Эмиссионная томография с позитронными РФП (ПЭТ). Методы реконструкции изображений в ПЭТ

Рис. 5. Эффект неколлинеарности разлета фотонов, приводящий к ошибочной регистрации линии совпадения без точки аннигиляции

Фактор р в свою очередь зависит от энергии позитронов и атомного номера вещества, с которым они взаимодействуют. Так для позитронов, излучаемых ¹⁸F и ⁸²Rb с максимальной энергией соответственно 640 и 3350 кэВ, длина пробега в водноэквивалентном веществе составляет менее 1 мм и ~10 мм, а величина поправки на пробег позитронов 0,2 мм и 2,6 мм соответственно.

Длины пробега позитронов от радионуклидов ¹¹C,¹³N,¹⁵O,¹⁸F,⁶⁸Ga,⁸²Rb в специфических тканях тела (костях, жире, мягких тканях и легком) оцениваются методом Монте-Карло. Данные для трехмерных распределений аннигиляционных событий проецируются на плоскость изображения для оценки их влияния на пространственное разрешение ПЭТ. Получаемые кривые функций точечного источника не имеют гауссовской формы и характеризуются двусторонними длинными хвостами, создающими неопределенность для традиционно измеряемой величины FWHM. Для указанных радионуклидов установлена значительная разница величины потерь пространственного разрешения изображений для различных тканей, связанная с различием пробегов позитронов. Так, для ¹⁸F эта величина составляет 0,54 мм в мягких тканях и 1,52 мм в ткани легкого по сравнению с 4,1 мм и 10,5 мм, соответственно, для ⁸²Rb. «Размытие» изображений оказывается в 3 раза выше для ткани легкого по сравнению с мягкими тканями или жиром, и в 5 раз больше, чем величина "размытия" изображений костной ткани. Таким образом, потери пространственного разрешения, связанные с длиной пробега позитронов, во всех тканях (с возможным исключением для легкого) малозначительны до тех пор, пока разрешение ПЭТ-сканера при работе с ФДГ лежит в пределах 5-7 мм FWHM. При сверхвысоком разрешении ПЭТ-сканера (3-4 мм FWHM) и особенно при работе с другими радионуклидами пробег позитронов может стать доминирующим фактором в формировании общего пространственного разрешения ПЭТ.

4.7 Конструкции детекторов

Фактор s (связанный с размером индивидуального детектора и блоковой конструкцией детекторов) равен половине размера кристалла на оси сканера и увеличивается к краям поля зрения. По мере роста требований к разрешающей способности ПЭТ-сканеров размер кристаллов снижался, а количество кристаллов в кольце неуклонно повышалось. Но для сохранения чувствительности при уменьшении поперечного сечения каждого детектирующего элемента необходимо увеличивать высоту (толщину) кристалла вплоть до 20-30 мм, что приводит к уменьшению отношения сигнал/шум, а также к ухудшению качества изображения в радиальном направлении ПЭТ-сканера.

Обычно при детектировании полагается, что точка фотонного взаимодействия лежит в центре детектирующего кристалла. Это приводит к понижению разрешающей способности на краях поля зрения сканера, где линия разлета двух фотонов может быть декодирована с погрешностью, пропорциональной углу падения фотонов по отношению к оси, перпендикулярной плоскости детекторного кольца. Этот эффект, называемый параллаксом, возрастает с уменьшением диаметра кольца и площади поперечного сечения детектора. Уменьшить (или исключить) этот эффект можно путем учета глубины взаимодействия фотона в кристалле сцинтиллятора, которую необходимо корректно определять.

Невозможность дальнейшего снижения размера детектирующего элемента заставляет разработчиков искать принципиально новые конструктивные решения, которые сами по себе оказываются не менее важными, чем выбор материала детектора.

Рис. 6. Конструкции детекторов. Детектор в виде гексагональной сборки (А), блоковый детектор (В), детектор на основе кристаллов GSO (С)

Конструкция детектора разрабатывается с целью четкой идентификации положения каждого кристалла в сборке и минимизации потерь пространственного разрешения (?Е/Е) сцинтилляторов. В современных многокольцевых сканерах используются три различных типа конструкций детекторов (рис. 6):

? Блоковый детектор состоит из индивидуальных детектирующих элементов, собранных в блоки (6?6 или 8?8), каждый из которых соединяется с четырьмя ФЭУ. Общий сигнал от них используется для регистрации энергии падающих аннигиляционных фотонов, а относительный - для определения того кристалла, в который попадает фотон. В некоторых случаях кристаллами являются отдельные элементы, а в других - целый блок представляет собой кристалл с нарезанной на входной поверхности решеткой. Недостатком блоковой конструкции по сравнению с индивидуальными кристаллами является несовершенная логика позиционирования, приводящая порой к ошибочной локализации и потере пространственного разрешения, но преимущества от использования единственного ФЭУ на 9-16 детекторов перевешивают этот недостаток.

? Конструкция детектора на основе кристаллов GSO отличается от блокового детектора. Модуль состоит из криволинейной матрицы, составленной из 628 (22?29) кристаллов GSO, фиксированных на непрерывном световоде. В сканере для исследований в режиме «все тело» размещаются 28 детекторных модулей, оптически связанных между собой, которые соединены с 420 плотно упакованными ФЭУ. Преимущество непрерывного световода состоит в том, что разброс величины светосбора с разных кристаллов в детекторе минимизируется, обеспечивая высокое системное энергетическое разрешение (15%). В такой конструкции величина изменения светового сбора от центра к краям сборки ФЭУ составляет лишь 20%, а отношение декодирования кристалл/ФЭУ оказывается в 4 раза выше, чем в блоковой конструкции.

? Конструкция детектора в виде гексагональной сборки состоит из шести кристаллов NaI(Tl) большой площади (47x30 см) и толщины (2,54 см), каждый из которых оптически связан с 48 ФЭУ. Кристаллы разделяются на подзоны для улучшения счетной характеристики, каждая из которых связана с независимой системой электроники, формирующей отдельные координатные сигналы. Такая конструкция обеспечивает высокую эффективность и качество визуализации, но имеет ограничение по скорости счета.

Большинство используемых в настоящее время ПЭТ-сканеров содержат детекторы в виде сплошного кольца диаметром 80-90 см, обеспечивающего наилучшее разрешение благодаря регистрации большего числа импульсов в изображении на единицу времени его формирования. Блоковые детекторы размещаются по принципу сэндвича с формированием кольцевого протяженного детектора. Малоразмерные детектирующие элементы обеспечивают получение качественных изображений с высоким разрешением без движения кольцевой гантри. Такая конструкция обладает двумя преимуществами:

?при движениях РФП, органа или пациента во время ПЭТ-исследований возникающие артефакты сводятся к простой линейной "размытости" изображений, а не к периодической структуре, характерной для любой технологии КТ с перемещением детекторной сборки;

?исключаются затраты на приобретение и технический уход за оборудованием электромеханического перемещения гантри.

Поскольку 60% от общей стоимости ПЭТ-сканера на основе BGO с конструкцией детекторов в виде сплошного кольца составляет стоимость детектора с ФЭУ и электроникой, возникла задача разработки сканера с меньшим числом детекторов в виде незамкнутого, но вращающегося кольца. При этом количество детекторов снижается более чем в 2 раза с сохранением аксиального размера поля зрения (16,2 см). В то же время такой сканер обладает высоким разрешением и чувствительностью, но имеет в 2 раза меньшую стоимость. Подобно КТ-сканерам непрерывное вращение гантри и сбор данных в ПЭТ-сканере обеспечиваются с помощью технологии проскальзывающего контактного кольца. В результате изменение чувствительности от кристалла к кристаллу усредняется по вкладам большого числа пар детекторов, но эффективность такой системы составляет лишь 1 /3 эффективности 3D ПЭТ-сканера с детекторами в виде сплошного кольца.

томография позитронный радиофармапрепарат изображение

5. Применение ПЭТ. Алгоритмы реконструкции. Применение коррекций

5.1 Измерение и коррекция шума

Скорость счета случайных совпадений парой детекторов (R) прямо пропорциональна скорости счета каждым детектором непарных совпадений (R₁) и (R₂) и ширине временного окна (t):

(15)

Из формулы (15) следует, что скорость R возрастает квадратично с ростом активности и падает линейно с уменьшением t. Скорость истинных совпадений Т пропорциональна введенной пациенту активности. В такой ситуации увеличение Т без изменения R возможно лишь при использовании быстродействующих систем и узких временных окон для регистрации импульсов совпадений. Характерные времена t в современных ПЭТ-сканерах составляют 12 нc (BGO), 8 нc (GSO) и 6 нc (LSO).

Существует два метода учета случайных событий, позволяющие получать практически одинаковый результат. Первый из них основан на измерении скорости счета одиночных фотонов каждым из детекторов, регистрирующим совпадения, и последующего вычитания рассчитываемой по формуле (15) величины R из измеренной общей скорости. Другой метод используется для определения R в режиме on-line. Для этого систему ПЭТ снабжают двумя каналами сбора данных, один из которых собирает импульсы во временном окне совпадений от истинных и случайных событий, а также рассеянных фотонов (Т + R + S), а другой - во временном окне с задержкой, т.е. только импульсы от случайных совпадений (R). Последние вычитаются из величины, полученной на первом канале, определяя суммарную скорость счета истинных совпадений и рассеянных фотонов.

Для полного подавления вклада рассеянного излучения необходимо собирать фотоны только с энергией 511 кэВ. Для этого нужны системы с очень высоким энергетическим разрешением, что невозможно на практике, поскольку узкое энергетическое окно сократит и регистрацию истинных совпадений. Чем хуже энергетическое разрешение, тем больше вклад рассеянного излучения. В частности, для BGO и Nal(Tl) (или GSO) энергетическое разрешение составляет соответственно 25% и 10-15%, а энергетическое окно (300-350) - 650 кэВ и 435 - (590-665) кэВ.

Различия в конструкции ПЭТ-сканеров обусловливают их различные чувствительности к рассеянному излучению и разный вклад последнего в общее число регистрируемых импульсов. Хотя вклад компоненты рассеянного излучения в 2-3 раза больше в режиме 3D, чем в режиме 2D, фантомные исследования показывают, что число истинных совпадений все же значительно выше в режиме 3D при сравнимых вводимых активностях. Разработчики сканеров стремятся снизить величину компоненты рассеянного излучения для уменьшения возможных ошибок, связанных с несовершенством имеющихся методик коррекции. Методики коррекции рассеяния, используемые в 3D ПЭТ, основаны, в частности, на технологиях использования множественных энергетических окон, процедур свертки-вычитания, прямой оценки распределения рассеянного излучения методом Монте-Карло, итерационной реконструкции изображения и т.п. Основные их различия состоят в способах оценки вклада рассеянного излучения в выбранном энергетическом окне. Все методики позволяют значительно улучшить качество изображения и его контраст по сравнению с некорректированными изображениями, однако установленные расхождения в распределении рассеянного излучения не оказывают существенного влияния на конечный результат количественного картирования распределений активности.

5.2 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.

5.3 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 результате вероятность детектирования совпадений снижается и, например, для случая тканей двух видов может быть определена по формуле:

(16)

где:м₁ и м₂ - линейные коэффициенты ослабления фотонов в первой и второй тканях соответственно;

d₁+d₂=D_n - толщина тела пациента на линии проецирования.

В редком на практике случае проведения ПЭТ в однородной ткани для определения Р достаточно знать лишь величину D_n во всех направлениях и использовать значение м=м_воды=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.

Рис. 7. Иллюстрация трех методов измерения фактора ослабления излучения с использованием разных источников

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.

5.4 Применение коррекций

Для реализации потенциала in vivo количественных измерений концентрации РФП необходимо проводить корректировку измеренных линейных интегралов до или во время реконструкции изображений с учетом тканевого фона и физических эффектов. К таким операциям относятся: коррекция мертвого времени, нормировка детектора, вычитание случайных совпадений и рассеянного излучения, а также введение поправки на распад и ослабление излучения. Влияние каждой из коррекций на измеряемую скорость счета (Т₀) при формировании изображения истинных совпадений (Т) можно оценить из следующего выражения:

(17)

где:D_T - фактор коррекции мертвого времени;

D_C - коэффициент коррекции на распад за время от момента инъекции РФП до начала исследования;

N - нормировочный коэффициент детектора.

Коэффициенты коррекции D_T, N. P и D_C являются безразмерными величинами.

5.5 Клинические применения ПЭТ

В настоящее время до 85% всех ПЭТ-исследований проводится в области онкологии, где впервые был применен этот метод для исследований опухолей головного мозга. Известно, что злокачественное перерождение новообразований связано с увеличением гликолиза Гликолиз - ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ. из-за прогрессирующих потерь трикарбоксильного цикла. Полная потеря этого цикла приводит к росту потребления глюкозы при прогрессировании заболевания. Поскольку подавляющее количество злокачественных опухолей в сравнении с нормальными тканями характеризуется повышенным расходом глюкозы, а степень злокачественности коррелирует с уровнем накопления ФДГ, то ПЭТ с ФДГ является незаменимым методом диагностики в онкологии. Радионуклид ¹⁸F с периодом полураспада 110 мин особенно пригоден по своим ядерно-физическим свойствам для задач ядерной медицины. Такой относительно длительный период полураспада этого радионуклида позволяет проводить ПЭТ-исследования в режиме "все тело", заключающемся в последовательном сканировании отдельных участков тела и интеграции полученных сканов в изображение всего тела или его частей.

ПЭТ с ФДГ является уникальным методом визуализации накопления глюкозы в организме пациента in vivo. При этом новообразования и метастазы визуализируются в виде "горячих" очагов на фоне здоровых тканей. Метод обладает наивысшей чувствительностью по сравнению с другими методами в:

§ дифференцировании доброкачественных и злокачественных опухолей;

§ выявлении метастазов в лимфатические узлы и отдаленных метастазовМетастаз - (от греч. мефЬуфбуйт, «перемещение, смена положения» ) - отдалённый вторичный очаг патологического процесса, возникший перемещением вызывающего его начала (опухолевых клеток, микроорганизмов) из первичного очага болезни через ткани организма. Перемещение может осуществляться через кровеносные (гематогенные метастазы) или лимфатические сосуды (лимфогенные метастазы), либо внутри полостей тела (имплатационные метастазы - например, в брюшной или грудной полости). Процесс образования метастазов называется метастазированием., что позволяет определять стадии опухоли и тактику лечения;

§ определении биологической активности опухолевого процесса, что позволяет использовать метод ПЭТ с ФДГ в планировании лучевой терапии и прогностической оценке эффективности лечения;

§ обнаружении первичной опухоли при наличии метастазов;

Клиническая полезность применения ПЭТ с ФДГ продемонстрирована для диагностики:

§ рака легкого (дифференциальная диагностика солитарных легочных узлов, оценка распространенности рака легкого на внутригрудные легочные узлы и диагностика отдельных метастазов);

§ рака толстой кишки (выявление метастазов и рецидивов, поиск очагов опухолевой ткани при повышении уровня опухолевых маркеров);

§ злокачественной лимфомы Лимфома - группа гематологических заболеваний лимфатической ткани, характеризующихся увеличением лимфатических узлов и/или поражением различных внутренних органов, в которых происходит бесконтрольное накопление «опухолевых» лимфоцитов. Первые симптомы лимфом - увеличение размеров лимфатических узлов разных групп (шейных, подмышечных или паховых). Для лимфом характерно наличие первичного опухолевого очага, подобно солидным опухолям. Однако лимфомы способны не только к метастазированию (как солидные опухоли), но и к диссеминации по всему организму одновременно с формированием состояния, напоминающего лимфоидный лейкоз. (определение распространенности процесса и оценка эффективности лечения (рис. 8));

§ меланомы Меланома - (лат. melanoma, melanoma malignum от др.-греч. МЭлбт - «чёрный») - злокачественная опухоль, развивающаяся из меланоцитов - пигментных клеток, продуцирующих меланины. Одна из трёх разновидностей рака кожи и самая опасная из них. Преимущественно локализуется в коже, реже - сетчатке глаза, слизистых оболочках (полость рта, влагалище, прямая кишка). Одна из наиболее опасных злокачественных опухолей человека, часто рецидивирующая и метастазирующая лимфогенным и гематогенным путём почти во все органы. (определение стадии процесса, выявление рецидивов (рис. 9);

§ злокачественных опухолей головы и шеи;

§ рака пищевода;

§ рака молочной железы;

§ дифференцированного рака щитовидной железы;

§ рака поджелудочной железы.

Метаболизм опухоли, по данным ПЭТ с ФДГ при успешном ее лечении уменьшается намного раньше, чем появляются изменения в ее объеме, регистрируемые методами КТ или МРТ. ПЭТ-исследования значительно изменяют оценку облучаемого объема мишени у 30-60% пациентов, которым обычно планируется лучевая терапия по результатам КТ-исследований. Сравнительная чувствительность и специфичность ПЭТ и КТ в выявлении, например, метастазов рака легкого в лимфатические узлы средостения составляет 91 и 86% против 75 и 66% соответственно (р < 0.001).

Существенно реже метод ПЭТ применяется в неврологии. В этой области ПЭТ наиболее часто используется в диагностике нейродегенеративных заболеваний (различные виды слабоумия и особенно ранняя диагностика болезни Альцгеймера) и первичных опухолей мозга (при исследовании их биологической активности и обнаружении рецидивных опухолей). ПЭТ также часто оказывается весьма эффективным методом в исследованиях эпилепсии и некоторых других неврологических заболеваний. Метаболизм глюкозы в головном мозге обеспечивает примерно 95 % аденозинтрифосфата (АТФ), требуемого для его функционирования. Поэтому ФДГ является хорошим молекулярным зондом для визуализации и исследований функций мозга, зависящих от обмена АТФ.

Рис. 8. ПЭТ с ФДГ. Злокачественная лимфома. Оценка эффективности лечения.

Рис. 9. ПЭТ с ФДГ

Меланома (оценка распространенности опухолевых процессов)В области кардиологии ПЭТ дает однозначную информацию о жизнеспособности сердечной мышцы по накоплению ФДГ в дисфункциональных участках миокарда. Этот метод применяется в тех случаях, когда возникает вопрос об оперативном или инвазивном восстановлении нарушенного кровоснабжения (шунтирование, дилатация) или когда необходимо знать, является ли мышечная ткань вообще жизнеспособной, и имеет ли смысл операция. В этих случаях ПЭТ помогает успешному лечению пациента и избавляет его от тяжелых процедур, заранее обреченных на неуспех.

5.6 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. Выявляемость метастазов в костях с помощью этого РФП оказывается значительно выше, чем с применением ФДГ, как это видно из рис. 10.

Рис.10. 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.

5.7 Количественный анализ данных ПЭТ

В настоящее время существует несколько способов количественного анализа ПЭТ-данных - от визуальной оценки до комплексных кинетических исследований с дополнительными исследованиями образцов крови. К ним относятся:

§ простейшая визуальная оценка для определения характера опухоли; этот способ требует значительного опыта клинициста;

§ качественная визуальная оценка, при которой отклонение от нормы классифицируется по четырех- или пятибалльной шкале, что увеличивает степень объективности и согласованности оценок разными специалистами;

§ измерение величины SUV (стандартизированного показателя накопления) - наиболее распространенный метод оценки поглощения ФДГ, который требует проведения калибровки томографа, коррекции ослабления излучения, точного определения введенной активности А_у с учетом остаточной активности в шприце и флаконе, а также корректировки величины А_у на распад в момент измерения;

§ измерение отношения накопления РФП в опухоли и нормальной ткани. В этом способе необходимо проведение коррекции ослабления излучения, но без дополнительных калибровок. Ограничения этого способа связаны с правильной локализацией области интереса, определением границ нормальной ткани, выбором алгоритма реконструкции, разрешением изображения и выбором величины SUV_ср или SUV_макс;

§ кинетические измерения - наиболее надежный метод, требующий, однако, значительного времени и используемый, в основном, при научных исследованиях. Он может заключаться как в упрощенном кинетическом либо графическом анализе данных, так и в кинетическом анализе с идентификацией параметров модели транспорта РФП в организме

В настоящее время остается дискуссионной необходимость проведения количественных исследований методом ПЭТ. Очевидно, что такие исследования могут оказаться излишними при диагностике явных случаев онкологического заболевания (например, множественных мест интенсивного поглощения ФДГ в теле пациента с рецидивом меланомы). Основным аргументом против таких исследований является достаточность для детектирования опухоли визуального анализа ПЭТ-изображения опытным специалистом. Однако при этом остается открытым вопрос о природе ткани в обнаруженной области повышенного поглощения ФДГ и о достоверности величины такого поглощения для предположения о присутствии злокачественной опухоли. Существуют и другие практические случаи, требующие полуколичественных или количественных измерений концентрации активности в теле пациента. Например, объем контурированной мишени является важным параметром при планировании лучевой терапии, а он может варьироваться при оценке разными специалистами при анализе ПЭТ-изображений с ФДГ в диапазоне 24-70 %.

Полуколичественные измерения концентрации активности проводят методом ПЭТ с целью расчета стандартизованного показателя накопления SUV для улучшения такой диагностической характеристики, как специфичность. Величина SUV используется в качестве простого полуколичественного показателя накопления ФДГ в нормальных и опухолевых тканях и равна отношению концентрации активности (кБк/мл) в ткани структуры, ограниченной зоной интереса, к введенной пациенту удельной активности из расчета на 1 г веса пациента (кБк/г):

(18)

В настоящее время общепринятая нормировка SUV отсутствует. Так, кроме наиболее часто используемой нормировки SUV на массу тела пациента применяется также нормировка на площадь поверхности тела пациента и на массу сухого тела (тощую массу). Главные допущения при расчете SUV состоят в том, что процесс поглощения ФДГ в ткани завершен, а фосфорилированиеФорфорилирование - процесс переноса остатка фосфорной кислоты от фосфорилирующего агента-донора к субстрату, как правило, катализируемый ферментами и ведущий к образованию эфиров фосфорной кислоты. Введение в молекулу белка остатка фосфорной кислоты, как правило, меняет её свойства. В результате может изменяться пространственная структура белка и, как результат, его активность и способность связываться с другими молекулами.

Размещено на Allbest.ru за время измерений пренебрежимо мало.

Точность определений величины SUV зависит от продолжительности эмиссионного и трансмиссионного сканов, от типа применяемого алгоритма реконструкции, а также от применения сегментированной коррекции ослабления.

Один из возможных путей использования количественного анализа с использованием показателя SUV - это установка порога для констатации наличия злокачественной опухоли. Примером может служить порог SUV =2.5, определенный для обнаружения отдельных легочных узлов с чувствительностью 92% и специфичностью 90%. Для сравнения те же параметры при визуальной оценке составляют соответственно 98% и 69%. Сдвиг порога к более низким значениям нецелесообразен, т.к. приводит к такому же изменению чувствительности и специфичности.

Установлены и количественные критерии изменений SUV в детектировании чувствительности к терапии:

§ возрастание SUV более чем на 25% - прогрессирующая метаболическая болезнь;

§ возрастание SUV менее чем на 25 %, либо снижение SUV менее чем на 15 % - стабильная метаболическая болезнь;

§ уменьшение SUV в пределах 15-25 % - слабый метаболический ответ;

§ 100%-е снижение SUV - полный метаболический ответ;

Однако надежное детектирование изменений SUV и других количественных параметров требует знания степени воспроизводимости результатов, т.е. определения точности измерительной методики при случайной варьируемости биологических характеристик.

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.

Список литературы

1. Хмелев А.В., Ширяев С.В., Костылев В.А. «Позитронная эмиссионная томография», Учебное пособие. -М.: АМФ-Пресс. 2004. 68 с.

2. Наркевич Б.Я., Костылев В.А. «Физические основы ядерной медицины».- М.: АМФ-Пресс, 2001.

3. Геворски Л., Плоткин М. «Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), принцип, реализация и контроль качества», «Медицинская физика», 2006, №1, С.56-68.

4. Кукеков В.Г., Фадеев Н.П. «Позитронная эмиссионная томография (физико-технические аспекты)», Мед. радиол., 1986, 31, №10, С.69-76

5. Куренков Н.В., Шубин Ю.Н. «Радионуклиды в ядерной медицине», Мед. радиол., 1996, 41, №5, С.54-63.

6. Inoue Т., Oriuchi N.. Tomiyoshi K. and Endo K. “A shifting landscape: What will be next FDG in PET oncology?” 1 Ann., Nucl. Med., 2002, 16, №1, P. 1-9.

7. Phelps M.E., Cherry S.R. “The changing design of positron imaging systems”, Clinical Positron Imaging. 1998, 1, №1, P.31-45.

8. Ramos C.D., ErdiY.E., Gonen М. et al. “FDG-РЕT standardized uptake values in normal anatomical structures using iterative reconstruction segmented attenuation correction and filtered back-projection”, Eur. J. Nucl. Med.. 2001, 28, №2. P. 155-164.

Словарик основных медицинских терминов