanera niż te używane przez analityczne metody rekonstrukcji, co pozwala na lepsze kwantyfikowanie rozkładu radioaktywności.

badania wykazały, że metody bayesowskie, które wiążą się z funkcją prawdopodobieństwa Poissona i odpowiednim prawdopodobieństwem wstępnym (np., wygładzanie poprzedzające prowadzące do całkowitej regularyzacji zmienności lub rozkład Laplaciana prowadzący do ℓ 1 {\displaystyle \ ell _{1}} -oparte na regularyzacji w Falce lub innej domenie), takie jak za pomocą estymatora sitowego Ulfa Grenandera lub za pomocą metod kary Bayesa lub za pomocą metody chropowatości I. J. Good ’ a może przynieść lepszą wydajność w stosunku do metod opartych na maksymalizacji oczekiwań, które obejmują funkcję prawdopodobieństwa Poissona, ale nie obejmują takiego wcześniejszego.

korekcja tłumienia: ilościowe obrazowanie PET wymaga korekcji tłumienia. W tych systemach korekcja tłumienia opiera się na skanowaniu transmisji przy użyciu źródła pręta obrotowego 68ge.

skany transmisji mierzą bezpośrednio wartości tłumienia przy 511keV. Tłumienie występuje, gdy fotony emitowane przez radiotracer wewnątrz ciała są absorbowane przez tkankę między detektorem a emisją fotonu. Ponieważ różne Lory muszą przechodzić przez różne grubości tkanki, fotony są atenuowane w różny sposób. W rezultacie struktury głęboko w ciele są rekonstruowane jako mające fałszywie niski pobór znacznika. Współczesne skanery mogą oszacować tłumienie za pomocą zintegrowanego sprzętu do tomografii rentgenowskiej, zamiast wcześniejszego sprzętu, który oferował surową formę tomografii komputerowej za pomocą źródła promieniowania gamma (emitującego pozyton) i detektorów PET.

chociaż obrazy poprawione tłumieniem są na ogół bardziej wiernymi reprezentacjami, sam proces korekcji jest podatny na znaczące artefakty. W rezultacie zarówno poprawione, jak i nieskorygowane obrazy są zawsze rekonstruowane i czytane razem.

rekonstrukcja 2D/3D: Wczesne Skanery PET posiadały tylko jeden pierścień detektorów, stąd pozyskiwanie danych i późniejsza rekonstrukcja ograniczała się do pojedynczej płaszczyzny poprzecznej. Bardziej nowoczesne Skanery zawierają teraz wiele pierścieni, zasadniczo tworzących cylinder detektorów.

istnieją dwa podejścia do rekonstrukcji danych z takiego skanera: 1) traktuj każdy pierścień jako oddzielną całość, tak aby wykrywane były tylko zbiegi okoliczności w pierścieniu, obraz z każdego pierścienia można następnie rekonstruować indywidualnie (rekonstrukcja 2D) lub 2) Pozwól na wykrycie zbiegów między pierścieniami, a także wewnątrz pierścieni, a następnie zrekonstruuj całą objętość razem (3D).

techniki 3D mają lepszą czułość (ponieważ wykrywa się i wykorzystuje więcej przypadków), a tym samym mniej szumów, ale są bardziej wrażliwe na efekty rozproszenia i przypadkowych zbiegów okoliczności, a także wymagają odpowiednio większych zasobów komputera. Pojawienie się detektorów rozdzielczości czasu sub nanosekund zapewnia lepsze odrzucenie przypadkowego przypadku, sprzyjając w ten sposób rekonstrukcji obrazu 3D.

czas lotu (TOF) PET: w nowoczesnych systemach o wyższej rozdzielczości czasowej (około 3 nanosekundy) stosuje się technikę zwaną „czasem lotu” w celu poprawy ogólnej wydajności. Czas lotu PET wykorzystuje bardzo szybkie Detektory promieniowania gamma i system przetwarzania danych, który może dokładniej określić różnicę w czasie między detekcją dwóch fotonów. Chociaż niemożliwe jest dokładne zlokalizowanie punktu początkowego zdarzenia anihilacji (obecnie w granicach 10 cm), a więc rekonstrukcja obrazu jest nadal potrzebna, technika TOF daje znaczną poprawę jakości obrazu, zwłaszcza stosunku sygnału do szumu.

połączenie PET z CT lub MRIEdit

tomografy PET są coraz częściej odczytywane obok tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego (MRI), z kombinacją (zwaną „współrejestracją”) dającą zarówno informacje anatomiczne, jak i metaboliczne (tj. jaka jest struktura i co robi biochemicznie). Ponieważ obrazowanie PET jest najbardziej przydatne w połączeniu z obrazowaniem anatomicznym, takim jak tomografia komputerowa, nowoczesne Skanery PET są teraz dostępne ze zintegrowanymi wysokiej klasy wieloczujnikowymi skanerami CT (tak zwanymi „PET-CT”). Ponieważ dwa skany mogą być wykonywane w natychmiastowej kolejności podczas tej samej sesji, przy czym pacjent nie zmienia pozycji między dwoma rodzajami skanów, dwa zestawy obrazów są dokładniej rejestrowane, dzięki czemu obszary nieprawidłowości w obrazowaniu PET mogą być lepiej skorelowane z anatomią na obrazach CT. Jest to bardzo przydatne w pokazywaniu szczegółowych widoków ruchomych narządów lub struktur o wyższej zmienności anatomicznej, która jest bardziej powszechna poza mózgiem.

w Instytucie neurobiologii i Biofizyki Jülich w kwietniu 2009 r.uruchomiono największe na świecie urządzenie PET-MRI: tomograf rezonansu magnetycznego 9,4 Tesli (MRT) połączony z pozytonowym tomografem emisyjnym (PET). Obecnie tylko głowa i mózg mogą być zobrazowane przy owych silnych siłach pola magnetycznego.

w przypadku obrazowania mózgu Rejestracja tomografii komputerowej, rezonansu magnetycznego i tomografii PET może być przeprowadzona bez potrzeby stosowania zintegrowanego skanera PET-CT lub PET-MRI przy użyciu urządzenia znanego jako N-localizer.

Ograniczeniaedytuj

minimalizacja dawki promieniowania dla podmiotu jest atrakcyjną cechą stosowania krótkotrwałych radionuklidów. Oprócz swojej ustalonej roli jako techniki diagnostycznej, PET odgrywa coraz większą rolę jako metoda oceny odpowiedzi na terapię, w szczególności terapię nowotworową, w której ryzyko dla pacjenta wynikające z braku wiedzy na temat postępu choroby jest znacznie większe niż ryzyko wynikające z promieniowania testowego. Ponieważ znaczniki są radioaktywne, osoby starsze i ciężarne nie są w stanie ich użyć z powodu ryzyka związanego z promieniowaniem.

ograniczenia w powszechnym stosowaniu PET wynikają z wysokich kosztów cyklotronów potrzebnych do produkcji krótkotrwałych nuklidów promieniotwórczych do skanowania PET oraz potrzeby stosowania specjalnie dostosowanych na miejscu urządzeń do syntezy chemicznej do produkcji radiofarmaceutyków po przygotowaniu radioizotopów. Organiczne cząsteczki radioizotopu, które będą zawierać pozytron emitujący radioizotop, nie mogą być najpierw zsyntetyzowane, a następnie przygotowany w nich radioizotop, ponieważ bombardowanie cyklotronem w celu przygotowania radioizotopu niszczy jakikolwiek organiczny nośnik dla niego. Zamiast tego izotop musi być przygotowany najpierw, a następnie, Chemia do przygotowania dowolnego organicznego radioznacznika (takiego jak FDG) osiągnięta bardzo szybko, w krótkim czasie przed rozpadem izotopu. Niewiele szpitali i uniwersytetów jest w stanie utrzymać takie systemy, a większość klinicznych PET jest wspierana przez zewnętrznych dostawców radioznaczników, które mogą dostarczać wiele obiektów jednocześnie. Ograniczenie to ogranicza kliniczne PET przede wszystkim do stosowania znaczników oznakowanych fluorem-18, który ma okres półtrwania 110 minut i może być transportowany na rozsądną odległość przed użyciem, lub do rubidu-82 (stosowanego jako chlorek rubidu-82) o okresie półtrwania 1,27 minuty, który jest tworzony w przenośnym generatorze i jest używany do badań perfuzji mięśnia sercowego. Niemniej jednak w ostatnich latach kilka cyklotronów na miejscu ze zintegrowanym ekranowaniem i” hot labs ” (zautomatyzowane laboratoria chemiczne, które są w stanie pracować z radioizotopami) zaczęły towarzyszyć jednostkom PET do odległych szpitali. Obecność małego cyklotronu na miejscu obiecuje się rozszerzyć w przyszłości, ponieważ cyklotrony kurczą się w odpowiedzi na wysokie koszty transportu izotopów do zdalnych maszyn PET. W ostatnich latach w Stanach Zjednoczonych zmniejszył się niedobór skanów PET, ponieważ rozpowszechnienie radiofarmacji w celu dostarczenia radioizotopów wzrosło o 30% rocznie.

ponieważ okres półtrwania fluoru-18 wynosi około dwóch godzin, przygotowana dawka leku radiofarmaceutycznego noszącego ten nuklid promieniotwórczy ulegnie wielokrotnemu rozpadowi w ciągu dnia roboczego. Wymaga to częstej rekalibracji pozostałej dawki (określenie aktywności na jednostkę objętości) i starannego planowania w odniesieniu do harmonogramu pacjenta.