Nuclear physics science template

1
NUKLEÁRNA MEDICÍNA Prístroje na detekciu žiarenia
PET Pozitrónová emisná tomografia
01
2
Pozitrónová emisná tomografia

• Co je PET ?
• PET, alebo Pozitrónová emisná tomografia
• (Positron Emission Tomography) je diagnostická
• metóda, je založená na koincidencnej detekcii
• fotónov gama s energiou 511 keV, ktoré sú
• emitované pri premene pozitrónových žiaricov
• aplikovaných do organizmu pacienta.
• Nositelom diagnostickej informácie
• sú pozitrónové žiarice.

02
3
Pozitrónová emisná tomografia

• Co je pozitrónový žiaric ?
• Pozitrónový žiaric je rádiofarmakum, oznacené
• rádionuklidom, ktorý sa vyznacuje ß rozpadom
  (rozpad,
• pri ktorom sa z atómového jadra uvolnuje
  pozitrón).

03
4
Pozitrónová emisná tomografia

• Co je pozitrón?
• Pozitrón je anticastica elektrónu, je to vlastne
• elektrón s kladným nábojom. Oznacuje sa e.
• Pozitrón je emitovaný z jadra pozitrónového
• žiarica a postupne sa spomaluje prechodom
• cez látku (tkanivo).
• Na konci svojej dráhy sa spojí s elektrónom
• dochádza k anihilácii , elektrón a pozitrón
• zanikajú a vznikajú dva anihilacné fotóny
• s energiou 511 keV, ktoré smerujú
• opacným smerom a zvierajú uhol 180.
• Dosah pozitrónu v tkanive závisí na jeho energii,
• vo všeobecnosti nepresiahne dráhu niekolkých
• milimetrov.

04
5
Pozitrónová emisná tomografia

• Rádiofarmakum pre PET
• Do tela pacienta je intravenózne alebo inhaláciou
  podané rádiofarmakum, co je
• molekula, na ktorú sú naviazané jadrá
  nestabilných pozitrónových žiaricov ako
• napríklad 11C, 13N, 15O, 18F.
• Výhodou 11C, 13N, 15O, 18F je, že sú to izotopy
  biogénnych prvkov a môžu byt
• naviazané na molekuly bez zmeny pôvodných
  chemických štruktúr a ich
• vlastností.
• Hoci fluór nie je biogénny prvok, je možné izotop
  18F naviazat na glukózu, cím
• získavame molekulu nazvanú fluórdeoxyglukóza
  18FDG, co je aj v klinickej
• praxi najpoužívanejšie rádiofarmakum pre PET.
• Táto molekula sa bude akumulovat v tkanivách so
  zvýšenou
• metabolickou aktivitou, ako je napr. onkologické
  tkanivo, zapálené
• tkanivo, prípadne tkanivá so zvýšeným
  metabolizmom glukózy
• (mozog, svaly).
• Ciastocne je vylucovaná do mocu, takže sa obvykle
  
• zobrazuje dutý systém ladvín a mocový
  mechúr,

05
6
Pozitrónová emisná tomografia

• Charakteristika pozitrónových žiaricov pre PET

06
7
Pozitrónová emisná tomografia

• Výroba pozitrónových žiaricov pre PET
• Cyklotrón je urýchlovac castíc s elektrickým
  nábojom.
• Urýchlené castice môžu po urýchlení nadobudnút
• pomerne velkú energiu a ked narazia na iné
  castice,
• napr. na niektoré atómy, zmenia ich
  vlastnosti.
• Ostrelovaním atómov iónmi vznikajú pozitrónové
  žiarice.

07
8
Pozitrónová emisná tomografia

• Fyzikálna podstata PET
• Do organizmu pacienta je aplikované rádiofarmakum
  pozitrónový žiaric (najcastejšie 18FDG).
• Po urcitom case sa rádiofamakum dostane do
  cielového orgánu, odkial vyžaruje pozitróny.
• Vyžiarené pozitróny po krátkom case (125 ps
  ?1ps10-12/0,000000000001 s) anihilujú, z každého
  miesta anihilácie sa vyžiaria dva fotóny o
  energii 511 keV, zvierajúce uhol 180.
• Vyšetrenie PET je založené na tzv. koincidencnej
  detekcii.
• Ked dva protilahlé detektory zaznamenajú
  anihilacné fotóny v krátkom
• (15 ns ?1ns10-9/0,000000001 s) casovom
  intervale (koincidencná udalost), tak sa
  predpokladá, že pochádzajú z rovnakej anihilacnej
  udalosti. Teda miesto anihilácie bude ležat
  niekde na ciare, ktorá tvorí
• spojnicu oboch detektorov.
• Takúto ciaru nazývame ciarou odozvy (line of
  response - LOR).

08
9
Pozitrónová emisná tomografia

• Fyzikálna podstata PET
• Obr. Princíp detekcie
  fotónov gama pri PET.

09a
10
Pozitrónová emisná tomografia

• Fyzikálna podstata PET
• Obr. Princíp detekcie
  fotónov gama pri PET.

09b
11
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 uskutocnovaná tzv. elektronická
  kolimácia prostredníctvom
• koincidencných obvodov, na ktorých sa nastavuje
  koincidencné okno.
• Koincidencným obvodom prejdú do elektronickej
  aparatúry len fotóny, ktoré
• dopadnú do detektorov súcasne (v rámci
  koincidencného casového okna ).
• Na výstupe koincidencného
• obvodu sa objaví impulz
• a do pamäti pocítaca
• sa zaznamená priamka
• spájajúce tie dva detektory,
• ktoré impulz zaznamenali.
• Niektorému z bodov na tejto
• priamke odpovedá miesto,
• kde došlo k anihilácii.

10
12
Pozitrónová emisná tomografia

• Rozdiel medzi PET a SPECT
• Obr. Princíp detekcie
  fotónov gama pri
• SPECT a PET.

11
13
Pozitrónová emisná tomografia

• Rozdiel medzi PET a SPECT
• Pocas akvizície dát v systéme SPECT sa detektor
  musí otácat okolo
• pacienta za úcelom akvizície dát z viacerých
  uhlov pre získanie 3D
• obrazu sledovanej lokality.
• Systém PET nepotrebuje rotáciu - detektory sú
  umiestnené po
• obvode kruhu a zhromaždujú údaje zo všetkých
  uhlov po celý
• cas akvizície.

12
14
Pozitrónová emisná tomografia

• Typy koincidencných 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. Prítomnost rozptýlených a náhodných
• koincidencií predstavuje šum.

13
15
Pozitrónová emisná tomografia

• Detektory PET

Obr. Schematické znázornenie bloku
detektorov PET.
14
16
Pozitrónová emisná tomografia

• Detektory PET
• Väcšina PET systémov využíva detektory, ktoré
  pozostávajú zo súboru
• malých scintilacných kryštálov o rozmeroch 4 mm
  oddelených
• reflexnými vrstvami.
• Súbory kryštálov (obycajne 8x8, alebo 13x13) sú
  pevne viazané do blokov
• (modulov) spolu so štyrmi fotonásobicmi.
• Jednotlivé moduly sú zložené do prstencov
  obklopujúcich objem okolo tela
• pacienta.
• Zorné pole PET kamery má priemer 60 cm a
  axiálnu dlžku 16-18 cm.

15
17
Pozitrónová emisná tomografia

• Scintilacné 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 úcinnost 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 koincidencné casové rozlíšenie. BGO
  kryštály majú aj slabšie energetické rozlíšenie
• ako NaI(Tl).
• Scintilátor LSO
• V súcasnosti najpoužívanejší typ kryštálov pre
  PET.Céziom aktivovaný lutécium ortosilikát
• (Lu2SiO5Ce alebo LSO) je relatívne nový
  monokryštálový anorganický scintilátor, ktorý má
• niekolko výhod oproti existujúcim scintilátorom.
  Hoci má podstatne nižší svetelný výstup ako
• NaI(Tl), má omnoho vyššiu hustotu a efektívne
  atómové císlo potrebné na úcinnú registráciu
• 511 keV fotónov.
• LSO má štyrikrát vyšší svetelný výstup a osemkrát
  rýchlejšiu dobu vysvietenia
• ako BGO, no zachováva si podobnú útlmovú
  vzdialenost.
• Scintilátor GSO

16
18
Pozitrónová emisná tomografia

• Scintilacné kryštály pre PET
• Obr. Fyzikálne a scintilacné vlastnosti
  detektorov pri 511 keV.

17
19
Pozitrónová emisná tomografia

• Režimy akvizície PET
• PET systémy môžu pracovat v 2D alebo 3D režime.
• V 2D režime sú porovnávané iba ciary odozvy,
  ktoré prislúchajú
• detektorovým párom v rovnakom prstenci. To je
  zabezpecené
• kolimacnými priehradkami, ktoré každý prstenec
  obsahuje.
• Súcasné skenery majú odstránitelné priehradky,
  aby koincidencie
• mohli byt získané medzi všetkými pármi
  detektorov, režim
• nazývaný plne 3D PET.
• Citlivost pri 3D akvizícii sa výrazne zvýši.

18
20
Pozitrónová emisná tomografia

• Režimy akvizície PET
• PET systémy môžu pracovat v 2D alebo 3D režime.

19
21
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, umožnuje vertikálny i horizontálny
  pohyb. Lôžko je vyrobené zo špeciálnych
  materiálov, ktoré sú pevné, no zároven
  nespôsobujú útlm fotónov gama z pacienta,
  najcastejšie karbónové vlákna.
• Akvizicná stanica PC so špeciálnym softvérom,
  ktorý umožnuje ovládanie gantry a vyšetrovacieho
  lôžka, nastavenie akvizície, zadávanie a
  vytváranie akvizicných protokolov, kontrolu
  kvality PET kamery.
• Vyhodnocovacia stanica PC so špeciálnym
  softvérom pre
• spracovanie a vyhodnocovanie
  scintigrafických nahrávok.
• Súcastou vyhodnocovacej stanice je
  špeciálny
• vyhodnocovací monitor s vysokým rozlíšením
• pre popis detailov zo štúdií.

20
22
Pozitrónová emisná tomografia

• Rekonštrukcia obrazu pri PET
• Proces rekonštrukcie obrazu využíva matematický
  aparát
• filtrovanej spätnej projekcie a iteratívnej
  rekonštrukcie
• podobný, ako sa používa pri pocítacovej
  tomografii (CT) ci
• 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
23
Pozitrónová emisná tomografia

• Rekonštrukcia obrazu pri PET

Obr. Porovnanie PET obrazu po rekonštrukcii.
Vlavo Filtrovaná spätná projekcia.
Vpravo Iteratívna rekonštrukcia.
22
24
Pozitrónová emisná tomografia

• Klinické aplikácie PET
• V súcasnosti sa PET technológia používa na
  diagnostiku a
• monitorovanie širokého spektra ochorení hlavne v
  oblastiach
• onkológie, kardiológie a neurológie.
• Vzhladom k tomu, že maligné tumory majú obvykle
  zvýšenú
• spotrebu glukózy, sa 18FDG-PET najviac uplatnuje
  v onkológii
• pri posúdení malignity tumoru neznámej povahy
• pri urcení rozsahu ochorenia
• pri monitorovaní efektu terapie a pri vcasnom
• odhalení recidívy nádorového ochorenia.

23
25
Pozitrónová emisná tomografia

• Klinické aplikácie PET
• Schopnost PET popísat bunkový metabolizmus má v
  neurológii
• významné dôsledky pri diagnostikovaní
  Alzheimerovej choroby,
• Parkinsonovej choroby, epilepsii a iných
  neurologických tažkostí,
• pretože môže jasne zobrazit oblasti, kde sa
  mozgová aktivita líši
• od normálu.
• V kardiológii je 18FDG-PET považovaná za zlatý
  štandard pre
• posúdenie viability infarzovaného myokardu pred
• revaskularizacnou procedúrou.
• Súcasným sledovaním perfúzie a metabolickej
  aktivity
• srdca je z PET snímkou možné odhalit
  miesta s
• nedostatocným krvným zásobením spôsobeným
• blokádami a odlíšit tak viabilnú
  svalovinu od
• nekrotickej.

24
26
Pozitrónová emisná tomografia

• Klinické aplikácie PET
• Príkladom neonkologických aplikácií PET je
  vyšetrovanie mozgovej
• aktivity zdravého subjektu potom, ako v nom boli
  externe stimulované
• rôzne podnety.

Obr. PET Mozgu. Hore Mozog v pokoji
bez podnetov. Dole Mozog po aplikácii rôznych
podnetov.
25
27
Pozitrónová emisná tomografia

• Hybridné zobrazenie PET/CT

26
28
Pozitrónová emisná tomografia

• Hybridné zobrazenie PET/CT
• Kombinovaný PET/CT skener je zariadenie, ktoré
  získava obe funkcné
• a anatomické informácie v priebehu jednej
  akvizície pri minimalizovaní
• casových a priestorových rozdielov medzi dvoma
  zobrazovacími
• modalitami.
• Klúcová vlastnost tohto zariadenia je schopnost
  využit útlmovú
• korekciu z CT pre PET dáta.
• To eliminuje cas potrebný pre osobitný prechodový
  sken a poskytuje
• korekciu, ktorá je podstatne menej šumová.
• Výsledný obraz vznikne spojením anatomickej CT
  snímky a
• Funkcnej PET snímky do jediného obrazu.
• Lubovolná anatomická abnormalita videná na CT
  snímke
• môže byt porovnaná s metabolickou aktivitou tejto
  oblasti z
• PET skenu.

27
29
Pozitrónová emisná tomografia

• 4D PET/CT

28
30
Pozitrónová emisná tomografia

• 4D PET/CT

29
31
Pozitrónová emisná tomografia

• Dakujem za pozornost!

30