Позитронно-емисионна томография

Автор: Венцислав Бойков НачевПрофесионална гимназия по компютърни технологии и

системи при ТУ-София , гр. Правец

Вилхелм Конрад Рьонтген (1845-1923)

Вилхем Рьонтген е знаменит немски физик, който на 8 ноември 1895 г. открива и документира електромагнитно излъчване, известно днес като рентгеново. За това си откритие получава първата Нобелова награда за физика през 1901г. Той нарича лъчението Х-лъчи, тъй като тяхната природа е била непозната.

Рентгеновата снимка (вляво) на ръката на Алберт фон Кьоликер, направена от Вилхелм Рьонтген през 1896 година.

Какво е томография?

Томографията (от старогръцки: τομη — сечение, γράφω - пиша ) е метод за неразрушително послойно изследване на вътрешната структура на обекта чрез многократното му облъчване с подходящи лъчи (сондиращо излъчване) в различни посоки и последващо „съшиване“ на получените сечения. Най-популярно приложение намира в медицината за получаване на изображения на човешкото тяло или отделни органи.

Основни видове медицински томографиФизическо явление Вид томограф

Рентгенови лъчи CT /Computed tomography/

Гама лъчи SPECT /Single-photon emission computed

tomography/

Радиовълни MRI /Magnetic resonance imaging/

Анихилация на позитрон и електрон

PET /Positron emission tomography/

Рентгенова компютърна томографияРентгеновата компютърна томография (СТ) е метод за образна диагностика в медицината, при който от множество рентгенови изображения на даден обект, получени от различни ъгли, с помощта на компютърна обработка се получава тримерно изображение. Изследването се извършва в последователни срезове.

Английският инженер изследовател Годфри Хаунсфийлд, на базата на математична теория, създадена от американския физик Алан Кормак, създава компютърната аксиална томография – принципно нов метод за получаване на аксиални срезове на тримерен обект чрез компютъризиран математичен анализ на данните. Методът има много по-висока чувствителност от обикновената рентгенова снимка и способност за диференциране на меките тъкани и на болестните процеси в тях. Двамата получават Нобелова награда за физиология или медицина (1979) "за разработването на компютърната томография".

Алан Маклауд Кормак (1924–98)

Годфри Нюболд Хаунсфийлд (1919-2004)

Рентгенова компютърна томография (СТ)

Използва се за получаване на висококачествени образи на органите в човешкото тяло чрез въздействие с постоянно магнитно и високочестотно електромагнитно поле. Методът се основава на принципа на ядрено магнитния резонанс – метод, използван в науката за изучаване на физичните и химичните свойства на молекyлите. В медицината МRI е един от най-надеждните методи за образна диагностика. За разлика от стандартните образни изследвания, включително рентгеновата компютърна томография, МRI не е свързано с облъчване, тъй като не използва йонизиращи лъчения.

Магнитно-резонансна томография (MRI)

Позитронно-емисионният томограф (РЕТ) е ново, уникално устройство, позволяващо в амбулаторни условия по безкръвен начин да се установи наличието на патологични отклонения в изследвания пациент. Методът се прилага в областта на онкологията, ендокринологията, неврологията и много други. Позитронно-емисионната томография е компютър-томографски метод, при който на изследвания обект се въздейства с белязано радиоактивно вещество (маркер).

Какво е Позитронно-емисионна томография (РЕТ)?

Принцип на действие на PЕТ

РЕТ изследването започва с въвеждане в организма, под формата на инжекция или друг начин, на метаболитно активен радиофармацефтик. Радиофармацифтикът представлява органична молекула, преносител на съответния радионуклид (15О, 11С, 13N, 18F) - източник на позитрони. Най-често се използва глюкоза (С6Н12О6) или аналог на глюкозата, като например Флуородезокси глюкоза (FDG).

Глюкоза

Флорудекси-глюкоза

До няколко минути след въвеждането радиоактивното вещество се натрупва в тази област на организма, към която маркерът има химичен или метаболитен афинитет. Например, глюкоза(С6Н12О6), маркирана с 11С (Т1/2 = 20min), или аналог на глюкоза (FDG), маркиран с 18F (T1/2 = 1.8h), се натрупват в мозъка, където глюкозата е основен източник на енергия.Тъй като раковите клетки се делят неконролируемо и много бързо,то те имат нужда от храна и енергия, която си доставят чрез поемане на глюкоза или FDG. Затова точно там се натрупва най-много от радионуклида и по този начин лекарите лесно диагностицират определеното заболяване.

Принцип на действие на PЕТ

Радиоктивното ядро на радионуклида претърпява бета плюс разпадане, а излъченият позитрон анихилира с електрон от атомите на биологичните тъкани.

Пример за бета(+) разпадане

Принцип на действие на PЕТ

Излъченият позитрон (e+) изминава кратко разстояние (няколко милиметра в зависимост от енергията му) в тъкантта на пациента преди да взаимодейства с електрон от веществото.

При взаимодействието на позитрон (e+) и електрон (e-) се осъществява процеса анихилация, при който (e+) и (e-) се раждат два анихилационни фотона. Двата фотона, всеки с енергия Е = 511 keV, се разпространяват в диaметрално противоположни посоки под ъгъл 180o.

Двойките анихилационни фотони се разпространяват в диаметрално противополжни посоки и се регистрират от сцинтилационни детектори, влючени в схема на съвпадене. Детектира се анихилационното лъчение, получавано при взаимодействието на позитроните, излъчени от радиофармацевтика, с електрони от изследваните тъкани.

Детекторната ситема е съставена от множество сцинтиационни детектори - малки кристали (NaI(Tl) или BGO) наредени плътно един до друг по окръжност, всеки от тях свързан с фотоелектронен умножител (ФЕУ). Това позволява използването на радионуклиди с по-малка активност, с което се намалява лъчевото натоварване.

След регистриране на 500000 и повече акта на анихилация, данните за разпределението на маркера се обработват компютърно по процедура за томографска реконструкция. Резултатът е двуизмерен образ (2D) или триизмерни образи (3D).

3D образ 2D образ

Комбиниране на PET и CT скенери (PET/CT)

Комбинирането на PET и CT в едно устройство позволява наслагването на рентгеновите и РЕТ- томографски образи на структурите, а следователно – по-точна диагностика.

Комбиниране на PET и MRI (PET/MRI)Възможна е и комбинирана визуализация с PET и MRI.

Комбиниран СТ-РЕТ образ на кости и мускули

Приложение

PET се използва за откриване на болестни изменения в пациента. Прилага се в онкологията, ендокринологията, неврологията и много други.

Методът е подходящ за изследване на метаболизма в динамика и за изследвания на мозъчната активност.

РЕТ разширява възможнoстите за изучаване на биохимичните основи на нормалните или нарушени фунции на организма, позволява изследването на биоихимичните процеси, изследване влиянето на различни медикаменти и вещества на клетките...

Как се чувства пациента по време на изследване?По време на сканирането пациентът лежи в удобно положение и тялото му се поставя в томографа. За кратко време тялото трябва да е неподвижно и единственият дискомфорт е поставянето на инжекцията с радиоактивното лекарство. В зависимост от лекарството е възможно да се направи венозна инжекция или инхалация.

Заслуги

David E. Kuhl

Michael E. Phelps

Michel Ter-Pogossian

Концепцията за позитрон-емисионната томография e предложена от група американски учени, начело с David Kuhl от Пенсилванския университет през 1950г. По-късно двамата американски учени Michael Phelps и Michel Ter-Pogossian от Вашингтонския медицински университет разработват техниката за томографското изобразяване.

Литература:

-Wikipedia

- Medical Applications of Modern Physics, Marco Silari, CERN, Geneva, Switzerland;

;

- http://www.medimg.hit.bg ;

http://ceca-cern.blogspot.com/2010/08/pet-2.html