Pozitronová Emisní Tomografie PET Jiří Kvita, MFF UK

Transkript

1 Pozitronová Emisní Tomografie PET 1

2 PET Positron Emission Tomography Krásný příklad kombinace fyziky, chemie, biologie, medicíny a počítačové rekonstrukce obrazu. Fyzika: princip, detektor. Chemie: příprava vhodného radiofarmaka, jeho kinetika. Biologie: metabolismus a lokalizace zvýšeného záchytu radiofarmaka. Medicína: množina diagnóz, která se pozitivně zobrazí. IT: zpracování a rekonstrukce obrazu. Diagnostická metoda spadající pod nukleární medicínu. V ČR je několik pracovišť: Nemocnice na Homolce (Praha), Plzeň, Masarykův onkologický ústav Brno, Olomouc; Bratislava. O čem budu mluvit: základní principy, hrátky s rekonstrukcí obrazu. Tomography - (řeckyτόμος -řez;γραφεῖν - zaznamenat) 2

3 PET Princip β + zářič emituje pozitron, který lokálně annihiluje s elektronem a vznikne pár opačně letících fotonů. p n e + v e. e + e - γγ. Současná detekce dvou fotonů 180 od sebe: koincidence. Klidová energie elektronu: mc 2 = 511keV energie každého z fotonů. Pro srovnání: základní stav atomu vodíku: 13.6eV Červené světlo: Dostatečně vysoká energie, aby foton opustil tělo, ale také aby zvládl v případě absorpce působit jako škodlivé ionizující záření. 3

4 PET Radioizotopy a radiofarmaka Jaké jsou vhodné radioizotopy? Jaké mají poločasy rozpadu? Do jakých sloučenin je zabudujeme, aby je tělo přijalo, a absorbovalo na správných místech? Naštěstí prvky s nízkým Z: biogenní 11 C, 15 O, 13 N, či nejčastější 18 F. Poločasy rozpadu jsou 20min, 2min, 10min, 110min - nutná příprava na místě či rychlá přeprava! (vrtulník) Nejpoužívanější sloučenina je fluordeoxyglukóza (FDG). Podobna glukóze v kinetice a metabolismu, je vychytávána na místech se zvýšenou spotřebou energie: mozek, játra, srdce, zánět, nádor. Ale používají se i značené neurotransmitery, O 2 pro respiraci etc. PET tedy umožňuje funkční zobrazování! Pozor: někdy však nelze odlišit např. zánět od nádoru. Vodné např. pro celotělový scan v případě nalezené metastáze bez známého primárního tumoru. Sledování recidivy. Funkční zobrazování: kognitivní studie. 4

5 Detekce fyzika a elektronika Foton zachycen scintilátorem: záblesk světla, signál dále zesílen, digitalizován. PET Camera: do kruhu uspořádané fluorescenční detektory: krystaly či kapalné scintilátory. Materiály: hygroskopický NaI nebo např. těžké sklo BgO. Mříž krystalů násladuje mříž fotonásobičů (PMT s - Photomultipliers). Elektronika pro sběr dat a měření časové koincidence. Central master clock Jiří Kvita, MFF UK

6 Praxe Jiří Kvita, MFF UK

7 Počítačová rekonstrukce - Sinogram Scanováním získáme projekci hustoty radiofarmaka v daném řezu. Zajímá nás 2D či 3D rekonstrukce samotné hustoty aktivity. Ve hře jsou efekty, které obraz rozmazávají a zkreslují. Obraz vždy zrekonstruujeme jen s určitou přesností. Nejjednodušší je tzv. jednoduchá zpětná projekce (simple backprojection). Jde ale pouze o aproximaci vedoucí k závažným artefaktům obrazu. Original Projection (sinogram) - vlastní PET scan. Simple Backprojection - primitivní rekonstrukce Jiří Kvita, MFF UK

8 Počítačová rekonstrukce - FFT Projekce (sinogram) Fourierova transformace každého z 1D řezů (Fast Fourier Transform, FFT) rozklad obrazu do prostorových frekvencí. Frekvenční filtr, a zpětná transformace. Mnohem věrnější a podrobnější zrekonstruovaný obraz! Filtered backprojection. Re (amplituda) Nový sinogram FFT + filtr FFT -1 Backprojection Im (fáze) Jiří Kvita, MFF UK Filtered Backprojection

9 Počítačová rekonstrukce - FFT 9

10 Odbočka: Fourierova transformace Fourierova transformace: rozklad do frekvencí. Aplikace: zpracování a komprimace zvuku a obrazu. Že se vás netýká? A co mp3, jpeg? - odstraněníčásti frekvenčního spektra. Např. lidské ucho je Fourierovský analyzátor: v hluku slyšíme hudbu, a dokonce rozpoznáme housle od kontrabasu. Fáze nese podstatnou informaci o vzájemné poloze peaků. Frekvenční filtry: posílením vysokých frekvencí získáme lepší detaily, ale zároveň posílíme šum Jiří Kvita, MFF UK

11 Počítačová rekonstrukce - FFT Efekt počtu projekcí na kvalitu zrekonstruovaného obrazu (filtered backprojection) Jiří Kvita, MFF UK

12 Efekt šumu K sinogramu náhodně přidán malý fluktuující signál. Horší kvalita filtered backprojection, realistický případ Jiří Kvita, MFF UK

13 Simulace mrtvého fotonásobiče Vybílení jedné řádky v sinogramu simuluje mrtvý kanál detektoru Jiří Kvita, MFF UK

14 Počítačová rekonstrukce - FFT Frekvenční filtr pouze na Imaginární či Reálnou část. Silné artefakty filtr se musí konsistentně aplikovat na frekvenci i fázi Jiří Kvita, MFF UK

15 Počítačová rekonstrukce - FFT Frekvenční filtry reálný článek v žurnálu. 15

16 Artefakty a zkreslení Atenuační korekce: intenzita fotonů menší při průchodu hutnější tkání. Lze individuálně měřit pomocí vnějšího zářiče: transmisní scan. Elektron-pozitronový pár neainhiluje zcela v klidu: úhel mezi nimi není přesně 180. Prostorové rozlišení metody je dáno délkou dráhy pozitronu v tkáni, než se zpomalí a anihiluje: závisí na typu použitého izotopu, neb pozitrony mají různá spektra energií. Šum v elektronice a omezená statistika nabraných dat: numerické metody zpracování obrazu mohou být citlivé na statistické fluktuace (nestabilní). Falešné koincidence mezi dvěma opačnými detektory: pozadí. Velikost detektoru, okrajové neaktivní oblasti, hranice mezi krystaly, rozptyl fotonu v těle či detektoru Neuniformita detektorů (rozdíly mezi krystaly). Pohyb pacienta, dýchání, peristaltika, myokard 16

17 PET Aplikace, indikace, kontraindikace Celotělový scan při neznámé lokalizaci či rozsahu onemocnění. Hlava: stabilní, lehce fixovatelná poloha. Kontraindikace: silná nadváha. 17

18 PET Aplikace Images of the brain show exquisite anatomic detail with abnormal activity in the right temporal lobe (arrow) in an epileptic patient. PET Scan showing diffuse spread of prostate cancer to bone. PET has the advantage over traditional bone scanning in its ability to differentiate active from dormant disease. Image of the chest and abdomen reveals a solitary focus of cancer within the liver. PET is effectively able to exclude that cancer has spread elsewhere in the body. 18

19 PET a CT kombinace Kombinace PET a CT: možnost přesné lokalizace. PET kamera kombinovaná s CT scannerem (např. Olomouc). 19

20 Výhody a nevýhody Obdobná metoda pracuje s libovolným zářičem, bez koincidencí dvou fotonů: Single Photon Emission Tomography, která ale vyžaduje kolimátory, a ztrácí tak na efektivitě. PET: sbíráním signálu bez použití kolimátorů snižuje expozičníčas a také aktivitu, která se musí pacientovi podat. Přechod od 2D PET na 3D PET může čas zřejmě ještě více zkrátit. PET scanner často kobinován s CT (X-ray computer tomography) kombinace funkčního a prostorově přesného zobrazení (lokalizace). Náročné na technologie, zvláště výrobu β + zářičů: složitá doprava, nebo malý nemocniční cyklotron, ale již dnes dodáván na klíč. Farmaka rozvážena z Prahy, nejdříve z Řeže, pak z NNH do Brna a Bratislavy; nyní také Brno vlastní cyklotron. 20

21 Aplikace Neinvazivní metoda, funkční zobrazování, bez magnetického pole (tj. vhodné pro pacienty s pacemakery, endoprotézami) a většinou s menší dávkou pro pacienta než CT či SPECT. Kromě onkologie lze měřit a zobrazovat např. myokard, autoimunitní záněty, lze měřit průtok krve mozkem, srdcem Alzheimerova choroba: radionuklidem značený dopamin. Zřejmě nevhodné pro karcinomy ledvin? (hromadění radiofarmaka) Lze sledovat funkci mozku při různých činnostech (spánek, sledování televize, poslech hudby, přemýšlení, sex ) 21

22 Závěrem Dávka pro pacienta Typické aktivity: desítky mega becquerelů (1Bq = 1 rozpad / s). Potřebná doba vyšetření nepřímo úměrná podané aktivitě. Ale nežádoucí ozáření pacienta je jí úměrné. Citlivost detektoru a požadovaný počet signálů v každém fotonásobiči definuje aktivitu nutnou k podání a poměr Signál / Šum rekonstruovaného obrazu. PET: mocná zobrazovací metoda, ale též s vlastními omezeními. Vhodná jako primární či sekundární diagnostický nástroj. Funkční zobrazování, ale náročné na technologie (kvalifikace personálu, cena). Stále rozšířenější a stále ve vývoji. Krásná ukázka spolupráce včech přírodních oborů. :) 22

23 Zdroje Physics in Nuclear Medicine, S. Cherrry, J.A. Sorenson, M.E. Phelps, 3 rd edition, Saunders. PET: Physics, Instrumentation, and Scanners, M.E.Phelps, Springer. ROOT: pomocník při numerickém modelování v C++ :o) a2e92ee7aa0124af&method=displayfull&pn=69e6ff0b f-8dbbccf32cf74aa7 Masarykům onkologický ústav Brno Nemocnice na Homolce: FN Plzeň: Česká společnost nukleární medicíny 23