6.4 Позитронная эмиссионная томография

Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ) появилась как результат накопленных фактов, систематизированных в условиях новых технологий. Наблюдение того, что злокачественные опухоли отличаются повышенным уровнем потребления глюкозы, привело к мысли, что можно измерять локальный уровень метаболического потребления глюкозы с помощью дезоксиглюкозы меченой радиоактивным изотопом ¹⁸F (фтородезоксиглюкозы). Фтородезоксиглюкоза (ФДГ) является аналогом глюкозы на нескольких этапах ее метаболизма, но, в отличие от глюкозы, метаболизм γ прекращается преждевременно и ее продукт накапливается в тканях. Радиоактивный ¹⁸F (T = 109 мин) распадается, испуская позитрон, е⁺. Эти работы и заложили основы позитронной эмиссионной томографии.

Позитроны е⁺ появляются в результате распада ядер некоторых радиоизотопов, являющихся нестабильными, и характеризуются определенным временем пробега в биологической ткани (см. табл. 6.1).

Таблица 6.1 Радиоизотопы, излучающие позитрон при распаде

Изотоп	Максимальное время пробега, мм
18F	2.6
11С	3.8
68Ga	9.0
82Rb	16.5

Радионуклиды (позитронные излучатели), используемые в ПЭТ и испускающие позитроны, характеризуются различными временами пробега в биологической ткани. Чем выше пробег, тем хуже пространственное разрешение метода, но тем выше глубина диагностики.

Позитрон взаимодействует с электроном близлежащего атома образуя атом позитрония (В зависимости от взаимного расположения спинов электрона и позитрона возникают атомы орто- или парапозитрония. Они живут разное время, но для ПЭТ это не существенно, т.к. распадаются «практически мгновенно». При распаде атома позитрония электрон и позитрон аннигилируют, преобразуя свою массу два γ-кванта с энергией 511 кэВ направленных почти на 180 градусов (противоположно) друг от друга. Данные фотоны регистрируются внешними детекторами. Регистрируемые противоположно направленные γ-лучи на линиях, называемых линиями совпадения (каждая линия регистрирует именно те два γ-кванта, которые участвовали в акте аннигиляции). Линии совпадения используются в схеме регистрации для формирования томографических изображений на позитронном томографе путем реконструкции карты интенсивности радиоактивного распада внутри объекта. Полученные изображения анализируются специальными методами с целью выявления аномалий в интенсивности радиационного поля. Области повышенной (или пониженной) концентрации позитронного молекулярного зонда свидетельствуют о ненормальном функционировании органа.

В процессе ПЭТ-исследования радиоизотоп, эмиттирующий позитрон, вводится пациенту внутривенно или путем ингаляции. После этого, изотоп циркулирует в кровяном русле и достигает, например ткани головного мозга или сердечной мышцы. Как только происходит аннигиляция, томограф регистрирует локализацию изотопа и вычисляет его концентрацию. Линия, которая возникает после аннигиляции, отражает собой эмиссию двух гамма-лучей с энергией 511 кэВ, направленных приблизительно на 180 градусов (противоположно) друг по отношению к другу. Работа томографа заключается в том, чтобы регистрировать эти лучи, означающие, что позитронная аннигиляция произошла где-то на данной линии совпадения.

Когда гамма-лучи с энергией 511 кэВ взаимодействуют с кристаллами сцинтиллятора, сделанными например из германата висмута, они преобразуются в фотоны света. На рис. 6.6, 6.7 в схематической форме показано преобразование электронными устройствами томографа фотонов света в электрические сигналы. Процессы конвертации и регистрация происходят практически мгновенно друг за другом, для того чтобы можно было сравнивать события сцинтилляции с противоположных детекторов (вдоль большого количества линий совпадений).

Рис. 6.5 Схема регистрации двух противоположно направленных гамма-квантов, одновременно возникших в одной точке пространства.

Пространственное и временное распределение эмитирующего позитрон радиоизотопа зависит от того как сканируемый орган реагирует на него биохимически и физиологически. В данном случае отображаются события позитронной аннигиляции и происходящие следствие этого эмиссии γ-лучей.

Детекторы кольцеобразно располагаются вокруг исследуемого объект. На рис.6.6 кольцо, состоящее из квадратов представляет собой кольцо детекторов позитронно-эмиссионного томографа. Для одновременной томографии нескольких поперечных срезов томограф быть оборудован не менее чем пятнадцатью такими кольцами.

Рис. 6.6 Кольцеобразное расположение детекторов вокруг анализируемого объекта.

Каждый детектор может работать в режиме регистрации совпадений с множеством расположенных напротив детекторов. Таким образом, существует возможность определения совпадений на нескольких углах (расходящийся пучок на рис.6.7).

Рис. 6.7 Регистрация совпадений на расходящемся пучке.

При любом заданном угле может быть определено множество «линейных выборок» (рис.6.8) вносящих вклад в качество изображений на выходе.

Рис. 6.8 Линейная выборка в схеме совпадений.

Приведенные выше рисунки относятся к случаю отсутствия объекта исследования. При наличии объекта исследования гетерогенной структуры с неоднородным распределением источника позитронного излучения детекторы регистрируют радиационное поле, интенсивность которого изменяется в пространстве и времени.

Программное обеспечение томографа получает данные о событиях совпадения, зарегистрированных в угловых и линейных положениях, воссоздает пространственно-временную конфигурацию интенсивности γ-поля вокруг исследуемого объекта, и выдает информацию в виде изображений, одного или нескольких, снятых в последовательные моменты времени (рис.6.9).

Компьютер решает обратную задачу – переход от пространственного распределения интенсивности (скорости счета детекторов) γ-поля к пространственному распределению источников излучения – молекул меченого радионуклидом зонда сначала в плоскости сканирования, а затем во всем пространстве по данным всех пятнадцати колец.

При наличии центров повышенной абсорбции зонда (очагов поражения) осуществляется локализация таких центров (находятся все три пространственные координаты очагов), рассчитываются его размеры и форма и находится концентрация зонда в очаге (в динамических вариантах выдается зависимость количества зонда в очаге от времени).

Рис. 6.9 Реконструкция объекта исследования в плоскости сканирования (одно кольцо).

При наличии нескольких близкорасположенных очагов, заслоняющих друг друга, предпринимаются специальные меры по улучшения пространственного разрешения методики.

В ПЭТ используются изотопы: ¹¹С (Т = 20,4 мин.); ¹³N (T = 10,0 мин.); ¹⁵O (T = 2,1 мин.); ¹⁸F (T = 109 мин.); ⁸²Rb (T = 1,25 мин.). Все они короткоживущие и синтез на их основе меченых веществ представляет собой сложную задачу. Наиболее удобным для клинического использования является радионуклид ¹⁸F, и на его основе синтезируется самый обширный класс фармпрепаратов для ПЭТ.

Позитронно-эмиссионной томографии расширяет понимание биохимических процессов при нормальной и патологической работе систем внутри организма и позволила проводить биохимические исследования пациентам одновременно с их лечением.

В основе функционирования тканей лежат химические процессы. Заболевания являются результатами нарушений в химических системах организма, которые вызываются вирусами, бактериями, генетическими нарушениями, лекарственными препаратами, факторами окружающей среды, старением и поведением.

Наиболее избирательной, специфичной и подходящей является терапия, выбранная на основании данных исследования нарушений химических процессов, лежащих в основе заболеваний.

Определение химических нарушений обеспечивает наиболее раннюю диагностику заболеваний, на стадиях, когда еще не израсходованы химические резервы или истощены компенсаторные механизмы головного мозга.

Оценка возможности восстановления химической функции позволяет объективно определять эффективность терапевтических вмешательств для каждого конкретного пациента.

Лучшим способом диагностики нормальности ткани является определение ее биохимических функций.

Ниже приведено несколько слайдов, иллюстрирующих проблему реконструкции изображения в позитронной томографии.

Реконструкция изображения методом максимизации правдоподобия через максимизацию ожидания [6.1]:

Здесь вероятность регистрации фотона, зародившегося в пикселе b, парой детекторов d;

проекция объекта, измеренная парой детекторов d;

оценка эффективности радиоактивного распада в пикселе b после итерации k.

ПЭТ предоставляет возможность визуализировать ход биологических процессов «in vivo». Визуализация реализуется путем интеграции двух методик: анализа кинетики метки и компьютерной томографии. Анализ кинетики метки включает в себя применение меченых радиоактивными изотопами биологически активных веществ (что и является меткой) и математических моделей, описывающих кинетику метки, при ее вовлечении в биологический процесс. Измерение концентрации метки в ткани, необходимое для математической модели производится ПЭТ сканером. Результатом является трехмерное изображение анатомического распределения исследуемого биологического процесса.

Меченые радиоизотопами метки и метод анализа кинетики метки используются для количественной оценки таких процессов как кровоток, мембранный транспорт, метаболизм, синтез, лиганд-рецепторные взаимодействия, для картирования аксональных зон проецирования антероградной и ретроградной диффузией, для регистрации моментов клеточного деления, для маркерного анализа с использованием метода рекомбинантной ДНК, радиоиммунного анализа, исследования взаимодействия препаратов с химическими системами организма.

Литература к разделу 6

6.1 L.A.Shepp, Y.Vardi, “Maximum likelihood reconstruction for emission tomography”, IEEE Trans. Med. Imag., vol.1,no.2, pp113-122, 1982

6.2