Prístroje na detekciu žiarenia NUKLEÁRNA MEDICÍNA Prístroje na detekciu žiarenia Opakovanie 01

Úvod do nukleárnej medicíny Nukleárna medicína je špecializovaným odborom medicíny, ktorého základným princípom je využitie otvorených rádionuklidových žiaričov na diagnostické, terapeutické, výskumné účely. V praxi sa nukleárna medicína delí na diagnostickú časť a na terapiu otvorenými žiaričmi. 02

Úvod do nukleárnej medicíny Zobrazenie v  nukleárnej medicíne je jedinečné, pretože poskytuje klinikom informácie nielen o štruktúre, ale najmä o funkcii sledovanej oblasti. Nukleárna medicína používa malé a bezpečné množstvo rádioaktívnych látok za účelom stanovenia diagnózy aj liečby. 03

Úvod do nukleárnej medicíny Zdrojom rádioaktívneho žiarenia v nukleárnej medicíne sú otvorené rádioaktívne žiariče, ktoré sa podávajú vo forme rádiofarmák. Rádiofarmakum je látka so špecifickou väzbou na vyšetrovaný orgán alebo tkanivo, označená rádioaktívnym prvkom, ktorá sa aplikuje do vnútorného prostredia organizmu a následne vychytáva v cieľovom orgáne. 04

Úvod do nukleárnej medicíny V nukleárnej medicíne sa základné rádionuklidy spájajú s inými prvkami, resp. chemickými zlúčeninami, za účelom výroby rádiofarmák (môžu sa vyrábať priamo na pracovisku, alebo sú dodávané ako chemické zlúčeniny-hotový prípravok). Po aplikácii (môže byť intra venózna, per orálna, peri tumorálna a i.) sa rádiofarmakum akumuluje v špecifickom orgáne/tkanive, resp. lokalizuje bunkové receptory. Táto charakteristika rádiofarmák umožňuje zobraziť vývoj ochorenia v organizme, založený na bunkovej funkcii (metabolizme) a  fyziológii, namiesto sledovania a  vyhľadávania anatomických zmien v tkanivovej štruktúre . 05

Úvod do nukleárnej medicíny V diagnostickej časti nukleárnej medicíny sú podané rádiofarmaká detekované/snímané pomocou špeciálnych kamier nazývaných gamakamera, ktoré umožňujú získať veľmi presný obraz sledovanej oblasti. Metódami pre získanie žiadanej diagnostickej informácie v nukleárnej medicíne sú jednofotónová emisná tomografia SPECT a pozitrónová emisná tomografia PET. Obe emisné metódy môžu byť v praxi doplnené o transmisnú metódu počítačovej tomografie CT. Poznámka: emisia = vyžarovanie transmisia = prežarovanie 06

Úvod do nukleárnej medicíny Limity pre optimálne diagnostické dávky stanovuje legislatíva SR v Nariadení vlády SR 340/2006 O ochrane zdravia osôb pred nepriaznivými účinkami ionizujúceho žiarenia pri lekárskom ožiarení. Nariadenie hovorí o maximálnych dávkach aplikovaných pre jednotlivé druhy vyšetrení, avšak zároveň hovorí o tom, že limit pre pacientov nie je striktne stanovený, za výšku aplikovanej dávky zodpovedá vyšetrujúci lekár. Výpočet dávok pre deti upravuje Európska asociácia pre nukleárnu medicínu (EANM). 07

Základné fyzikálne princípy Atóm Živá a neživá hmota sa skladá z atómov. Atóm každého prvku sa skladá z jadra a elektrónového obalu. 08

Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro Atómové jadro pozostáva z dvoch druhov častíc protónov p+ (nositeľ kladného elektrického náboja) neutrónov n0 (bez náboja - elektricky neutrálny) Počet protónov v jadre sa označuje ako protónové číslo (Z). Podľa protónového čísla sú prvky zoradené do periodickej tabuľky prvkov. V prírode sa vyskytujú atómy s protónovým číslom od Z = 1 (vodík) po Z = 92 (urán). 09

X Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro Počet protónov v jadre sa označuje ako protónové číslo (Z). Počet neutrónov v jadrách toho istého prvku môže byť odlišný. Súhrnný počet protónov a neutrónov vyjadruje nukleónové číslo (A). Rozdiel A-Z zodpovedá počtu neutrónov. Vyjadruje ho neutrónové číslo (N). A= protóny+neutróny X Z= počet protónov 10

X Základné fyzikálne princípy Atóm / Atómové jadro A= protóny+neutróny Z= počet protónov Vodík (H) Z=1 A=1 Hélium (He) Z=2 A=4 Lítium (Li) Z=3 A=6 Sodík (Na) Z=11 A=22 11

Základné fyzikálne princípy Atóm / Elektrónový obal Elektrónový obal atómu tvoria elektricky záporne nabité elektróny. Počet elektrónov v normálnom atóme sa rovná počtu protónov v jeho jadre, t.j. protónovému číslu (Z) a atóm je ako celok elektricky neutrálny. 12

Základné fyzikálne princípy Atóm / Elektrónový obal Valenčná vrstva  je najvyššia vrstva el. obalu a elektróny ktoré sa zúčastňujú chemických  reakcií sú práve z tejto vrstvy (valenčné elektróny). Je to spôsobené tým že ak valenčný elektrón dostane určitú energiu z vonku (podnet), odtrhne sa od atómu a stáva sa tzv. voľným elektrónom. Tieto elektróny sa potom zúčastňujú alebo podieľajú na tvorbe chemických väzieb. Rovnako môže aj valenčná vrstva prijímať elektróny z iných atómov. 13

Základné fyzikálne princípy Atóm / Ionizujúce žiarenie Ionizujúce žiarenie IŽ je tok hmotných častíc alebo fotónov,ktoré majú schopnosť ionizovať atómy prostredia. Vzniká ako sprievodný jav jadrových procesov a procesov odohrávajúcich sa v elektrónovom obale. Pri týchto procesoch sa jadro alebo obal dostávajú do vzbudeného (excitovaného) stavu (príjmu nejakým spôsobom energiu z okolia) a sú energeticky nestabilné (potrebujú sa získanej energie nejakým spôsobom zbaviť). Pôvodný stav nadobudnú po vyžiarení energie vo forme častíc (elektrónov, protónov, pozitrónov) alebo fotónov. 14

Základné fyzikálne princípy Atóm / Ionizujúce žiarenie Ionizujúce žiarenie delíme na korpuskulárne(časticové) a vlnové. Korpuskulárne žiarenie je tok častíc s nenulovou hmotnosťou, charakterizovaným elektrickým nábojom a pohybom (energiou). Vlnové žiarenie má charakter elektromagnetického vlnenia, kde patrí tepelné (mikrovlny), infračervené, viditeľné, ultrafialové žiarenie, žiarenie X a  γ žiarenie. ! Iba žiarenie X a γ (gama) žiarenie má schopnosť ionizovať atómy ! 15

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita ako zdroj IŽ Rádioaktivita (RA) je vlastnosť jadier niektorých prvkov, ktorá sa prejavuje samovoľným rozpadom jadier. Pri rozpade a premene emituje (vyžaruje) takéto jadro energiu-rádioaktívne žiarenie (α, β, γ, prípadne neutróny a žiarenie X ). Vyžiarením určitého množstva energie (pre rôzne prvky je to rôzne množstvo) sa prvok premieňa/rozpadá na iný prvok. Rádioaktivitu rozlišujeme prirodzenú a umelú. 16

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu V určitom časovom úseku s v danom rádionuklide rozpadne vždy len určitý podiel jadier, ostatné ostávajú vo vzbudenom stave. Podiel premenených jadier za sekundu a celkového počtu rádioaktívnych jadier udáva tzv. rozpadová konštanta λ. Je to miera aktivity daného rádioaktívneho prvku. 17

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Zákon RA rozpadu Rádioaktívny rozpad prvkov sa znázorňuje pomocou rozpadovej krivky, ktorá má exponenciálny tvar a možno ju vyjadriť rovnicou. N = N0. e-λ.t N0 - počet rádioaktívnych jadier v čase t = 0 N - stredný počet ešte nerozpadnutých jadier v čase t λ - konštanta premeny (rozpadová konštanta) 18

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Fyzikálne charakteristiky Polčas rozpadu (T1/2 ) je čas, za ktorý sa rozpadne (premení) polovica jadier. Je jednou zo základných charakteristík každého rádionuklidu, môžu to byť sekundy, minúty, dni, roky aj tisícročia. T1/2 = ln2 .λ-1 λ - rozpadová konštanta 19

Detekcia a meranie IŽ Druhy ionizujúceho žiarenia Z hľadiska rádioaktívnych premien rozdeľujeme RA žiarenie : Žiarenie α je prúdom rýchlo letiacich atómových jadier hélia 24He. Preniká vzduchom aj tenkými kovovými fóliami, neprenikne cez kožu človeka. Žiarenie β je prúdom elektrónov e- (pozitrónov e+). Je asi 100 krát prenikavejšie ako žiarenie α. Žiarenie γ tvorí prúd fotónov. Je najprenikavejšou časťou jadrového žiarenia. 20

Základné fyzikálne princípy Rádioaktivita / Typy RA premien Obr.: Prenikavosť rádioaktívneho žiarenia 21

Detekcia a meranie IŽ 22

Detekcia a meranie IŽ Základné fyzik. charakteristiky rádionuklidov v nukl. medicíne Rádionuklidy, ktoré sa používajú pre scintigrafické zobrazenie v nukleárnej Medicíne sú zdrojmi ionizujúceho žiarenia gama (respektíve. ide o zmiešané žiariče γ a β). Fyzikálny polčas rozpadu T1/2 Energia ionizujúceho žiarenia gama Spektrum ionizujúceho žiarenia gama 23

Detekcia a meranie IŽ Zariadenia, ktoré sa používajú na stanovenie prítomnosti ionizujúceho žiarenia a meranie jeho fyzikálnych charakteristík sa súhrnne nazývajú detektory ionizujúceho žiarenia. Detektory IŽ sú založené na spoločnom princípe, využívajú účinky žiarenia na prostredie, v ktorom sa žiarenie šíri, alebo na látky, na ktoré dopadá. Najčastejšie sa využívajú ionizačné a excitačné účinky rádioaktívneho žiarenia. 24

Detekcia a meranie IŽ Ako detektory žiarenia možno použiť: Plynové detektory (Ionizačná komora, GM tubica) Termo-luminiscenčné detektory Filmové detektory Scintilačné detektory Polovodičové detektory 25

Detekcia a meranie IŽ Plynové detektory Princíp je založený na ionizácii plynu. Plyny nie sú za zvyčajných podmienok elektricky vodivé. Účinkom ionizačného žiarenia sa však vytvárajú iónové páry - nosiče elektrického náboja a plyn sa stáva vodivým. K plynovým detektorom IŽ patrí: Ionizačná komora Geiger - Müllerova (GM) trubica 26

Detekcia a meranie IŽ Termoluminiscenčné detektory TLD TLD využívajú jav, ktorý sa nazýva rádiotermoluminiscencia Ak bola látka vystavená ionizujúcemu žiareniu, tak pri zvýšení teploty začne emitovať svetlo. TLD sú vlastne vhodné kryštalické látky, v ktorých ionizačné žiarenie vyvolá excitácie a zachytenie elektrónov v energeticky vyšších stavoch. Pri zohriatí sú zachytené elektróny uvoľňované a vracajú sa do stabilného energetického stavu spolu s emisiou svetla. Látka vyžaruje svetlo, ktorého celková energia je úmerná energii ionizujúceho žiarenia pohlteného v látke. Detekcia vyžiarenej energie je prevedená pomocou špeciálneho čítacieho zariadenia (detektor s fotonásobičom), ktoré sníma svetelný tok, emitovaný behom ohrievania dozimetrického materiálu. TLD detektory sa používajú v osobných dozimetroch. 27

Detekcia a meranie IŽ Fotografické detektory Ak vnikne do fotografického materiálu (bromid strieborný) ionizačné žieranie, dochádza v miestach ionizácie k fotochemickej reakcii (uvoľňuje sa striebro so zlúčeniny) a vzniku obrazu. Hustota sčernenia fotografického materiálu je úmerná hustote ionizácie v danom mieste a teda množstvu energie ionizačného žiarenia, ktoré bolo v tomto mieste pohltené. Dozimeter sa skladá z dozimetrickej kazety s kompenzačnými filtrami a dozimetrického filmu., ktorý je svetlotesne zabalený do čierneho papiera. Film je vložený do filtra v tvare „U“ . Filtre sú z rôzneho materiálu (Pb, Cu, Al, Sn) a majú rôznu hrúbku. Ionizačné žiarenie pohlcujú tieto filtre a porovnaním sčernenia pod jednotlivými filtrami je možné odhadnúť druh a zhruba energiu žiarenia. Film je vyvolaný štandardným spôsobom. Pomocou denzitometra sa zmeria sčernenie filmu, na základe čoho sa určí dávka. Filmový detektor sa používa v osobných dozimetroch a poskytuje informáciu o osobnom dávkovom ekvivalente. 28

Tvorba scintintigrafického obrazu Detekcia žiarenia gama pomocou scintilačného detektora Scintilačný detektor využíva vlastnosti niektorých látok scintilátorov, ktoré pri prechode fotónov ionizujúceho žiarenia vyvolávajú záblesky - scintilácie. Kryštál scintilačného detektora gamakamery je vyrobený z iodidu sodného aktivovaného táliom [NaI(Tl)]. 29

Detekcia a meranie IŽ Scintilačné detektory Scintilačný detektor využíva vlastnosti niektorých látok scintilátorov, ktoré pri prechode fotónov ionizujúceho žiarenia vyvolávajú záblesky - scintilácie. Vo všeobecnosti sa detekčný systém gamakamery skladá z častí: Kolimátor (môže/nemusí byť v prípade všetkých detektorov) Scintilačný kryštál (NaI (Tl) iodid sodný aktivovaný táliom) Svetlovodič (zlepšenie optického kontaktu) Fotonásobiče (premena svetelného impulzu na elektrický signál) A/D konvertory (premena analógového signálu na signál digitálny) Amplitúdový analyzátor (analýza energie detekovaných fotónov) Počítač pre spracovanie obrazu (tvorba výstupného obrazu) Obr.: Detektor gamakamery 30

Princíp scintilačného detektora Scintilačný detektor gamakamery Princíp scintilačného detektora Vstup fotónu gama (z organizmu pacienta) do scintilačného kryštálu Vznik svetelného fotónu (záblesku svetla-scintilácie) v kryštáli Premena svetelného fotónu na elektrický impulz (pomocou systému dynód) Zosilnenie elektrického impulzu Určenie polohy scintilácie (pomocou polohových obvodov) Určenie energie fotónu gama (fotónu, ktorý scintiláciu vyvolal) Tvorba digitálneho obrazu (zápis údajov o polohe a energii do prednastavenej akvizičnej matice v pamäti počítača) 31

Scintilačný detektor gamakamery Princíp scintilačného detektora 32

Scintilačný detektor gamakamery Mŕtva doba scintilačného detektora Mŕtva doba detektora, resp. jeho rozlišovacia doba je minimálny časový interval, ktorý uplynie od zaregistrovania jednej častice do okamihu, keď je detektor schopný registrovať ďalšiu časticu. 33

Tvorba scintintigrafického obrazu Elektronické spracovanie detekovaného signálu FOTONÁSOBIČ ZOSILŇOVAČ signálu kolimátor INTEGRÁTOR 486552 foton scintilačný krištáľ ZDROJ VN ANALYZÁTOR DISKRIMINÁTOR analýza energie POČÍTAČ IMPULZOV REGISTRÁCIA FK A D FOTÓN SVETLA FOTÓN GAMA Obr.: Detekcia fotónu gama pomocou detetektora gamakamery a spracovanie signálu. 34

Tvorba scintintigrafického obrazu Elektronické spracovanie detekovaného signálu Určenie polohy scintilácie Svetelné fotóny, ktoré vznikli v dôsledku interakcie žiarenia gama s kryštálom sa v ňom šíria všetkými smermi. Najviac svetla sa dostane do fotonásobiča, ktorý je najbližšie k miestu interakcie fotónu gama s kryštálom (miesto scintilácie). Na výstupe tohto fotonásobiča vznikne impulz, ktorého amplitúda je väčšia ako amplitúda odoziev zo vzdialenejších fotonásobičov. Na základe hodnotenia odoziev zo všetkých fotonásobičov určia tzv. polohové obvody výslednú súradnicu scintilácie [X,Y]. 35

Tvorba scintintigrafického obrazu Elektronické spracovanie detekovaného signálu Určenie polohy scintilácie Obr.: Určenie polohy scintilácie pomocou polohových obvodov. 36

Tvorba scintintigrafického obrazu Elektronické spracovanie detekovaného signálu Analýza energie Súčasne s určením polohy scintilácie prebieha analýza intenzity scintilácie. V prípade scintilačných kryštálov je intenzita scintilácie (vzniknuté svetlo) úmerná energii absorbovanej v scintilátore (kryštále) → je generovaný signál Z. Generovanie signálu Z zabezpečujú sumačné obvody, ktoré sčítavajú veľkosť odozvy všetkých fotonásobičov a prevádzajú ju na absorbovanú energiu scintilácie. Takto vytvorený signál vstupuje do amplitúdového analyzátora. Pre každú scintiláciu je takto určená jej poloha a energia fotónu gama, ktorá scintiláciu vyvolala. 37

Tvorba scintintigrafického obrazu Elektronické spracovanie detekovaného signálu Amplitúdový analyzátor Amplitúdový analyzátor umožňuje nastaviť hornú a dolnú hladinu okienka analyzátora. Okienko analyzátora prepustí len impulz, ktorý bol vyvolaný fotónom o energii vyššoej ako dolná diskriminačná hladina a nižšej ako horná diskriminačná hladina. Oblasť medzi dolnou a hornou diskriminačnou hladinou sa nazýva okno fotopíku. 38

Tvorba scintintigrafického obrazu Elektronické spracovanie detekovaného signálu Obr.: Amplitúdový analyzátor. Okno fotopíku. 39

Tvorba scintintigrafického obrazu Elektronické spracovanie detekovaného signálu Obr.: Energetické okno fotopíku pre 99mTc. 40

Tvorba scintintigrafického obrazu Scintigrafický obraz – digitálna kamera Plne digitálna gamakamera sa od analógovej líši v tom, že každý fotonásobič má svoj analógovo-digitálny prevodník ADC → osciloskopická obrazovka je nahradená ADC a pamäťou počítača. Proces tvorby digitálneho signálu je spustený impulzom Z, ktorý oznamuje že bol detekovaný platný fotón žiarenia gama. Súradnice X a Y potom AD prevodník prevedie na bitovú kombináciu a pošle ju na odpovedajúcu adresu bunky v počítači. V pamäti počítača je pre zápis digitalizovaných impulzov vyčlenená tzv. obrazová matica (akvizičná) (býva to 64x64, 128x128, 256X256 buniek, výnimočne i 512X512 buniek). 41

Tvorba scintintigrafického obrazu Vplyv matice na scintigrafický obraz Obr.: CT obraz, nahrávaný do matice 512X512 a postupne výpočtovo prevádzaný do nižších matíc až po 64x64. 42

Kolimácia pri detekcii žiarenia V prípade jednofotónovej emisnej tomografie sa za účelom eliminácie fotónov gama z nežiaducich smerov používajú zariadenia – kolimátory. 43

Kolimácia pri detekcii žiarenia Kolimátor Kolimátor je clona, vyrobená z tienaiaceho materiálu (najčastejšie olova, alebo wolfrámu) ktorá vymedzuje smer fotónov, dopadajúcich na scintilačný kryštál. Najčastejšie je to platňa s väčším počtom husto a rovnomerne rozmiestnených otvorov určitého tvaru, veľkosti a smeru. Bez oslabenia prechádzajú kolimátorom len fotóny letiace v smerem osi otvorov kolimátora. Ostatné fotóny prichádzajúce z iných smerov sú absorbované v olovených prepážkach (septách) medzi otvormi, na kryštál nedopadajú a nie sú detekované. 44

Kolimácia pri detekcii žiarenia 45

Kolimácia pri detekcii žiarenia Rozdelenie kolimátorov Kolimátory možno deliť z viacerých hľadísk, no vo všeobecnosti ich rozdeľujeme podľa: Sklonu otvorov kolimátora Energie detekovaného žiarenia gama Rozlíšenia/citlivosti, ktoré je možné s ich použitím dosiahnuť 46

Kolimácia pri detekcii žiarenia Rozdelenie podľa sklonu otvorov kolimátora 1.) Kolimátory s paralelnými otvormi 2.) Kolimátory so šikmými otvormi 47

Kolimácia pri detekcii žiarenia Typy kolimátorov 48

Kolimácia pri detekcii žiarenia Kolimátor s paralelnými otvormi Obr.: Vplyv vzdialenosti od čela kolimátora na rozlíšenie v obraze. 49

Kolimácia pri detekcii žiarenia Rozdelenie podľa energie detekovaného žiarenia 50

Kolimácia pri detekcii žiarenia Rozdelenie podľa rozlíšenia/citlivosti 1.) Kolimátory s vysokou citlivosťou (HS – High Sensitivity) Majú pomerne krátke a veľké otvory a tenké prepážky, aby kolimátorom prešlo čo najviac fotónov gama z väčšieho priestorového uhla pre každý otvor. S touto zvýšenou citlivosťou sa však spája výrazne horšia rozlišovacia schopnosť, ktorá sa pomerne rýchlo zhoršuje so vzdialenosťou od čela kolimátora. Kolimátory HS sa používajú pomerne zriedka. 2.) Kolimátory s vysokým rozlíšením (HR – High Resolution) Majú dlhšie a drobnejšie otvory (cca 1-2 mm) s tenkými prepážkami (cca 0,2 – 0,4 mm), takže každý otvor sníma žiarenie z pomerne malého priestorového uhla. Vyššie rozlíšenie samozrejme vedie k nižšej citlivosti ( detekčnej účinnosti ). Tento kolimátor sa v súčasnosti javí ako jeden z optimálnych pre detekciu žiarenia gama. 51

Kolimácia pri detekcii žiarenia Rozdelenie podľa rozlíšenia/citlivosti 3.) Kolimátory s ultra vysokým rozlíšením (UHR – Ultra Heigh Resolution) Majú dlhé a veľmi drobné otvory (cca 1 mm) s dostatočne tenkými prepážkami (cca 0,1 - 0,2 mm), čo zaručuje veľmi dobrú rozlišovaciu schopnosť. Citlivosť je však výrazne znížená → až 4-násobne. Používa sa veľmi zriedka. 4.) Kolimátory s vhodným pomerom rozlíšenie/citlivosť (AP – All Purpose) Spolu s HR kolimátorom je najčastejšie používaný v bežnej praxi. 52

Čo je SPECT ? Jednofotónová emisná tomografia SPECT, alebo Jednofotónová emisná tomografia (Single Photon Emission Tomography) je diagnostická metóda, ktorá pre zobrazenie sledovanej oblasti využíva emisiu jednoduchých fotónov z organizmu pacienta. Nositeľom diagnostickej informácie sú fotóny gama. 53

Akú informáciu SPECT poskytuje ? Jednofotónová emisná tomografia Akú informáciu SPECT poskytuje ? SPECT (Jednofotónová emisná tomografia) poskytuje informáciu o funkcii sledovanej oblasti. 54

Ako umožňuje SPECT získať informáciu o funkcii orgánu ? Jednofotónová emisná tomografia Ako umožňuje SPECT získať informáciu o funkcii orgánu ? Informácia o funkcii je pri SPECT dosiahnutá prostredníctvom rádiofarmaka (látky označenej rádioaktívnym prvkom so špecifickou väzbou na vyšetrovaný orgán) podaného pacientovi, ktoré sa zhromažďuje vo vyšetrovanom orgáne, rozpadá sa a emituje (vyžaruje) fotóny gama. Rozloženie rádiofarmaka v tele pacienta umožňuje zobraziť špeciálny prístroj pre detekciu fotónov gama – gamakamera. 55

Ako pracuje gamakamera ? Jednofotónová emisná tomografia Ako pracuje gamakamera ? Základný princíp gamakamery : detekcia fotónov gama z tela pacienta pomocou scintilačného detektora premena fotónov gama na elektrický signál transformácia elektrického signálu na digitálny obraz rozloženia rádiofarmaka v organizme pacienta 56

Akvizičné protokoly Jednofotónová emisná tomografia Zobrazovacie možnosti gamakamery Akvizičný protokol predstavuje súbor parametrov nastavenia gamakamery pre získanie obrazu sledovanej oblasti v požadovanej kvalite. Vo všeobecnosti gamakamera umožňuje protokoly akvizície: Planárne statické zobrazenie Planárne dynamické zobrazenie SPECT – Tomografické zobrazenie Hradlované SPECT zobrazenie 57

Planárne statické zobrazenie Jednofotónová emisná tomografia Planárne statické zobrazenie Predstavuje najjednoduchší spôsob akvizície. Jeho výsledkom je planárny – 2D obraz sledovanej oblasti. Pri planárnom zobrazení je detektor gamakamery stacionárny nad vyšetrovanou oblasťou, sníma ju po celý čas len z jedného uhla. Poznámka: Pri skenoch, ktorých dĺžka presahuje rozmery detektora sa používa tzv. režim kontinuálneho zobrazenia, kedy detektor ostáva po celý čas v rovnakej polohe, posúva sa pacientske lôžko prednastavenou rýchlosťou (najčastejšie 6-8-10-12-14 cm/min). 58

Planárne statické zobrazenie Jednofotónová emisná tomografia Planárne statické zobrazenie Statická scintigrafia kostí Statická scintigrafia obličiek Ventilačná scintigrafia pľúc Scintigrafia štítnej žľazy Statická scintigrafia pečene a sleziny Statiská scintigrafia mozgu 59

Jednofotónová emisná tomografia Planárne dynamické zobrazenie Je to spôsob získavania scintigrafického obrazu, pri ktorom detektor ostáva v jednej pozícii, avšak je možné zachytiť „pohyb“ rádiofarmaka organizmom pacienta počas akvizície. Výsledkom je séria obrázkov, z ktorých každý predstavuje súčet údajov určitého časového intervalu (1-10s). Ak sa získa veľa projekcií počas pomerne dlhého časového intervalu, je možné vytvoriť animáciu priebehu rádiofarmaka organizmom/sledovaným orgánom: Dynamická scintigrafia obličiek Dynamická scintigrafia pečene a žlčníka (Cholescintigrafia) 60

SPECT – Tomografické zobrazenie Jednofotónová emisná tomografia SPECT – Tomografické zobrazenie Je spôsob získavania 3D scintigrafického obrazu, pri ktorom detektor rotuje okolo pacienta a zachytáva distribúciu rádiofarmaka z rôznych uhlov. Výsledný trojrozmerný obraz rozloženia rádiofarmaka je potom vypočítaný zo série datasetov, nasnímaných z rôznych uhlov. Výhodou tomografického zobrazenia je, že poskytuje možnosť výberu rezov sledovanenej oblasti rôzneho množstva a orientácie ( v rovine frontálnej sagitálnej, transverzálnej). 61

SPECT – Tomografické zobrazenie Jednofotónová emisná tomografia SPECT – Tomografické zobrazenie 62

SPECT – Tomografické zobrazenie Jednofotónová emisná tomografia SPECT – Tomografické zobrazenie SPECT myokardu SPECT skeletu SPECT obličiek SPECT pečene SPECT mozgu Nádorová scintigrafia 63

Hradlované (Gated) SPECT zobrazenie Jednofotónová emisná tomografia Hradlované (Gated) SPECT zobrazenie Používa sa pri SPECT myokardu. Keďže srdce je orgán, ktorý je v neustálom pohybe, výsledný 3-rozmerný SPECT obraz reprezentuje spriemerovanú pozíciu srdca v čase trvania nahrávky. Pomocou tzv. metódy hradlovania je možné získať 3D obraz srdca v rôznych štádiách cyklu kontrakcie tak, že sa tento cyklus rozdelí na niekoľko častí a zbierajú sa SPECT projekcie do jednotlivých podsúborov, pričom každý predstavuje srdce v rôznom štádiu cyklu. Spúšťacím mechanizmom pre zber do jednotlivých podsúborov je EKG signál, ktorý je napojený na gamakameru. 64

Rekonštrukcia SPECT obrazu Jednofotónová emisná tomografia Rekonštrukcia SPECT obrazu Rekonštrukcia obrazu pri nahrávke SPECT môže prebiehať dvoma spôsobmi: Spätná projekcia/Filtrovaná spätná projekcia Iteratívna rekonštrukcia 65

Hybridné zobrazenie SPECT/CT Jednofotónová emisná tomografia Hybridné zobrazenie SPECT/CT Systém SPECT/CT v jednom prístroji zahŕňa spolu s gamakamerou i viacdetektorový počítačový tomograf – CT. Je tak možné získať spolu so zobrazením funkčným aj zobrazenie presnej anatómie sledovanej oblasti. 66

Hybridné zobrazenie SPECT/CT Jednofotónová emisná tomografia Hybridné zobrazenie SPECT/CT Obr.: SPECT/CT. Brightview XCT, Philips. 67

Hybridné zobrazenie SPECT/CT Jednofotónová emisná tomografia Hybridné zobrazenie SPECT/CT V rámci SPECT/CT môže CT časť pracovať v dvoch režimoch: Nízkodávkové CT Umožňuje korigovať obrazy SPECT na zoslabenie žiarenia gama v tkanive a získať orientačné morfologické obrazy pomocou nízkych dávok pri CT. Diagnostické CT Získaný obraz má vysoké rozlíšenie a podrobne zobrazuje anatomické štruktúry, čo je spojené s vyššou efektívnou dávkou pre pacienta. 68

Pozitrónová emisná tomografia Čo je PET ? PET, alebo Pozitrónová emisná tomografia (Positron Emission Tomography) je diagnostická metóda, je založená na koincidenčnej detekcii fotónov gama s energiou 511 keV, ktoré sú emitované pri premene pozitrónových žiaričov aplikovaných do organizmu pacienta. Nositeľom diagnostickej informácie sú pozitrónové žiariče. 69

Pozitrónová emisná tomografia Čo je pozitrónový žiarič ? Pozitrónový žiarič je rádiofarmakum, označené rádionuklidom, ktorý sa vyznačuje β+ rozpadom (rozpad, pri ktorom sa z atómového jadra uvoľňuje pozitrón). 70

Pozitrónová emisná tomografia Čo je pozitrón? Pozitrón je antičastica elektrónu, je to vlastne elektrón s kladným nábojom. Označuje sa e+. Pozitrón je emitovaný z jadra pozitrónového žiariča a postupne sa spomaľuje prechodom cez látku (tkanivo). Na konci svojej dráhy sa spojí s elektrónom dochádza k anihilácii a vznikajú dva anihilačné fotóny s energiou 511 keV, ktoré smerujú opačným smerom a zvierajú uhol 180˚. Dosah pozitrónu v tkanive závisí na jeho energii, vo všeobecnosti nepresiahne dráhu niekoľkých milimetrov. 71

Pozitrónová emisná tomografia Rádiofarmakum pre PET Do tela pacienta je intravenózne alebo inhaláciou podané rádiofarmakum, čo je molekula, na ktorú sú naviazané jadrá nestabilných pozitrónových žiaričov ako napríklad 11C, 13N, 15O, 18F. Hoci fluór nie je biogénny prvok, je možné izotop 18F naviazať na glukózu, čím získavame molekulu nazvanú fluórdeoxyglukóza 18FDG, čo je aj v klinickej praxi najpoužívanejšie rádiofarmakum. Táto molekula sa bude akumulovať v tkanivách so zvýšenou metabolickou aktivitou, ako je napr. onkologické tkanivo, zapálené tkanivo, prípadne tkanivá so zvýšeným metabolizmom glukózy (mozog, svaly). 72

Pozitrónová emisná tomografia Charakteristika pozitrónových žiaričov pre PET 73

Pozitrónová emisná tomografia Výroba pozitrónových žiaričov pre PET Cyklotrón je urýchľovač častíc s elektrickým nábojom. Urýchlené častice môžu po urýchlení nadobudnúť pomerne veľkú energiu a keď narazia na iné častice, napr. na niektoré atómy, zmenia ich vlastnosti. Ostreľovaním atómov iónmi vznikajú pozitrónové žiariče. 74

Pozitrónová emisná tomografia Fyzikálna podstata PET Do organizmu pacienta je aplikované rádiofarmakum – pozitrónový žiarič (najčastejšie 18FDG). Po určitom čase sa rádiofamakum dostane do cieľového orgánu, odkiaľ vyžaruje pozitróny. Vyžiarené pozitróny po krátkom čase (125 ps →1ps=10-12/0,000000000001 s) anihilujú, z každého miesta anihilácie sa vyžiaria dva fotóny o energii 511 keV, zvierajúce uhol 180˚. Vyšetrenie PET je založené na tzv. koincidenčnej detekcii. Keď dva protiľahlé detektory zaznamenajú anihilačné fotóny v krátkom (15 ns →1ns=10-9/0,000000001 s) časovom intervale (koincidenčná udalosť), tak sa predpokladá, že pochádzajú z rovnakej anihilačnej udalosti. Teda miesto anihilácie bude ležať niekde na čiare, ktorá tvorí spojnicu oboch detektorov. Takúto čiaru nazývame čiarou odozvy (line of response - LOR). 75

Pozitrónová emisná tomografia Fyzikálna podstata PET Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri PET. 76

Pozitrónová emisná tomografia Rozdiel medzi PET a SPECT - princíp detekcie PET Na vymedzenie fotónov, prichádzajúcich len zo zvoleného smeru sa pri SPECT používajú clony – kolimátory. V prípade PET je uskutočňovaná tzv. elektronická kolimácia prostredníctvom koincidenčných obvodov, na ktorých sa nastavuje koincidenčné okno. Koincidenčným obvodom prejdú do elektronickej aparatúry len fotóny, ktoré dopadnú do detektorov súčasne (v rámci koincidenčného časového okna ). Na výstupe koincidenčného obvodu sa objaví impulz a do pamäti počítača sa zaznamená priamka spájajúce tie dva detektory, ktoré impulz zaznamenali. Niektorému z bodov na tejto priamke odpovedá miesto, kde došlo k anihilácii. 77

Pozitrónová emisná tomografia Rozdiel medzi PET a SPECT Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri SPECT a PET. 78

Pozitrónová emisná tomografia Rozdiel medzi PET a SPECT Počas akvizície dát v systéme SPECT sa detektor musí otáčať okolo pacienta za účelom akvizície dát z viacerých uhlov pre získanie 3D obrazu sledovanej lokality. Systém PET nepotrebuje rotáciu - detektory sú umiestnené po obvode kruhu a zhromažďujú údaje zo všetkých uhlov po celý čas akvizície. 79

Pozitrónová emisná tomografia Typy koincidenčných udalostí pri PET Pri PET detekcii rozlišujeme : Pravú koincidenciu (True) Rozptýlenú koincidenciu (Scatter) Náhodnú koincidenciu (Random) Poznámka: Iba detekcia pravých koincidencií vytvára obraz distribúcie rádioaktivity pri PET. Prítomnosť rozptýlených a náhodných koincidencií predstavuje šum. 80

Pozitrónová emisná tomografia Detektory PET Obr.: Schematické znázornenie bloku detektorov PET. 81

Pozitrónová emisná tomografia Detektory PET Väčšina PET systémov využíva detektory, ktoré pozostávajú zo súboru malých scintilačných kryštálov o rozmeroch ~ 4 mm oddelených reflexnými vrstvami. Súbory kryštálov (obyčajne 8x8, alebo 13x13) sú pevne viazané do blokov (modulov) spolu so štyrmi fotonásobičmi. Jednotlivé moduly sú zložené do prstencov obklopujúcich objem okolo tela pacienta. Zorné pole PET kamery má priemer ~ 60 cm a axiálnu dĺžku 16-18 cm. 82

Pozitrónová emisná tomografia Scintilačné kryštály pre PET Obr.: Fyzikálne a scintilačné vlastnosti detektorov pri 511 keV. 83

Pozitrónová emisná tomografia Rekonštrukcia obrazu pri PET Proces rekonštrukcie obrazu využíva matematický aparát filtrovanej spätnej projekcie a iteratívnej rekonštrukcie podobný, ako sa používa pri počítačovej tomografii (CT) či jednofotónovej emisnej tomografii (SPECT). Pri PET zobrazení celého tela je iteratívna metóda najpoužívanejšia, pretože oproti filtrovanej spätnej projekcii poskytuje lepší kontrast obrazu (zvýšený pomer signálu k šumu). Filtrovaná spätná projekcia je síce jednoduchšia a rýchlejšia, býva však spojená s artefaktmi a vyšším šumom. 84

Pozitrónová emisná tomografia Rekonštrukcia obrazu pri PET Obr.: Porovnanie PET obratu po rekonštrukcii. Vľavo: Filtrovaná spätná projekcia. Vpravo: Iteratívna rekonštrukcia. 85

Pozitrónová emisná tomografia Klinické aplikácie PET V súčasnosti sa PET technológia používa na diagnostiku a monitorovanie širokého spektra ochorení hlavne v oblastiach onkológie, kardiológie a neurológie. Vzhľadom k tomu, že maligné tumory majú obvykle zvýšenú spotrebu glukózy, sa 18FDG-PET najviac uplatňuje v onkológii: pri posúdení malignity tumoru neznámej povahy pri určení rozsahu ochorenia pri monitorovaní efektu terapie a pri včasnom odhalení recidívy nádorového ochorenia. 86

Pozitrónová emisná tomografia Hybridné zobrazenie PET/CT 87

Pozitrónová emisná tomografia Hybridné zobrazenie PET/CT Kombinovaný PET/CT skener je zariadenie, ktoré získava obe funkčné a anatomické informácie v priebehu jednej akvizície pri minimalizovaní časových a priestorových rozdielov medzi dvoma zobrazovacími modalitami. Kľúčová vlastnosť tohto zariadenia je schopnosť využiť útlmovú korekciu z CT pre PET dáta. To eliminuje čas potrebný pre osobitný prechodový sken a poskytuje korekciu, ktorá je podstatne menej šumová. Výsledný obraz vznikne spojením anatomickej CT snímky a Funkčnej PET snímky do jediného obrazu. Ľubovolná anatomická abnormalita videná na CT snímke môže byť porovnaná s metabolickou aktivitou tejto oblasti z PET skenu. 88

NUM - Prístroje na detekciu IŽ Opakovanie Ďakujem za pozornosť! 89