Tomografie cu emisie de pozitroni

radionuclizi și radiotracersEdit

radionuclizii utilizați în scanarea PET sunt de obicei izotopi cu timp de înjumătățire scurt, cum ar fi carbon-11 (~20 min), azot-13 (~10 min), oxigen-15 (~2 min), fluor-18 (~110 min), galiu-68 (~67 min), zirconiu-89 (~78,41 ore) sau rubidiu-82(~1,27 min). Acești radionuclizi sunt încorporați fie în compuși utilizați în mod normal de organism, cum ar fi glucoza (sau analogii de glucoză), apa sau amoniacul, fie în molecule care se leagă de receptori sau alte locuri de acțiune a medicamentului. Astfel de compuși etichetați sunt cunoscuți sub numele de radiotraceri. Tehnologia PET poate fi utilizată pentru a urmări calea biologică a oricărui compus la oamenii vii (și la multe alte specii), cu condiția să poată fi marcat radioactiv cu un izotop PET. Astfel, procesele specifice care pot fi probate cu PET sunt practic nelimitate, iar radiotracerii pentru noi molecule și procese țintă continuă să fie sintetizați; începând cu această scriere, există deja zeci de utilizări clinice și sute aplicate în cercetare. În 2020, de departe, cel mai frecvent utilizat radiotracer în scanarea PET clinică este 18F-FDG, FDG un analog al glucozei care este etichetat cu fluor-18. Acest radiotracer este utilizat în principal în toate scanările pentru oncologie și majoritatea scanărilor în neurologie și, prin urmare, reprezintă marea majoritate a radiotracer (>95%) utilizat în scanarea PET și PET-CT.

datorită timpului de înjumătățire scurt al majorității radioizotopilor emițători de pozitroni, radiotracerii au fost produși în mod tradițional folosind un ciclotron în imediata apropiere a instalației de imagistică PET. Timpul de înjumătățire al fluorului-18 este suficient de lung încât radiotracerii etichetați cu fluor-18 pot fi fabricați comercial în locații offsite și expediați către centrele de imagistică. Recent, generatoarele de rubidiu-82 au devenit disponibile în comerț. Acestea conțin stronțiu-82, care se descompune prin captarea electronilor pentru a produce rubidiu-82 emițător de pozitroni.

Immuno-PETEdit

izotopul 89zr a fost aplicat la urmărirea și cuantificarea anticorpilor moleculari cu camere de tomografie cu emisie de pozitroni (PET) (o metodă numită „immuno-PET”). Metoda utilizează un derivat succinilat al desferrioxaminei B (n-sucDf) ca chelat bifuncțional,

emisie

pentru a efectua scanarea, un izotop radioactiv de scurtă durată este injectat în subiectul viu (de obicei în circulația sângelui). Fiecare atom de trasor a fost încorporat chimic într-o moleculă biologic activă. Există o perioadă de așteptare în timp ce molecula activă devine concentrată în țesuturile de interes; apoi subiectul este plasat în scanerul imagistic. Molecula cea mai frecvent utilizată în acest scop este fluorodeoxiglucoza marcată cu F-18 (FDG), un zahăr, pentru care perioada de așteptare este de obicei o oră. În timpul scanării, se face o înregistrare a concentrației de țesut pe măsură ce trasorul se descompune.

pe măsură ce radioizotopul suferă o descompunere a emisiilor de pozitroni (cunoscută și sub numele de descompunere beta pozitivă), emite un pozitron, o antiparticulă a electronului cu sarcină opusă. Pozitronul EMIS se deplasează în țesut pe o distanță scurtă (de obicei mai mică de 1 mm, dar dependentă de izotop), timp în care pierde energia cinetică, până când decelerează până la un punct în care poate interacționa cu un electron. Întâlnirea anihilează atât electronul, cât și pozitronul, producând o pereche de fotoni de anihilare (gamma) care se deplasează în direcții aproximativ opuse. Acestea sunt detectate atunci când ajung la un scintilator în dispozitivul de scanare, creând o explozie de lumină care este detectată de tuburi fotomultiplicatoare sau fotodiode de avalanșă de siliciu (si APD). Tehnica depinde de detectarea simultană sau coincidentă a perechii de fotoni care se deplasează în direcții aproximativ opuse (ar fi exact opuse în centrul cadrului de masă, dar scanerul nu are cum să știe acest lucru și, la fel, are o direcție ușoară încorporată-toleranță la eroare). Fotonii care nu ajung în „perechi” temporale (adică într-o fereastră de timp de câteva nanosecunde) sunt ignorați.

localizarea evenimentului de anihilare a pozitronilor

cea mai semnificativă fracțiune a anihilărilor electron–pozitroni are ca rezultat emiterea a doi fotoni gamma de 511 Kev la aproape 180 de grade unul față de celălalt; prin urmare, este posibilă localizarea sursei lor de-a lungul unei linii drepte de coincidență (numită și linia de răspuns sau LOR). În practică, LOR are o lățime diferită de zero, deoarece fotonii emiși nu sunt exact la 180 de grade distanță. Dacă timpul de rezolvare al detectoarelor este mai mic de 500 picosecunde decât aproximativ 10 nanosecunde, este posibil să se localizeze evenimentul pe un segment al unei coarde, a cărui lungime este determinată de rezoluția de sincronizare a detectorului. Pe măsură ce rezoluția de sincronizare se îmbunătățește, raportul semnal-zgomot (SNR) al imaginii se va îmbunătăți, necesitând mai puține evenimente pentru a obține aceeași calitate a imaginii. Această tehnologie nu este încă comună, dar este disponibilă pe unele sisteme noi.

image reconstructionEdit

datele brute colectate de un scaner PET sunt o listă de ‘evenimente de coincidență’ reprezentând detectarea aproape simultană (de obicei, într-o fereastră de 6 până la 12 nanosecunde una de cealaltă) a fotonilor de anihilare de către o pereche de detectoare. Fiecare eveniment de coincidență reprezintă o linie în spațiu care leagă cei doi detectori de-a lungul cărora a avut loc emisia de pozitroni (adică linia de răspuns (LOR)).

tehnicile analitice, la fel ca reconstrucția tomografiei computerizate (CT) și a datelor de tomografie computerizată cu emisie de un singur foton (SPECT), sunt utilizate în mod obișnuit, deși setul de date colectat în PET este mult mai sărac decât CT, astfel încât tehnicile de reconstrucție sunt mai dificile. Evenimentele de coincidență pot fi grupate în imagini de proiecție, numite sinograme. Sinogramele sunt sortate după unghiul fiecărei vizualizări și înclinare (pentru imagini 3D). Imaginile sinogramei sunt analoage proiecțiilor capturate de scanerele tomografice computerizate (CT) și pot fi reconstruite într-un mod similar. Statisticile datelor obținute astfel sunt mult mai rele decât cele obținute prin tomografie de transmisie. Un set normal de date PET are milioane de numere pentru întreaga achiziție, în timp ce CT poate ajunge la câteva miliarde de numere. Acest lucru contribuie la imaginile PET care apar „mai zgomotoase” decât CT. Două surse majore de zgomot în PET sunt scatter (o pereche detectată de fotoni, dintre care cel puțin unul a fost deviat de la calea sa inițială prin interacțiunea cu materia din câmpul vizual, ducând la atribuirea perechii unui lor incorect) și evenimente aleatorii (fotoni proveniți din două evenimente de anihilare diferite, dar înregistrate incorect ca o pereche de coincidență, deoarece sosirea lor la detectoarele respective a avut loc într-o fereastră de sincronizare a coincidenței).

în practică, este necesară o pre-procesare considerabilă a datelor—corecție pentru coincidențe aleatorii, estimare și scădere a fotonilor împrăștiați, corecție a timpului mort al detectorului (după detectarea unui foton, detectorul trebuie să se „răcească” din nou) și corecție a sensibilității detectorului (atât pentru sensibilitatea inerentă a detectorului, cât și pentru modificările sensibilității datorate unghiului de incidență).

proiecția înapoi filtrată (FBP) a fost frecvent utilizată pentru a reconstrui imaginile din proiecții. Acest algoritm are avantajul de a fi simplu, având în același timp o cerință scăzută pentru resursele de calcul. Dezavantajele sunt că zgomotul împușcat în datele brute este proeminent în imaginile reconstruite, iar zonele cu absorbție ridicată a trasorului tind să formeze dungi pe imagine. De asemenea, FBP tratează datele determinist—nu ține cont de aleatoritatea inerentă asociată cu datele PET, necesitând astfel toate corecțiile de pre-reconstrucție descrise mai sus.

abordări statistice, bazate pe probabilitate:Algoritmi statistici, bazați pe probabilitate, de maximizare a așteptărilor iterative, cum ar fi algoritmul Shepp-Vardisunt acum metoda preferată de reconstrucție. Acești algoritmi calculează o estimare a distribuției probabile a evenimentelor de anihilare care au condus la datele măsurate, pe baza principiilor statistice. Avantajul este un profil de zgomot mai bun și rezistență la artefactele streak comune cu FBP, dar dezavantajul este cerințe mai mari de resurse de calculator. Un alt avantaj al tehnicilor statistice de reconstrucție a imaginii este că efectele fizice care ar trebui să fie pre-corectate atunci când se utilizează un algoritm analitic de reconstrucție, cum ar fi fotoni împrăștiați, coincidențe aleatorii, atenuare și detector timp mort, pot fi încorporate în modelul de probabilitate utilizat în reconstrucție, permițând reducerea suplimentară a zgomotului. Reconstrucția iterativă s-a dovedit, de asemenea, că are ca rezultat îmbunătățiri ale rezoluției imaginilor reconstruite, deoarece modele mai sofisticate ale fizicii scanerului pot fi încorporate în modelul de probabilitate decât cele utilizate de metodele analitice de reconstrucție, permițând o cuantificare îmbunătățită a distribuției radioactivității.

cercetările au arătat că metodele Bayesiene care implică o funcție de probabilitate Poisson și o probabilitate anterioară adecvată (de ex., o netezire prealabilă care duce la regularizarea variației totale sau o distribuție Laplaciană care duce la regularizarea bazată pe 1 {\displaystyle \ell _{1}} într-un domeniu wavelet sau alt domeniu), cum ar fi prin Estimatorul de sită al lui Ulf Grenander sau prin metodele de penalizare Bayes sau prin metoda rugozității lui I. J. Good poate produce performanțe superioare metodelor bazate pe maximizarea așteptărilor care implică o funcție de probabilitate Poisson, dar nu implică un astfel de anterior.

corecție atenuare: imagistica PET cantitativă necesită corecție atenuare. În aceste sisteme de corecție atenuare se bazează pe o scanare de transmisie folosind 68ge sursă tijă rotativă.

scanările transmisiei măsoară direct valorile de atenuare la 511keV. Atenuarea apare atunci când fotonii emiși de radiotracer în interiorul corpului sunt absorbiți de țesutul care intervine între detector și emisia fotonului. Deoarece diferite Lori trebuie să traverseze diferite grosimi de țesut, fotonii sunt atenuați diferențiat. Rezultatul este că structurile adânci din corp sunt reconstruite ca având o absorbție fals scăzută a trasorului. Scanerele contemporane pot estima atenuarea folosind echipamente CT cu raze X integrate, în locul echipamentelor anterioare care ofereau o formă brută de CT folosind o sursă de raze gamma (emițătoare de pozitroni) și detectoarele PET.

în timp ce imaginile corectate prin atenuare sunt în general reprezentări mai fidele, procesul de corecție este el însuși susceptibil la artefacte semnificative. Drept urmare, atât imaginile corectate, cât și cele necorectate sunt întotdeauna reconstruite și citite împreună.

reconstrucție 2D/3D: Scanerele PET timpurii aveau doar un singur inel de detectoare, prin urmare achiziția de date și reconstrucția ulterioară au fost limitate la un singur plan transversal. Scanerele mai moderne includ acum mai multe inele, formând în esență un cilindru de detectoare.

există două abordări pentru reconstituirea datelor dintr-un astfel de scaner: 1) tratați fiecare inel ca o entitate separată, astfel încât să fie detectate doar coincidențe într-un inel, imaginea din fiecare inel poate fi apoi reconstruită individual (reconstrucție 2D) sau 2) permiteți detectarea coincidențelor între inele, precum și în inele, apoi reconstruiți întregul volum împreună (3D).

tehnicile 3D au o sensibilitate mai bună (deoarece sunt detectate și utilizate mai multe coincidențe) și, prin urmare, mai puțin zgomot, dar sunt mai sensibile la efectele coincidențelor împrăștiate și aleatorii, precum și la necesitatea unor resurse de calculator corespunzătoare mai mari. Apariția detectoarelor de rezoluție de sincronizare sub-nanosecunde oferă o respingere mai bună a coincidenței aleatorii, favorizând astfel reconstrucția imaginii 3D.

time-of-flight (TOF) PET: pentru sistemele moderne cu o rezoluție de timp mai mare (aproximativ 3 nanosecunde), o tehnică numită „Time-of-flight” este utilizată pentru a îmbunătăți performanța generală. Time-of-flight PET utilizează detectoare de raze gamma foarte rapide și un sistem de procesare a datelor care poate decide mai precis diferența de timp dintre detectarea celor doi fotoni. Deși este imposibil din punct de vedere tehnic să se localizeze exact punctul de origine al evenimentului de anihilare (în prezent la 10 cm), astfel încât reconstrucția imaginii este încă necesară, tehnica TOF oferă o îmbunătățire remarcabilă a calității imaginii, în special a raportului semnal-zgomot.

combinație de PET cu CT sau MRIEdit

scanările PET sunt citite din ce în ce mai mult alături de scanările CT sau imagistica prin rezonanță magnetică (RMN), combinația (numită „co-înregistrare”) oferind atât informații anatomice, cât și metabolice (adică ce este structura și ce face biochimic). Deoarece imagistica PET este cea mai utilă în combinație cu imagistica anatomică, cum ar fi CT, scanerele PET moderne sunt acum disponibile cu scanere CT integrate multi-detector-rând (așa-numitele „PET-CT”). Deoarece cele două scanări pot fi efectuate în ordine imediată în timpul aceleiași sesiuni, cu pacientul care nu schimbă poziția între cele două tipuri de scanări, cele două seturi de imagini sunt înregistrate mai precis, astfel încât zonele de anomalie de pe imagistica PET pot fi corelate mai perfect cu anatomia imaginilor CT. Acest lucru este foarte util pentru a arăta vederi detaliate ale organelor sau structurilor în mișcare cu variații anatomice mai mari, care sunt mai frecvente în afara creierului.

la Institutul J Unqtlich de Neuroștiințe și Biofizică, cel mai mare dispozitiv PET-RMN din lume a început să funcționeze în aprilie 2009: un tomograf cu rezonanță magnetică de 9,4 tesla (MRT) combinat cu un tomograf cu emisie de pozitroni (PET). În prezent, numai capul și creierul pot fi imaginate la aceste forțe mari ale câmpului magnetic.

pentru imagistica creierului, înregistrarea scanărilor CT, RMN și PET poate fi realizată fără a fi nevoie de un scaner PET-CT sau PET-RMN integrat prin utilizarea unui dispozitiv cunoscut sub numele de n-localizator.

LimitationsEdit

minimizarea dozei de radiații la subiect este o caracteristică atractivă a utilizării radionuclizilor de scurtă durată. Pe lângă rolul său stabilit ca tehnică de diagnostic, PET are un rol extins ca metodă de evaluare a răspunsului la terapie, în special terapia cancerului, unde riscul pentru pacient din cauza lipsei de cunoștințe despre progresul bolii este mult mai mare decât riscul din radiația testată. Deoarece marcatorii sunt radioactivi, vârstnicii și gravidele nu pot să-l folosească din cauza riscurilor prezentate de radiații.

limitările utilizării pe scară largă a PET provin din costurile ridicate ale ciclotronilor necesari pentru producerea radionuclizilor cu durată scurtă de viață pentru scanarea PET și din necesitatea unor aparate de sinteză chimică special adaptate la fața locului pentru a produce produsele radiofarmaceutice după prepararea radioizotopilor. Moleculele organice de radiotracer care vor conține un radioizotop emițător de pozitroni nu pot fi sintetizate mai întâi și apoi radioizotopul preparat în interiorul lor, deoarece bombardamentul cu un ciclotron pentru a pregăti radioizotopul distruge orice purtător organic pentru acesta. În schimb, izotopul trebuie pregătit mai întâi, apoi după aceea, chimia pentru a pregăti orice radiotracer organic (cum ar fi FDG) realizat foarte repede, în scurt timp înainte ca izotopul să se descompună. Puține spitale și universități sunt capabile să mențină astfel de sisteme, iar majoritatea animalelor de companie clinice sunt susținute de furnizori terți de radiotraceri care pot furniza simultan multe site-uri. Această limitare limitează pet clinic în principal la utilizarea marcatorilor etichetați cu fluor-18, care are un timp de înjumătățire de 110 minute și poate fi transportat la o distanță rezonabilă înainte de utilizare, sau la rubidiu-82 (utilizat ca clorură de rubidiu-82) cu un timp de înjumătățire de 1,27 minute, care este creat într-un generator portabil și este utilizat pentru studii de perfuzie miocardică. Cu toate acestea, în ultimii ani, câțiva ciclotroni la fața locului cu ecranare integrată și „laboratoare fierbinți” (laboratoare automate de chimie care pot lucra cu radioizotopi) au început să însoțească unitățile PET la spitale îndepărtate. Prezența micului ciclotron la fața locului promite să se extindă în viitor, pe măsură ce ciclotronii se micșorează ca răspuns la costul ridicat al transportului izotopilor către mașinile PET de la distanță. În ultimii ani, deficitul de scanări PET a fost atenuat în SUA, deoarece lansarea radiofarmaciilor pentru furnizarea de radioizotopi a crescut cu 30%/an.

deoarece timpul de înjumătățire al fluorului-18 este de aproximativ două ore, doza preparată dintr-un produs radiofarmaceutic care poartă acest radionuclid va suferi timpi de înjumătățire multipli de degradare în timpul zilei de lucru. Aceasta necesită recalibrarea frecventă a dozei rămase (determinarea activității pe unitate de volum) și planificarea atentă în ceea ce privește programarea pacientului.