Sprzęt stosowany w pozytonowej tomografii emisyjnej

Transkrypt

1 Sprzęt stosowany w pozytonowej tomografii emisyjnej Skaner PET-CT stanowi połączony w jedno urządzenie zespół dwóch tomografów, tomografu rentgenowskiego oraz tomografu PET. W artykule przedstawiono opis i zasady działania skanera PET-CT. Skaner PET-CT stanowi połączony w jedno urządzenie zespół dwóch tomografów, tomografu rentgenowskiego CT (Computed Tomography) oraz tomografu PET ( Positron Emmision Tomography) (rys. 1) Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 1/6

2 Rys. 1. Tomograf PET-CT Biograph LSO (Siemens). Na samym początku badania wykonywany jest krótkie - około 9 s - badanie przeglądowe (CT rentgenowskie) tzw. topogram umożliwiający zweryfikowanie prawidłowego ułożenia pacjenta. Następnie wykonuje się badanie pełne CT w celu uzyskania rentgenowskiego obrazu, który ma stanowić pewien rodzaj mapy anatomicznej dla obrazu PET. Ruchoma lampa rentgenowska oraz znajdujący się naprzeciw niej ruchomy blok detektorów UFC (Ultra Fast Ceramic) promieniowania X umieszczone są w pierwszym gantry tomografu (rys. 1). Złożenie ruchu obrotowego lampy i detektorów (zakreślających okrąg wokół głównej osi pacjenta) oraz ruchu postępowego stołu z pacjentem umożliwia wykonanie dużej ilości dwuwymiarowych zdjęć rentgenowskich obrazujących absorpcję i transmisję promieni X w różnych płaszczyznach i kierunkach prostopadłych do głównej osi ciała. Dane z detektorów przekazywane są do komputera, który przy użyciu odpowiednich algorytmów algebraicznych (transformata Radona, filtrowanie) rekonstruuje trójwymiarowy obraz badanego obszaru ciała [4]. Badanie CT trwa około minuty. Energie promieniowania rentgenowskiego ustala się poprzez dobór odpowiedniej wartości prądu i napięcia na lampie rentgenowskiej. Poprzez zmianę energii oraz czasu trwania skanu CT dobiera się dawkę promieniowania, jaką może przyjąć pacjent w zależności od jego wieku i masy ciała. Tomograf rentgenowski zainstalowany w Zakadzie Medycyny Nuklearnej w Bydgoszczy w sposób automatyczny dobiera dawkę promieniowania w zależności od masy ciała pacjenta znacznie zmniejszając w ten sposób dawkę promieniowania pochłoniętą przez pacjenta Podczas badania PET stół z pacjentem wsuwa się stopniowo w głąb pierścienia gantry (rys.1) zawierającego detektory promieniowania gamma (rys. 3 i rys. 4). W czasie rejestracji promieniowania gamma w obszarze gantry o szerokości 16,2 cm (lub 21,6 cm z opcją TrueV) stół nie wykonuje ruchu postępowego. Dopiero po czasie akwizycji (2-5 minut) stół jest przesuwany, a następnie detektory rejestrują rozkład promieniowania dla kolejnego obszaru. Badanie PET całego ciała składa się z sześciu lub siedmiu etapów po 2-5 minut zależnie od wzrostu pacjenta, a badanie PET mózgu lub serca z jednej takiej części. Badanie PET zajmuje od 10 do 20 minut Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 2/6

3 Rys. 2. Anihilacja pozytonu i elektronu. Pacjent od momentu podania mu roztworu zawierającego promieniotwórczy izotop 18F staje się źródłem promieniowania gamma. Dotychczas w badaniach w Centrum Onkologii w Bydgoszczy wykorzystywany jest izotop fluoru 18F,,dołączany" do różnych substancji np. glukozy - FDG. Protony p w jądrach fluoru 18 ulegają rozpadowi?+ (równanie 1) zamieniając się w neutrony n przy jednoczesnej emisji pozytonów?+ i neutrin elektronowych?e. W wyniku tej reakcji powstają jądra stabilniejszego izotopu tlenu 18 oraz pozytony, które są antycząstkami elektronów. Neutrina są cząstkami praktycznie nie oddziałującymi z materią i nie mogą zostać zarejestrowane [3]. (1) Pozytony ulegają prawie natychmiastowej zamianie na promieniowanie gamma poprzez anihilację z elektronami z otoczenia (rys. 2). Pozyton zanim ulegnie anihilacji przebywa drogę kilku milimetrów. Długość tej drogi, zanim pozyton wytraci swoją energię kinetyczną i anihiluje z elektronem, determinuje naturalną granicę zdolności rozdzielczej tomografu PET [2]. Gdy dojdzie do anihilacji emitowane są dwa kwanty? o energii 511 kev w przeciwległych kierunkach (rys. 2 i rys. 3) Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 3/6

4 Rys. 3. Schemat detekcji aktów anihilacji w tomografie PET. Detektory skanera PET zbudowane są z kryształów scyntylacyjnych LSO (cerium-doped lutetium oxyorthosilicate), czyli oksyortokrzemianu lutetu z domieszką ceru, odznaczających się krótkim czasem martwym i dużą efektywnością. Kryształy te pod wpływem padających na nie kwantów gamma emitują fotony światła widzialnego. W przypadku skanera BIOGRAPH6 pojedyncze kryształy o rozmiarach 4,0 mm x 4,0 mm x 20,0 mm układane są w tablice 13 na 13 formując, razem ze znajdującymi się tuż za nimi tablica mi fotopowielaczy, bloki detektorów (rys. 4). Fotopowielacze zamieniają emitowane przez kryształ światło na sygnał w postaci prądu rejestrowanego przez komputer (rys. 4). Skaner PET zawiera elementów (32448 z opcją TrueV) krystalicznych znajdujących się w 39 (lub 52 z opcją TrueV) pierścieniach po 624 elementy każdy. Należy podkreślić, że w chwili obecnej Centrum Onkologii w Bydgoszczy posiada najnowocześniejszy skaner PET w Polsce pracujący w trybie wysokiej rozdzielczości (HI-REZ) Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 4/6

5 Rys. 4. Blok detektorów gamma z gantry skanera PET (po lewej). Schemat budowy i działania fotopowielacza. Napięcie na poszczególnych dynodach wzrasta stopniowo wywołując efekt lawinowej emisji elektronów i wielokrotnego wzmocnienia fotoprądu (po prawej). Kiedy kwant gamma uderza w jeden z 169 elementów krystalicznych, generowane jest światło scyntylacyjne rozchodzące się w kierunku fotopowielaczy danego bloku detektorów, po zamianie Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 5/6

6 światła na sygnał elektryczny i zapisaniu go w układzie elektronicznym detektora, można porównać sygnały od poszczególnych fotopowielaczy i stwierdzić, na który element detektora padł kwant. Rejestracja aktu anihilacji, prowadząca do określenia położenia odpowiedniego piksela obrazu PET, następuje tylko w przypadku koincydencji określonej oknem czasowym rzędu 4,5 ns. Pojęcie koincydencji odnosi się do jednoczesnego zarejestrowania dwóch kwantów gamma o energii 511 kev przez detektory na dwóch przeciwległych krańcach gantry. Linia łącząca oba te detektory (LOR - ang. line of response) określa w połowie swej długości położenie miejsca aktu anihilacji (rys. 3). Dla każdej z takich linii o znanych współrzędnych określa się następnie tzw. sumę promienistą (sinogram), reprezentującą rzut dwuwymiarowego rozkładu nuklidu promieniotwórczego na dany kierunek; otrzymujemy wówczas liniowe przybliżenie funkcji tego rozkładu w danym kierunku. Mając do dyspozycji takie przybliżenia we wszystkich wybranych kierunkach, można wygenerować poszukiwany rozkład izotopu promieniotwórczego [1, 2]. Po zakończeniu akwizycji dane potrzebne do rekonstrukcji obrazu trafiają do systemu komputerowego. W Centrum Onkologii w Bydgoszczy obrazy PET-CT są dostępne zarówno dla lekarzy jak i techników pracujących w sterowni. Zanim zwolni się pacjenta po badaniu dokonuje się wstępnej oceny jakości otrzymanych obrazów i konsultuje ewentualne poprawki lub konieczność wykonania dodatkowych skanów. Każdego dnia badań dokonuje się szeregu testów kontroli jakości działania tomografu PET-CT mających między innymi na celu sprawdzenie jednorodności obrazowania, poprawności działania poszczególnych detektorów, konieczności dokonania procedury normalizacji itp. Testy te przeprowadza się przy pomocy specjalnych fantomów i źródeł 68Ge [2] Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 6/6