Позитронно-эмиссионная томография

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - новейший диагностический метод, в котором изображения получаются за счет излучения позитронов. Позитроны - элементарные положительно заряженные частицы, которые испускаются радиоактивным веществом, используемым при исследовании. На заре возникновения позитронно-эмиссионную томография применяли в кардиологии, однако в настоящее время ПЭТ гораздо чаще используют для диагностики раковых заболеваний.

Позитронная томография также играет важную роль в неврологии. Появление современных радиофармпрепаратов позволило уменьшить лучевую нагрузку на организм больного и расширить клиническое применение позитронной томографии. Все крупные производители медицинского диагностического оборудование разработали и выпускают позитронно-эмиссионный томографы, комбинированные с компьютерными томографами, что позволяют за одно исследование получать функциональные данные (позитронно-эмиссионные томографические изображения) и анатомические данные (компьютерные томографические изображения).

томография радиофармпрепарат сканирование



1. Краткая история развития ПЭТ

В основу первых конструкторских разработок ПЭТ-сканеров в начале 60-х годов был положен опыт гамма-сцинтиграфии и однофотонная эмиссионная компьютерная томография(ОФЭКТ). Первые сканеры были созданы на основе сдвоенных детекторных головок гамма-камер, поворачивающихся на 180° относительно тела пациента, и были предназначены для исследований головного мозга. В этих камерах использовалась методика детектирования совпадений, однако их возможности были ограничены получением лишь двумерных планарных изображений. ПЭТ-сканеры, построенные по простой в исполнении ротационной схеме, были способны вести одновременно сбор информации по многим срезам. Однако временные ограничения, связанные с поворотом гантри на 180°, не позволяли таким ПЭТ-сканерам регистрировать быстропротекающие процессы, что обусловливало их непригодность для проведения динамических ПЭТ-исследований.

В 1976 г. для проведения динамических ПЭТ-исследований была сконструирована камера, состоящая из трех противоположно установленных пар детекторов, образующих шестиугольник, что позволило снизить угол поворота гантри до 60°. При проведении ПЭТ с такой камерой успешно использовался алгоритм реконструкции, названный обратным проецированием фильтрованных проекций, для исследований головного мозга, сердца, печени и костей. В 80-х годах метод ПЭТ уже позволял регистрировать и визуализировать трехмерные распределения РФП в теле человека, а разработанная конструкция со схемой совпадений кристалл- кристалл, стала базисом для разработки первого серийно выпускаемого ПЭТ-сканера ЕСАТ.

Тем не менее, быстродействие многоугольных камер оставалось недостаточным для проведения целого ряда динамических исследований. Поэтому закономерным стал переход к кольцевой схеме ПЭТ, предложенной Phelps в 1983 г. Кольцевая компоновка детекторов была призвана обеспечить максимальную геометрическую эффективность, получение томограмм без механического перемещения детекторов, большую плотность их упаковки и высокое быстродействие.

Долгое время единственным сцинтиллятором, используемым для ПЭТ-детектирования, оставался йодид натрия NaI(Tl), на основе которого и был создан первый ПЭТ-сканер. В начале 80-х были разработаны кристаллы германата висмута Bi4Ge3O12 (BGO) и ортосиликата гадолиния - Gd2SiO5:Ce (GSO). Кристалл BGO доминировал в качестве основного материала для ПЭТ вплоть до 2000 г. В начале 90-х годов стал доступным для применения в ПЭТ- технологии кристалл ортосиликата лютеция Lu2SiO5:Ce (LSO), но первый ПЭТ-сканер на его основе был создан лишь в 2001 г. Другими важными шагами развития ПЭТ-технологии явились разработки конструкций детекторов в виде блока, состоящего из модулей детектирующих элементов (1984г.), а также в виде криволинейной матрицы из кристаллов GSO, фиксированных на непрерывном световоде (2001 г.).

В 90-х годах появилась возможность совмещения ПЭТ- и КТ- изображений для получения анатомно-физиологической информации. Первый совмещенный ПЭТ/КТ-сканер, предназначенный для проведения клинических исследований, был произведен в 1998 г., а его серийный выпуск начался в 2001 г. В настоящее время доля производимых совмещенных ПЭТ/КТ-сканеров составляет 65% от общего числа всех стандартных ПЭТ-систем, а в будущем ожидается ее рост до 95%.

К основным направлениям развития технических средств ПЭТ за последние 15-20 лет следует отнести:

· расширение порта (отверстия гантри) сканера для перехода от исследований отдельных органов (например, головного мозга) к исследованиям всего тела;

· переход от двумерного (2D) к трехмерному (3D) режиму измерений;

· увеличение количества детектирующих элементов в детекторных сборках;

· совершенствование системной конструкции детекторов;

· увеличение скорости обработки электронных сигналов;

· разработка соответствующей уровню развития ПЭТ компьютерной базы и программного обеспечения;

· разработка новых детекторных материалов.

Результатом такого развития явилось непрерывное улучшение качества получаемых ПЭТ-изображений, что имеет существенное значение для повышения эффективности, в частности, онкологических исследований. При этом усилия разработчиков аппаратуры и программного обеспечения для ПЭТ были направлены на решение главной задачи - повышения точности и надежности метода ПЭТ - путем разработки новых совершённых систем сбора и обработки информации и РФП с повышенной тканеспецифичностьюТканеспецифичность - комплекс факторов, позволяющий регулировать функции только тех органов и систем, которые являются объектом исследования.

2. Метод позитронно - эмиссионной томографии

Позитронно-эмиссионная томография (сокращенно ПЭТ) является одним из самых информативных методов, применяемых в ядерной медицине.

В основе принципа позитронно-эмиссионной томографии лежит явление регистрация двух противоположно направленных гамма-лучей одинаковых энергий, возникающих в результате аннигиляции. Процесс аннигиляции происходит в тех случаях, когда излученный ядром радионуклида (радиоизотопа) позитрон встречается с электроном в тканях пациента.

Радиофармпрепараты, использующиеся при проведении позитронно-эмиссионных исследований представляют собой вещества, участвующие в различных метаболических процессах.

При производстве радиофармпрепаратов для ядерной медицины, некоторые атомы заменяются на их изотопы. Особенностью радиофармпрепаратов, применяемых в позитронно-эмиссионной томографии является то, что при их производстве используются короткоживущие радиоизотопы, которые должны производиться в непосредственной близости от места проведения исследования. В Европе существуют специальные службы скоростной доставки радиофармпрепаратов для позитронно-эмиссионной томографии от мест их производства. Для производства радиофармпрепаратов используются специализированные медицинские циклотроны и радиофармлаборатории.

Первые клинические позитронно-эмиссионные томографы появились в начале 70-х годов прошлого столетия, однако только к концу 70-х появились первые коммерческие модели томографов. Первые аппараты были оборудованы малым числом детекторов. Не было возможности одновременного сбора информации для нескольких срезов, толщина срезов была большая. Но даже отсутствие возможности детализации анатомических структур по данным ПЭТ, не смогло задержать распространение методики в клиниках. Метод позволял получать истинно функциональные изображения, основанные на избранных метаболических цепях.

Исходно предполагалось, что основным применением ПЭТ станет кардиология, однако в настоящее более 90% исследований составляет онкология. Расширяются возможности позитронно-эмиссионной томографии для диагностики в неврологии.

Бурное развитие позитронно-эмиссионной томографии обусловлено тем, что с каждым годом появляется большое число новых радиофармпрепаратов, использование которых открывает новые горизонты использования данного метода лучевой диагностики. При этом позитронно-эмиссионная томография позволяет количественно оценивать распределение радиоактивности на мл или г ткани организма. Несмотря на длительную историю позитронно-эмиссионной томографии, в настоящее время метод непрерывно совершенствуется, появляются новые радиофармпрепараты, клинические пакеты для исследований и сами томографы. Все крупные производители медицинского диагностического оборудование разработали и выпускают позитронно-эмиссионный томографы, комбинированные с компьютерными томографами. Данные системы позволяют за одно исследование получать функциональные данные (позитронно-эмиссионные томографические изображения) и анатомические данные (рентгеновские компьютерные томографические изображения).

Постоянное совершенствование аппаратного и программного обеспечения позитронно-эмиссионных томографов позволили существенно снизить лучевую нагрузку на пациента, одновременно повышая информативность исследований.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) является томографическим обследованием, которое, в отличие от компьютерной или магнитно-резонансной томографии, дает более обширную информацию и обеспечивает оперативное получение результатов обследования. Высокоэнергетическое излучение, образующееся при слиянии позитронов и электронов, покидает место образования одновременно и антипараллельно.

Этот феномен ведет к обширному распаду, который был ранее неизвестен радиационной медицине. Известными позитронными излучателями являются изотопы C-11, O-15, N-13, F-18, т.е. радиоизотопы элементов, которые встречаются в биологических молекулах. Эти позитронные излучатели могут быть помечены в глюкозе, в белке, в ДНК-мономерах или даже в воде, и внедрены в систему обмена веществ по естественному/природному образцу. Так как помеченные вещества могут свободно перемещаться в организме, с помощью ПЭТ можно получить изображение естественных функций клетки, напр. обмена веществ или протеинового биосинтеза.

Вещество 2-фтор-2-дезокси-D-глюкоза (FDG), помеченная изотопом 18F молекулы глюкозы, успешно применяется для диагностики раковых заболеваний, сердечной мышцы или мозга. FDG усваивается организмом до определенной стадии обмена веществ как обычная глюкоза, являющаяся «топливом» для почти всех клеток организма. При диагностике рака с помощью FDG используется научно доказанный факт, что раковые клетки, с их нарушенным ростом, нуждаются в значительно большем количестве глюкозы, чем здоровые клетки.. Глюкоза, меченная радиоактивным изотопом, вводится пациенту до исследования. Вылетающий из ядра атома позитрон мгновенно соединяется с ближайшим электроном. В результате этого происходит так называемая аннигиляция: пара позитрон-электронисчезает, образуя два гамма-кванта с энергией, разлетающихся в строго противоположные стороны. Оба кванта регистрируются противоположно расположенными детекторами. Их сигналы служат основой образования компьютерного томографического изображения.

FDG, таким образом, скапливается в больных, перерожденных клетках. На снимке ПЭТ опухоль выделяется на фоне здоровой ткани. С помощью ПЭТ можно обнаружить даже небольшие метастазы диаметром в несколько миллиметров.

3. Преимущества и недостатки ПЭТ перед другими диагностическими методами

Преимущества:

Высокая диагностическая точность

Одно исследование заменяет собой несколько различных видов диагностики

Отсутствие болевых или неприятных ощущений и вредных побочных явлений

Возможность охватить все органы в одном исследовании

Диагностика заболеваний на ранних стадиях

Исключение неэффективных или необязательных оперативных или медикаментозных методов лечения

Позитронно-эмиссионная томография практически безвредна

Позитронно-эмиссионная томография - новейший диагностический метод, позволяющий врачам оценить работу тканей и органов Вашего организма. В отличие от других инструментальных методов исследования, главная задача при проведении позитронно-эмиссионной томографии - не «фотографирование картинки» внутренних органов, а получение цветного изображения химической активности процессов, происходящих в организме пациента. При опухолевых заболеваниях химические процессы изменяются, соответственно меняется их цветовая гамма и интенсивность, таким образом, Позитронно-эмиссионная томография обнаруживает болезнь на самой ранней стадии, когда никаких структурных (видимых глазу) изменений еще не произошло.

Недостатки ПЭТ:

- данный метод может применяться лишь для выявления опухолей малого размера.

- кроме того, позитронно-эмиссионная томография - довольно дорогой метод диагностики, он имеется далеко не во всех медицинских центрах.

4. Противопоказания к позитронно-эмисионной томографии

- Единственное абсолютное противопоказание к проведению ПЭТ - это беременность или кормление грудью (как и для любого другого лучевого метода диагностики).

- ПЭТ также не рекомендуется проводить пациентам в тяжёлом состоянии, так как исследование довольно длительное и требует от пациента долгое время сохранять неподвижное положение.

5. Как готовиться к позитронно-эмиссионной томографии

- Позитронно-эмиссионная томография обычно проводится без госпитализации. До проведения процедуры сообщите врачу, какие препараты Вы принимаете, включая витамины, народные средства и т.д.

- Перед проведением позитронно-эмиссионной томографии нельзя ничего есть минимум 6 часов. Вечером перед исследованием рекомендуется легкий ужин. Если Вы сильно волнуетесь, можно на ночь выпить препараты Валерианы или Персен.

- Если проводится позитронно-эмиссионная томография сердца, нельзя принимать кофеин-содержащие продукты в течение 24 часов.

- Оденьте свободную, удобную одежду. Иногда перед процедурой требуется переодеться в больничный халат.

6. Радиофармпрепараты для ПЭТ

Чаще всего в позитронно- эмиссионной томографии используются ультракороткоживущие изотопы - 18 F , 11 C , 13 N и 15 O , с периодами полураспада 109, 20, 10 и 2 минуты соответственно. Использование УКЖ-изотопов для метки РФП, вводимых пациенту, предоставляет два основных преимущества по сравнению с другими видами радиоизотопной диагностики. Во-первых, метка именно этими изотопами (в отличие от используемых в ОФЭКТ изотопов 99 Tc или 123 I) не меняет химических свойств РФП, следовательно, они являются функциональными аналогами естественных метаболитов, и распределение в организме надлежащим образом выбранных РФП адекватно отражает параметры исследуемого биохимического процесса и/или функционального состояния организма. Во-вторых, короткий период полураспада данных изотопов позволяет проводить многократные исследования (в частности, при использовании РФП, меченных 15 O - каждые 15 минут).

В настоящее время существует множество различных РФП для ПЭТ, что позволяет по праву рассматривать этот метод как инструмент для изучения биологических процессов in vivo . Так, например, аналоги природной глюкозы: 18 F-фтордезоксиглюкоза ( 18 F-ФДГ), [1- 11 C]-D-глюкоза- используются для оценки скорости метаболизма глюкозы, меченная [ 15 O ] вода служит для оценки мозгового кровотока, [ 15 O 2 ]- для оценки метаболизма кислорода. [ 11 C]-метил-L-метионин, [ 11 C]-лейцин, [ 18 F]-тирозин, 18 F -фторхолин- для определения уровня метаболизма и транспорта аминокислот и синтеза белков, 18 F -фтортимидин для оценки скорости пролиферации опухолевых клеток, 18 F -фтормизонидазол для выявления тканевой гипоксии. [?- 11 С]-L-3,4-дигидроксифенилаланин ([ 11 С]-L-DOPA), 18 F - DOPA и [О-метил- 11 C]-раклоприд используются для изучения пре- и постсинаптических процессов в дофаминэргической системе, а ( 18 F )-флюмазенил- в бензодиазепиновой.

Таким образом, разнообразие существующих РФП позволяет выбрать оптимальный вариант, в зависимости от целей исследования для наиболее адекватной ПЭТ-методики. В последние годы появились сообщения об успешном применении 18 F -холина и 11 С-ацетата в исследованиях рака предстательной железы и опухолей мозга, 18 F - DOPA для нейроэндокринных и гломусных опухолей, феохромоцитомы, медуллярного рака щитовидной железы, 11 С-метионина для опухолей головы и шеи, легких, молочной железы, но этих данных пока недостаточно. Поэтому в клинических исследованиях используется ограниченное количество РФП, а в подавляющем большинстве случаев применяется 18 F-ФДГ.

В структуру ПЭТ центра входят медицинский циклотрон, радиохимическая лаборатория по производству РФП и один или несколько ПЭТ томографов. Однако могут быть отдельно установленные ПЭТ камеры, куда РФП доставляются из других центров. В любом случае возможность клинических исследований в каждом центре в первую очередь обусловлена доступностью конкретных РФП.

18 F -фтордезоксиглюкоза (ФДГ)

Причина широкого использования ФДГ- в универсальности этого препарата. Высокий уровень накопления в патологических очагах по отношению к фону позволяет легко их идентифицировать, что делает ФДГ незаменимым в диагностике в первую очередь онкологических заболеваний, несмотря на наличие накопления и в активных воспалительных клетках, как гранулоциты и макрофаги. Безусловно, специфичность ФДГ низка, но никак не ниже специфичности таких внеклеточных агентов, как йод и гадолиний содержащие контрасты, используемые при КТ и МРТ.

Фармакологические свойства

Отличаясь от глюкозы только замещением гидроксильной группы второго атома углерода на атом фтора, 2-фтор, 18 F-2-дезокси- D -глюкоза, введенная внутривенно, повторяет начальный участок метаболического пути глюкозы, проникая из сосудистого русла в межклеточное пространство и затем в клетки, где фосфорилируется гексокиназой. Продукт реакции - [ 18 F]дезоксиглюкоза-6-фосфат, в отличие от фосфата глюкозы, не вступает в дальнейшие реакции и остается в клетках в течение исследования, что позволяет измерить концентрацию радионуклида 18 F в ткани.

Способ получения и дозы

2-фтор, 18 F-2-дезокси- D -глюкоза без добавления носителя получается в результате реакции нуклеофильного замещения трифлатной группы 1,2,3,4-тетра-О-ацетил-2-трифторметилсульфонил- D -маннопиранозы в присутствие межфазного катализатора на [ 18 F ]-фторид анион с последующим щелочным или кислотным гидролизом (по выбору радиохимической лаборатории). Стерилизация готового препарата проводится с использованием стерилизующих фильтров фирмы Millipore с диаметром пор 0,22 мкм, после чего проводится контроль качества препарата.

Вводимая доза составляет 122 МБк на 1м 2 площади поверхности тела, которая определяется на основании роста и веса обследуемого, в среднем 370-400 МБк для исследования всего тела, для мозга достаточно 200 МБк.

7. Процедура сканирования

ПЭТ всего тела обычно выполняется до дна таза, вопрос о том, следует ли захватывать мозг, остается спорным, во многих центрах этого не делают, аргументируя низкой способностью ФДГ выявлять метастазы в мозг. Обычно сканирование начинают с области таза, чтобы минимизировать артефакты от наполняющегося мочевого пузыря. Время сканирования каждой позиции обычно определяется индивидуально для каждого томографа, но это редко менее 4 минут для эмиссионного скана и 2 минут для трансмиссионного.

Для получения изображения хорошего качества необходима корректировка зарегистрированного излучения на аттенюацию - неравномерное уменьшение истинного значения совпадений, которые могли бы быть зарегистрированы вследствие поглощения некоторой части ? -квантов и неравномерности распределения плотности тканей тела. Это осуществляется при помощи внешнего источника ?-излучения (выполненного из 68 Ge). Результатом такого трансмиссионого сканирования (в отличие от эмиссионного, когда источник излучения (РФП) находится внутри исследуемого объекта) является изображение распределения плотности тканей, учитываемое при дальнейшей реконструкции изображения. Современные модели камер позволяют проводить трансмиссионный скан уже после введения РФП, что позволяет экономить время и, соответственно, РФП. Однако существуют и другие времясберегающие методы математической коррекции на аттенюацию, без использования трансмиссионого скана, и хотя качество изображений при их использовании несколько хуже, их применение может быть целесообразным, когда необходимо сократить время исследования (дети, тяжелое состояние больного), а также при наличии у пациентов металлических зубных протезов или суставов, являющихся причиной значительных артефактов на изображениях.

После реконструкции (процесса получения изображения по накопленным для каждой пары датчиков одного или двух смежных колец проекционным суммам - числу зарегистрированных в процессе сканирования ?-квантов) получается трехмерное или псевдотрехмерное (что определяется выбранным типом сбора данных и зависит также от возможностей ПЭТ камеры) изображения. “Прямыми” называются срезы, при реконструкции которых учитываются проекции датчиков одного кольца томографа. “Кросс-срезы” реконструируются по проекциям, полученным для датчиков двух соседних колец томографа.

Для расчета абсолютных значений уровня потребления глюкозы необходимо знание мгновенных значений распределения активности РФП в исследуемых тканях, а также знание так называемой входной функции - то есть уровня его активности в плазме артериальной крови в процессе исследования. Однако в условиях реального ПЭТ-исследования, во-первых, невозможно получить действительно мгновенное значение концентрации РФП в тканях, вместо этого измеряется активность, накопленная за время сканирования, и вынужденно используется усредненное значение концентрации. Во-вторых, измерение артериальной входной функции, которое обычно производится путем взятия в течение исследования как можно более частых проб крови из катетера, установленного в лучевую артерию, представляет дополнительные сложности при исследовании - в силу инвазивности этой процедуры и значительного риска осложнений . К тому же концентрация РФП в крови в лучевой артерии лишь относительно отражает истинную входную функцию (концентрацию препарата в капиллярах ткани), отличаясь от нее и временным сдвигом, и формой, что само по себе служит источником ошибки.

Поэтому в клинической практике широкое распространение получила упрощенная оценка метаболизма, величина которой полагается пропорциональной концентрации накопления РФП в интересующей области. Наиболее распространенный полуколичественный метод- оценка standardized uptake value ( SUV - стандартизированный уровень накопления), представляющий индекс накопления ФДГ в ткани, который вычисляется путем нормализации концентрации ФДГ к введенной активности на грамм массы тела.



8. Области применения позитронно-эмиссионной томографии в медицине

ПЭТ используется в различных областях медицины [26].

Около 80% клинических ПЭТ исследований проводится в области онкологии, они позволяют дифференцировать злокачественные и доброкачественные образования, определять степень распространения опухолей с чувствительностью, близкой к 100%. Исследования всего тела, занимающие 6070 минут, позволяют определить метастазы любой локализации. Позитронно-эмиссионная томография не имеет альтернативы при ранней (через 1-2 недели) оценке результатов химиотерапии.

В кардиологии ПЭТ позволяет получать информацию о кровоснабжении миокарда, скорости метаболических процессов, оценить признаки болезни коронарной артерии, контролировать эффективность лечения. Для таких исследований используются ультракороткоживущие изотопы (13N, 18F, 11С). Данные ПЭТ важны при планировании аортокоронарного шунтирования.

В неврологии ПЭТ используется для обнаружения неврологических болезней, включая эпилепсию, опухоли, дифференциации психических заболеваний. ПЭТ дает сведения о кровообращении мозга, скорости усваивания кислорода и глюкозы, отображает другие физиологические процессы.

ПЭТ используется для измерения метаболизма глюкозы (единственного источника энергии клеток). Примерно через 40 минут после внутривенного введения радиоактивной глюкозы (чаще это изотоп 18ФДГ), радиоизотоп поступает в клетки и достигает равновесия. Затем его распределение измеряется в различных срезах.

Подобные исследования проводятся при исследованиях болезней почек. Почки отличают высокий уровень метаболизма и поток крови, из-за чего регистрируемое изображение имеет высокое соотношение сигнал/шум.

Также позитронно-эмиссионная томография используется при изучение механизмов мозга, лежащих в основе человеческого создания: для исследования мозговой организации внимания, эмоций, мышления, творчества, общего интеллекта, способности ориентироваться, т. е. всех аспектов деятельности мозга, которые делают его настолько неповторимым и сложным объектом. Исследования проводятся путём измерения распределение потока крови в мозге. Предполагается, что увеличение потока крови связано с увеличенной функциональной деятельностью. Чтобы достигнуть активации радиоизотопа (15O) требуется примерно 3-5 минут, после чего можно измерить его распределение. Затем с помощью кодируемых цветом изображений можно видеть, где мозг активизирован во время некоторых действий. Например, когда человек говорит или читает, правое полушарие мозга "светится".

В ряде научных центров с помощью ПЭТ проводят исследования лекарств, их распределение и действие на организм.

1. Опухоли головы и шеи,

- Дифференциальная диагностика злокачественного и доброкачественного процесса,

- Выявление метастазов в регионарные лимфоузлы,

- Выявление отдаленных метастазов,

- Определение рецидива опухоли.

2. Опухоли щитовидной железы,

- Дифференцированная карцинома: определение стадии опухоли,

- Медуллярная карцинома: определение стадии опухоли.

3. Опухоли неясной локализации (при выявленных отдаленных метастазах),

- Локализация первичной опухоли

4. Рак легкого,

- Немелкоклеточный рак: выявление метастазов в регионарные лимфоузлы, выявление отдаленных метастазов, определение рецидива опухоли,

- Дифференциальная диагностика злокачественного и доброкачественного процесса при одиночном узле в легком.

5. Рак молочной железы,

- Выявление метастазов в регионарные лимфоузлы,

- Выявление отдаленных метастазов,

- Оценка эффективности терапии.

6. Рак пищевода и желудка,

- Выявление метастазов в регионарные лимфоузлы,

- Выявление отдаленных метастазов.

7. Рак толстой кишки,

- Выявление метастазов в регионарные лимфоузлы,

- Выявление отдаленных метастазов,

- Определение рецидива опухоли.

8. Рак поджелудочной железы,

- Выявление отдаленных метастазов.

9. Лимфома (болезнь Ходжкина и неходжкинская лимфома),

- Определение стадии заболевания,

- Оценка эффективности терапии,

- Определение рецидива.

10. Меланома,

- Выявление метастазов в регионарные лимфоузлы при индексе Бреслоу более 1.5 мм,

- Выявление отдаленных метастазов при индексе Бреслоу более 1.5 мм,

- Определение рецидива.

11. Опухоли костей и мягких тканей,

- Дифференциальная диагностика доброкачественных и злокачественных опухолей,

- Выявление отдаленных метастазов.

12. Опухоли мочеполовой системы,

- Выявление отдаленных метастазов.

13. Опухоли головного мозга,

- Уточнение опухолевого генеза очагового образования головного мозга,

- Определение точных границ и размеров опухоли при неясных КТ или МРТ данных,

- Определение степени злокачественности опухолей,

- Выбор мишени для стереотаксической биопсии,

- Оценка радикальности удаления опухоли,

- Дифференциальная диагностика между продолженным ростом опухоли и лучевым поражением,

- Мониторинг эффективности лучевого и химиолечения.

14. Эпилепсия,

- Латерализация эпилептического очага при височной эпилепсии,

- Локализация эпилептического очага при вневисочной эпилепсии,

- Картирование функционально значимых зон перед операцией с целью профилактики послеоперационного неврологического дефицита.

15. Сосудистые заболевания головного мозга,

- Дифференциальная диагностика ишемического инсульта и опухоли, геморрагического инсульта и кровоизлияния в опухоль,

- Определение распространенности повреждения мозговой ткани при ишемическом инсульте,

- Определение степени гемодинамической и метаболической значимости стенозов сонной артерии.

16. Травмы головного мозга:

- Определение степени и распространенности поражения мозговой ткани при травмах головного мозга в остром и отдаленном периоде, особенно в тех случаях, когда структурные изменения, выявленные на КТ или МРТ, не объясняют полностью неврологическую симптоматику.

17. Деменции,

- Дифференциальная диагностика сосудистой деменции от других типов (Альцгеймера, Пика).

9. Алгоритмы реконструкции ПЭТ-изображений

Формирование изображений или реконструкция является наиболее важным технологическим этапом измерительного процесса. Компьютер реконструирует изображение исследуемого объекта на основе результатов измерений вылета парных фотонов из него под разными углами (проекций) с использованием специальных алгоритмов. ПЭТ-изображение может быть реконструировано с применением фильтров, обеспечивающих разное пространственное разрешение изображений. Так, высокочастотные фильтры могут приводить к резким изображениям, но с большим шумом, а низкочастотные - к изображениям с удовлетворительным контрастом, но с уменьшенным воспроизведением деталей. Поскольку на реконструированных изображениях могут быть дополнительные артефакты, на практике одновременно с ними используют и нереконструированные изображения для исключения артефактов и получения дополнительной диагностической информации.

Традиционно используемый алгоритм 2D-реконструкции (формирование объемной структуры объекта по его проекциям) - обратное проецирование фильтрованных проекций (FBP). Он реализуется с помощью Фурье-преобразования угловых проекций, применения фильтра с наклонной характеристикой в частотном диапазоне, однородного распределения отфильтрованных данных в матрице реконструкции и последующего обратного Фурье-преобразования. Этот линейный метод характеризуется быстрым выполнением реконструкции сечений. Однако указанный фильтр, используемый для исключения искажений и улучшения пространственного разрешения, увеличивает шумовую компоненту, которая становится важной при малых скоростях счета. Поэтому применяются сглаживающие фильтры для отсечки частот выше определенного уровня, ответственных за "размытие" изображения. Недостатком алгоритма является появление на изображениях артефактов, как результата самой реконструкции, так и процесса фильтрации.

Режим 3D требует применения 3D-реконструкционных алгоритмов, которые более сложны и требуют большего времени, чем 2D-алгоритмы. В целях упрощения процедуры разработаны методики реорганизации 3D-данных для их последующего использования в реконструкции изображения. Если же проекционные данные собираются так, что их нельзя сгруппировать в серии параллельных поперечных 2D-срезов, тогда используют реконструкционные 3D-алгоритмы.

Итерационные алгоритмы последних модификаций обладают повышенной точностью по сравнению с традиционным алгоритмом FBP. Эти алгоритмы основаны на максимизации или минимизации целевой функции путем проведения нескольких аналитических процессов - итераций. Особенность итерационных алгоритмов заключается в возможности учета в итерационном процессе различной априорной информации, в том числе о вкладе шума, поглощении излучения и т.д. В различных алгоритмах требуется разное число итераций для получения оптимума целевой функции, однако рост их числа может привести к увеличению шума и снижению качества изображений. Методы реконструкции основаны как на приемах численной линейной алгебры, так и на статистических подходах. Наиболее известны итерационные алгоритмы:

MLEM - алгоритм максимизации математического ожидания стохастической функции максимального правдоподобия, основанный на максимизации логарифма функции пуассоновского распределения вероятности. Особенность этого алгоритма заключается в модификации изображения в ходе каждой итерации с использованием мультипликативного фактора, оцениваемого из отношений первоначально полученных и модифицированных проекций. Этот алгоритм характеризуется низким уровнем шума и отсутствием потерь пространственного разрешения, но требует проведения большого числа итераций.

OSEM (модифицированная версия MLEM) - наиболее распространенный итерационный алгоритм, применяемый в исследованиях в режиме "все тело". Его особенность состоит в том, что создаются подмножества проекций, равномерно распределенных по объему, изображение которого реконструируется. При каждой итерации целевая функция модифицируется столько раз, сколько существует таких подмножеств. OSEM, являясь практической альтернативой FBP, позволяет получать ПЭТ-изображения с ФДГ с лучшим контрастом и более высоким отношением опухоль/шум, чем FBP.

Улучшенные шумовые свойства и лучшее качество визуализации с этим алгоритмом обеспечивают улучшение детектирования малых новообразований.

RAMLA - специальная версия OSEM, в которой используются ряды ортогональных проекций и параметры релаксации для управления модифицированием логарифма вероятности в каждом итерационном цикле, что обеспечивает быструю и лучшую сходимость. Подход основан на замещении вокселовВоксел - (образовано из слов: объёмный (англ. volumetric) и пиксел (англ. pixel) - элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве. Вокселы являются аналогами пикселов для трехмёрного пространства. Воксельные модели часто используются для визуализации и анализа медицинской и научной информации. сферически симметричными объемными элементами, размещенными на однородной трехмерной решетке. Преимущество алгоритма заключается в возможности управления качеством реконструированного изображения путем предварительного определения плотности и формы вокселов. Для получения однородных по объему данных вокселы на границе визуализируемых структур частично перекрываются с соседними, а счет импульсов в общих областях усредняется с использованием весовых схем.

10. Измерение и коррекция ослабления излучения

Поток аннигиляционных фотонов, проходя через различные ткани тела пациента, ослабляется при взаимодействии с ними вследствие эффектов комптоновского рассеяния и фотоэлектрического поглощения. При таком ослаблении механизм комптоновского рассеяния преобладает при энергиях фотонов в диапазоне 200-1000 кэВ, а фотоэлектрическое поглощение доминирует при энергиях квантов ниже 30 кэВ и 50 кэВ для мягких тканей и костей соответственно.

В редком на практике случае проведения ПЭТ в однородной ткани для определения Р достаточно знать лишь величину Dn во всех направлениях и использовать значение м=мводы=0,096 см-1 для фотонов с энергией 511 кэВ. Линейный коэффициент ослабления зависит от энергии фотона и эффективного атомного номера Z исследуемых тканей.

В реальности приходится иметь дело с неоднородным ослаблением излучения (например, при исследованиях органов грудной клетки). Поэтому для определения величины Р проводят трансмиссионное сканирование пациента с использованием вращающегося вокруг пациента одного или нескольких источников - позитронного излучателя 68Ge с энергией 511 кэВ, либо г-излучателя 137Cs с энергией 662 кэВ. В первом случае прошедшее через тело пациента излучение регистрируется в режиме совпадений, во втором - в режиме однофотонного детектирования (рис. 7 а, б). Выполняя трансмиссионное сканирование без пациента ("пустой" скан) и при его помещении в поле чувствительности сканера, можно определить ослабление излучения вдоль каждой детектируемой линии фотонной аннигиляции и восстановить точную карту ослабления излучения. Последующая коррекция ослабления эмиссионных ПЭТ-данных заключается в компьютерной обработке данных и расчете величины P-1, а также в умножении полученной величины на соответствующее значение эмиссионной синограммы распределения активности РФП.

В случае использования источника l37Cs вместо 68Ge перед выполнением такого умножения дополнительно проводят реконструкцию распределения ослабления (м-карты) и умножение на поправочный коэффициент, связанный с несоответствием энергий г-квантов источника и аннигиляционных фотонов. После этого выполняют прямое проецирование для получения набора соизмеримых проекций.

Коррекция ослабления излучения описанным методом позволяет учесть радиальную неоднородность распределения активности РФП и получить изображения радиационно-плотных соседних тканей, необходимые для установления локализации органов. При этом существенно повышается контрастность изображения и отношение опухоль/фон. Без такой коррекции ПЭТ-изображения могут быть использованы лишь для неколичественных исследований. Для решения задачи повышения качества ПЭТ-изображения разработаны разные методы измерения ослабления излучения:

? проведение трансмиссионного скана после инъекции РФП одновременно с эмиссионным сканом, либо сразу после него. Такой метод эффективен для точной подгонки друг к другу данных обоих сканов, но не решает задачи снижения статистического шума от трансмиссионного скана;

? измерение ослабления с использованием источника г-излучения 137Cs высокой активности, обеспечивающего проведение скана за короткое время. Однако возникающие в этом случае ограничения, связанные с мертвым временем, а также с необходимостью использования специального оборудования, не позволяют устанавливать такой источник на любой ПЭТ-сканер;

? обработка коротких трансмиссионных сканов (~3 мин на одно положение ложа пациента) после окончания ПЭТ исследования, известная как сегментированная коррекция ослабления (SAC). Этот метод позволяет снизить общую продолжительность трансмиссионного сканирования до 15-20 мин в режиме "все тело" при снижении статистического шума и без потери качества in vivo измерений поглощения ФДГ, хотя и с риском ошибок сегментирования. Все известные модификации этого метода основаны на использовании автоматического метода порогового сегментирования (разделения) за короткое время трансмиссионного изображения на две основные компоненты ткани тела (мягкая ткань и легкие) с соответствующими коэффициентами ослабления 0,095 см-1и 0,035см-1. Сегментирование и непрерывный сбор трансмиссионных и эмиссионных данных - наиболее перспективные методики для обеспечения точного морфологического изображения в клинических исследованиях всего тела без потерь контраста очагов.

? Коррекция ПЭТ-данных с использованием КТ-изображения, полученного для рентгеновского излучения широкого спектра 30-138 кэВ (эффективная энергия пучка 70-80 кэВ) реализуется путем последующей нормировки коэффициента ослабления и конструирования м-карты, экстраполированной к энергии 511 кэВ (СТАС). Этот метод, схема реализации которого представлена на рис. 7 в, позволяет получать м-карту в отсутствие статистических шумов.

11. ПЭТ-исследования с альтернативными РФП

Существуют ограничения в применении ПЭТ с традиционным радиофармпрепаратом ФДГ, связанные, в частности, с неспособностью визуализации опухолей малых размеров, некоторых опухолей мозга и опухолей мочеполовой системы, а также неспособностью дифференцирования злокачественных заболеваний и воспалительных изменений, в том числе в окружающих очаг тканях. Поэтому актуальной является задача разработки новых, альтернативных ФДГ, радиофармпрепаратов с повышенной тканеспецифичностью и, особенно, с более высокой туморотропностьюТуморотропность - (от «тумор» - ненормальное разрастание ткани, опухоль) способность вещества проникать в опухоль, распространяться там и быть полезным для диагностики данного органа или ткани.. Для устранения перечисленных недостатков ФДГ усилия разработчиков направлены как на создание новых РФП, меченных l8F, так и РФП, меченных другими позитронно-излучающими радионуклидами.

К последним, прежде всего, относятся РФП на основе радионуклидов 11С, 13N, 15O, легко внедряющихся в биологически активные вещества, которые влияют на жизненные процессы в клетке, участвуют в метаболизме, а следовательно адекватно отражают происходящие в организме процессы. Поэтому они предназначены для исследования онкологического заболевания как биологического процесса, который аналитически оценивается с использованием данных ПЭТ и специальных моделей с целью определения механизмов функционирования организованных систем, идентификации молекулярных изменений в аномальных очагах и разработки препаратов для коррекции этих изменений. Такие РФП обеспечивают получение важной информации о биологии опухолей, которая также может быть использована для планирование лучевой терапии.

Получаемые как на циклотроне, так и из изотопных генераторов биогенные радионуклиды обладают следующими важными для диагностики свойствами:

§ короткое время жизни (2-20 мин) и распад до нерадиоактивных продуктов, что позволяет использовать такие радионуклиды в значительных количествах при малых дозах облучения пациентов и персонала;

§ невысокая максимальная энергия позитронов (менее 2 МэВ), гарантирующая минимальную потерю пространственного разрешения (менее 2 мм);

§ отсутствие побочной эмиссии гамма-квантов, которые могли бы давать вклад в случайные совпадения.

На практическое применение тех или иных радионуклидов для синтеза РФП влияет еще и то, как и в каких количествах они могут быть произведены, могут ли реально быть транспортированы, имеются ли нежелательные элементы в схемах их распада, ухудшающие качество изображения, насколько хорошо преобразуются они в РФП в соответствии с биохимическим сродством и совместимы ли их характеристики с клиническими требованиями и доступными методиками визуализации.

Одним из наиболее эффективных альтернативных РФП является 11С-холин, который позволяет успешно визуализировать, в частности, опухоли мозга, рак легкого, опухоли мочевого пузыря, рак простаты и некоторые другие злокачественные опухоли. При использовании холина не происходит накопления радиоактивности в мочевом пузыре, что делает возможным обнаружение онкологических поражений простаты и ее метастазов на ПЭТ-изображениях. Поглощение холина в опухолевых тканях за исключением легкого выше, чем поглощение ФДГ, при этом фоновая радиоактивность в окружающих тканях существенно ниже. 11С-холин со 100%-чувствительностью позволяет выявлять метастазы в лимфатические узлы, поэтому он может быть эффективен в контроле эффективности терапии оставшихся после операции метастазов. В сравнении с холином поглощение ФДГ в метастазах существенно ниже, а чувствительность составляет лишь 75%. 11С-холин обладает хорошим потенциалом для дифференцирования степени злокачественности глиом, однако имеет недостаточную эффективность в дифференциальной диагностике глиом низкой степени злокачественности и неопухолевых заболеваний.

ПЭТ-изображения, полученные с использованием ФДГ (слева) и метил-11С-холина (справа), дающие соответственно отрицательный и положительный диагностический результат

Аналог холина - 18F-фтороэтилхолин - может оказаться лучше 11С-холина благодаря более длительному периоду полураспада и короткому пробегу позитронов. Обладая теми же преимуществами, что и холин, 18F-фтороэтилхолин селективно поглощается в опухолевых клетках in vitro и показывает высокое накопление в опухолях мозга и простаты. Метаболизм холина в клетках опухоли направлен на мембранный синтез. Если поглощение меченого холина и фтороэтилхолина отображает собой митоз клеток опухоли, то такой РФП может эффективно использоваться для дифференцирования рака.

11С-метионин является естественной аминокислотой. Он проникает в клетки опухоли с помощью аминокислотного транспортера, участвуя в ускоренном синтезе протеина. В отличие от ФДГ, 11С-метионин аккумулируется более специфично в жизнеспособных клетках опухоли, снижая вероятность ложноположителъных результатов. Он более чувствителен к химиотерапии и лучевой терапии по сравнению с ФДГ.

11С-тирозин особенно эффективен для количественного описания синтеза протеина. Однако короткий период полураспада 11С и невозможность использования РФП на его основе для исследований в режиме «все тело» привели к разработке 18F-тирозина, который хорошо метаболизируется (с появлением метаболитов через 60 мин после инъекции) и внедряется в протеин. Однако низкий радиохимический выход препятствует его широкому использованию. Для повышения радиохимического выхода разработан его аналог - 18F-альфа-метилтирозин, получаемый с активностью до 800 МБк за одну реакцию синтеза.

11С-ацетат - предшественник аминокислот. Он обеспечивает наибольшую точность в выявлении ряда злокачественных опухолей - таких как менингиома, глиома, лимфома и др. Ацетат позволяет проводить оценку метаболизма миокарда. Его преимущество (как и у холина) заключается в относительно малом времени, требуемом для проведения исследования (45 мин после инъекции).

18F-мизонидазол (18F-MISO) - перспективный РФП для количественной оценки гипоксии в опухоли, величина интенсивности которой обратно пропорциональна эффективности лучевого лечения. Уровень включения 18F-MISO повышается с увеличением интенсивности гипоксии опухолевой ткани.

18F-фтороэстрадиол предназначен для визуализации экспрессии рецепторов эстрогена во всех патологических очагах при раке молочной железы, в отличие от биопсии с иммуногистологическим исследованием, когда определяется рецепторный статус только в месте отбора материала. Результаты такого исследования имеют большое прогностическое значение для оценки эффективности гормонального лечения распространенного рака молочной железы.

18F -фторотимидин (FLT) - РФП, предназначенный для оценки скорости пролиферации в опухолях, изучение которой имеет прогностическое значение при определении эффективности химиотерапии. Знание индивидуальной для каждого пациента скорости пролиферации опухоли дает возможность селективно изменять схему терапии заболевания.

Синтетические аминокислоты, в частности l-амино-3-18F-фтороциклобутан-1-карбоксильная кислота (18F-FACBC), предназначены для обеспечения более избирательного включения в метаболизм. Изображения, получаемые с такими РФП при исследовании опухолей мозга, обладают большим контрастом по сравнению с изображениями, полученными с ФДГ.

68Ga-DOTATOC - аналог соматостатина, при исследовании опухолей мозга позволяет получать изображения с высокой степенью контраста. 68Ga с периодом полураспада 68 часов получают из генератора 68Ge /68Ga с периодом полураспада 68Ge 271 день. Пользователю достаточно покупать такой генератор лишь один раз в полгода.

Cu(II)-диaцeтил-биc-N-(4)-мeтилтиoceминкapбaзoн (Си--ATSM) может быть помечен несколькими позитронно-излучающими радиоизотопами меди. ПЭТ с 62Cu-ATSM позволяет достоверно идентифицировать области гипоксии в объеме опухоли. Лучевая терапия с модуляцией интенсивности пучка фотонов, как инструмент для конформного подведения дозы, может быть применена для таких областей с повышенной радиорезистентностью с целью формирования пространственно неоднородных дозовых распределений. Отношение опухоль/мышечная ткань при ПЭТ с Сu-ATSM для пациентов с диагнозом NSCLC является хорошим индикатором эффективности терапии.

15O-вода - это второй по частоте использования в мире РФП, необходимый для ПЭТ-исследований при активации головного мозга, а также перфузии миокарда. Однако использование этого РФП ограничено коротким периодом полураспада 15O (2 мин).

13N-аммиак - третий по частоте применений РФП в диагностической практике, используется для количественных исследований перфузии миокарда.

86Y-DOTATOC - ПЭТ-радиофармпрепарат, применяемый для определения биораспределения в организме с целью индивидуального дозиметрического планирования радионуклидной терапии с использованием пептидных рецепторов. Он обеспечивает более точную оценку накопления РФП в опухоли по сравнению с традиционно используемым 111In-DTPA.

Кроме вышеперечисленных, в ПЭТ применяются и другие позитронные радионуклиды, в частности, для исследований сердца 82Rb (1,27 мин), а также 76Br (16,2 часа), 110In (1,15 часа), 62Cu (9,7 мин), 134La (6,45 мин). Их использование обусловлено, в частности, способностью заменить традиционные ПЭТ-радионуклиды при сравнительной дешевизне (82Rb), сходству с химическими характеристиками радионуклидов для ОФЭКТ (68Ga, 110In, 94mTc), возможности визуализации медленно протекающих процессов в организме (76Br, 124I), например, кинетики накопления моноклональных антител, меченных 89Zr или 124I, в биологических объектах в течение несколько часов после введения РФП.

Однако альтернативные позитронные излучатели обладают физическими параметрами, ограничивающими их использование. Так, при необходимости достижения высокого пространственного разрешения ПЭТ-изображения (например, при функциональном исследовании малоразмерных структур с неоднородным распределением РФП) ряд таких радионуклидов (38К, 62Cu, 76Br, 82Rb, 120I) оказывается малопригодным из-за их высокоэнергетичных позитронов, обладающих сравнительно большими длинами пробега. В некоторых исследованиях высокий поток сопутствующего гамма-излучения может стать причиной трудностей при использовании радиоизотопов 52Mn (1018%), 83Sr (313%), 86Y (882%). поскольку приводит к большому вкладу случайных совпадений и ухудшению качества изображений. Радионуклиды 38К, 51Mn, 52Fe, 75Br, 118Sb могут создавать дополнительные проблемы при проведении ПЭТ-исследований, поскольку испускают высокоэнергетическое гамма-излучение, способное проникать через радиационную защиту, a 52Mn, 55Се, 72As, 76Br и 124I характеризуются высокой радиотоксичностью, требующей снижения вводимой пациенту активности, что может отрицательно сказаться на качестве изображений.



Заключение

Улучшение диагностики заболеваний требует повышения качества ПЭТ-визуализации. Для этого необходимо обеспечить высокое отношение счета опухоль/шум, т.е. высокую скорость счета истинных совпадений при низкой скорости счета рассеянных фотонов и случайных совпадений. Режим 3D остается основным направлением развития ПЭТ-технологии благодаря его наибольшему потенциалу в плане достижения одновременно высокой чувствительности и высокого пространственного разрешения. Наивысшая чувствительность достигается при высоких значениях плотности, эффективного атомного номера материала сцинтиллятора, а также размера аксиального поля зрения и при удалении септы из многокольцевой сборки детекторов. При этом достижение оптимального пространственного разрешения обеспечивается высоким энергетическим разрешением сцинтиллятора, конструкцией детектора, позволяющей максимально приблизить энергетический порог к энергии 511 кэВ, большим значением светового выхода сцинтиллятора, влияющего на точность определения координат взаимодействия фотона с детектором, а также максимально узким временным окном совпадений для минимизации шума.

В настоящее время наиболее полно удовлетворяют всем этим требованиям кристаллы LSO и GSO, а серийно выпускаемые сканеры на их основе позволяют получать ПЭТ-изображения наивысшего качества. Точность интерпретации ПЭТ-данных и в целом достоверность диагностики удается оптимизировать при использовании технологии ПЭТ- и КТ-исследований на совмещенных ПЭТ/КТ-сканерах с высокой точностью позиционирования и совмещения анатомических и метаболических изображений. При этом необходимы измерения и коррекция ослабления излучения с использованием данных трансмиссионного КТ-сканирования, использование РФП с повышенной тканеспецифичностью, меченных как 18F, так и бионуклидами, применение высокоскоростных итерационных алгоритмов реконструкции изображения, а также проведение количественных ПЭТ-исследований для выявления злокачественных опухолей и контроля чувствительности к терапии.

...