Глава 14. Позитронно-эмиссонная томография (ПЭТ)

В 1931 году Ворбург обнаружил, что злокачественные опухоли отличаются повышенным уровнем потребления глюкозы. В 1979 г. Фелпс предложил измерять локальный уровень метаболического потребления глюкозы с помощью дезоксиглюкозы, меченой радиоактивным изотопом фтора 18F. Данные работы послужили основой создания метода ПЭТ. В методе ПЭТ использовано свойство неустойчивости ядер ультракороткоживущих радионуклидов (УКЖР), в которых количество протонов превышает количество нейтронов. При переходе ядра в устойчивое состояние оно излучает позитрон, свободный пробег которого заканчивается столкновением с электроном и их аннигиляцией, с образованием двух гамма-квантов, направленных почти на 180 градусов друг от друга (линия совпадения). Линии совпадения используются в схеме регистрации для формирования томографических изображений на позитронном томографе.

→ + β⁺ + v

е^-_­­­ + β⁺→ 2γ (511КэВ)

Многие химические элементы, принимающие самое активное участие в большинстве биологических процессов человеческого организма, имеют позитрон-излучающие УКЖР, такие как ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O и ¹⁸F. На их основе производится синтез меченых веществ - радиофармпрепаратов (РФП).

Таблица 1. Радионуклиды, применяемые для целей ПЭТ.

Рис.1 Принцип позитронной томографии.

Визуализация происходящих биологических процессов "in vivo" реализуется путем интеграции двух методик: анализа кинетики метки (накопления по времени) и компьютерной томографии. Анализ карты интенсивности радиоактивного распада внутри объекта (реконструкция пространственного распределения молекулярного зонда) позволяет выявить аномалии (области повышенной или пониженной) концентрации РФП, что свидетельствует об имеющихся поражениях в органе. Данные, полученные путем анализа «зон интереса» на динамических изображениях, отображаются в виде кривой зависимости от времени и позволяют проследить активность данного участка тканей и выявить нарушения в функционировании органов.

Для производства РФП используются специализированные медицинские циклотроны и радиофармлаборатории.

Рис.2. Устройство циклотрона.

Циклотрон состоит из двух полых полукруглых металлических электродов (дуантов), расположенных между полюсами большого электромагнита. Отрицательно заряженные ионы, импульсно генерируемые источником, ускоряются под действием переменного электрического поля, индуцированного на дуантах, и двигаются по циркулярной траектории под воздействием сильного магнитного поля, генерируемого электромагнитом, согласно формуле Лоренца . Поток отрицательных ионов направляется к первой карусели, состоящей из тонких угольных пластин, где ионы Н- теряют оба электрона и становятся ионами Н+ или протонами. Путем перемещения экстрактора, управление которым реализуется при помощи компьютера, пучок протонов может быть разделен и направлен к двум различным мишеням. Разделяющая пластина располагается частично на пути пучка, таким образом, часть пучка экстрагируется. Оставшиеся частицы продолжают циркулярно двигаться, завершая дополнительный оборот.

Биохимическаястанция Циклотрон генерирует поток протонов, направляемый к камере мишени, внутрь которой помещают стабильный химический изотоп. Протонный пучок из циклотрона влетает в камеру мишени и путем ядерной реакции преобразует стабильный материал мишени в радиоактивный изотоп. Радиоизотопы нестабильны и распадаются, вызывая при этом эмиссию позитронов. Камеры мишени интегрированы в общую систему производства радиоизотопов (циклотрона, линии переноса пучка, защиты и компьютерной системы управления). В дальнейшем, при помощи специального биологического синтезатора, радиоизотопы присоединяются к биологическим молекулам. Вся работа системы производства радиоизотопов, включая циклотрон и биосинтезатор, управляется компьютером.

Метки ПЭТ Меченные радиоактивными изотопами ¹⁵O (Т 1/2 2,1 мин.) вода и двуокись углерода используются для исследований локального кровоснабжения головного мозга, количественной оценки потребления кислорода миокардом и кислородной фракции выброса.

¹⁸F-меченная 2-деоксиглюкоза (Т 1/2 109 мин.) используется в неврологии, кардиологии и онкологии для исследования метаболизма глюкозы, используется для локализации и количественной оценки опухолей, дифференцирования их агрессивности (по уровню метаболической активности).

¹⁸F-меченный фторурацил используется для измерения доставки препаратов применяемых при химиотерапевтическом лечении рака (Fowler, et al., 1990).

¹³N-меченный аммиак(Т 1/2 10 мин.) может использоваться для измерения кровотока. ¹¹C-меченный ацетат (Т 1/2 20,4 мин.) используется для количественной оценки окислительного метаболизма. ¹¹C-меченные метионин и лейцин могут использоваться для качественной оценки потребления аминокислоты и синтеза белка, являясь таким образом индикатором жизнеспособности опухоли.

Кинетическое сканирование означает измерение накопления метки во времени. Кинетическая методика с применением меченных радиоизотопами веществ является основным и фундаментальным принципом, лежащим в основе ПЭТ. Процесс использования ПЭТ-изображений распределения радиоактивности для последующего кинетического моделирования с целью получения необходимой информации называется анализом изображений. Для анализа изображений выделяют зону интереса для отслеживания активности данного участка в зависимости от времени. Данные, полученные путем анализа зон интереса на динамических изображениях, могут быть отображены в виде кривой зависимости активности от времени для тканей. Применяя к ним соответствующие биохимические или физиологические модели можно проводить оценку одного или нескольких параметров модели (к примеру, кровоток в миокарде) в заданной области ткани. Обработка ПЭТ-изображений методом анализа зон интереса и кривых зависимостей активностей от времени применительно к определенной модели являются основными составляющими процесса анализа изображений. Процесс обработки ПЭТ-изображений может быть существенно облегчен за счет использования полуавтоматических программных пакетов. Такие изображения отображают какой-либо параметр (например, метаболизм глюкозы, кровяная перфузия) и, таким образом, передают больше информации, чем просто распределение радиоактивности в органе. Наиболее распространенные кинетические модели собраны в Банк математических моделей ПЭТ, представляющий собой набор дифференциальных уравнений, описывающих физиологические процессы в организме и в отдельных его органах.

Сравнение данных ПЭТ с результатами других методов крайне затруднено. Обычно ни картину распределения активности, ни среднее значение активности в зоне интереса, ни кривую активность-время в зоне интереса, ни нормированную кривую для зоны интереса, полученные в методе ПЭТ, нельзя сравнить с количественными результатами другого вида исследования, поэтому современные ПЭТ томографы комбинируют с КТ томографами.