Positron Emission Tomography PET Positron Emission Tomography

1932: Ανακάλυψη του ποζιτρονίου από τον Anderson ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΙΣΤΟΡΙΚΑ 1932: Ανακάλυψη του ποζιτρονίου από τον Anderson Παραγωγή του πρώτου νουκλιδίου εκπομπής ποζιτρονίων από τους Joliot-Curie Δεκαετία του 60: Αναγνώριση της δυνατότητας ανίχνευσης της σύμπτωσης (του ταυτόχρονου γεγονότος) Τέλη δεκαετίας 80: Υλοποίηση μιας νέας μεθόδου διάγνωσης, της τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (PET). Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων Χρησιμοποιείται στην ιατρική και την βιοιατρική έρευνα και παρέχει μία μη χειρουργική, ψηφιακή, αλλά και τοπική μέθοδο απεικόνισης της δραστηριότητας και της κατανομής ειδικών ραδιοφαρμάκων που έχουν επισημανθεί με εκπομπούς ποζιτρονίων.

Με την μέθοδο PET λαμβάνονται εικόνες οι οποίες αναπαριστούν την ανατομική δομή καθώς και τον τρόπο με τον οποίο ορισμένοι ιστοί εκτελούν τις φυσιολογικές τους λειτουργίες. Η αρχή λειτουργίας της μεθόδου στηρίζεται στην εισαγωγή ραδιενεργών πυρήνων στο σώμα του ασθενούς, ως «ετικέτες» σε μόρια ανιχνευτές σχεδιασμένα να εξετάζουν την εξέλιξη της φυσιολογίας των οργάνων. Οι ραδιενεργοί αυτοί πυρήνες εκπέμπουν ποζιτρόνια τα οποία εξαϋλώνονται με τα ηλεκτρόνια στους ιστούς. Ένα γεγονός εξαΰλωσης έχει ως αποτέλεσμα δύο αντιπαράλληλα φωτόνια γάμα ενέργειας 511keV Τα φωτόνια γάμα είναι ταυτόχρονα και ανιχνευόμενα ορίζουν ένα ευθύγραμμο τμήμα. Πολλά ευθύγραμμα τμήματα τεμνόμενα συμβάλλουν στον εντοπισμό κέντρων έντονης δραστηριότητας και την ανάδειξη περιοχών περιορισμένης δραστηριότητας.

Τα στοιχεία που λαμβάνονται στην εικόνα αναπαριστούν την ενεργητικότητα μιας μεταβολικής διαδικασίας στο εσωτερικό του ασθενούς.

ΕΚΠΟΜΠΗ ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ Ποζιτρόνια: Θετικώς φορτισμένα ηλεκτρόνια Εκπέμπονται κατά β-διάσπαση πυρήνων που εμφανίζουν αστάθεια λόγω απόκλισης της αναλογίας πρωτονίων-νετρονίων από την κοιλάδα σταθερότητας Ζ-Ν. Αντίδραση:

Κοινώς χρησιμοποιούμενα ισότοπα Νουκλίδιο Τ 1/2 Εμβέλεια στο νερό (mm) Μέγιστη ενέργεια (Mev) C -11 20 1.1 0.96 Ν-13 10 1.4 1.19 Ο-15 2 1.5 1.70 F-18 109 1.0 0.64

Ενεργειακή κατανομή ποζιτρονίων Βασικό χαρακτηριστικό της β διάσπασης, το συνεχές ενεργειακό φάσμα των σωματιδίων β

ΕΞΑΫΛΩΣΗ ΤΟΥ ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ Το ποζιτρόνιο εκπέμπεται από την β+ διάσπαση κινείται για λίγο διάστημα και στην συνέχεια ενώνεται με ένα ηλεκτρόνιο και είτε εξαυλώνεται είτε σχηματίζει μια ασταθή οντότητα γνωστή ως positronium. Positronium: Δέσμιο σύστημα ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου

Το positronium διασπάται με εξαΰλωση παράγοντας δύο αντιπαράλληλα φωτόνια ενέργειας 511keV. Κατά την αντίδραση: e+ + e- → 2γ

ΓΕΓΟΝΟΣ ΣΥΜΠΤΩΣΗΣ

Αρχή λειτουργίας συστήματος PEΤ Βασίζεται στην ταυτόχρονη ανίχνευση των δύο αντιπαράλληλων φωτονίων, σε ορισμένο χρονικό διάστημα (παράθυρο σύμπτωσης). Τύποι σύμπτωσης: 1) Πραγματική σύμπτωση 2) Τυχαία σύμπτωση 3) Σύμπτωση λόγω σκέδασης 4) Πολλαπλές συμπτώσεις

Πραγματική σύμπτωση: Ιδανική περίπτωση. Καταγράφονται τα γεγονότα μίας και μόνο εξαΰλωσης, που συμβαίνει κατά μήκος της ευθείας Αποτελεί την πλέον χρήσιμη σύμπτωση για την ένδειξη του σημείου εξαΰλωσης του ποζιτρονίου.

Τυχαία σύμπτωση: Η ανίχνευση και καταγραφή δυο μη σχετιζόμενων φωτονίων ως ένα γεγονός Ρυθμός τυχαίων συμπτώσεων: R12= 2t (R1)(R2)

Σύμπτωση λόγω σκέδασης: Η ανίχνευση δύο φωτονίων εκ των οποίων το ένα έχει υποστεί σκέδαση Compton, από τα γύρω ηλεκτρόνια. Αποτέλεσμα: η δημιουργία λανθασμένης γραμμής σύμπτωσης και η λήψη λανθασμένης πληροφορίας για το σημείο εξαΰλωσης.

Πολλαπλές συμπτώσεις: Συμβαίνει σε υψηλούς ρυθμούς εξαΰλωσης Οφείλεται στην εμπλοκή τριών ή και περισσότερων ανιχνευτών Αποτέλεσμα: η δυσκολία στην δημιουργία της γραμμής σύμπτωσης και στην εύρεση του σημείου εξαΰλωσης

ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ Διαδικασία ανίχνευσης της ακτινοβολίας: Περιλαμβάνει την συλλογή των φωτονίων εξαΰλωσης και μετατροπή τους σε ορατό φως Επιτυγχάνεται μέσω των αλληλεπιδράσεων των φωτονίων με τα υλικά του σπινθηριστή. Αλληλεπιδράσεις κυρίως με: φαινόμενο Compton φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Φωτόνιο προσπίπτει στον ανιχνευτή Διαδικασία Φωτόνιο προσπίπτει στον ανιχνευτή Παράγεται ενεργειακό ηλεκτρόνιο (μέσω Φ.Compton, ή μέσω Φ.Φ)

το ηλεκτρόνιο κατά την κίνηση του στον ανιχνευτή, χάνει μέρος της ενέργειάς του και παράλληλα διεγείρει άλλα ηλεκτρόνια

τα διεγερμένα ηλεκτρόνια αποδιεγείρονται στην βασική τους κατάσταση εκπέμποντας φως.

Ο ανιχνευτής-σπινθηριστής συνδέεται με έναν ή περισσότερους φωτοπολλαπλασιαστές (PTM΄s), κάθε ένας από τους οποίους παράγει ηλεκτρικό σήμα όταν πέσει στην επιφάνειά του φως.

Φωτοπολλαπλασιατής Διάταξη που ενισχύει κατά πολλές τάξεις μεγέθους τα ηλεκτρόνια που φτάνουν σ’αυτήν. Αποτελείται μια φωτοευαίσθητη επιφάνεια γνωστή ως φωτοκάθοδο και σειρά διαδοχικών ηλεκτροδίων, σε συνεχώς αυξανόμενο ως προς την κάθοδο δυναμικό

Ακολουθούν επιπλέον ηλεκτρονικά συστήματα που καταλήγουν σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Τα δεδομένα αναλύονται, διορθώνονται και παράγουν με την βοήθεια των αλγορίθμων την επιθυμητή εικόνα του εξεταζόμενου οργάνου ή ιστού.

ΕΚΠΟΜΠΕΙΣ ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΩΝ ΡΑΔΙΟΦΑΡΜΑΚΑ Είναι χημικά μόρια ενωμένα με ένα ή περισσότερα άτομα ραδιενεργών ισοτόπων εκπομπής ποζιτρονίων Εισάγονται στους ασθενείς και είναι χημικά ισοδύναμες με τις φυσικά λαμβάνουσες από το σώμα ουσίες. Χρησιμοποιούνται από τον οργανισμό και μεταβολίζονται όπως οι φυσικά λαμβάνουσες ουσίες. Παράγονται σε κύκλοτρα ή γεννήτριες

κύκλοτρο

Για χρήσεις PET παράγονται τα ισότοπα εκείνα που: εκπέμπουν ποζιτρόνια όταν ακτινοβολούν ραδιενεργά έχουν μικρό σχετικά χρόνο ημίσειας ζωής είναι από χημικής σύνθεσης εύκολα ενσωματώσιμα σε χρήσιμο ραδιοφάρμακο. Για τους παραπάνω λόγους παράγονται τα: Ο-15 C-11 Ν-13 F-18

Παραδείγματα ιατρικής εφαρμογής Ραδιοανιχνευτές Παραδείγματα ιατρικής εφαρμογής 15O-οξυγόνο Μεταβολισμός του οξυγόνου 15O-μονοξείδιο του άνθρακα Όγκος του αίματος 15O-διοξείδιο του άνθρακα Ροή του αίματος 15O-νερό 13N-αμμωνία 18F-FDG Μεταβολισμός της γλυκόζης 11C-SCH23390 Δέκτης ντοπαμίνης DI

ΚΛΙΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Κυριότερες εφαρμογές της μεθόδου PET στους τομείς: της καρδιολογίας, της ογκολογίας της νευρολογίας, της μελέτης και χαρτογράφησης του εγκεφάλου

Συμβολή της μεθόδου PET στην καρδιολογία Αποκαλύπτει τον βαθμό της σωστής λειτουργίας της καρδιάς, Καθορίζει τη μεταβολική δραστηριότητα της καρδιάς Αποτελεί τον πιο ακριβή έλεγχο για την αποκάλυψη της στεφανιαίας αρτηριακής νόσου και του μεγέθους της καταστροφής του μυοκαρδίου Υποδεικνύει τα σημεία των κατεστραμμένων ιστών Καθορίζει την κατάλληλη θεραπεία

Αριστερά: Απεικόνιση καρδιάς έπειτα από καρδιακή προσβολή Αριστερά: Απεικόνιση καρδιάς έπειτα από καρδιακή προσβολή. Εμφανής η καταστροφή του καρδιακού μυ. Δεξιά: Απεικόνιση φυσιολογικής καρδιάς.

Απεικόνιση ροής αίματος. Η απουσία ροής σε κάποιο σημείο σε συνδυασμό με την διατήρηση του μεταβολισμού καθιστά την επέμβαση bypass ως την καταλληλότερη θεραπεία Απεικόνιση ροής αίματος. Εμφανής η απουσία ροής και μεταβολισμού, σε ένα τμήμα, γεγονός που καθιστά την μεταμόσχευση ως την καταλληλότερη θεραπεία

Συμβολή της μεθόδου PET στην ογκολογία Εμφανίζει το είδος του όγκου (καλοήθης – κακοήθης). Παρέχει πλήρη και ολόσωμο έλεγχο για πιθανή μετάσταση Αξιολογεί την αποτελεσματικότητα της θεραπείας Θεωρείται η πιο ακριβής διαδικασία για τον έλεγχο υποτροπών των όγκων από τις νεκρώσεις ιστών λόγω ακτινοβολίας. Προσεγγίζει την νόσο και συμβάλει στην επιλογή της κατάλληλης θεραπείας

Αριστερά: Ο όγκος πριν την θεραπεία. Δεξιά: Ο όγκος μετά την χημειοθεραπεία. Εμφανής η συρρίκνωσή του.

Συμβολή της μεθόδου PET στην νευρολογία Εντοπίζει, την περιοχή του εγκεφάλου η οποία ευθύνεται για τις επιληπτικές κρίσεις Καθορίζει εάν το μυϊκό τρέμουλο οφείλεται σε ασθένεια Parkinson, ή σε κάποια άλλη κινητική διαταραχή. Εντοπίζει τους εγκεφαλικούς όγκους και αποφασίζει για το είδος τους Xαρτογραφεί τις περιοχές του εγκεφάλου που σχετίζονται με την κίνηση, τον λόγο, και άλλες κρίσιμες λειτουργίες

Η Νόσος του Alzheimer Βασίζεται στην καταστροφή των εγκεφαλικών κυττάρων, Η οποία προκαλεί την κατάπτωση των πνευματικών λειτουργιών που σχετίζονται με την μνήμη, την σκέψη, το λόγο και την συμπεριφορά. Η σάρωση του εγκεφάλου με PET κάμερα παρέχει ένα μέσο διάγνωσης της νόσου εξαιτίας της μειωμένης μεταβολικής δραστηριότητας που εμφανίζουν τα πάσχοντα εγκεφαλικά κύτταρα

Η νόσος του Parkinson. Βασίζεται στις βιοχημικές αλλαγές του εγκεφάλου και συγκεκριμένα σε ανωμαλίες των περιοχών εκείνων που ευθύνονται για την παραγωγή της ντοπαμίνης. Η σάρωση του εγκεφάλου με PET κάμερα παράγει εικόνες οι ποίες προσδιορίζουν την νόσο. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το χαρακτηρισμένο αμινοξύ F-DOPA

Η επιληψία Βασίζεται σε διαταραχή της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου. Η σάρωση του εγκεφάλου με PET κάμερα αναγνωρίζει τις περιοχές στις οποίες οφείλονται οι κρίσεις. Συμβάλει στην λήψη απόφασης για την καταλληλότερη θεραπεία

Αριστερά: Απεικόνιση υγιούς εγκεφάλου Δεξιά: Απεικόνιση πάσχοντος εγκεφάλου. Εμφανής η ανωμαλία στον μεταβολισμό της γλυκόζης στο δεξί ημισφαίριο

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Η μέθοδος PET: Είναι ασφαλής μη χειρουργική διαγνωστική διαδικασία Παρέχει λεπτομερείς διαγνωστικές πληροφορίες οι οποίες δεν λαμβάνονται με άλλες μεθόδους Παρέχει σε σύντομο χρονικό διάστημα οριστική διάγνωση Παρέχει πρόωρη ανίχνευση της ασθένειας Δίνει το ακριβές στάδιο της ασθένειας Είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για παρακολούθηση της εξέλιξης της θεραπείας Μπορεί να συμβάλει στην συνολική μείωση του κόστους της θεραπείας