Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Основные принципы ПЭТ

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) является неинвазивным методом обследования внутренних органов, основанным на использовании радиоизотопов. Радиоизотопы вводятся в организм в составе радиофармпрепарата — биологически активного вещества, которое, при попадании в организм, вовлекается в процессы, происходящие в нём. Радиоизотопы, распадаясь, испускают гамма-кванты, которые детектируются томографам. Эти данные затем визуализируются для диагностики. Таким образом, изображение, полученное в результате ПЭТ, показывает распределение радиоизотопа в организме.

Радиоизотопы, используемые в ПЭТ

Радиоизотопы для ПЭТ должны распадаться, эмитируя позитрон (позитронный распад или бета-плюс-распад). В ПЭТ используются фтор-18 (время полураспада 110 минут, получается с помощью циклотрона), галлий-68 (68 минут, генератор), углерод-11 (20 минут, циклотрон).

Фтор-18 наиболее часто используется в ПЭТ. Он обладает достаточным временем жизни для доставки изотопа в клинику и проведения процедуры томографии.

Углерод-11 имеет относительно небольшой период полураспада, что требует быстрой доставки изотопа в клинику. В отличие от ФДГ, углерод-11 не меняет биохимических свойств радиофармпрепарата, что позволяет более точно изучать распределение препарата в организме.

Радиофармпрепараты в ПЭТ

С использованием фтора-18 изготавливается радиофармпрепарат фтордезоксиглюкоза (полное название 2-фтор-2-дезокси-D-глюкоза, анг. Fludeoxyglucose, сокр. ФДГ, FDG), путём замещения в глюкозе гидроксильной группы фтором-18. ФДГ является биологическим аналогом глюкозы, но отличается от неё тем, что в случае с ФДГ метаболизм не проходит до конца, в результате чего в клетках накапливается радиоизотоп. Клетки опухоли гораздо интенсивнее потребляют глюкозу, поэтому они быстрее других накапливают ФДГ, позволяя визуализировать их скопления. ФДГ является наиболее популярным радиофармпрепаратом для ПЭТ. Стоит отметить, что ФДГ интенсивно потребляется не только клетками опухоли, но и клетками сердечной мышци и мозга, поэтому иногда сложно отличить клетки опухоли от нормальных.

Изготовление радиофармпрепаратов

Большинство радиофармпрепаратов, используемых в ПЭТ, состоят из небольших молекул, помеченных фтором-18 или углеродом-11. Появляются новые препараты, с большими молекулами, например, пептиды, помеченные такими радиоизотопами, как цирконий-89, медь-64 или галлий-68.

Для приготовления радиофармпрепаратов используют нуклеофильное замещение с фтор-18 фторидами или метилирование с углеродом-11.

ПЭТ и ПЭТ/КТ оборудование

ПЭТ основана на детектировании двух гамма-квантов, распространяющихся в противоположные стороны и имеющие энергию 511 кэВ. Изотоп, который вводится в организм, распадается эмитируя позитрон (бета-плюс-распад). Позитроны, пройдя некоторый путь, сталкиваются с электронами, что приводит к реакции аннигиляции. В результате аннигиляции излучаются два гамма-кванта, распространяющихся в разные стороны под углом, близким к 180 градусам.

Гентри ПЭТ-сканера (часть томографа, находящаяся непосредственно вокруг пациента) содержит кольцо, заполненное детекторами, улавливающими гамма-кванты. Каждый детектор содержит несколько компонентов: сцинтилятора (вещество, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения), фотоэлектроннго умножителя (электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе) или кремниевый лавинный фотодиод (высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта).

Когда в сцинтилятор попадает гамма-квант, он генерирует вспышку света, которая переводится в электрический сигнал с помощью фотоумножителя или фотодиода. Зарегистрированная пара гамма-квантов называется совпадающим событием (coincidence event). События записываются для дальнейшей обработки. Зная, какими сенсорами было зарегистрировано событие можно найти линию, на которой находится источник события. Она называется линией совпадения (line of response — LOR).

Все события на одной линии совпадения группируются в синограммы, которые далее реконструируются в ПЭТ-изображения. ПЭТ-сканеры часто комбинируются с КТ. Это позволяет использовать преимущества каждого вида исследования. КТ позволяет с высоким разрешением визуализировать анатомическую структура, а ПЭТ — визуализировать метаболические и прочие процессы, происходящие в организме.

Порядок проведения процедуры томографии

Чаще всего используется комбинированный ПЭТ-КТ сканнер. Обычно процедура томографии состоит из следующих шагов:

1. Перед сканированием пациент обычно должен придерживаться рекомендованной диеты.
2. По прибытию пациента в ПЭТ-центр проводится его интервьюирование для выяснения деталей его медицинской истории и цели сканирования. Пациента просят снять все металлические предметы, которые могут повлиять на результат сканирования.
3. Пациенту делается внутривенная инъекция радиофармпрепарата. Объём вводимого вещества обычно рассчитывается исходя из веса пациента. Если в качестве препарата используется ФДГ, после введения пациент должен отдыхать до одного часа. За это время препарат распределяется по организму. В это время пациенту важно воздерживаться от движений, поскольку работающие мышцы потребляют глюкозу (и, соответственно, ФДГ), что усложняет диагностику.
4. Пациент укладывается на кровать сканера, которая может перемещаться внутри гентри сканера. Кровать с пациентом перемещается внутрь гентри. Пациент позиционируется таким образом, чтобы область интереса его тела была в области видимости датчиков сканера. Для этого используются лазерные указатели.
5. Производится сканирование. Сначала КТ, затем ПЭТ. Если необходимо сканировать область тела, которая не помещается целиком в область видимости датчиков сканера, сканирование проводится пошагово с перемещением пациента. Сканирование длится от пятнадцати минут до одного часа.
6. После сканирования пациент данные, полученные с помощью томографа, реконструируются в трёхмерное изображение. ПЭТ и КТ изображения могут использоваться отдельно, но чаще объединяются в одно. После этого изображение может быть просмотрено посрезово для проведения диагностики.

Реконструкция ПЭТ-изображений

В процессе процедуры томографии ПЭТ-сканер детектирует сигнал от введённого в организм радиоизотопа. Радиоизотоп (в составе радиофармпрепарата), находящийся в организме в процессе распада излучает позитроны, которые, пройдя некоторый путь, сталкиваются с электронами. При столкновении позитронов с электронами излучаются два гамма-кванта, распространяющихся в портивоположном направлении (угол близок к 180 градусам). Гамма-кванты регистрируются датчиками ПЭТ-сканера. Детекторы сгруппированы в несколько колец, находящихся внутри гентри (вокруг объекта исследования). Зарегистрированная пара гамма-квантов называется совпадающим событием.

Стоит заметить, что не все совпадающие события будут зарегистрированы. Некоторые гамма-кванты могут распространятся мимо датчиков. Исходные данные, которые затем будут реконструированы в изображение представляют собой список совпадающих событий, содержащий информацию о том, какими датчиками и в какой момент времени было зарегистрировано каждое совпадающее событие. Эти данные являются исходными (англ. Raw data) для дальнейшей реконструкции. Их часто называют данными в режиме списка (англ. List-mode data).

Два датчика, зарегистрировавшие совпадающее событие, можно представить, как две точки, через которую можно провести прямую, на которой произошло событие. Эта линия называется линией ответа (англ. line of response – LOR). Где именно на линии ответа произошло событие неизвестно. При использовании сканеров имеющих датчики с большим временным разрешением можно рассчитать в какой области линии ответа произошло событие. Точность обычно имеет порядок сотен миллиметров. Такие датчики называют времяпролётными (англ. time of flight detector – TOF). Обычно временное разрешение времяпролётных датчиков близко к трём наносекундам.

Существует несколько технологий реконструкции ПЭТ-изображений из исходных данных, их основная идея заключается в проецировании множества линий ответа на плоскость (срез) и последующей фильтрации. В результате получается посрезовая карта вероятности распределения радиофармпрепарата в организме объекта исследования. Наиболее часто используемая технология заключается в группировке линий ответа по схожести направления в так называемые синограммы. Затем применение обратного преобразования Родона ( обратное проецирование). Другой способ основан на применении EM-алгоритма (англ. Expectation-maximization – EM).

Разрешение ПЭТ-изображения значительно меньше, чем КТ или МРТ. Основная причина этого в меньшем количестве информации и в низком соотношении сигнала к шуму. Датчики, регистрирующие гамма-кванты имеют относительно большой размер, что является одной из причин низкого разрешения. Одно из направлений развития индустрии производства ПЭТ-сканеров является уменьшение датчиков. Это позволяет использовать большее количество датчиков при том же размере гентри, либо создавать более компактные портативные сканеры.

Коррекция затухания

Гамма-лучи, испускаемые мечеными атомами и регистрируемые датчиками ПЭТ-томографа, при прохождении через биологические ткани угасают. Степень угасания зависит от нескольких факторов, например от размера объекта и от типа ткани. Угасание приводит к тому, что изображение выглядит более ярким ближе к краям объекта и более тусклым в центре.

Для компенсации этого эффекта используют необходимо создать карту коэффициентов угасания (attenuation map) с помощью которой можно преобразовать ПЭТ-изображения. Карта коэффициентов угасания может быть рассчитана на основе КТ-изображения. Поскольку ПЭТ-изображение имеет низкое разрешение, нет необходимости иметь КТ-изображение высокого разрешения для расчета карты угасания. Поэтому КТ-сканирование и карта коэффициентов могут быть сделаны достаточно быстро. Карта коэффициентов рассчитывается из КТ-изображения простым масштабированием значений яркости вокселей. ПЭТ-изображение корректируется простым умножение на соответствующие коэффициенты.

Коррекция затухания очень важна при расчетах количественных показателей на основе ПЭТ-изображений. Очень важно, чтобы ПЭТ-изображение и карта коэффициентов затухания были приведены к одной системе координат.

Коррекция движений

Движеня пациента во время набора томографических данных является серьёзной проблемой. Для получения качественных изображений высокого разрешения необходимо учитывать движения пациента при реконструкции изображений.

Движения могут быть непреднамеренными и преднамеренными. К непреднамеренным движениям относят, дыхание, биение сердца или изменение радиуса сосудов, вызванные пульсацией крови, т.е. те, которые пациент не может контролировать. К преднамереным (или спонтанным) движениям относят движения частей тела, которые пациент обычно может контролировать, но в силу несосредоточенности или болезни не делает этого во время процедуры. Это, например, движения головы, вызванные кашлем, зеванием или тремором. Это также может быть движение головы, следующее за изменением направления взгляда (при этом пациент может считать, что остаётся неподвижным). Для каждого типа движений необходим свой способ контроля.

Для контроля спонтанных движений может использоваться ограничение с помощью закрепления ремнём или лёгкий наркоз. Для пацинета такие методы являются неудобными. Предпочтительнее использовать мониторинг движений и учитывать при реконструкции.

Способы мониторинга бывают контактные и бесконтактные. Для пацинета более удобными являются бесконтактные. На примере мониторинга движений головы контактные методы основываются на закреплении на голове с помощью шапочки или очков специальных маркеров. Положение этих маркеров отслеживается с помощью специальных камер, оно определяет положение головы. Бесконтакные методы основываются на обработке видеоизображений лица пациента.