Prístroje na detekciu žiarenia NUKLEÁRNA MEDICÍNA Prístroje na detekciu žiarenia PET – Pozitrónová emisná tomografia 01

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. 02

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). 03

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 , elektrón a pozitrón zanikajú 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. 04

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. Výhodou 11C, 13N, 15O, 18F je, že sú to izotopy biogénnych prvkov a môžu byť naviazané na molekuly bez zmeny pôvodných chemických štruktúr a ich vlastností. 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 pre PET. 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). Čiastočne je vylučovaná do moču, takže sa obvykle zobrazuje dutý systém ľadvín a močový mechúr, občas je možné 18FDG nájsť i v črevách. 05

Pozitrónová emisná tomografia Charakteristika pozitrónových žiaričov pre PET 06

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. 07

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). 08

Pozitrónová emisná tomografia Fyzikálna podstata PET Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri PET. 09a

Pozitrónová emisná tomografia Fyzikálna podstata PET Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri PET. 09b

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. 10

Pozitrónová emisná tomografia Rozdiel medzi PET a SPECT Obr.: Princíp detekcie fotónov gama pri SPECT a PET. 11

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. 12

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. 13

Pozitrónová emisná tomografia Detektory PET Obr.: Schematické znázornenie bloku detektorov PET. 14

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. 15

Pozitrónová emisná tomografia Scintilačné kryštály pre PET Najviac používanými scintilátormi pre PET sú: Scintilátor BGO Bizmut germánium (Bi4Ge3O12 alebo BGO) bol najpoužívanejším kryštálom pre PET systémy. Má o 50% vyššiu účinnosť ako NaI(Tl) a nie je hygroskopický. Jeho nevýhodou je nízky svetelný výstup (15% z NaI(Tl) kryštálov) a dlhá doba vysvietenia 300 ns, ktorá limituje koincidenčné časové rozlíšenie. BGO kryštály majú aj slabšie energetické rozlíšenie ako NaI(Tl). Scintilátor LSO V súčasnosti najpoužívanejší typ kryštálov pre PET.Céziom aktivovaný lutécium ortosilikát (Lu2SiO5:Ce alebo LSO) je relatívne nový monokryštálový anorganický scintilátor, ktorý má niekoľko výhod oproti existujúcim scintilátorom. Hoci má podstatne nižší svetelný výstup ako NaI(Tl), má omnoho vyššiu hustotu a efektívne atómové číslo potrebné na účinnú registráciu 511 keV fotónov. LSO má štyrikrát vyšší svetelný výstup a osemkrát rýchlejšiu dobu vysvietenia ako BGO, no zachováva si podobnú útlmovú vzdialenosť. Scintilátor GSO Gadolínium ortosilikát (Gd2SiO5:Ce alebo GSO) má o 50% vyšší svetelný výstup ako BGO a päťkrát rýchlejšiu dobu vysvietenia, ale jeho útlmová vzdialenosť je o 40% dlhšia. 16

Pozitrónová emisná tomografia Scintilačné kryštály pre PET Obr.: Fyzikálne a scintilačné vlastnosti detektorov pri 511 keV. 17

Pozitrónová emisná tomografia Režimy akvizície PET PET systémy môžu pracovať v 2D alebo 3D režime. V 2D režime sú porovnávané iba čiary odozvy, ktoré prislúchajú detektorovým párom v rovnakom prstenci. To je zabezpečené kolimačnými priehradkami, ktoré každý prstenec obsahuje. Súčasné skenery majú odstrániteľné priehradky, aby koincidencie mohli byť získané medzi všetkými pármi detektorov, režim nazývaný plne 3D PET. Citlivosť pri 3D akvizícii sa výrazne zvýši. 18

Pozitrónová emisná tomografia Režimy akvizície PET PET systémy môžu pracovať v 2D alebo 3D režime. 19

Pozitrónová emisná tomografia PET kamera pozostáva z: Gantry : konštrukcia s kruhovým po obvode ktorého sú pevne umiestnené detektory . Gantry obsahuje hardvér, ktorý je potrebný pre spracovanie scintigrafického signálu z detektorov gamakamery. Vyšetrovcie lôžko: lôžko slúžiace pre polohovanie pacienta, umožňuje vertikálny i horizontálny pohyb. Lôžko je vyrobené zo špeciálnych materiálov, ktoré sú pevné, no zároveň nespôsobujú útlm fotónov gama z pacienta, najčastejšie karbónové vlákna. Akvizičná stanica: PC so špeciálnym softvérom, ktorý umožňuje ovládanie gantry a vyšetrovacieho lôžka, nastavenie akvizície, zadávanie a vytváranie akvizičných protokolov, kontrolu kvality PET kamery. Vyhodnocovacia stanica: PC so špeciálnym softvérom pre spracovanie a vyhodnocovanie scintigrafických nahrávok. Súčasťou vyhodnocovacej stanice je špeciálny vyhodnocovací monitor s vysokým rozlíšením pre popis detailov zo štúdií. 20

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. 21

Pozitrónová emisná tomografia Rekonštrukcia obrazu pri PET Obr.: Porovnanie PET obrazu po rekonštrukcii. Vľavo: Filtrovaná spätná projekcia. Vpravo: Iteratívna rekonštrukcia. 22

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. 23

Pozitrónová emisná tomografia Klinické aplikácie PET Schopnosť PET popísať bunkový metabolizmus má v neurológii významné dôsledky pri diagnostikovaní Alzheimerovej choroby, Parkinsonovej choroby, epilepsii a iných neurologických ťažkostí, pretože môže jasne zobraziť oblasti, kde sa mozgová aktivita líši od normálu. V kardiológii je 18FDG-PET považovaná za zlatý štandard pre posúdenie viability infarzovaného myokardu pred revaskularizačnou procedúrou. Súčasným sledovaním perfúzie a metabolickej aktivity srdca je z PET snímkou možné odhaliť miesta s nedostatočným krvným zásobením spôsobeným blokádami a odlíšiť tak viabilnú svalovinu od nekrotickej. 24

Pozitrónová emisná tomografia Klinické aplikácie PET Príkladom neonkologických aplikácií PET je vyšetrovanie mozgovej aktivity zdravého subjektu potom, ako v ňom boli externe stimulované rôzne podnety. Obr.: PET Mozgu. Hore: Mozog v pokoji bez podnetov. Dole: Mozog po aplikácii rôznych podnetov. 25

Pozitrónová emisná tomografia Hybridné zobrazenie PET/CT 26

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. 27

Pozitrónová emisná tomografia 4D PET/CT 28

Pozitrónová emisná tomografia 4D PET/CT 29

Pozitrónová emisná tomografia Ďakujem za pozornosť! 30