Этапы исследования и основные блоки сканера

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ

В клинической практике ПЭТ используется с начала 1990-ых и в отличие от классических методов (таких как компьютерная и магнитнорезонансная томография), позволяющих получать только изображения анатомических структур и изменений в них, ПЭТ позволяет проводить количественный анализ биохимических или физиологических функций. Эта информация часто позволяет выявить функциональные изменения, вызванные заболеванием, задолго до появления каких-либо морфологических изменений. В частности ПЭТ - единственный аппарат, позволяющий диагностировать опухоль на "нулевой" стадии.

Историческая справка

Первый прототип ПЭТ сканера появился в 1952 году Массачусетском госпитале после 6 месяцев разработки конструкции. Он имел всего лишь два детектора на основе йодистого натрия расположенных друг напротив друга и позволял получать изображения, основанные как на обнаружении совпадения событий, так и на дисбалансе. Разрешение было низким, но чувствительность устройства все же позволяла обнаружить опухоль и ее пространственное положение относительно срединной линии мозга.В 1980х ПЭТ стал использоваться для динамических исследований метаболизма человека.

На развитие технологии ПЭТ повлияли три фактора:

1) большинство метаболических процессов в теле происходят достаточно быстро, чтобы следить за ними с помощью короткоживущих радионуклидов;

2) несмотря на короткое время жизни изотопов, стала возможна быстрая

радиоактивная маркировка сложных молекул;

3) проникающее излучение, возникающее при уничтожении позитронов,

показало, что можно локализовать этих позитроны.Хотя в последние 20 лет ПЭТ использовалась преимущественно для научных исследований, ее роль как метода диагностики находится на стадии становления. В настоящее время основными областями клинического применения ПЭТ являются онкология, кардиология, неврология.

Этапы исследования и основные блоки сканера

ПЭТ исследование состоит из нескольких основных этапов:

1. производство радиоизотопа;

2. маркировка выбранного состава испускающим позитроны радионуклидом и подготовка состава в форме, пригодной для воздействия на людей;

3. транспортировка состава из лаборатории к месту проведения исследования;

4. воздействие радиоактивного индикатора и получение данных ПЭТ;

5. отображение распределения активности позитрона как функции времени, обработка данных;

6. интерпретация результата.

Система производства радиоизотопов состоит из трех основных частей:

- циклотрона (ускорителя частиц);

- биологического синтезатора, присоединяющего радиоизотопы к биологическим молекулам;

- компьютера, контролирующего процесс.

До начала исследования в циклотроне производится радиоактивное вещество, входящее в естественный химический состав тела (атомы кислорода, углерода, азота) и распадающееся с испусканием позитронов.

Циклотрон (циклический ускоритель) состоит из двух полых полукруглых металлических электродов (дуантов), расположенных между полюсами электромагнита и разделеных узким зазором (рис. 52). Вблизи от центра дуантов располагается

источник ионов.

При попадании отрицательных ионов в вакуумную камеру они приобретают энергию благодаря высокочастотному переменному электрическому полю, индуцированному на дуантах. С каждым проходом

зазора, энергия и радиус орбиты частиц возрастают и частицы двигаются по спирали. При достижении максимальных значений на последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Протонный пучок из циклотрона влетает в камеру мишени и путем ядерной

реакции преобразует стабильный химический изотоп в радиоактивный изотоп.

Произведенные на циклотроне радиоизотопы переносятся в биосинтезатор, где они присоединяются к используемым в клинике химическим составам, за

распределением которых в теле хотят проследить. Естественно встречающиеся в органических составах атомы заменяются маркированными (химически и

биологически идентичными оригиналу).

Для проведения исследования малое количество радиоактивного препарата

(радионуклида) внутривенно вводят пациенту, радионуклид поступает в клетки и

распределяется в них. Спустя некоторое время его концентрация в тканях

измеряется сканером, достаточно чувствительным для обнаружения даже

небольшого количества радиоактивного состава.

При распаде радиоактивного вещества происходит выброс (эмиссия)

положительных частиц (позитронов), стабилизирующая ядро за счет устранения

положительного заряда путем превращения протона в нейтрон. Позитрон

проходит короткое расстояние перед столкновением с электроном окружающей среды (рис. 53). Происходит объединение позитрона с электроном среды (аннигиляция), частицы "уничтожают" друг друга, и их масса преобразуется в энергию, приводя к эмиссии двух противоположно направленных (180°±0,25°) гамма-лучей (фотонов высокой энергии) с энергией 511 кэВ каждый.

Данные фотоны, испущенные в результате аннигиляции, выходят за пределы тела и регистрируются внешними детекторами. Когда гамма-лучи взаимодействуют с кристаллами сцинтиллятора, фотоны света преобразуются электронными устройствами томографа в электрические сигналы.

Основным блоком ПЭТ сканера является гентри, внутри которого расположены детекторы (рис. 54). Множество детекторов образует кольцо диаметром 80-100 см и

шириной 10-20 см. Наружная поверхность кольца детекторов имеет свинцовый

экран.

В коммерческих томографах детекторы конструктивно представляют собой прямоугольную группу кристаллов (блок), т.к. более плотное расположение детекторов

позволяет снизить потери пространственного разрешения и регистрации фотонов.

Сцинтиллятором называют вещество, благодаря которому возникают

флюоресцентные световые вспышки при испускании высокоэнергетического

излучения (например, бета- или гамма-лучей).

Основными характеристиками сцинтилляторов являются конверсионная эффективность, спектр излучения и время высвечивания.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - это фотоэлемент с многократным

усилением, основанным на явлении вторичной эмиссии. ФЭУ состоит из

фотокатода, фокусирующего устройства, нескольких эмиттеров (динодов) и анода.

В ФЭУ электроны ускоряются и фокусируются с помощью электростатического поля, определяемого конфигурацией электродов и распределением потенциалов в

них.

Электронная система регистрирует импульсы электрического тока, в

которые преобразуется световая вспышка.

Реконструкция изображений

Реконструкция изображений производится путем обработки данных, полученных детекторами, расположенными в виде нескольких колец, что позволяет одновременно получать изображения до пятнадцати срезов. Получение изображения базируется на внешнем обнаружении совпадающих испускаемых лучей в течение 10 нс между двумя датчиками, расположенными на противоположных сторонах сканера (рис. 57). Каждый детектор может работать режиме регистрации совпадений со множеством расположенных напротив детекторов. Линия, соединяющая центры детекторов, проходит через объект и используется для реконструкции изображения. Таким образом, существует возможность определения совпадений на нескольких углах (расходящийся пучок.

Программное обеспечение томографа получает данные о событиях совпадения, зарегистрированных в угловых и линейных положениях, количественное суммирование которых дает двумерную картину распределения изотопа. Подобно КТ и МРТ, отображение в ПЭТ косвенное и производится с помощью компьютерной реконструкции изображений. Отличительной особенностью ПЭТ изображений является их представление по цветной шкале. Цвет или степень яркости каждого пиксела пропорциональны концентрации изотопа в соответствующей точке объекта, что создает более наглядную картину.