[Zasada działania tomografu pozytonowego]
Pozytonowa Tomografia Emisyjna
Istota tomografii pozytonowej polega na tym, że do organizmu wprowadza się związek chemiczny o znacznej aktywności biologicznej, znakowany nuklidem promieniotwórczym, którego rozpadowi towarzyszy emisja pozytonów. Wyemitowany przez taki radioizotop pozyton termalizuje się praktycznie całkowicie w czasie około 10-10 s, w obszarze o promieniu do około 2 mm. Pozyton ten w czasie (0,5-1,0)•10-10 s w wyniku kwaziswobodnych zderzeń z jednym z elektronów środowiska ulega anihilacji. Podczas tego procesu wyemitowane zostają dwa kwanty gamma o energiach około 0,51 MeV. Kąt rozlotu obu kwantów jest bardzo zbliżony do 180°, a rzeczywiste odchyłki nie przekraczają zwykle 0,86°. Kwanty gamma przechodzą przez tkanki i są rejestrowane przez pierścieniowy system detektorów. Detektory stosowane w systemach PET zbudowane są w formie pierścieni otaczających pacjenta. Liczba takich pierścieni wynosi – w zależności od systemu – od 6 do 64. Poszczególne detektory pracują w układzie koincydencji, co umożliwia ustalenie występowania zjawisk rozpadu na linii łączącej dwa detektory. Dla każdej z takich linii o znanych współrzędnych określa się następnie tzw. sumę promienistą, reprezentującą rzut dwuwymiarowego rozkładu nuklidu promieniotwórczego na dany kierunek; otrzymujemy wówczas estymację liniową całki tego rozkładu w danym kierunku. Dysponując takimi estymacjami we wszystkich wybranych kierunkach, można odtworzyć poszukiwany rozkład izotopu promieniotwórczego. Poniżej widać rysunek przedstawiający zasadę działania tomografu pozytonowego.
[Zasada działania tomografu pozytonowego]
Przed rozpoczęciem badania pacjent musi przez co najmniej cztery godziny pościć oraz powstrzymać się od spożywania słodkich napojów. Zabieg taki ma na celu obniżenie poziomu glukozy w organizmie po to, by później podana substancja zawierająca glukozę była lepiej i szybciej przyswojona. Środek radioaktywny pacjent otrzymuje w zastrzyku dożylnym. Podawana substancja nie uczula, nie zawiera jodu, nie powinna powodować żadnych działań ubocznych. Obecnie najczęściej stosowanym radiofarmaceutykiem, czyli substancją związaną z atomem pierwiastka, jest cząsteczka prostego cukru – glukozy, związana z promieniotwórczym izotopem fluoru 18FDG (2 fluoro 2 deoksy D glukoza). Trzeba odczekać jeszcze przynajmniej godzinę, aby substancja dotarła do wszystkich komórek ciała. Pacjent leży wtedy w wyciszonym pomieszczeniu i powinien unikać zbędnych czynności, jak gwałtowne ruchy oraz powstrzymać się od rozmów, ponieważ wszelka praca mięśni czy rozmowa może wpłynąć na wytworzenie się w organizmie niepożądanych substancji, jak adrenalina, które niekorzystnie wpływają na rozkład specyfiku wcześniej podanego. W tym czasie powinien wypić także litr wody. Dopiero wtedy rozpoczyna się skanowanie – badana osoba kładzie się na specjalnym stole, który wjeżdża w otwór znajdujący się pośrodku skanera. Samo badanie trwa około 30 minut, rejestrowany jest wówczas rozkład substancji chemicznej na poszczególnych narządach wewnętrznych badanej osoby. Zmiana poziomu aktywności biochemicznej komórek, obserwowana na obrazie w postaci zmian kolorystycznych, może wskazywać na występowanie zmian chorobowych. Zdjęcie zamieszczone poniżej obrazuje takie zmiany.
[Zmiany nowotworowe rejestrowane poprzez zmianę nasycenia barwy]
Dzięki temu, możliwe jest wykrycie takich zmian istotnie wcześniej, w porównaniu z innymi technikami obrazowania, ukierunkowanymi na wykrywanie zmian anatomicznych wywołanych chorobą.
W czasie badania PET ciało pacjenta otrzymuje dawkę promieniowania zbliżoną do tej, która towarzyszy zwykłemu badaniu rentgenowskiemu. Dlatego badania nie wykonuje się u kobiet w ciąży, a karmiące matki muszą odstawić dziecko od piersi na dobę. Po zakończeniu skanowania można wrócić do codziennych obowiązków, jednak zaleca się jedynie picie większej ilości płynów, by przyspieszyć proces usuwania radioaktywnej substancji z organizmu.
[do góry]Pozyton jest korpuskularną formą energii, to znaczy, że posiada masę. Jego masa i ładunek są identyczne jak elektronu z tą różnicą, że elektron posiada ładunek ujemny, a pozyton – dodatni. Pozytony powstają z rozpadu protonów znajdujących się w jądrze atomu. Po rozpadzie w jądrze atomu pozostaje powstały z protonu neutron, natomiast pozyton i cząstka nie posiadająca masy (antyneutrino) emitowane są na zewnątrz. Droga, którą przebywa pozyton zależy między innymi od otaczającego środowiska. W tkankach ludzkich odległość ta zwykle nie przekracza 2 mm. Po utracie części energii kinetycznej pozyton zderza się z elektronem krążącym po orbicie innego atomu. Podczas zderzenia uczestniczące w nim elektron i pozyton ulegają anihilacji, czyli tracą masę, która wraz z ich energiami przekształcona zostaje w dwa kwanty promieniowania, każdy o energii 511 KeV (kiloelektronowoltów), poruszające się w przeciwnych kierunkach. Właśnie te kwanty promieniowania „widzi” skaner PET.
[do góry]
Rozpad beta plus (β+) jest to rozpad jądra promieniotwórczego, w wyniku którego z jądra emitowany jest pozyton i neutrino elektronowe. Rozpad β+ obserwuje się również dla cząstek elementarnych, np. rozpad neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe.
Ze względu na emisję dwóch ciał (cząstka beta i neutrino) z jądra w rozpadzie beta plus obserwuje się ciągłe widmo energii emitowanych cząstek beta o, typowej dla danego rozpadu, energii maksymalnej. Rozpad beta plus zachodzi poprzez oddziaływanie słabe. W wyniku tej przemiany liczba atomowa jądra maleje o 1, a liczba masowa pozostaje bez zmian.
Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta plus: 11C, 13N, 15O, 18F i 22Na
[Rozpad beta plus (β+)]
Anihilacja zachodzi przy spotkaniu się cząstki z jej antycząstką i polega na tym, że cząstka i antycząstka znikają, a kosztem ich energii spoczynkowych i kinetycznych powstają inne, lżejsze cząstki o dużej energii. W tym procesie musi zostać spełniona zasada zachowania energii i pędu.
Przy anihilacji elektronu i pozytonu wytwarzają się zazwyczaj dwa, czasem trzy fotony. Później z fotonów mogą powstać inne cząstki i antycząstki.
[Proces anihilacji]
Pozytonowa Tomografia Emisyjna (PET) w połączeniu z Tomografią Komputerową
Ponieważ wyniki badań za pomocą PET nie zawsze pozwalają precyzyjnie umiejscowić ognisko chorobowe, detektor w postaci gammakamery rotacyjnej sprzężono z tomografią komputerową (CT). Odpowiedni program komputerowy integruje badanie topograficzne (TK) z badaniem czynnościowym (PET) tak, że można dokładnie określić, gdzie występuje wzrost lub obniżenie gromadzenia podanego radiofarmaceutyku. Ten system połączonego obrazowania obecnie gwałtownie wypiera tomografię typu PET i reprezentuje najszybciej rozwijającą się metodę obrazowania we współczesnym świecie. System ten pozwala na zastosowanie obrazu PET i CT w czasie jednego badania, bez potrzeby przemieszczania pacjenta. Wyniki badania przedstawiane są w postaci przekrojowego obrazu komputerowego. Obraz widoczny na monitorze komputera powstaje poprzez nałożenie się zarejestrowanych struktur: anatomicznej i molekularnej, dlatego ważne jest, by podczas badania leżeć nieruchomo. W przeciwnym razie uzyskany obraz nie będzie wiarygodny i znacznie utrudni ocenę otrzymanych wyników i późniejszą diagnozę.
Na sukces tego systemu złożyło się kilka przyczyn. Wykrycie zmian chorobowych oraz zlokalizowanie raka w czasie jednego badania są kluczowymi informacjami w zdiagnozowaniu fazy rozwoju nowotworu. PET potrzebuje jednak dodatkowego skanowania (tzw. attenuation scan), które może zostać zastąpione przez znacznie szybsze CT. W rezultacie metoda PET–CT jest w przybliżeniu 25% szybsza niż standardowa metoda PET, a znacznie większy obszar ciała może być poddany badaniu w czasie krótszym niż 30 minut. Szybsze tempo skanowania prowadzi do wydajniejszego użycia farmaceutyków, co jest ważne z uwagi na ich maksymalnie 110 minutowy okres połowicznego rozpadu.
Podsumowując, znacznie droższe skanery PET-CT są znacznie tańsze w eksploatacji, zwłaszcza przy dużej ilości pacjentów. Uważa się, że tego typu jednoczasowe badania morfologiczne i czynnościowe z równoczesnym zastosowaniem metod obrazowych i czynnościowych będą dominować w XXI wieku i znajdą zastosowanie w rozpoznawaniu wielu chorób oraz w monitorowaniu ich leczenia.
[do góry]Izotopy wykorzystywane przy tomografii pozytonowej i ich produkcja
Odpowiednia interpretacja obrazów otrzymanych za pomocą tomografii pozytonowej daje możliwości oceny wielu procesów biochemicznych, odgrywających istotną rolę w funkcjonowaniu organu obserwowanego wizualnie. Oprócz dokładnej lokalizacji wprowadzonego do organizmu związku znaczonego, tomografia pozytonowa wykazuje ważną zaletę w porównaniu z konwencjonalnymi metodami diagnostyki nuklearnej. Jako atomy znaczone wykorzystuje się tutaj głównie radioizotopy pierwiastków biologicznie istotnych. Układy biologiczne składają się głównie ze związków węgla, azotu, tlenu i wodoru. Trzy pierwsze pierwiastki mają krótkożyciowe izotopy promieniotwórcze emitujące pozytony, a więc przydatne do emisyjnej tomografii pozytonowej. Podstawową rolę w tej tomografii odgrywają więc 15O, 13N oraz 11C. Wodór nie ma niestety nuklidów emitujących pozytony, jednakże wodę w badaniach tomograficznych można znakować za pomocą 15O. Ponadto – ponieważ wiązanie C–F jest analogiczne do wiązania C–H w cząsteczkach związków organicznych – w tomografii pozytonowej stosuje się dlatego szereg związków znaczonych fluorem 18F. Zespół czterech podstawowych nuklidów promieniotwórczych do tomografii pozytonowej zawiera więc 11C , 13N, 15O, 18F – podstawowe ich parametry zestawiono w tabeli poniżej.
| Radionuklid | T 1/2 (min) | E(max) | Zasięg | Rozpad(%) | Źródło | Reakcja |
| Fluor -18F | 109,7 | 0,635 | 1,4 | 96,9 | woda wzbogacona w 18O |
18O (p,α) 18F |
| Węgiel -11C | 20,4 | 0,96 | 2,06 | 99,8 | azot gazowy (naturalny) |
14N(p,α) 11C |
| Azot -13N | 9,96 | 1,72 | 4,5 | 100 | woda (naturalna) |
16O(p,α)13N |
| Tlen -15O | 2,09 | 1,19 | 3,0 | 99,9 | azot gazowy (wzbogacony w15N) |
15N(p,α)15O |
[Podstawowe parametry nuklidów promieniotwórczych używanych w tomografii pozytonowej]
Podstawowe zastosowania kliniczne tomografii pozytonowej, oprócz diagnostyki nowotworowej, obejmuję także diagnostykę napadów padaczkowych, glejaków mózgowych oraz przypadków otępienia umysłowego, a także schorzenia naczyń mózgowych i tętnic wieńcowych. Jakkolwiek jako alternatywę do wytwarzania izotopów pozytonowych można stosować również generatory radioizotopów, to podstawowym ich źródłem w praktyce klinicznej są obecnie cyklotrony. Typowy ośrodek do tomografii pozytonowej składa się więc z wyspecjalizowanego cyklotronu do produkcji krótkożyciowych izotopów pozytonowych oraz z laboratorium syntezy związków znaczonych i wreszcie – z tomografu pozytonowego.
[do góry]Ośrodki emisyjnej tomografii komputerowej
Przy zastosowaniu protonów przyspieszanych w małych cyklotronach PET o energiach do około 11 MeV najbardziej efektywne są reakcje typu (p, n) realizowane z tarczami zawierającymi stabilne nuklidy o wysokim stopniu wzbogacenia, jak na przykład:
13C (p, n) 13N; 15N (p, n) 15O; 18O (p, n) 18F.
W tych przypadkach otrzymane radioizotopy promieniotwórcze nie są zanieczyszczone domieszkami nuklidów stabilnych tego samego pierwiastka, czyli są otrzymywane we wspomnianej już postaci beznośnikowej; w niektórych przypadkach radioizotopy pozytonowe można stosować bezpośrednio w stanie pierwiastkowym, jak na przykład 15O, stosowany do badań płuc. Stosunkowo łatwo jest znakować szereg prostych związków: wodę – tlenem 15O, tlenek i dwutlenek węgla – węglem 11C i tlenem 15O, a także amoniak – azotem 13N. W innych przypadkach problem otrzymania złożonego związku może być znacznie bardziej skomplikowany i wymagać złożonej preparatyki. Specyficzne trudności nastręcza przykładowo konieczność osiągania w niektórych badaniach aktywności właściwej rzędu tysiąca kiurów na milimol (badania receptorów komórek nerwowych). Oznacza to, że przeważająca większość cząsteczek, lub nawet wszystkie cząsteczki danej próbki związku, powinny być oznaczone nuklidem promieniotwórczym.
Na ogół wymaga się, żeby po zakończeniu napromieniowania w cyklotronie operacje wydzielania radioizotopu, syntezy związków znaczonych, oczyszczania i kontroli jakości trwały nie dłużej niż trzy okresy półrozpadu danego nuklidu. Aktywność preparatu do pojedynczego badania diagnostycznego powinna przy tym wynosić od kilku do 1 mCi, (1 mCi = 3,7 •10 Bq) przy aktywności wejściowego nuklidu promieniotwórczego około 10 mCi dla 11C i 13N, 15-20 mCi dla 15O i 5-10 mCi dla 18F. Dlatego przy pracach tego rodzaju konieczne jest staranne ekranowanie, stosowanie urządzeń do zdalnego sterowania i możliwie pełna automatyzacja całości realizowanych procesów. Intensywne badania doprowadziły już do skonstruowania automatycznych urządzeń przeznaczonych do syntezy związków znaczonych radioizotopami pozytonowymi. Urządzenia te zawierają zwykle mikrokomputerowy blok sterowania do prowadzenia reakcji syntezy. Wprowadzenie odczynników, nagrzewanie, chłodzenie, podział chromatograficzny oraz wzbogacanie są kontrolowane i sterowane przez mikrokomputer na podstawie sygnałów z czujników temperatury, poziomu ciśnienia, radioaktywności. Po upływie czasu syntezy otrzymuje się także pełną informację o stanie operacji syntezy.
[Schemat blokowy układu do produkcji radioizotopów znaczonych]
Do produkcji każdego z czterech rodzajów izotopów pozytonowych przeznaczona jest oddzielna tarcza, co wyklucza możliwości zanieczyszczania napromieniowywanego gazu. Wiązki produkowane przez poszczególne rodzaje syntezatorów wraz z ich zastosowaniami zestawiono w tabeli 7.6. Każdy z tych syntezatorów może zostać włączony w układ produkcyjny na dowolne żądania użytkownika. Automatyzacja całości procesu zmniejsza znacznie narażenie radiologiczne pracowników. Każdy z sześciu rodzajów gazów – 11C CO, 11C CO2 , 13N N2 , 15O O2 , 15O CO, 15O CO2 – przechodzi przez wspólny blok w postaci oczyszczalnika gazów nieorga-nicznych. Poszczególne syntezatory wykonane są w postaci zunifikowanych bloków o wymiarach nie przekraczających 45×48×48 cm. Systemy sterowania cyklotronem i układem syntezy są połączone za pomocą odpowiedniej magistrali (rys. 7.11). Systemy tego typu pracują w niektórych szpitalach japońskich (Kyoto University Hospital, Chiba University Hospital).
[do góry]Koszt całkowity ośrodka PET wyposażonego w cyklotron i laboratorium radiochemiczne jest stosunkowo wysoki. Dlatego w większych aglomeracjach związki znaczone radioizotopami PET mogą być wytwarzane centralnie i następnie dostarczane do szpitali i klinik położonych na terenie tej aglomeracji za pomocą transportu konwencjonalnego. Ocenia się, że dla izotopów o półokresie rozpadu 20 min ≥ T ½ ≥110 min transport taki jest opłacalny do odbiorców położonych w odległości nie większej niż 20-25 km. Oczywiście nie dotyczy to związków znakowanych za pomocą 15O o dwuminutowym półokresie rozpadu. Jednym z rozwiązań jest w tym przypadku zastosowanie transportu rurociągowego do bezpośredniego przesyłania 15O w fazie gazowej. Układ taki zrealizowano w Finlandii, łącząc cyklotron Åbo Akademi z dwoma laboratoriami klinicznymi, położonymi w odległości 650 i 970 m. W kanadyjskim ośrodku TRIUMF zastosowano inne rozwiązanie, łącząc cyklotron ze szpitalem za pomocą poczty pneumatycznej o długości rurociągu 2,4 km. Fiolki z radiofarmaceutykami są tu umieszczane wewnątrz odpowiednich kasetek i kierowane następnie do odbiorcy, u którego znajdują się po czasie przelotu około 2 min. Metodą tą można więc również transportować preparaty zawierające 15O. Ośrodek TRIUMF wyposażony jest w dwa cyklotrony do produkcji radiofarmaceutyków znakowanych radioizotopami PET. Rurociąg poczty pneumatycznej zainstalowany jest na głębokości 1,20 m pod powierzchnią ziemi i przykryty jest warstwą betonu o grubości 60 cm. Poziom promieniowania na powierzchni nie przekracza nigdzie 8•10 Sv/h (8µrem/h). Kasetki przesuwają się z prędkością 20m/s.
[do góry]Zalety i wady tomografii pozytonowej
Dzięki diagnostyce PET istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo rozpoznania nowotworów (w około 90% badanych przypadków). Takiego wyniku nie daje się osiągnąć przy pomocy żadnej innej techniki obrazowej. PET daje także możliwość kontroli efektów terapeutycznych w trakcie leczenia chorób nowotworowych, np. za pomocą chemioterapii. PET stosuje się w medycynie nuklearnej głównie przy badaniach mózgu, serca, stanów zapalnych niejasnego pochodzenia oraz nowotworów. Badanie daje możliwość dokładnego zróżnicowania między nowotworami złośliwymi i łagodnymi. PET pozwala ponadto dokładnie określić, gdzie znajduje się guz nowotworowy i czy daje przerzuty. Metoda PET pozwala na uniknięcie wielu interwencji chirurgicznych, wówczas gdy zabieg ten jest niepotrzebny lub nieskuteczny. Służy również do wykrywania początkowych stadiów chorób Parkinsona i Alzheimera. Pozwala określić także metabolizm wielu leków. Do wad metody PET należy niewątpliwie zaliczyć olbrzymi koszt cyklotronu do produkcji radioizotopów, samego tomografu wykorzystującego technikę pozytonową oraz laboratorium syntezy związków znaczonych, a co się z tym wiąże – całego ośrodka tomografii pozytonowej. Oczekiwanie na badanie w Polsce wynosi obecnie około czternastu tygodni, co również stanowi problem, ponieważ w przypadku nowotworów złośliwych o szybkim rozwoju czas ten może być decydującym czynnikiem stanowiącym o zdrowiu czy nawet życiu pacjenta.
[do góry]Jeszcze dwanaście lat temu tomograf pozytonowy kosztował w USA 2,5 mln$, dziś za najnowocześniejszy model trzeba zapłacić 1,5 mln$, a za kilka lat cena powinna spaść poniżej miliona dolarów. Obecnie koszt małego cyklotronu mieści się w zakresie 1,2 – 1,5 mln $, a wyspecjalizowanego cyklotronu PET – w zakresie 1,2 – 2,0 mln $. Łącznie koszt sumaryczny tomografu z cyklotronem, laboratorium radiochemicznym i laboratorium do obróbki obrazów tomograficznych wynosi około 3,55 mln $. Przyjmując następnie dla samego tomografu pięcioletni okres trwałości, dla laboratoriów radiochemicznego i obróbki obrazu – okres dziesięcioletni oraz dla samego cyklotrony – okres piętnastoletni, można obliczyć, że roczne koszty amortyzacji wynosić będą 0,36 mln $. Przy uwzględnieniu płac personelu (0,36 mln $) i innych kosztów bieżących określono roczne wydatki operacyjne na ośrodek PET w wysokości 1,2 mln $. Oszacowano następnie, że rocznie ośrodek ten może przeprowadzić około 2250 badań; przy uwzględnieniu wszystkich innych wydatków oszacowano koszt pojedynczego badania na około 1000 $. Ponieważ w warunkach amerykańskich można się spodziewać, że na jeden milion mieszkańców przypadać będzie około 300 przypadków padaczki rocznie, 200 badań onkologicznych, 400 badań przypadków otępienia umysłowego oraz około 1000 badań z tytułu schorzeń kardiologicznych, oceniono że z ekonomicznego punktu widzenia ośrodek PET powinien obsługiwać obszar zamieszkały przez milion do dwóch milionów osób. Z badań przeprowadzonych przez analityków, wynika, że dolar zainwestowany w PET daje 1,9 dolara zysku.
Sprzęt wykorzystywany w ośrodku PET w Bydgoszczy kosztował 20 mln zł, za usługę trzeba zapłacić od 4,8 tys. zł (badanie serca czy mózgu) do 8 tys. zł (skanowanie całego ciała).
[do góry]