1.5.A. PET – pozytonowa tomografia emisyjna
Joanna Grabska-Chrz¹stowska
1. WPROWADZENIE
Omawiana w tym rozdziale pozytonowa tomografia
emisyjna (powszechnie znana jako PET od angielskiej
nazwy Positron Emission Tomography) jest w Polsce
technologi¹ wci¹¿ bardzo ma³o rozpowszechnion¹,
mimo szerokich mo¿liwoœci diagnostycznych, w zasa-
dzie niedostêpnych dla innych technologii obrazowa-
nia. Na œwiecie stosowana jest natomiast od lat 80.
ubieg³ego wieku i przynosi wyniki, które œmia³o mo¿na
uznaæ za rewelacyjne.
Technika PET nale¿y do szerszej grupy metod tzw.
medycyny nuklearnej, gdy¿ stosowanie PET wymaga
wprowadzenia do organizmu znakowanej promienio-
twórczo substancji, radioaktywnego izotopu. Mog¹ zo-
staæ u¿yte wszystkie substancje, które w wyniku roz-
padu emituj¹ promieniowanie
!
+
czyli pozytony. Wiêk-
szoœæ wystêpuj¹cych w organizmie substancji takich jak
tlen, wêgiel czy azot, posiada takiego typu izotopy (od-
powiednio C-11, O-15 czy N-13).
Opisywana tomografia pozwala okreœliæ nie tylko
po³o¿enie i stê¿enie badanej substancji, ale równie¿ jej
przemieszczanie w czasie, czyli pozwala analizowaæ
procesy metaboliczne, w których dana substancja bierze
udzia³.
2. ZASADA TOMOGRAFII PET
W rozpadzie
!
+
s¹ emitowane dwie cz¹stki:
1) dodatni elektron e
+
zwany pozytonem,
2) neutrino nie podlegaj¹ce wykrywaniu przez tomo-
graf.
W zwi¹zku z tym, ¿e same pozytony równie¿ nie
podlegaj¹ detekcji i dopiero ich anihilacja z elektronami
jest mo¿liwa do wykrycia przez tomograf, to istotny
okazuje siê zasiêg ich emisji.
Pozytony powstaj¹ce z rozpadu pierwiastków u¿y-
wanych w PET maj¹ w tkance zasiêg kilku milimetrów
i to jest naturalne ograniczenie przestrzennej zdolnoœci
rozdzielczej tej techniki. W wyniku zderzenia pozytonu
z ujemnym elektronem dochodzi do ich anihilacji. Po-
wsta³a w wyniku tego procesu para fotonów o tej samej
energii 511 keV rozchodzi siê w przeciwnych kierun-
kach tworz¹cych k¹t 180°. Wyst¹pienie pary fotonów
w tym samym czasie, zarejestrowane przez dwa z wielu
detektorów, stanowi podstawê przybli¿onego okreœle-
nia miejsca, w którym nast¹pi³a anihilacja pozytonów.
Zwykle detektory umieszcza siê naoko³o cia³a pacjenta
w formie pierœcienia (rys. 1). Z powodu krótkiego czasu
¿ycia wiêkszoœci nuklidów ich produkcja musi byæ
umiejscowiona zarówno w s¹siedztwie akceleratora, jak
i kliniki z aparatem PET. Ten aspekt spowodowa³, ¿e
w Polsce przez wiele lat funkcjonowa³ tylko jeden tomo-
graf tego typu (w Bydgoszczy). W 2007 roku otwarto
drugi oœrodek we Wroc³awiu, a kilka miesiêcy póŸniej
uruchomiono trzeci w Polsce tomograf pozytonowy –
w gliwickim Instytucie Onkologii. Obecnie trwaj¹ prace
nad uruchomieniem tomografu w Warszawie.
3. BUDOWA TOMOGRAFU
System PET sk³ada siê z modu³u diagnostycznego
(gantry), w który wbudowany jest zespó³ detektorów
i sto³u pacjenta (rys. 2) oraz konsoli operatora zawiera-
j¹cej komputer. Celem badania prowadzonego z u¿y-
ciem systemu PET jest uzyskanie diagnostycznego
obrazu badanego organu.
Dane uzyskane z detektorów stanowi¹ podstawê
komputerowej rekonstrukcji obrazu (rys. 3). Obraz jest
przybli¿eniem miejsc bêd¹cych oœrodkami anihilacji
pozytonów. Zjawisko anihilacji stanowi wa¿ny problem
w precyzyjnej lokalizacji Ÿróde³ (degradacja rozdziel-
czoœci przestrzennej obrazu). W wyniku anihilacji
powstaj¹ dwa fotony o energii 511 keV, poruszaj¹ce siê
43
Rys. 1. Zasada dzia³ania tomografu PET
w przeciwnych kierunkach. Je¿eli w momencie anihila-
cji pozyton i elektron by³y w stanie spoczynku, wyge-
nerowane fotony bêd¹ rozchodzi³y siê pod k¹tem 180
stopni. W przeciwnym przypadku k¹t ten podlegaæ
mo¿e zró¿nicowaniu rzêdu 0,3 stopnia, co dla pola wi-
dzenia systemu rzêdu przyk³adowo 60 cm powoduje de-
gradacjê jego rozdzielczoœci o 1,57 mm.
Detektory stosowane w systemach PET zbudowane
s¹ w formie pierœcieni otaczaj¹cych pacjenta. Liczba ta-
kich pierœcieni wynosi – w zale¿noœci od systemu – od 6
do 16, a ka¿dy pierœcieñ zawiera od 220 do 512 krysz-
ta³ów tlenku bizmutowo-germanowego, aktywowanego
talu, fluorku baru lub cezu.
Pojêcie koincydencji par fotonów dotyczy takich
dwóch fotonów, które zosta³y zarejestrowane prawie
równoczeœnie przez dwa przeciwleg³e detektory. Cz¹st-
ki, które nie przysz³y w parach (w przeci¹gu kilkunastu
nanosekund) s¹ ignorowane (rys. 4). Impuls na wyjœciu
przedstawionego uk³adu pojawia siê tylko przy rów-
noczesnej detekcji i zliczeniu przez obydwa liczniki.
Je¿eli dwa fotony anihilacyjne zostan¹ zarejestrowane
w koincydencji, to miejsce anihilacji zostaje zlokalizo-
wane jako punkt le¿¹cy na linii koincydencji zwanej
lini¹ zdarzenia.
Wystêpuj¹ nastêpuj¹ce rodzaje koincydencji:
– Prawdziwa koincydencja (rys. 5a) – poruszaj¹ce siê
po linii zdarzenia, pochodz¹ce od Ÿród³a fotony s¹
rejestrowane przez detektory w danym w¹skim
przedziale czasowym.
– Koincydencja rozproszenia (rys. 5b) – fotony pocho-
dz¹ce od Ÿród³a ulegaj¹ czêœciowemu rozproszeniu
powoduj¹cemu zmianê ich drogi, a przez to ich
rejestracjê w danym w¹skim przedziale czasowym
przez detektory inne ni¿ te wyznaczaj¹ce dla da-
nego Ÿród³a liniê zdarzenia. Uk³ad detekcji ma za
zadanie wychwyciæ ich mniejsz¹ energiê i zdarze-
nie powinno zostaæ zignorowane.
– Koincydencje losowe (rys. 5c) wystêpuj¹ wtedy,
gdy fotony pochodz¹ce od ró¿nych Ÿróde³ (anihila-
cji) s¹ rejestrowane w danym w¹skim przedziale
czasowym przez detektory zlokalizowane w pierœ-
cieniu naprzeciw siebie.
– Koincydencje wielokrotne wystêpuj¹ wtedy, gdy
wiêcej ni¿ dwa fotony s¹ rejestrowane przez od-
powiednie detektory w danym w¹skim przedziale
czasowym. Poniewa¿ nie mo¿na wówczas okreœliæ
przebiegu linii odpowiedzi, dlatego zdarzenia takie
s¹ odrzucane. Prawdopodobieñstwo ich wyst¹pie-
nia jest bardzo ma³e.
44
Joanna Grabska-Chrz¹stowska
PET – Pozytonowa tomografia emisyjna
Rys. 2. Przyk³ad skanera PET
#ród³o: [4]
Rys. 3. Zasada rekonstrukcji obrazu w PET
#ród³o: [5]
Rys. 4. Uk³ad do detekcji fotonów
Z dotychczasowych rozwa¿añ wynika, ¿e detektory
stosowane w PET musi cechowaæ:
– du¿a wydajnoœæ detekcji par fotonów,
– ich wielkoœæ powinna byæ ma³a (jak najlepsze okreœ-
lenie kierunku emisji fotonów),
Рjak najlepsza czasowa zdolnoϾ rozdzielcza (se-
lekcja koincydencji i jej braku),
Рjak najlepsza energetyczna rozdzielczoϾ (selekcja
koincydencji fotonów).
Takie warunki spe³niaj¹ np. materia³y scyntylacyjne.
Zazwyczaj u¿ywa siê detektorów BGO (Bi
3
Ge
4
O
12
).
4. ZASTOSOWANIA TOMOGRAFII PET
Systemy PET umo¿liwiaj¹ pomiary biochemicznej i fiz-
jologicznej aktywnoœci komórek badanego organu.
Takie badanie funkcjonalne pozwala na ocenê procesów
metabolicznych i przep³ywu krwi. Zmiana poziomu
aktywnoœci biochemicznej komórek, obserwowana na
obrazie w postaci kolorystycznych przejœæ miêdzy ró¿-
nymi regionami, mo¿e wskazywaæ na wystêpowanie
zmian chorobowych. Dziêki temu, mo¿liwe jest wykry-
cie takich zmian w bardzo wczesnym okresie ich zaa-
wansowania, czyli du¿o wczeœniej w porównaniu z in-
nymi technikami obrazowania.
Systemy PET znajduj¹ zastosowanie w:
– neurologii:
• badanie funkcjonalne mózgu, m.in. w procesach
postrzegania, s³uchania, myœlenia i rozpoznawa-
nia obrazów (zu¿ycie tlenu, glukozy, leków);
• w zaburzeniach ruchu zwi¹zanych z chorobami
neurologicznymi (parkinsonizm, choroba Hun-
tingtona, Wilsona);
– kardiologii do oceny pracy serca za pomoc¹ bada-
nia metabolizmu glukozy, ale równie¿ za pomoc¹
znakowanego amoniaku;
– psychiatrii do okreœlenia zmian biochemicznych
mózgu pacjentów ze schizofreni¹ lub np. depresj¹;
– onkologii (wykrywanie zmian nowotworowych) do
odró¿niania form ³agodnych od z³oœliwych (zale¿-
noœæ metabolizmu glukozy), okreœlenia stopnia z³oœ-
liwoœci guza, stwierdzenia przerzutów, oszacowa-
nia efektywnoœci leczenia.
5. PET-CT
Najczêœciej spotykan¹ technik¹ rozszerzaj¹c¹ zastoso-
wania tomografii emisyjnej PET jest ³¹czenie wyników
PET z obrazowaniem typu CT, czyli tomografi¹ kompu-
terow¹ (rys. 6).
45
CZÊŒÆ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ¥ LUDZI
Rys. 5. Rodzaje koincydencji: a) prawdziwe; b) rozproszenia; c) losowe
#ród³o: [6]
a)
b)
c)
Rys. 6. Porównanie zastosowania w onkologii dwóch technik obrazowania (CT i PET oddzielnie) oraz tomografii ³¹cznej PET-CT
#ród³o: [7]
Takie podejœcie g³ównie stosuje siê w:
– onkologii: aby dok³adnie zlokalizowaæ i kontrolo-
waæ wzrost guza oraz monitorowaæ efekty prowa-
dzonej terapii;
– neurologii: jako badanie pomocnicze w diagnos-
tyce choroby Alzheimera, demencji i napadów pa-
daczkowych;
– chirurgii: w oszacowaniu w³aœciwego miejsca i za-
kresu interwencji chirurgicznej.
6. PODSUMOWANIE
Tomografia emisyjna PET jest niezwykle obiecuj¹c¹
i gwa³townie rozwijaj¹c¹ siê metod¹ obrazowania ¿y-
wego organizmu i jego funkcji.
Coraz wiêcej oœrodków dysponuje t¹ technik¹ i oprócz
wy¿ej wymienionych, bardzo wa¿nych zastosowañ kli-
nicznych wielu badaczy, tak jak grupa Joanny Fowler
z Brookhaven National Laboratory ze Stony Brook Uni-
versity w Nowym Yorku [2], przeprowadza ró¿norodne
eksperymenty naukowe (rys. 7).
W niedalekiej przysz³oœci mo¿na spodziewaæ siê
jeszcze powszechniej stosowanej kombinacji techniki
PET zarówno z badaniem CT, jak i MRI (Magnetic Reso
-
nance Imaging) (technik¹ rezonansu magnetycznego),
a tak¿e lepszych wyników klinicznych oraz donios³ych
rezultatów naukowych opartych na opisanych metodach.
Literatura
[1] Hrynkiewicz A.Z., Rokita E., Fizyczne metody dia
-
gnostyki medycznej i terapii, Wydawnictwo Nau-
kowe PWN, Warszawa, 2000.
[2] Fowler J.S., Logan J., Wang G.J. et al., Monoamine
oxidase and cigarette smoking, Neurotoxicology,
24 (1), January 2003, s. 75–82.
[3] Ogiela M.R., Tadeusiewicz R., Modern Computa-
tional Intelligence Methods for the Interpretation
of Medical Image, Studies in Computational Intelli-
gence, vol. 84, Springer-Verlag, Berlin – Heidelberg
– New York, 2008.
[4] http://www.csulb.edu/~cwallis/482/petscan/pet_lab.
html
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_
tomography
[6] http://212.191.70.122/medtech/pakiet8/pakiet8.html
[7] http://www.draimaging.com/PETCT.htm
[8] http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/PR_display.asp?
prID=03-27
46
Ma³gorzata W³odarczyk
PET to nie zwierz¹tko, tylko metoda obrazowania
Rys. 7. Porównanie wychwytu enzymu MOA przez organy
wewnêtrzne u osoby pal¹cej i niepal¹cej
#ród³o: [8]
1.5.B. PET to nie zwierz¹tko,
tylko metoda obrazowania
Ma³gorzata W³odarczyk
1. WPROWADZENIE
Jak wiadomo s³owo PET w jêzyku angielskim u¿ywane
jest jako popularne okreœlenie domowego zwierz¹tka.
W tym rozdziale PET Scanner nie bêdzie jednak urz¹-
dzeniem, którego ¿artobliwe wyobra¿enie pokazano na
rysunku 1.
Pozytonowa emisyjna tomografia (PET – Positron
Emission Tomography) jest metod¹ obrazowania, nale-
¿¹c¹ do dzia³u medycyny nuklearnej. Badanie PET
opiera siê na wstrzykniêciu pacjentowi markerów ra-
dioaktywnych, które maj¹ zdolnoœæ ³¹czenia siê z ró¿-
nymi zwi¹zkami chemicznymi.