Orvosi képalkotó eljárások fizikai alapjai: PET

PET: pozitron emissziós tomográfia A pozitron emissziós tomográfia (PET) olyan, a nukleáris medicina körébe tartozó képalkotó eljárás, amely a szervezetben zajló funkcionális folyamatokat képes három dimenziós kép vagy térkép formájában ábrázolni.

Pozitron: az elektron antirészecskéje, a legtöbb adata azonos vele, pozitív elemi töltése van az elektron antirészecskéje, a legtöbb adata azonos vele, pozitív elemi töltése vanEmisszió: pozitron kibocsátás pozitron kibocsátásTomográfia: síkmetszeti képek készítése az emberi testről síkmetszeti képek készítése az emberi testről PET: pozitron emissziós tomográfia

PET: pozitron emissziós tomográfia működésének alapjai 1 Különböző biológiai anyagokat (például glükózt vagy aminosavakat) bomlásuk során pozitront kibocsátó izotópokkal jelölnek, majd a jelölt anyagot, az ún. radiofarmakont a betegbe fecskendezik. A bejuttatott anyag eloszlását, pozitron-kibocsátását (=emisszióját) egy speciális kamerával felszerelt gép segítségével figyelik, és ennek segítségével állapítják meg a diagnózist. Különböző biológiai anyagokat (például glükózt vagy aminosavakat) bomlásuk során pozitront kibocsátó izotópokkal jelölnek, majd a jelölt anyagot, az ún. radiofarmakont a betegbe fecskendezik. A bejuttatott anyag eloszlását, pozitron-kibocsátását (=emisszióját) egy speciális kamerával felszerelt gép segítségével figyelik, és ennek segítségével állapítják meg a diagnózist.

PET: pozitron emissziós tomográfia működésének alapjai 2 A PET vizsgálatok során használt rövid felezési idejű izotópok: A PET vizsgálatok során használt rövid felezési idejű izotópok: carbon-11 carbon-11 nitrogén-13 nitrogén-13 oxigén oxigén fluór-18 fluór-18 rubidium-82 rubidium-82 Előállításukat követően ezeket az izotópokat olyan, a szervezet által normál módon és körülmények között is „használt” vegyületekbe építik be kémiai úton, mint pl. a glukóz, a víz, vagy az ammónia. Leggyakrabban a fluor 18-as izotópját használják, ennek felezési ideje a leghosszabb (110 perc) Előállításukat követően ezeket az izotópokat olyan, a szervezet által normál módon és körülmények között is „használt” vegyületekbe építik be kémiai úton, mint pl. a glukóz, a víz, vagy az ammónia. Leggyakrabban a fluor 18-as izotópját használják, ennek felezési ideje a leghosszabb (110 perc) (Az izotópos nyomjelzéstechnika kidolgozása és klinikai alkalmazása Hevesy György Nobel-díjas magyar tudós nevéhez fűződik.) (Az izotópos nyomjelzéstechnika kidolgozása és klinikai alkalmazása Hevesy György Nobel-díjas magyar tudós nevéhez fűződik.)

PET: pozitron emissziós tomográfia működésének alapjai 3 A rövid felezési idejű izotóp pozitron kibocsátása mellett lebomlik, majd néhány milliméter megtétele után egy elektronnal találkozva annihilálódik, két egymással ellentétes irányban mozgó gamma-fotonná alakulva át. A rövid felezési idejű izotóp pozitron kibocsátása mellett lebomlik, majd néhány milliméter megtétele után egy elektronnal találkozva annihilálódik, két egymással ellentétes irányban mozgó gamma-fotonná alakulva át.

Gamma kamera a γ fotonok detektálására A keletkezett γ fotonok az érzékelő (detektor) berendezésben elhelyezett szcintillátor anyagba ütköznek. A becsapódó gamma kvantumok kölcsönhatásba lépnek a detektor anyagával, és ennek következtében apró fény-felvillanásokat, úgynevezett szcintillációkat (azaz látható tartományú fotonokat) váltanak ki. A keletkezett γ fotonok az érzékelő (detektor) berendezésben elhelyezett szcintillátor anyagba ütköznek. A becsapódó gamma kvantumok kölcsönhatásba lépnek a detektor anyagával, és ennek következtében apró fény-felvillanásokat, úgynevezett szcintillációkat (azaz látható tartományú fotonokat) váltanak ki.

A gamma kamera egyedi érzékelője Gamma fotonok észlelésére szolgáló detektor. A fotoelektronsokszorozóhoz csatolt szcintillációs kristályban a gamma-fotonok felvillanásokat keltenek. A keletkezett fény a fotokatódról fotoelektronokat vált ki, amelyeknek számát növekvő feszültségre kapcsolt elektródák (dinódák) segítségével sokszorozzák. A folyamat eredményeképpen a detektor kimenetén (az anódon) elektromos impulzus jelenik meg (a fotoelektronsokszorozó áramgenerátor).

Képalkotás Egy biológiai rendszerben eloszló radioaktív anyag térbeli feltérképezése a szcintillációs kristályok alkalmazásával megoldható, ha teljesítjük a következő két feltételt: Egy biológiai rendszerben eloszló radioaktív anyag térbeli feltérképezése a szcintillációs kristályok alkalmazásával megoldható, ha teljesítjük a következő két feltételt: 1./ a vizsgálat tárgyát képező rendszert le kell képezni a kristály felszínére 2./ valamilyen módon biztosítani kell, hogy a szcintillációknak ne csak a puszta észlelése történjen meg, hanem regisztrálni lehessen ezeknek a felvillanásoknak a helyét is.

A leképező rendszer elemei 1./ Kollimátorok alkalmazása: A biológiai rendszer és a kristály közé elhelyezünk egy elegendően vastag ólomlemezt, így a detektor a forrást „nem látja", a gamma kvantumok nem képesek a kristály anyagát gerjeszteni. A biológiai rendszer és a kristály közé elhelyezünk egy elegendően vastag ólomlemezt, így a detektor a forrást „nem látja", a gamma kvantumok nem képesek a kristály anyagát gerjeszteni. Az ólomlemezen a felületre merőleges irányban egymással párhuzamos lyukakat állítanak elő úgy, hogy a forrást (a radiofarmakont tartalmazó biológiai rendszert) elhagyó gamma- fotonok közül csak azok érhessék el a kristályt, amelyek a lyukak tengelyével párhuzamosan, így a kollimátorok alkalmazásával a kristály felületén megjelenik a páciens (és a benne található radioaktivitás diagnosztikus értékű információt hordozó, háromdimenziós eloszlásának) vetületi képe. Az ólomlemezen a felületre merőleges irányban egymással párhuzamos lyukakat állítanak elő úgy, hogy a forrást (a radiofarmakont tartalmazó biológiai rendszert) elhagyó gamma- fotonok közül csak azok érhessék el a kristályt, amelyek a lyukak tengelyével párhuzamosan, így a kollimátorok alkalmazásával a kristály felületén megjelenik a páciens (és a benne található radioaktivitás diagnosztikus értékű információt hordozó, háromdimenziós eloszlásának) vetületi képe.

A gamma kvantumok detektálása A radiofarmakon a vizsgált személyben a diagnosztikum típusának, valamint a kórképnek megfelelően oszlik el. A radioaktív bomlásokból származó fotonok közül csak azok érik el a szcintillációs kristályt, amelyek a kristály elé helyezett kollimátor réseivel párhuzamosan haladnak. A gamma-fotonok a kristályban felvillanásokat keltenek, amelyeket a kristályhoz illesztett fotoelektron- sokszorozók észlelnek.

Gamma kamera rendszer 2./ A második feltétel (a helyzetérzékeny detektálás) például olyan módon biztosítható hogy a kristályhoz nem egyetlen, a kristály méretét kevéssel meghaladó fotoelektron-sokszorozót csatlakoztatunk, hanem kisebb méretűből annyit, hogy azok a felületet teljes mértékben lefedjék. Sok esetben nem teljesen kielégítő, ha a radioaktív anyag eloszlásának csak a vetületi képét lehet rekonstruálni, szükség van a különböző szöveti mélységben elhelyezkedő részletek megkülönböztetésére. Ekkor több vetítési irány mellett is el kell készíteni a vetületi képet: a detektor egy köríven körbejárja a pácienst és eközben (különböző orientációk mellett) a berendezés több, mint száz vetületi képet készít el, így rekonstruálható a teljes, háromdimenziós eloszlás is. Sok esetben nem teljesen kielégítő, ha a radioaktív anyag eloszlásának csak a vetületi képét lehet rekonstruálni, szükség van a különböző szöveti mélységben elhelyezkedő részletek megkülönböztetésére. Ekkor több vetítési irány mellett is el kell készíteni a vetületi képet: a detektor egy köríven körbejárja a pácienst és eközben (különböző orientációk mellett) a berendezés több, mint száz vetületi képet készít el, így rekonstruálható a teljes, háromdimenziós eloszlás is.

A PET berendezésben keltett gamma kvantum detektálásának specifikuma PET során szükségtelen kollimátort alkalmazni: Az izotóp poziton emisszióval történő bomlása a bétabomlás egy speciális válfaja, amelynek során az atommagot nem egy elektron, hanem egy azzal azonos tömegű, de pozitív elektromos töltéssel rendelkező, pozitron hagyja el. Az izotóp poziton emisszióval történő bomlása a bétabomlás egy speciális válfaja, amelynek során az atommagot nem egy elektron, hanem egy azzal azonos tömegű, de pozitív elektromos töltéssel rendelkező, pozitron hagyja el. A bomlásból származó és a testszövetekben hamar lefékeződő pozitron a mindenütt megtalálható elektronok közül eggyel úgynevezett annihilációs kölcsönhatásba lép (szétsugárzás). Ennek során az elektron-pozitron-pár „eltűnik" és helyettük megjelenik két, 511 keV energiájú gamma kvantum. A bomlásból származó és a testszövetekben hamar lefékeződő pozitron a mindenütt megtalálható elektronok közül eggyel úgynevezett annihilációs kölcsönhatásba lép (szétsugárzás). Ennek során az elektron-pozitron-pár „eltűnik" és helyettük megjelenik két, 511 keV energiájú gamma kvantum.

A PET specifikuma A szétsugárzó fotonok nagy pontossággal egymással ellenkező irányban hagyják el a kölcsönhatás helyét. Ez a tény meghatározó fontosságú a geometriai hatékonyság szempontjából, hiszen a két fotonnak két kisméretű detektorral történő észlelése lehetővé teszi egy olyan térbeli egyenes kijelölését, amely keresztül halad a szétsugárzó kölcsönhatás helyén. A szétsugárzó fotonok nagy pontossággal egymással ellenkező irányban hagyják el a kölcsönhatás helyét. Ez a tény meghatározó fontosságú a geometriai hatékonyság szempontjából, hiszen a két fotonnak két kisméretű detektorral történő észlelése lehetővé teszi egy olyan térbeli egyenes kijelölését, amely keresztül halad a szétsugárzó kölcsönhatás helyén. Számos pozitronbomló izotóp esetén a bomlásból származó részecskék (pozitronok) testszövetben mért hatótávolsága alig haladja meg az 1 mm távolságot, ezért a szétsugárzás, valamint a bomlás (azaz a radiofarmakon) helye nagy pontossággal azonos. Számos pozitronbomló izotóp esetén a bomlásból származó részecskék (pozitronok) testszövetben mért hatótávolsága alig haladja meg az 1 mm távolságot, ezért a szétsugárzás, valamint a bomlás (azaz a radiofarmakon) helye nagy pontossággal azonos.

PET: pozitron emissziós tomográfia működésének alapjai

Ha egy vizsgálati rendszert gyűrűszerűen körbeveszünk kisméretű detektorokkal, akkor a detektorgyűrű vastagsága által meghatározott rétegből a detektorgyűrű felé haladó fotonpárok a detektorrendszerrel észlelhetők. Az összetartozó fotonok azonos időben „keletkeznek" az őket észlelő detektorok is azonos időben „szólalnak meg„: koincidencia jelensége lép fel.

PET: pozitron emissziós tomográfia működésének alapjai A vizsgált rendszer több szeletéről nyerhető egyidejűleg információ, ha azt nem egyetlen, hanem több, egymás felett elhelyezkedő detektorgyűrűvel veszik körül. A vizsgált rendszer több szeletéről nyerhető egyidejűleg információ, ha azt nem egyetlen, hanem több, egymás felett elhelyezkedő detektorgyűrűvel veszik körül. Az egyidőben kimenő jeleket szolgáltató detektorpárok azonosítóit számítógép memóriában tárolják. Az adatgyűjtés befejezése után a detektorgyűrű által kijelölt síkban a radioaktivitás térbeli eloszlását számítógépes programok segítségével lehet rekonstruálni a memóriában tárolt detektorpárok adatai alapján. Az egyidőben kimenő jeleket szolgáltató detektorpárok azonosítóit számítógép memóriában tárolják. Az adatgyűjtés befejezése után a detektorgyűrű által kijelölt síkban a radioaktivitás térbeli eloszlását számítógépes programok segítségével lehet rekonstruálni a memóriában tárolt detektorpárok adatai alapján.

PET: pozitron emissziós tomográfia A PET vizsgálatot egyre elterjedtebben kötik össze számítógépes rétegfelvétel (CT) elvégzésével, mivel a két eljárás kombinációja egyszerre képes anatómiai és metabolikus, azaz szerkezeti és funkcionális információkat szolgáltatni. A PET vizsgálatot egyre elterjedtebben kötik össze számítógépes rétegfelvétel (CT) elvégzésével, mivel a két eljárás kombinációja egyszerre képes anatómiai és metabolikus, azaz szerkezeti és funkcionális információkat szolgáltatni.

PET: pozitron emissziós tomográfia Valószínűleg csak igen kevés olyan megbetegedést ismerünk, melyben a PET-et alkalmazásának harminc esztendeje alatt ne próbálták volna ki. (fogászat, onkológia, kardiológia, neuropszichiátria stb.)

PET: pozitron emissziós tomográfia Egészséges embernél is érdekes kutatásokat lehet végezni. Az agy vérellátása feldúsul az intenzíven használt agyterületeken, s ezek jól kirajzolódnak egy PET-felvételen. A módszer használható az agyműködés kutatására, például megállapítható a segítségével, hogy az egyes tevékenységek milyen agyi területeken váltanak ki aktivitást. Nem kizárt annak a lehetősége, hogy (egyszer) agyi képet lehet arról kapni, hogy valaki "mire gondol „. Egészséges embernél is érdekes kutatásokat lehet végezni. Az agy vérellátása feldúsul az intenzíven használt agyterületeken, s ezek jól kirajzolódnak egy PET-felvételen. A módszer használható az agyműködés kutatására, például megállapítható a segítségével, hogy az egyes tevékenységek milyen agyi területeken váltanak ki aktivitást. Nem kizárt annak a lehetősége, hogy (egyszer) agyi képet lehet arról kapni, hogy valaki "mire gondol „.