PET - podstawy działania

Autor: Piotr Wawrzyńczyk

Kategoria: Diagnostyka obrazowa Artykuł opublikowano w CX News nr 1/51/2015

W ostatnim czasie tematem medycznym numer jeden w Polsce jest diagnostyka onkologiczna. Szczególne emocje wśród lekarzy i pacjentów wywołują wypowiedzi dotyczące zaawansowanych metod diagnostycznych, takich jak PET, bowiem dostępność do możliwości diagnozy w naszym kraju jest ciągle bardzo ograniczona. Z jednej strony, jest to związane z brakiem strategii i przemyślanych lokalizacji aparatów, a przez to utrudniony dostęp do samych urządzeń, zaś z drugiej, tak jak w przypadku całej służby zdrowia, złego systemu finansowania. Jednak widząc na horyzoncie latarnie z wielkim światłem zmian, pragnąłbym nieco przybliżyć podstawy działania oraz możliwości przywołanej metody diagnostycznej.

Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) jest techniką obrazowania, w której obserwujemy alokację radionuklidu emitującego pozytony, ściślej mówiąc rejestrując promieniowanie gamma pochodzące z rozpadu β+. Polega on na zamianie protonu w neutron w jądrze nuklidu promieniotwórczego. W rozpadzie tym, liczba atomowa Z powstałego jądra zmniejsza się o jeden, a liczba masowa A nie ulega zmianie. W rozpadzie promieniotwórczym β+ ulegające przemianie jądro emituje dwie cząsteczki tj. pozyton e+ i neutrino elektronowe νe.

Radiofarmaceutyki są przed badaniem wstrzykiwane do organizmu. Mogą być wykorzystane do śledzenia zmian procesów zarówno biochemicznych, jak i fizjologicznych in vivo (wykazano w badaniach półilościowych, iż różne typy nowotworów mają inne tempa przechwytywania znacznika FDG). Najpowszechniejsze radionuklidy (radiofarmaceutyki, znaczniki pozytonowe, etc.) to węgiel 11C, azot 13N, tlen 15O i fluor 18F. Należą one do szczególnie ważnych pierwiastków w procesach metabolicznych organizmu. Wymienione izotopy nazywane są znacznikami organicznymi, ze względu na rolę biomolekuł, do których są przyłączone. Drugą grupę stanowią znaczniki nieorganiczne, jednak ich rola jest znikoma, ze względu na słabą dostępność oraz niższe możliwości diagnostyczne.

Jednak skąd de facto biorą się radionuklidy? Związki te są substancjami powstałymi z połączenia dwóch ważnych składników - ligandu oraz radioizotopu. Ligand to związek chemiczny wykazujący powinowactwo do gromadzenia się w obrazowanym narządzie czy tkance. Jest on nośnikiem, do którego przyłączony jest radioizotop i dzięki któremu jest on dostarczony do odpowiedniego miejsca w organizmie. Ligand dobiera się w oparciu o znajomość funkcji pełnionych przez daną tkankę. Ligandy są w niej wychwytywane, metabolizowane lub uczestniczą tam w fizjologicznych procesach.

Najszerzej stosowanym znacznikiem w onkologii jest 18F-fluorodeoksyglukoza (18F-FDG), ze względu na najdłuższy czas połowicznego rozpadu 18F oraz niską energię tego procesu. Związek ten jest stosunkowo łatwy do zsyntetyzowania, równocześnie posiada wysoką wydajność radiochemiczną. FDG jest analogiem glukozy, a więc tak samo jak ona, bardzo łatwo przechodzi przez błonę komórkową. Wewnątrz błony glukoza ulega przekształceniu pod wpływem heksokinazy do glukozo-6-fosforanu, a następnie związek ten zostaje przekształcony w procesie glikolizy do glikogenu i dalej jest metabolizowany do CO2 i wody, a następnie usuwany na zewnątrz komórki. FDG pod wpływem heksokinazy ulega przekształceniu do FDG-6-P, a przez to nie zostaje poddane działaniu glikolizy. Powstały związek jest zbyt polarny, aby móc przedostać się na zewnątrz komórki - jest swoistą pułapką metaboliczną. To sprawia, że doskonale nadaje się do wykorzystania jako wskaźnik wchłaniania glukozy. To interesujące, ponieważ w onkologii dzielące się komórki nowotworowe mają wyższe niż średnie tempo metabolizmu glukozy. Inne znaczniki to m.in. 11C-metionina, która również jest stosowana w onkologii, gdzie działa jako marker dla syntezy białka. PET ma również zastosowanie w kardiologii, gdzie 13N-NH3 jest wykorzystywany jako znacznik do perfuzji. Przy użyciu znaczników 13N-NH3 i 18F-FDG skany pacjenta są interpretowane łącznie. Pozwala to na odróżnienie od siebie obszarów serca o różnym poziomie ukrwienia. Informacje te są bardzo przydatne do oceny uszkodzenia mięśnia sercowego oraz identyfikacji pacjentów do operacji wszczepienia by-passów. W neurologii PET jest w szczególności wykorzystywany do diagnozowania ciężkiej padaczki ogniskowej, w której może być używany w połączeniu z obrazowaniem za pomocą rezonansu magnetycznego (PET/MR).

Poniżej w tabeli zostały zebrane najczęściej wykorzystywane radiofarmaceutyki w metodzie PET.
 
 Izotopy

Po iniekcji radionuklidu, pacjenta umieszcza się na specjalnym stole, który wprowadzany jest do gantry aparatu, tak aby obszar badania znalazł się w polu widzenia (FOV). W gantry znajdują się detektory, które umożliwiając rejestrację padających promieni gamma. W trakcie zachodzącego procesu izotop promieniotwórczy rozpada się, emitując pozytony (tzw. antyelektrony, które obdarzone są ładunkiem dodatnim, o masie równej masie elektronu), które pokonują niewielki odcinek wewnątrz ciała, wynoszący  ok. 1 mm. W trakcie „podróży” pozytonu przez ludzkie tkanki obserwujemy zmniejszenie ich energii kinetycznej, głównie poprzez przyciąganie Coulomba z przeciwnie naładowanymi elektronami. Spowodowane jest to faktem, iż pozyton i elektron mają tą samą masę, jednak przez większą ilość elektronów napotkanych na swej drodze pozyton ulega większym odchyleniom od właściwej trajektorii, wskutek oddziaływań Coulombowskich. Wydłużeniu ulega optymalna droga przejścia przez tkankę, w trakcie której pozyton traci część energii kinetycznej. Jednak nic w naturze nie dzieje się bez przyczyny. W wyniku zmniejszania się energii kinetycznej, wzrasta energia termiczna. Po osiągnięciu maksymalnej wartości dochodzi do zderzenia z elektronem, czyli anihilacji, w trakcie której powstają fotony niosące energię 511 keV. Oddalają się one od siebie w przeciwnych kierunkach (pod kątem 180°). Właśnie te fotony są wykrywane przez detektory. Każdy z nich generuje impuls elektryczny w momencie padającego fotonu. Następnie impulsy te, są łączone w obwód i jeśli pokrywają się w tym samym, krótkim oknie czasowym to są uważane za koincydentalne. Koincydencji jest przydzielona tzw. linia odpowiedzi (LOR – line of response) łączącego dwa odpowiednie czujniki detektora, na które padają fotony. W ten sposób uzyskuje się dane położenia z wykrytego promieniowania, bez konieczności fizycznego kolimatora. LOR jest również znany pod pojęciem elektronicznej kolimacji, która ma dwie główne zalety w stosunku do fizycznej kolimacji - poprawia czułość oraz daje lepszą jednorodność.

Wyróżniamy cztery kategorie koincydencji: prawdziwa, rozproszona, losowa i wielokrotna. Koincydencja prawdziwa występuje wówczas, gdy dwa fotony oddalają się od siebie pod kątem 180° oraz gdy ich wykrycie przez detektory następuje w tym samym czasie. O rozproszonej mówimy w sytuacji, gdy w następstwie anihilacji jeden z fotonów ulega rozproszeniu Comptona, czego efektem jest błędna linia LOR, a tym samym oddalanie się od siebie fotonów pod znacznie mniejszym kątem niż 180°. Koincydencja losowa to taka, podczas której rejestrujemy fotony padające na elementy detektora ustawione względem siebie pod kątem 180°, a więc zgodnie z LOR, jednak pochodzą z dwóch różnych procesów anihilacji. W procesie tym obserwujemy jednak znaczący wzrost szumu sygnału, w porównaniu do właściwej pary fotonów. Koincydencja wielokrotna występuje wówczas, jeśli w tym samym oknie czasowym zarejestrujemy więcej, niż jedną parę fotonów. 
 
 koincydencja

Jak w każdym aparacie diagnostycznym najważniejszym elementem jest detektor, a dokładniej jego konstrukcja. W warstwie scyntylacyjnej każdego detektora zachodzi proces konwersji fotonów o wysokiej energii w światło widzialne, składający się z następujących etapów: 
1. Foton padający na warstwę scyntylatora tworzy energetyczny elektron przez rozproszenie Comptona, albo też poprzez absorpcję sygnału fotoelektrycznego 
2. Elektron przechodzący przez scyntylator traci energię i wzbudza inne elektrony (wybija na inny poziom energii) 
3. Wzbudzone elektrony powracają z powrotem do stanu podstawowego, wydzielając światło.

W detektorze posiadającym warstwę scyntylacyjną jest ona sprzężona optycznie z fotopowielaczami (PMT - photomultiplier), które generują sygnał elektryczny w odpowiedzi na fotony padające na powierzchnię detektora. Występuje kilka rodzajów scyntylatorów stosowanych w tomografach PET. Ich główne parametry przedstawia poniższa tabela: 
 
 parametry

Najważniejsze cechy dobrego scyntylatora to: 
- duża wartość efektywnej liczby atomowej Z 
- padające promieniowanie gamma powinno generować znaczną ilość fotonów na warstwie scyntylacyjnej 
- scyntylator powinien mieć niski współczynnik absorpcji własnej 
- scyntylator powinien posiadać współczynnik załamania światła zbliżony do szkła, w celu poprawy sprzężenia optycznego między scyntylatorem i PMT 
- scyntylator powinien mieć krótki czas zaniku.

Po zarejestrowaniu sygnału następuje jego rekonstrukcja. W przypadku rekonstrukcji 2D najpopularniejsze to projekcja wsteczna (FBP), której minusem jest wzmocnienie szumu sygnału. Dla poprawy jakości sygnału 2D stosuje się algorytm OSEM (Ordered Subsets – Expectation Maximisation), który powoduje zmianę stosunku sygnału do szumu w technice FBP. W przypadku rekonstrukcji 3D najczęściej stosuje się technikę reprojekcji i filtracji wstecznej (3D-RP). Oczywiście nadal stosowane są metody wykorzystujące transformaty Fouriera, będącej rekonstruktorem 2D, a następnie wykorzystuje się algorytmy rekonstrukcji 3D. Jednak tak powstały obraz niesie informację odnośnie rozkładu pochodnej glukozy z radiofarmaceutykiem, bez informacji o dokładnej lokalizacji. W tym celu w medycynie stosuje się hybrydy PET z tomografem komputerowym oraz rezonansem magnetycznym. W dzisiejszych czasach urządzenia te są już zabudowane w jednym gantry, co daje o wiele dokładniejsze pomiary i nie pojawiają się już błędy powstałe wskutek przerwy czasowej pomiędzy skanem PET, a skanem CT czy MR. 

Firma Consultronix posiada w swojej ofercie najnowocześniejsze aparaty PET/CT i jedyny dostępny na rynku PET/MR w jednym gantry. W przypadku zainteresowania tego typu urządzeniem zapraszamy do kontaktu.



Ostatnio opublikowane artykuły w kategorii Diagnostyka obrazowa:

„Ferrari” w GMM

General Medical Merate (GMM) jest na rynku medycznym już ponad 65 lat, czyli od roku 1953. Ze względu na wiek, plasuje się zatem między Lamborghini a Ferrari...

Elektroniczna dokumentacja medyczna czyli jak ugryźć ucyfrowienie RTG – nowości Rayence

Postęp, zmiany i innowacje to nieodłączne cechy intensywnie rozwijających się dziedzin nauki, technologii i medycyny. Inwestycje w nowe technologie są naturalną drogą zwiększenia przychodu i polepszenia jakości usług. Pomimo wynalezienia na początku lat 60-tych pierwszego detektora, umożliwiającego przechwycenie promieniowania w formie cyfrowej, wiele placówek w Polsce – ze względów finansowych – nadal korzysta z systemów analogowych.

Bezpieczeństwo pacjenta podczas zabiegów radioterapii

Choroby nowotworowe obok chorób układu krążenia są główną przyczyną zgonów na świecie. Z roku na rok zwiększa się zachorowalność na nowotwory, a w związku z postępem medycyny i jej możliwości diagnostycznych wzrasta także ich wykrywalność. Jest to powodem bardzo dużego wzrostu liczby pacjentów objętych leczeniem onkologicznym. Ważnym elementem procesu leczenia onkologicznego jest radioterapia wykonywana w seriach zabiegów, które wcześniej zostają szczegółowo zaplanowane tak, aby działania niepożądane i ewentualne uszkodzenia okolicznych dla guza tkanek były jak najmniejsze. 

Leczenie zaburzeń pracy serca - gwarancja bezpieczeństwa z systemem Epoch

Będąc dystrybutorem firmy Stereotaxis na Polskę bardzo nam miło jest przedstawić wyniki badań udostępnione przez Uniwersytet Medyczny Paracelcus na temat korzyści płynących ze stosowania systemu Niobe.