Позитронно-эмиссионная томография

Изображение типичной установки позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)

Изображение, построенное по методу проекций максимальной интенсивности — Maximum intensity projection (MIP) исследования ПЭТ

Позитро́нно-эмиссио́нная томогра́фия (позитронная эмиссионная томография, сокращ. ПЭТ, она же двухфотонная эмиссионная томография) — радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием. Аннигиляция позитрона, остановившегося в веществе (в частности, в ткани организма), с одним из электронов среды порождает два гамма-кванта с одинаковой энергией, разлетающихся в противоположные стороны по одной прямой. Большой набор детекторов, расположенных вокруг исследуемого объекта, и компьютерная обработка сигналов с них позволяет выполнить трёхмерную реконструкцию распределения радионуклида в сканируемом объекте. Почти всегда ПЭТ-томограф комбинируется с КТ- или МРТ-сканером.

Позитронно-эмиссионная томография — активно развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В основе этого метода лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами. ПЭТ-сканирование с использованием фтордезоксиглюкозы (радиоактивный индикатор — фтор-18, ¹⁸F, сокр. англ. FDG-PET) широко используется в клинической онкологии.

История

В конце 1950-х годов Дэвид Э. Кул, Люк Чепмен и Рой Эдвардс разработали концепт эмиссионной томографии. Позже их работа привела к проектированию и созданию нескольких томографических инструментов в университете Пенсильвании. В 1975 методы томографического исследования доработали Майкл Тер-Погосян и его сотрудники Дж. Эуджен-Робинсон и К. Шарп Кук.

Радиофармпрепараты

Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений — радиофармпрепаратов (РФП). Именно выбор подходящего РФП позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, лиганд-рецепторные взаимодействия, экспрессию генов и т. д. Использование РФП, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому разработка новых РФП и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов в настоящее время становится ключевым этапом в развитии метода ПЭТ.

На сегодняшний день в ПЭТ в основном применяются позитрон-излучающие изотопы элементов второго периода периодической системы:

• углерод-11 (T_½= 20,4 мин.);
• азот-13 (T_½ = 9,96 мин.);
• кислород-15 (T_½ = 2,03 мин.);
• фтор-18 (T_½ = 109,8 мин.).

Фтор-18 обладает оптимальными характеристиками для использования в ПЭТ: наибольшим периодом полураспада и наименьшей энергией излучения. С одной стороны, относительно небольшой период полураспада фтора-18 позволяет получать ПЭТ-изображения высокой контрастности при низкой дозовой нагрузке на пациентов. Низкая энергия позитронного излучения обеспечивает высокое пространственное разрешение ПЭТ-изображений. С другой стороны, период полураспада фтора-18 достаточно велик, чтобы обеспечить возможность транспортировки РФП на основе фтора-18 из централизованного места производства в клиники и институты, имеющие ПЭТ-сканеры (т. н. концепция сателлитов), а также расширить временны́е границы ПЭТ-исследований и синтеза РФП.

ПЭТ-сканирование с использованием фтордезоксиглюкозы (ФДГ-ПЭТ) широко используется в клинической онкологии. Этот трассер представляет собой аналог глюкозы, который поглощается клетками, использующими глюкозу, и фосфорилируется гексокиназой (чья митохондриальная форма значительно повышается при быстрорастущих злокачественных опухолях). Обычная доза ФДГ, используемая при онкологическом сканировании, создаёт эффективную дозу облучения 14 мЗв при однократном применении. Поскольку для следующего этапа метаболизма глюкозы во всех клетках необходим атом кислорода, который заменён фтором-18 для синтеза ФДГ, дальнейших реакций с ФДГ не происходит. Кроме того, большинство тканей (за исключением печени и почек) не могут удалить фосфат, добавленный гексокиназой. Это означает, что ФДГ задерживается в любой клетке, которая его поглощает, пока она не распадается, поскольку фосфорилированные сахара из-за их ионного заряда не могут выйти из клетки. Это приводит к интенсивному радиоактивному мечению тканей с высоким поглощением глюкозы, таких как мозг, печень и большинство видов рака. В результате, ФДГ-ПЭТ можно использовать для диагностики, постановки и мониторинга лечения злокачественных опухолей, особенно при лимфоме Ходжкина, неходжкинской лимфоме и раке лёгкого.

Устройство

Схематический вид блока детектора и кольца ПЭТ-сканера

При аннигиляции позитронов с электронами, находящимися в тканях организма, почти всегда возникают два гамма-кванта. Большинство позитронов в ткани очень быстро термализуются (теряют энергию) и аннигилируют с электронами среды, уже находясь в покое, поэтому образующиеся аннигиляционные гамма-кванты имеют нулевой суммарный импульс — иными словами, они разлетаются строго по одной прямой в разные стороны и имеют одинаковую энергию 511 кэВ. Таким образом, если в двух подходящих детекторах гамма-квантов, включенных по схеме совпадений, одновременно поглощаются гамма-кванты с энергиями 511 кэВ, то следует ожидать, что точка аннигиляции находится на прямой, соединяющей эти два детектора, — на так называемой линии отклика. Используя большой набор детекторов, расположенных вокруг исследуемого объекта (или перемещая пару детекторов вокруг объекта), можно построить в пространстве множество таких прямых. Все они будут проходить через точки, в которых происходила аннигиляция (то есть через точки, где находится распавшееся ядро радионуклида — с точностью до очень короткой длины пробега позитронов в ткани).

Компания Siemens AG в своих ПЭТ/КТ устройствах применяет сцинтилляционные детекторы на основе монокристаллов оксиортосиликата лютеция (Lu₂SiO₅, LSO).

Дозовая нагрузка

ПЭТ/КТ-система с 16-срезным КТ; потолочное устройство представляет собой инъекционный насос для контрастного вещества КТ

Хотя сканирование ПЭТ неинвазивно, но метод основан на применении ионизирующего излучения. Например, однократное использование 18F-FDG, который в настоящее время является стандартным средством для ПЭТ-нейровизуализации и лечения онкологических больных, в среднем создаёт эффективную дозу облучения 14 мЗв.

Для сравнения, дозировка излучения для других медицинских процедур составляет от 0,02 мЗв для рентгенограммы грудной клетки и 6,5—8 мЗв для КТ грудной клетки. Среднестатистический член экипажа гражданского самолета подвергается воздействию 3 мЗв за год, а предельная максимальная рабочая доза для работников атомной энергетики может достигать 50 мЗв.

При сканировании ПЭТ-КТ облучение может быть значительным — около 23—26 мЗв (для 70 кг веса). С учётом массы (веса) тела будет увеличиваться доза вводимого радиофармпрепарата.

См. также

• Однофотонная эмиссионная компьютерная томография