Sledování vlivu rekonstrukčního algoritmu SPECT snímků na výsledky subtrakční analýzy

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta Fyzikální sekce Sledování vlivu rekonstrukčního algoritmu SPECT snímků na výsledky subtrakční analýzy Diplomová práce Autor práce: Bc. Jan Klemeš Vedoucí práce: prof. MUDr. Milan Brázdil, Ph.D. Brno, 2010

2 Prohlašuji, že jsem tuto práci vypracoval samostatně za pomoci vedoucího a konzultantů diplomové práce, dále pak s použitím uvedené literatury. V Brně dne Bc. Jan Klemeš

3 Touto cestou bych chtěl poděkovat a věnovat tuto práci všem, bez jejichž přičinění by nikdy nevznikla. Především pak vedoucímu diplomové práce prof. MUDr. Milanu Brázdilovi Ph.D. za vstřícnou spolupráci a umožnění vzniku této diplomové práce na I. NK FNUSA v Brně, dále pak konzultantům Ing. Michalu Miklovi Ph.D. a Ing. Radku Marečkovi za zasvěcení a cenné konzultace v oblasti zpracování a analýzy obrazových dat neurologických pacientů, doc. MUDr. Jiřímu Práškovi CSc. za poskytnutí dat z KNM FN Brno a v neposlední řadě MUDr. Iloně Eliášové za výběr souboru pacientů vhodných ke zpracování. Další, ovšem nemenší, díky patří rodině, přátelům a blízkým za jejich stálou podporu po dobu celého mého dosavadního studia.

4 Abstrakt: V epileptologii se mimo klasického SPECT zobrazení využívá i subtrakce SPECT snímků získaných při aplikaci radiofarmaka v době záchvatu (tzv. iktální SPECT) a snímků získaných v době mezi záchvaty (tzv. interiktální SPECT). Takto provedená subtrakce se zobrazuje přes podrobné MRI snímky a umožňuje přesněji lokalizovat možné ložisko epileptické aktivity. Cílem práce je zjistit, zda různé rekonstrukční algoritmy SPECT snímků mohou ovlivnit výsledky subtrakční analýzy. Toto ohodnocení by mělo být provedeno jak pro případ stejného rekonstrukčního algoritmu pro iktální i interiktální - snímky, tak pro případ rozdílného algoritmu v těchto dvou snímcích. Klíčová slova: epilepsie, SPECT, SISCOM, filtrovaná zpětná projekce, iterativní rekonstrukce Abstract: In the epileptology is used besides classic SPECT imaging also subtraction SPECT images gained during application of radiopharmaceutical in duration of seizure (ictal SPECT) and images gained in time without seizure activity (icterial SPECT). The subtraction accomplished in the way described above is coregistered through detailed MRI scans and allows localize more accurately the possible foci of an epileptological activity. The aim of this work is to determine whether different reconstruction algorithms of SPECT images can influence the results of subtraction analysis. This evaluation should be made for the same reconstruction algorithms for ictal and interictal images as well as for different algorithms in these two images. Key words: epilepsy, SPECT, SISCOM, FBP, iterative reconstruction

5 Obsah Obsah Úvod Teoretická část Neurologie Anatomie CNS Neurofyziologie Epilepsie a epileptické záchvaty Změny prokrvení během záchvatu rcbf Zobrazovací a diagnostické metody v epileptologii Léčba epilepsie Jednofotonová emisní tomografie (SPECT) Historie SPECT Základní pojmy užívané v nukleární medicíně SPECT principy Interakce γ-záření s hmotou Detekce γ-záření Vznik a rekonstrukce SPECT obrazu Filtrovaná zpětná projekce Iterativní metody rekonstrukce Radiofarmaka v neurologii SISCOM Materiál a metody Soubor pacientů SPECT- KNM FN Brno Programy a procesy pro zpracování snímků MATLAB SPM MRIcro Výsledky a diskuse Vizuální hodnocení Rozdílnost snímků vzhledem k referenční subtrakci Nadprahové voxely a klastrová analýza

6 4.4 Implementace masky resekované oblasti Závěr Seznam použité literatury Seznam zkratek Seznam obrázků, grafů a tabulek Příloha

7 1 Úvod Epilepsie, jedno z nejčastějších neurologických onemocnění, je zapříčiněna abnormální hyperaktivitou nervových buněk v mozku. Příznaky tohoto onemocnění jsou opakované vůlí neovlivnitelné epileptické záchvaty s projevy odpovídajícími funkci zasažené části mozku lokalizaci epileptického ložiska. Léčba epilepsie se v první řadě opírá o farmaka antiepileptika a současně o systém režimových opatření upravujících životosprávu pacienta. Existence farmakorezistentních epilepsií však vyžaduje odlišný přístup v léčbě. Tím může být resekce místa vzniku epileptického záchvatu (epileptogenní zóny), po jehož odstranění by měly záchvaty ustoupit. V epileptologii se můžeme při diagnostice onemocnění setkat jak s metodami zobrazujícími morfologii mozkových struktur, k nimž patří CT a MRI, tak s metodami sledujícími funkční procesy mozkové aktivity EEG, fmri, SPECT a PET. Jako velice výhodné se prosadilo skloubení těchto dvou skupin, které ve výsledku poskytuje sledování funkčních procesů s možností přesné morfologické lokalizace. SISCOM, neboli subtrakce iktálního a interiktálního SPECT snímku proloženého přes MRI snímek, je vhodnou doplňující metodou k lokalizaci epileptogenní zóny - nutného předpokladu pro provedení epileptochirurgického zákroku. Využitím radiofarmaka podaného během epileptického záchvatu dojde díky jeho vlastnostem a předpokladu zvýšené mozkové aktivity v místě původu záchvatu k lokalizaci aktivní zóny. Tento typ označujeme jako iktální SPECT. Ovšem pro rozlišení aktivity zvýšené jako následek epileptického záchvatu od běžné mozkové aktivity slouží interiktální SPECT snímek získaný v době mezi záchvaty. Po odečtení obou snímků pak zůstanou zobrazena místa aktivní v době záchvatu. Z důvodu opravdu přesné lokalizace je nutné využít další modalitu poskytující mnohem lepší prostorové rozlišení a tou je MRI snímek. Tato diplomová práce byla uskutečňována pod záštitou I. Neurologické kliniky Fakultní nemocnice u svaté Anny u devíti pacientů s farmakorezistentní epilepsií. Cílem práce bylo zjistit jaký vliv má na výslednou subtrakci iktálního a interiktálního snímku (SISCOM) rekonstrukční algoritmus SPECT snímku respektive jejich vzájemná kombinace. 6

8 2 Teoretická část 2.1 Neurologie Anatomie CNS Mozek, orgán uložený v dutině lebeční, je hlavním řídícím orgánem CNS. Vzestupně od hřbetní míchy je mozkový kmen. Tvoří jej prodloužená mícha (medulla oblongata), Varolův most (pons Varoli) a střední mozek (mesencephalon). Z mozkového kmene vychází deset párů hlavových nervů a jeho součástí je i retikulární formace zajišťující mnoho životně důležitých reflexů jako např. řízení dechu, vazomotoriku cév, regulaci srdečního cyklu (Holibková, 2004). Nad prodlouženou míchou a Varolovým mostem je mozeček (cerebellum), kde se nachází centrum pro regulaci svalového tonu, rovnováhu a přesnou motoriku. Strom života označuje symetrické uspořádání bílé hmoty uvnitř mozečku. Na mozkový kmen navazuje mezimozek (diencephalon). Mezi nejvýznamnější struktury mezimozku patří thalamus, hypothalamus a hypofýza. Thalamus je významné přepojovací centrum mezi aferentními a eferentními drahami, hypothalamus pak zabezpečuje kontrolu činnosti autonomního nervového systému a endokrinního sytému zabezpečující homeostázu - stálost vnitřního prostředí (Dubový, 2006). Jeho součástí je hypofýza - žláza, která ve spojení s hypothalamem řídí prostřednictvím svých hormonů funkce endokrinních žláz. U člověka je nejmohutnější částí koncový mozek (telencephalon). Skládá se ze dvou mozkových hemisfér spojených kalózním tělesem. Oproti míše je na povrchu koncového mozku šedá hmota tvořená těly nervových buněk, zatímco bílá hmota je uvnitř. Celý povrch je zbrázděn rýhami. Gyrifikace je systém zvrásnění hemisfér a umožňuje další členění koncového mozku na jednotlivé laloky loby. V přední části se nachází lobus frontalis (čelní lalok) přecházející v lobus parietalis (temenní lalok) a temporalis (spánkový) a v zadní části pak lobus occipitalis (týlní lalok). Na povrchu koncového mozku se nacházejí oblasti nestejného fyziologicko-histologického významu. Tato korová centra jsou místa spřažená různými funkčními procesy, která jsou schopna nejen informace analyzovat, ale také syntetizovat (Holibková, 2004). Jsou to centra motorická, zraková, čichová, chuťová, sluchová, řeči a kožní citlivosti. Naopak v hloubi koncového mozku se objevují struktury bazálních ganglií tvořené nakupením šedé hmoty interesované v složitých koordinačních činnostech. 7

9 Mozek je zásoben arteriální krví dvěma páry tepen aa. carotis internae a aa. vertebrales, které se dále dělí. Důležitým systémem je circulus Willisi, díky kterému dochází k vyrovnání tlakových rozdílů či náhradnímu krevnímu zásobení (Dubový, 2006). Žilní krev odtéká z mozku systémem žilních splavů složených z povrchových a hlubokých žil. V zásobení CNS je prostřednictvím hematoencefalické bariéry omezen přímý kontakt krve s nervovou tkání. Omezení látkové výměny zapříčiňuje velice těsné spojení endotelových buněk a dochází tak k přímé selekci vstřebávání krevního obsahu Neurofyziologie Základní stavební a funkční jednotkou nervové soustavy je nervová buňka neboli neuron. Tato jednotka zahrnuje jednak samotné tělo nervové buňky, ale také její výběžky. V plazmatické membráně těla nervové buňky jsou přítomna jádra, jadérko, stejně tak i ostatní typické buněčné struktury jako jsou mitochondrie, ribozomy a endoplazmatická retikula. Posláním nervové buňky je podílet se na vzniku a šíření informací. K tomu ovšem neslouží pouhé tělo nervové buňky, ale i dva typy výběžků. Jako dendrity označujeme bohatě zastoupené, větvené výběžky určené k příjmu informace do neuronu. Informační tok vedou směrem do nitra nervové buňky. Naopak výběžek určený pro odvod informace z neuronu se označuje jako neurit. Oba typy výběžků se liší jak funkčně, vzhledem k informačnímu toku, tak i strukturálně. Zatímco základním funkčním prvkem dendritů jsou dendritické trny podílející se na sběru informací od okolních neuronů, neurit neboli axon se skládá ze samotného výběžku obaleného myelinovou pochvou přerušovanou v Ranvierových zářezech. V CNS se vyskytují i jiné typy buněk, a to buňky gliové. Neuroglie zajišťují nervovým buňkám podporu, výživu a ochranu. Za normálních okolností existuje mezi povrchem a vnitřkem nervové buňky, vlivem rozdílného rozložení iontů, potenciálový rozdíl. Hodnota klidového membránového potenciálu, kdy na vnitřní straně membrány je záporný a vně kladný náboj, se pohybuje v rozmezí -50 až -90mV (Hrazdira, 2004). Pokud se změní hodnoty nebo zastoupení jednotlivých iontů, dochází vlivem jiného rozložení náboje k depolarizaci, která vrcholí transpolarizací, během níž dojde k obrácení uspořádání náboje na obou stranách membrány a hodnoty membránového potenciálu se pohybují v rozmezí 30 až 40mV. Celý děj, při němž dochází ke změně klidového membránového potenciálu, se nazývá akční potenciál. Z hlediska jednotlivých iontů po dosažení spouštěcí úrovně dojde k vzestupu propustnosti 8

10 semipermeabilní membrány pro sodíkové ionty Na +. Vlivem napěťových změn dochází k otevírání dalších napěťových kanálků pro Na + a to vše vyústí v rychlou depolarizaci. Vzestup propustnosti membrány trvá pouze do doby, kdy dojde k transpolarizaci a tím ke změně elektrického gradientu pro jednotlivé ionty. Během akčního potenciálu dochází také k migraci K + iontů, ovšem jejich vliv se projeví až při dokončení repolarizace a navození opětovného klidového potenciálu. Samotný neuron dokáže vzruch vyvolat a vést, ovšem k šíření informace po neuronové síti (miliardy neuronů) je potřeba zajistit vzájemné propojeni jednotlivých buněk. Tato propojení jednotlivých nervových buněk jsou synapse. Vedení informace se uskutečňuje až na výjimky tímto synaptickým schématem axon - presynaptický aparát mediátor postsynaptický aparát - dendrit. Místo, kde k přesunu vzruchu dochází, se nazývá synaptická štěrbina. Axon jedné nervové buňky je zakončen drobným knoflíkovitým rozšířením obsahujícím vezikuly s mediátorem. Když se akční potenciál šířící se po axonu dostane k presynaptickému aparátu, nastane na membráně otevření Ca 2+ kanálků, dojde k influxu Ca 2+ a následnému přesunu vezikulů k synaptické štěrbině, kde splývají s membránou a dochází k vyloučení mediátoru (Trojan, 2003). Prostou difuzí se mediátor šíří do prostoru synaptické štěrbiny, váže se na receptor umístěný v postsynaptickém útvaru dendritu druhé nervové buňky. Tím se spustí celá kaskáda následných reakcí, na jejímž konci nastane otevření iontových kanálů a změna membránového napětí a přenos vzruchu. Na chemickém složení vyplaveného mediátoru závisí i to, který iontový kanál bude otevřen. Propustností Na + kanálu dochází k depolarizaci a mluvíme o excitačním postsynaptickém potenciálu. Pokud se otevírají K + a Cl - kanály, membrána se vzniklými toky hyperpolarizuje a vzniká inhibiční postsynaptický potenciál (Vácha, 2004). Mezi nejdůležitější mediátory patří acetylcholin, noradrenalin, dopamin, serotonin, GABA, glycin. Existují ovšem i jiná synaptická spojení, a to elektrické synapse nebo nervosvalová ploténka Epilepsie a epileptické záchvaty Mezi nejčastější neurologické onemocnění patří epilepsie. Prevalence se pohybuje v rozmezí 0,5 0,8% populace (Waberžinek, 2006). Toto onemocnění se manifestuje prostřednictvím opakovaných, často typicky probíhajících, epileptických záchvatů. Epileptický záchvat je náhlá vůlí neovlivnitelná změna aktivity mozku způsobená 9

11 abnormální hyperaktivitou skupiny nervových buněk v mozku. Způsoby, jakými se epileptický záchvat projevuje navenek, jsou dány samotnou funkcí zavzaté části mozku. Změny se mohou týkat jak senzomotorických tak psychických či autonomních funkcí. Může docházet ke změně vědomí, chování i poruchám hybnosti či svalového napětí. Z etiologického hlediska existují dvě skupiny epileptických záchvatů: - primární (idiopatické) - svůj původ mají převážně v genetické predispozici. V CNS nejsou patrny žádné strukturální či patologické odchylky - sekundární (symptomatické) - přímo vázané na jiná onemocnění CNS. Do této skupiny patří například akutní poškození mozku vlivem úrazu, metabolické poruchy, proliferujícího nádoru, stavy po cévní mozkové příhodě, intoxikace atd. Existuje množství klasifikací epileptických záchvatů, např. na základě lokalizace nebo semiologie. Následné členění bude dle klasifikace Mezinárodní ligy proti epilepsii (ILAE). LOŽISKOVÉ (parciální) Ložiskové jednoduché s příznaky Ložiskové komplexní Ložiskové se sekundární generalizací motorickými senzitivními a senzorickými autonomními psychickými ložiskové jednoduché s následnou poruchou vědomí s iniciální poruchou vědomí jednoduché ložiskové se sekundární lokalizací komplexní ložiskové se sekundární generalizací jednoduché ložiskové s přechodem do komplexních a poté se 10 s jednoduchými klinickými projevy a následnou poruchou vědomí s automatizmy pouze poruchy vědomí s automatizmy

12 sekundární generalizací GENERALIZOVANÉ Absence typické atypické Myoklonické Klonické Tonické Tonicko-klonické Atonické NEKLASIFIKOVATELNÉ ZÁCHVATY STATUS EPILEPTICUS Tabulka 1: Klasifikace epileptických záchvatů podle ILAE (Waberžinek, 2006) Časová vzdálenost mezi jednotlivými záchvaty je rozdílná. Samotný záchvat vychází z oblasti mozku popisované jako epileptogenní zóna. Její podklad může být na základě morfologicko-anatomickém, snadno zachytitelném strukturně zobrazovacími metodami, nebo histologickém (Vojtěch, 2005). Vlivy podílející se na vyvolání záchvatu se rozlišují na vnitřní a vnější. Z vnějších stimulů se na vzniku záchvatu nejčastěji podílejí zrakové, sluchové či somatosenzorické vjemy, dále pak alkohol či některé typy léků. Do vnitřních vlivů se řadí spánek nebo hormonální vliv. Období oddělující od sebe epileptické záchvaty (interiktální období) je z hlediska diagnostiky onemocnění stejně podstatné jako samotný záchvat. I během něj jsou totiž v některých případech patrné patologické změny v EEG signálu, eventuálně se vyskytují změny týkající CBF hypoperfuze. Dále se v tomto období mohou manifestovat behaviorální nebo psychiatrické poruchy přidružené k epilepsii Změny prokrvení během záchvatu rcbf Na základě Sherringtonova předpokladu by měla zvýšená mozková aktivita být spjata se zvýšeným metabolismem a tím i se zvýšeným průtokem krve danou oblastí (Krupka, 2007). Normální hodnoty perfuze se pohybují mezi 50-60ml/min/100g mozkové tkáně. Při jakékoli zvýšené mozkové aktivitě hodnoty vlivem zvýšeného metabolického nároku 11

13 stoupají. Vlivem epileptického záchvatu mohou hodnoty prokrvení vzrůst až několikanásobně. Jak již bylo zmíněno u vzniku akčního potenciálu v kapitole 2.1.2, při opětovném nastolení klidového membránového potenciálu je potřeba reflux iontů přes semipermeabilní membránu. Tento reflux Na + /K + iontů se již neděje pomocí prosté difuze na základě koncentračního gradientu, ale je uskutečňován pomocí sodíkovo-draselné pumpy za pomocí energie dodávajícího adenosintrifosfátu (ATP). K dostatečnému zásobení mozkové tkáně po vyčerpání zásob ATP přispívá vasodilatace cévního řečiště a tím zvýšený průtok krve aktivní oblastí. V iktální fázi bude v oblasti ložiska docházet k hyperperfuzi zatímco v interiktálním období k hypoperfuzi (Thrall, 1995) Zobrazovací a diagnostické metody v epileptologii Klasické neurologické vyšetření zahrnující především zjištění pacientovy anamnézy a objektivního popisu epileptického záchvatu je klíčový faktor pro posouzení a správnou diagnostiku onemocnění. Pro doplnění nebo přesnější posouzení je ovšem potřeba přistoupit k dalším diagnostickým metodám. Ty by se daly rozdělit do dvou základních kategorií, a to na metody zobrazující morfologii CNS (MRI, CT) a metody funkčního zobrazení (EEG, fmri, MRS, SPECT, PET). Metodou první volby pro zobrazení jakékoli organicity, která by se mohla podílet na vzniku epilepsie, bývá zobrazování pomocí magnetické rezonance (MRI). MRI je založena na fyzikálním jevu nukleární magnetické rezonance, který nastává při interakci magnetických momentů atomových jader s vnějším magnetickým polem. Mezi základní vlastnosti jader patří jaderný spin vytvářející vlastní magnetický moment. Jev nukleární magnetické rezonance je možný pouze u jader s lichým počtem nukleonů z důvodu vypárování při sudém počtu. Pro medicínské zobrazování se nejčastěji využívá vodík 1 H, který je jako součást vody přítomný téměř v celém lidském těle. Umístí-li se objekt obsahující vhodné prvky s lichým počtem nukleonů (např. již zmíněný vodík) do vnějšího magnetického pole, dochází ke změně původně nahodilé orientace magnetického momentu jádra ve shodě s vnějším magnetickým polem a to buď paralelně, nebo antiparalelně. Za běžných podmínek má nepatrně větší převahu paralelní orientace. Magnetické momenty však nejsou přesně rovnoběžné s vnějším magnetickým polem. Jsou mírně vychýlené a vykonávají tzv. precesní pohyb kolem osy, která je orientována rovnoběžně s vnějším magnetickým polem. Výsledný vektor tkáňové magnetizace v elementárním objemu tkáně 12

14 má tedy určitou velikost a směr, který je shodný s vnějším magnetickým polem (vektor má jen podélnou nebo též longitudinální složku). Vlivem radiofrekvenčního pulzu dojde ke dvěma efektům. Jednak dojde ke zfázování precesního pohybu jednotlivých atomů, což má za následek vytvoření rotující složky vektoru magnetizace kolmé vůči vnějšímu magnetickému poli (tzv. příčná nebo transversální složka vektoru magnetizace). Druhý efekt se projeví změnou paralelní orientace některých spinů na antiparalelní orientaci a tím ke zmenšení podélné složky vektoru magnetizace. Po odeznění budícího radiofrekvenčního pulzu dochází k tzv. relaxaci, kdy se magnetické momenty postupně vracejí se zpět do základního stavu. Vektor tkáňové magnetizace má jen podélnou složku (orientovanou ve shodě s vnějším magnetickým polem). Během tohoto procesu je přebytečná energie uvolňována ve formě elektromagnetického signálu (FID). Důležitými parametry návratu zpět do základního stavu jsou relaxační časy T 1 a T 2. První z časů vypovídá o průběhu longitudinální magnetizace a druhý o průběhu transverzální magnetizace. Na rozdíl od klasické NMR spektroskopie, kde musí být vnější magnetické pole striktně homogenní, je základ tomografického zobrazení vytvořen pomocí gradientního pole. Je možné získat signál o úzkém profilu vzorku zasahujícího pouze do striktně vymezené oblasti prostorové kódování a vznik tomografických řezů. Obrázek 1: MRI templát pro SISCOM 13

15 CT neboli výpočetní tomografie je zobrazovací metoda pracující na principu snímání útlumu intenzity rentgenového záření vlivem průchodu daným objektem. Tento jev je zabezpečen uspořádáním zdroje rentgenového záření a detektoru na opačných pólech prstence rotujícího kolem těla pacienta. Výsledným zobrazením jsou poté jednotlivé řezy těla pacienta, ve kterých jsou jednotlivé voxely zobrazeny barevným odstínem příslušným k specifickému koeficientu útlumu. Rozdíl mezi MRI a CT vychází ze samotných principů zobrazeni. Zatímco magnetická rezonance nepřestavuje žádnou radiační zátěž pro pacienta a výsledné zobrazení má lepší rozlišení, při akutních stavech je upřednostňováno CT pro rychlost snímání. Stejně tak jako když je snímání MRI vyloučeno z důvodu kontraindikace (feromagnetické implantáty, kardiostimulátor, kochleární implantát), přistupuje se opět k CT snímání. CT je také mnohem vhodnější pro zobrazení některých typů tkání jako např. kostí, které jsou pro MR neviditelné (neobsahují vodu). Mezi metody zobrazení funkčních změn se primárně řadí EEG neboli elektroencefalografie. Jedná se o snímání elektrické aktivity mozku. Zdrojem této aktivity jsou samotné nervové buňky při tvorbě a šíření akčních potenciálů. Limitace je dána nízkou vodivostí lebky, kde dochází k útlumu signálu. Výsledný signál má pak amplitudu v řádech desítek μv. V klasickém elektroencefalogramu se nacházejí čtyři základní rytmy tzv. specifické grafoelementy mozkové aktivity. Pro epileptické onemocnění jsou typické grafoelementy (hroty, ostré vlny, komplexy ostrá-pomalá vlna nebo komplex hrot-vlna). Název vlny Frekvence Výskyt (nepatologický) α - alfa 8-13Hz relaxace, zavřené oči β - beta 13-30Hz bdělý stav θ - théta 4-7Hz v dětském věku δ - delta 0 4Hz u dospělých ve spánku, u dětí Tabulka 2: Základní rytmy mozkové aktivity (Hrazdira, 2004) Mezi artefakty vyskytující se v EEG záznamech nejčastěji patří oční aktivita, činnost srdce a práce svalů, při kterých vzniká elektrický potenciál s větší amplitudou. 14

16 Funkční magnetická rezonance (fmri) je speciálním typem MRI měření. V principu se jedná o změnu rezonančního signálu v závislosti na úrovni mozkové aktivity měřenou pomocí tzv. BOLD (Blood-Oxygen-Level-Dependent) efektu. Vzrůstající neurální aktivita je metabolicky náročná, což má za následek zvýšenou koncentraci oxyhemoglobinu. Právě hemoglobin vykazuje rozdílné magneticko-rezonanční vlastnosti v závislosti na stupni nasycení kyslíkem. Při plném nasycení (oxyhemoglobin) se chová jako diamagnetikum zatímco deoxyhemoglobin jako paramagnetikum (Amaro, 2006). Tato neinvazivní metoda umožňuje studovat neurální aktivitu v oblastech celého mozku a nepředstavuje pro pacienta žádnou radiační zátěž. O jednofotonové emisní tomografii (SPECT) bude pojednáno zvláště v kapitole 2.2, stejně tak jako o významu snímání změny distribuce radiofarmaka emitujícího γ-záření vlivem rozdílného prokrvení při iktální a interiktální fázi v kapitole 2.3. PET pozitronová emisní tomografie stejně jako SPECT spadá do kategorie nukleárních zobrazovacích metod. Sleduje se rozložení radiofarmaka s krátkým poločasem rozpadu. Radiofarmakum je β + zářič a vlivem radioaktivní přeměny dochází k emisi pozitronů. V prostředí bohatém na elektrony dojde brzy po emisi pozitronu k anihilaci elektron-pozitronového páru a vzniku dvou kvant γ-záření. Tyto fotony mají stejnou energii, ale opačný směr šíření a jsou detekovány koincidenčními detektory. Záznam je uskutečněn pouze v případě, že oba protilehlé detektory zaznamenaly záření současně. Jako u ostatních tomografických metod výsledkem jsou tomografické řezy těla pacienta s tím, že jednotlivé voxely nesou informaci o odpovídající míře aktivity v dané jednotce. PET se v epileptologii nejčastěji využívá pro zjištění stavu metabolismu, krevního průtoku danou oblastí, distribuce benzodiazepinových a opiodních receptorů nebo farmak či ph (Vojtěch, 2005). Jako velice výhodné se ukázalo skloubení vlastností těchto dvou skupin zobrazení. Kombinace snímků dávají výborné prostorově morfologické rozlišení postižených oblastí společně s funkčními charakteristikami. Dochází tak k přesné lokalizaci těchto funkčních změn. V současné době se můžeme v nukleární medicíně setkat s PET-CT či SPECT-CT. Ve stádiu vývoje jsou systémy pracující na principu spojení nukleárního zobrazení a magnetické rezonance (Zaidi, 2006). Tyto by poskytovali lepší prostorové rozlišení a nižší radiační zátěž. Jejich konstrukční řešení je ale limitováno právě přítomností silného magnetického pole, které může zásadně ovlivňovat detekci gama fotonů. V oblasti neurologie se jako velice nadějná prosazuje kombinace EEG-fMRI. 15

17 Léčba epilepsie Metodou první volby při léčbě epilepsie je jednak nastavení režimových opatření a samozřejmě farmakologické léčba. Režimová opatření spočívají v pravidelném užívání léků, pravidelném spánkovém režimu, zákazu všech činností, při kterých by v případě záchvatu mohl být ohrožen život jak pacienta, tak jiné osoby. U sekundární epilepsie léčba směřuje k odstranění primárního onemocnění, které záchvaty vyvolalo. Volba antiepileptika se určuje podle typu epileptického syndromu a sleduje se následná kompenzace onemocnění, přičemž nedochází-li k ní, pak je antiepileptikum nahrazeno za jiné, popřípadě dochází ke kombinaci dvou či tří antiepileptik. Většina epilepsií je medikamentózně dobře kompenzována a dochází k remisi. V případě, že epilepsie je farmakorezistentní, existuje u některých typů epilepsií možnost řešení ve formě epileptochirurgie. Tento přístup ovšem vyžaduje následující podmínky - epilepsie musí být farmakorezistentní, epileptochirurgický zákrok musí přinést předpoklad zlepšení kvality života, dále musí být diagnostikována parciální epilepsie včetně lokalizace epileptogenní zóny v resekovatelné oblasti (Vojtěch, 2005). Další metodou spadající do oblasti neurochirurgického zákroku je implantace vagového stimulátoru. Stimulace nervu vagu má prokazatelný vliv na synchronizaci elektrické aktivity mozku tím, že dlouhodobě pozitivně působí na zvýšení hladiny inhibičně působící γ-animomáselné kyseliny (Novák, 2004). 16

18 2.2 Jednofotonová emisní tomografie (SPECT) Historie SPECT Historie kapitoly nukleární medicíny je nejvíce spjata se jménem maďarského fyzika, nositele Nobelovy ceny, George Hevesyho. Pokud pomineme jeho první pokusy sledovat pomocí radioaktivního značení, kde končí nedojedené maso z jeho stolu, kdy spořivost jeho paní domácí byla odhalena, když se mu na jídelní stůl vrátilo v jiné podobě, Nobelovu cenu získal za objevy spojené s růstem rostlin v radioaktivním prostředí, tedy interakcí fyziologického systému a radioaktivního olova. Nedlouho poté neurochirurg Harvey Cushing v bostonské nemocnici léčil pacienta s komplexními bolestmi hlavy a velmi zvláštním sluchovým vjemem doprovázejícím zrakové podněty. Během složité operace byla u vizuálního kortexu nalezena cévní malformace, která nemohla být odstraněna. Ovšem během dokončování operace došlo ke vzniku drobného defektu při uzavírání lebky a právě tento defekt umožnil Cushingovi poslouchat a dokonce i zaznamenávat tyto zvukové abnormality, které se objevovali při snaze pacienta použít oči ke čtení (Kelves, 1997). Tím byla poprvé úzce prokázána spojitost mezi zvýšeným krevním průtokem a aktivací mozkových funkcí. Opravdovým milníkem pro rozvoj nukleárních zobrazovacích metod byly objevy v oblasti umělých radionuklidů, zejména technecia. První SPECT (single photon emission computed tomography) přístroj byl sestrojen Kuhlem v roce 1968 a znamenal průlom ve sledování funkčních fyziologických procesů. Přístroj vznikl zdokonalením systému SPET (single photon emission tomography), jež při své činnosti nevyužíval počítač. Prvotní uspořádání tohoto přístroje využívalo stacionární kameru a rotaci samotného pacienta. V roce 1974 byl SPECT poprvé použit Lassenem ke sledování toku krve mozkem, a tím k funkčnímu mapovaní centrální nervové soustavy (Kelves, 1997). V současné době je jednofotonová emisní tomografie nepostradatelnou zobrazovací metodou. Své zastoupení má zejména v nukleární medicíně, neurologii, kardiologii či onkologii. Ve srovnání s planární scintigrafií poskytuje SPECT jednu nepostradatelnou výhodu, a tou je tomografické zobrazení. Pozitronová emisní tomografie má sice lepší rozlišovací schopnost, ale v její neprospěch oproti SPECT hovoří zejména ekonomické parametry, jako jsou vyšší pořizovací náklady a cena vhodných radionuklidů. 17

19 2.2.2 Základní pojmy užívané v nukleární medicíně - Atom je nejmenší hmotnou a chemicky nedělitelnou částicí. Skládá se z elektronového obalu a jádra s protony a neutrony. Každý atom je definován pomocí protonového a neutronového čísla. Protonové číslo udává počet protonů a neutronové zase neutronů v jádře. Celkový počet částic je reprezentován hmotnostním číslem., kde A je hmotnostní (nukleonové) číslo (A=Z+N), Z je protonové číslo, n reprezentuje náboj a y stupeň polymerizace. Dle těchto parametrů je možné atomy dále dělit do skupin se zachovaným Z, N a A číslem. Prvek je pak množina atomů se stejným protonovým číslem, nuklid je označení pro prvky se stejným Z i N. Pro skupinu prvků se stejným nukleonovým číslem A se užívá označení izobary. Pokud je prvek ve svém zastoupení tvořen několika typy jader, mají stejné protonové, ale odlišné nukleonové číslo. Hovoříme o nich jako o izotopech daného prvku. - Radioaktivita je jev spjatý s nestabilitou jádra. Principielně jde o přeměnu původního (mateřského) nuklidu na zcela jiný (dceřiný) za současné eliminace jedné čí více elementárních částic. Radioaktivní rozpad je děj zcela nahodilý a samovolný, ovšem podléhající zákonům o zachování hmotnosti, energie, nukleonového (A=A 1 +A 2 ) a protonového (Z=Z 1 +Z 2 ) čísla. Z energetického hlediska se vždy jedná o děj exoergický, jelikož při radioaktivním rozpadu dochází k uvolnění energie. Z hlediska uvolněné energie mohou nastat dva případy. Buď je dceřiný produkt po skončení reakce v základním stavu, pak je veškerá uvolněná energie vázána na kinetickou energii částice, nebo je dceřiný produkt v excitovaném stavu a při přechodu produktu na základní stav (deexcitace) dochází k vyzáření fotonů γ-záření. - Typy přeměn v závislosti na změně protonového či nukleonového čísla rozlišujeme tři základní skupiny radioaktivních přeměn. Při současné změně jak Z tak A se jedná o přeměny vázané na emisi α částic, nukleonů nebo štěpení jader. Pokud zůstane zachováno nukleonové a změna nastane u protonového čísla, jedná se o typ β přeměny. Při zachování A i Z je změna spjata s deexcitací jádra přeměny γ a vnitřní konverze. 18

20 - Aktivitou A se rozumí změna počtu radioaktivních jader vztažená na jednotku času, kde λ je přeměnná konstanta. Rozměrem aktivity je Becquerel (Bq), což představuje rozpad jednoho atomu radionuklidu za sekundu. - Poločas přeměny T 1/2 je doba, za kterou klesne aktivita právě na polovinu své původní hodnoty, stejně tak jako se přemění právě polovina atomů radionuklidu. U většiny radionuklidů vhodných pro radiofarmaka se jedná o poločasy v řádech hodin či minut z důvodu minimalizace radiační zátěže pacienta. - Biologický poločas tento časový interval udává eliminaci právě jedné poloviny radioaktivní látky z organismu za pomoci fyzikálních, fyziologických, chemických a biochemických procesů. - Efektivní poločas tento poločas zohledňuje jak vliv biologického tak poločasu přeměny vztahem (Hrazdira, 2004). - Účinky záření při průniku ionizujícího záření do živého organismu může docházet k poškození jak mechanizmem přímého účinku, tak nepřímo. Přímým účinkem se rozumí zásah a znehodnocení biomakromolekuly (např. DNA) ionizující částicí nebo sekundárním elektronem vznikajícím vlivem γ nebo RTG záření. Dalším jevem vyskytujícím se při absorpci ionizujícího záření živým organismem je radiolýza vody. Interakce jejích produktů pak mají za následek účinky nepřímé. Dále je možné dělení účinků ionizujícího záření z hlediska následků a radiační ochrany na účinky deterministické a stochastické. Deterministické jsou účinky charakterizovány jistou prahovou dávkou, po jejímž prolomení se následky dostaví s vysokou pravděpodobností. Následky se objevují brzy po ozáření a se zvyšující se dávkou roste stupeň poškození. Dochází k nim vlivem poškození nebo smrti velkého počtu buněk. Mají proto somatický charakter. Do této skupiny patří nemoc z ozáření a radiodermatitida. Naopak pro stochastické účinky prahová dávka neexistuje. Ty jsou charakterizovány určitou pravděpodobností, se kterou se vyskytují. Všechny nastupují v pozdní fázi někdy i ob generaci a stupeň poškození je nezávislý na dávce. Tento model je založen na poškození třeba i malého počtu buněk. Poškození je buď genetického, nebo somatického charakteru v závislosti na typu poškozených buněk. - Absorbovaná dávka z hlediska přenosu energie ionizujícího záření a jejich interakce s hmotou je patrné, že stejná dávka bude z hlediska možnosti poškození pro jednotlivé typy záření různá. Každý typ záření má jinou biologickou účinnost. Právě 19

21 proto je stanovena veličina ekvivalentní dávka, která zohledňuje vliv druhu záření., ekvivalentní dávka H T je dána součinem fyzikální dávky v orgánu nebo tkáni D T a radiačního váhového faktoru w R a její jednotkou je Sv (Sievert). Pokud k ekvivalentní dávce přidáme navíc tkáňový váhový faktor w T,, dostaneme efektivní dávku, zahrnující nejen vliv typu záření, ale i citlivost jednotlivých orgánů vůči ionizujícímu záření (Hála, 1998). - Radiační ochrana - radiační ochranou je systém technických a organizačních opatření k omezení ozáření fyzických osob a k ochraně životního prostředí daný zákonem č. 18/1997 Sb. (o mírovém využívání jaderné energie a ionizujícího záření - atomový zákon) a doplněn příslušnými vyhláškami SPECT principy SPECT patří do skupiny emisních, tomografických a nukleárních zobrazovacích metod. Z tohoto vyplývá, že metoda je založena na sledování aktivity radionuklidu v závislosti na jeho distribuci v těle pacienta. Zdrojem záření tvořícího obraz (informaci) je sám pacient respektive radionuklid specificky vázaný na sledovanou funkci tkáně či orgánu. Výsledným výstupem je série počítačově rekonstruovaných 2D tomografických řezů těla pacienta tvořících 3D obraz. Principy SPECT vycházejí skloubením technik planární scintigrafie a tomografických metod (např. CT výpočetní tomografie, ta je ovšem transmisní) Interakce γ-záření s hmotou Protože γ-záření nenese žádný náboj, nemůže docházet k přímé ionizaci prostředí. Jedná se o nepřímou ionizaci a absorpce je uskutečňována následujícími procesy. Pod termínem fotoefekt se skrývá první z možných způsobů interakce γ-záření s hmotou. Ve své podstatě se jedná o předání veškeré možné energie fotonu ve prospěch elektronu vázaného v elektronovém obalu. Na jedné straně zde máme zánik fotonu, jehož část energie se přeměnila na zrušení vazebné energie elektronu v elektronovém obalu, zbytek na energii kinetickou, na straně druhé prázdné místo po vyraženém elektronu. Na uvolněné místo ihned přeskočí elektron z vyšší vrstvy elektronového obalu a energetický rozdíl tohoto přechodu je 20

22 vyzářen ve formě fotonu charakteristického rentgenového záření. Nezářivým alternativním zakončením fotoefektu je předání energie elektronu ve vyšší vrstvě, jež opustí obal jak tzv. Augerův elektron. Tento efekt se uskutečňuje pro záření s nižšími energiemi, především když je tato energie jen o něco vyšší než je vazebná energie elektronů. Druhým typem interakce je Comptonův rozptyl. Jedná se o předání části energie γ fotonu volnému nebo vázanému elektronu při zachování platnosti zákona zachování energie a hybnosti. Foton interaguje s elektronem a předá mu část své energie. Následkem této interakce dochází ke změně původního směru γ fotonu. Změna energie elektronu se projeví jako energie kinetická a dle uvedeného vztahu je úměrná velikosti úhlu rozptylu., kde Δλ je změna vlnové délky dopadajícího fotonu, h/mc se nazývá Comptonova vlnová délka a φ je úhel rozptylu (Halliday, 2003). Za určitých okolností je možné, že se gama foton při průchodu látkou změní na elektron-pozitronový pár. Existují ovšem dvě nutné podmínky pro tento jev. Energie gama fotonu musí být vyšší než dvojnásobek klidové energie elektronu (2*0,51MeV) a nutná je také přítomnost atomového jádra absorbujícího část hybnosti pro platnost zákona zachování hybnosti. Po vzniku elektron-pozitronového páru v látce zůstane pouze elektron, protože pozitron krátce po vzniku anihiluje s jiným elektronem za opětovného vzniku gama záření. Ve všech těchto příkladech vzniklé částice přímo ionizují okolní prostředí do té doby, než postupně jednotlivými srážkami ztratí svoji energii. Existence dalších typů interakce γ-záření není z hlediska nukleární medicíny podstatná, ať už se jedná o vysoce energetické ionizující, jako jsou jaderný fotoefekt popř. rezonanční jaderná absorpce, nebo neionizující interakce. Míru útlumu γ-záření v látkovém prostředí lze popsat níže uvedou rovnicí. Intenzita v daném bodě I (X) se oproti původní I 0 exponenciálně zmenšuje v závislosti na lineárním absorpčním koeficientu μ a tloušťce daného materiálu x (Hála, 1998). 21

23 Detekce γ-záření Zařízení sloužící k detekci γ-záření emitovaného radionuklidem se u jednofotonové emisní tomografie, stejně jako u klasické scintigrafie, nazývá gamakamera. Většina gamakamer využívaných v nukleární medicíně vychází z principu scintilační detektorové kamery sestrojené H. Angererem v roce 1958 a její základní schéma je zobrazeno na obrázku 2. Kolimátor Scintilační krystal Fotonásobič Sumační a polohové obvody Zobrazení Obrázek 2: Schéma scintilační kamery Emitované γ-záření se po opuštění pacientova těla jako první z kaskády elementů gamakamery setká s kolimátorem. Kolimátor je zařízení sloužící k odstínění fotonů, které jsou nevhodné pro vyhodnocení rozložení radiofarmaka v těle. Pro následné přesné zobrazení je zapotřebí co nejpřesnější detekce fotonů vztažená na detekční rovinu scintilačního média. Účelu zařízení, přesnému vymezení směru fotonů průchozích k detekčnímu elementu, je docíleno clonou, respektive množstvím kanálků ve stínícím materiálu. V nukleární medicíně jsou kolimátory děleny do skupin dle svých charakteristik, jako jsou jejich geometrie (kolimátory paralelní, divergentní, konvergentní, pinhole či fanbeam). Paralelní kolimátory se dále dělí dle energie detekovaného γ-záření (E1). Dalším již detekčním elementem gamakamery je scintilační krystal nejčastěji jodidu sodného aktivovaného thaliem NaI(Th). Při průchodu γ-záření do tohoto anorganického krystalu dochází k interakci fotonu s elektrony uvězněnými v energetických pásech. Změnou jejich energie a reakcí s luminiscenčními centry dochází k emisím kvant viditelného světla. Tyto záblesky jsou z důvodu zabránění reflexních ztrát přivedeny prostřednictvím světlovodného prostředí na fotokatodu fotonásobiče. Fotonásobič je vakuová elektrosoučástka sloužící k převodu optické informace (počet fotonů je úměrný počtu scintilací a tím radionuklidem emitovaného γ-záření) na elektrický signál. Foton dopadající na fotokatodu z materiálu s nízkou výstupní prací vyráží elektron, jenž je pomocí urychlovacího napětí fokusován na první ze systému dynod. Při dopadu urychleného elektronu na dynodu dochází vlivem nízké výstupní práce materiálu dynody k emisi více 22

24 než jednoho elektronu, které jsou díky postupně se zvyšujícímu urychlovacímu napětí fokusovány na další dynodu. Tento efekt se postupně opakuje a jeden elektron emitovaný na fotokatodě se tak po průchodu systémem dynod před anodou zmnohonásobí. Posledním článkem zpracovávajícím vzniklé elektrické signály před samotným zobrazením jsou sumační a polohové obvody. Prostřednictvím těchto obvodů je možné určit jak přesnou polohu zdroje emitovaného γ-záření, tak i analyzovat jeho energii. Fotonásobič nejbližší místu vzniku scintilace zaznamená největší amplitudu impulzu, naopak tomu bude u fotonásobiče nejvzdálenějšího. Přesný systém fotonásobičů nasedajících na scintilační krystal (nejčastěji v maticové či hexagonální formaci) je tak díky svému rozložení schopen zaznamenat polohu scintilace. Sumační obvody zase sčítají jednotlivé příspěvky od všech fotonásobičů a na výstupu jsou tak schopné sdělit informaci o celkové energii uvolněné během scintilace, tedy o energii γ-záření. Tato informace slouží pro selekci pouze γ fotonů odpovídajících fotopíku gama zářiče absorpce energie ve scintilačním krystalu fotoefektem. Následkem prudkého vývoje výpočetní techniky a její implementace do všech oborů, se digitalizace uplatnila i u gamakamer a AD převodníky jsou běžnou součástí výstupu fotonásobičů. Mezi nejdůležitější parametry gamakamery patří její prostorová rozlišovací schopnost, to jest nejmenší možná vzdálenost dvou radioaktivních bodových zdrojů, které je možné detekovat a bezpečně je od sebe rozlišit. Jinak řečeno se prostorovou rozlišovací schopností rozumí šířka profilu v obraze bodového zdroje záření v polovině jeho výšky. Označuje se FWHM (full width at half maximum) a běžně se udává v milimetrech (E2) Vznik a rekonstrukce SPECT obrazu Jak již bylo zmíněno, principem zobrazovacích technik spadajících do oblasti nukleární medicíny je sledování aktivity radionuklidu vázaného v organismu. U SPECT se sledování uskutečňuje prostřednictvím akvizice skupiny jednotlivých planárních snímků pacienta pro různé úhly (uspořádání ve formě gama kamery rotující kolem těla pacienta) v rozmezí Pro usnadnění a rychlejší snímání jsou moderní SPECT přístroje vybaveny i více než jedním detektorem s možností různým nastavením jejich vzájemné pozice (Jan, 2005). Proces vzniku jednoho řezu bude vypadat následovně: gama kamera snímá aktivitu radionuklidu nad tělem pacienta v počáteční pozici pod úhlem 0, po skončení akviziční doby dojde k uložení informace do paměti počítače ve formě jednoho řádku sinogramu, 23

25 tento krok se následně opakuje pro všechny akviziční úhly. Sinogram je pomocný obraz tvořený nasnímanými signály v závislosti na úhlu akvizice jeden řádek sinogramu odpovídá jednomu snímku z jednoho akvizičního úhlu. Následná počítačová rekonstrukce těchto snímků do 2D zobrazení příčných řezů těla pacienta zobrazuje rozložení aktivity radionuklidu vázaného v těle, tkáni pacienta. Z principu tomografických technik je patrné, že místo jednoho příčného řezu bude cílem zisk jejich souboru tvořícího 3D zobrazení Filtrovaná zpětná projekce Vznik tomografických snímků z nasnímaných dat (sinogramu) se pomocí výpočetní techniky uskutečňuje prostřednictvím dvou odlišných rekonstrukčních algoritmů. Mezi analytickými metodami je pro svou jednoduchost využívána filtrovaná zpětná projekce (Filtered Back Projection). Ta vychází z nejjednoduššího zobrazení zpětnou projekcí, která neprovádí rekonstrukci v pravém slova smyslu. Postupným zpětným promítáním projekcí do virtuálních matic vzniká po jejich superpozici matice s hodnotami jednotlivých pixelů odpovídající prostorovému rozložení aktivity radionuklidu v tomografickém řezu těla pacienta (Drastich, 2004). Tento postup ovšem plně neodpovídá skutečnému rozložení, vznikají při něm, vlivem omezeného počtu projekcí a konečnému tvaru akviziční matice, artefakty hvězdicovitého tvaru, a proto je nutné jej doplnit o vhodnou filtraci. Spojením této metody s vhodným filtrem vzniká filtrovaná zpětná projekce. Následný rekonstrukční proces začíná převedením získaného signálu (jednoho řádku sinogramu) Fourierovou transformací do frekvenční oblasti, kde dochází k filtraci zesílení či zeslabení jednotlivých frekvenčních složek pomocí příslušné funkce. Poté je signál převeden zpět do prostorové oblasti inverzní Fourierovou transformací a následně dochází k zpětné projekci filtrovaných projekcí (Bruyant, 2002) Iterativní metody rekonstrukce Zcela jiným přístupem k rekonstrukčnímu procesu je algoritmus iterativních rekonstrukcí. Metoda je založena na hledání maximální možné shody mezi očekávaným modelem a skutečnými projekcemi. Celý proces je zahájen odhadem očekávaného výsledku. Pro tento první odhad se může zvolit jakýkoli obraz, ale je vhodné zvolit buď matici s konstantními hodnotami ve všech polích (nejjednodušší příklad je matice s hodnotou 0 ve 24

26 všech polích), nebo se využívá obrazu filtrované zpětné projekce. Tento prvotní odhad se v následujícím kroku převede dopřednou projekcí na jednotlivé projekce a porovnává s již naměřenými projekcemi (E2). V případě nesouladu dochází pomocí zpětné vazby ke korekci původního odhadu a tento dále vstupuje do iteračního procesu. Proces se automaticky opakuje do naleznutí maximální shody nebo do skončení určitého předem navoleného počtu iteračních cyklů. Je patrné, že oproti analytickým metodám FBP je tento model mnohem náročnější na kapacity výpočetní techniky. Naopak výhodou zůstává možnost zapojení korekcí fyzikální a statistické povahy do těchto algoritmů. - MLEM - Maximum Likelihood Expectation Maximization - OSEM - Ordered Subsets Expectation Maximization Obrázek 3: Model iterativní rekonstrukce (E2) 25

27 2.2.4 Radiofarmaka v neurologii Principy nukleární medicíny se opírají o jev radioaktivní přeměny. Radiofarmaka jsou látky, které za pomocí navázaného radionuklidu umožňují zobrazení či léčbu. Možnosti přípravy radiofarmaka jsou velice různorodé, principem je na vhodný nosič navázat stopovatelný radionuklid. Nesmí tím být ovšem narušena jeho biologická ani biochemická funkčnost. Látky nesoucí radionuklid jsou voleny přesně podle potřeby sledovaných funkčních projevů. Mohou to být jak jednoduché anorganické sloučeniny, organické molekuly, proteiny, krevní elementy, buňky, tak i složité imunochemické komplexy. Mezi základní charakteristiky radiofarmak z fyzikálního hlediska patří: - aktivita - poločas přeměny - biologický poločas - efektivní poločas - typ záření - energie záření Jednou z možností zisku radionuklidů pro výrobu stopovatelných nebo terapeutických farmak je využití možnosti nastolení radioaktivní rovnováhy mezi mateřským a dceřiným produktem v tzv. generátorech. Důležitou roli zde hrají jednotlivé poločasy přeměny jak dceřiného, tak mateřského nuklidu. Jedním z typů těchto generátorů je 99 Mo/ 99m Tc. Principielně se jedná o radioaktivní přeměnu molybdenu na metastabilní technecium, které je zdrojem snadno stopovatelného γ záření. Dalším způsobem zisku radionuklidu je ozařování neradioaktivních terčů urychlenými vysoce energetickými kladně nabitími částicemi, jež svoji energii získají v cyklotronu. Radioaktivní prvky je také možné získat díky procesům odehrávajících se uvnitř jaderného reaktoru. Jak je známo, v každé generaci štěpné reakce dohází ke vzniku jak štěpných produktů, tak neutronů. Právě pomalé, tepelné neutrony mohou proniknout do jader nuklidů a dát tak za vznik radioaktivnímu izotopu (Hála, 1998). Pro studium CBF a rcbf za pomocí SPECT se hodí radiofarmaka, jejichž koncentrace je přímo úměrná hodnotám krevního průtoku. V následující tabulce jsou vypsány. 26

28 Chemický název Zkratka Charakteristika Tc 99m hexametylproylenaninooxin Tc 99m etylcistenát dimer Tc 99m-HMPAO lipofilní sloučeniny, po průchodu hematoencefalickou Tc 99m-ECD bariérou vstupují přímo do nervových buněk I 123 isopropyl iodoamfetamin I IMP průchod přes hematoencefalickou bariéru a vazba na amfetaminové receptory neuronů Xenon 123 Xe 123 lipofilní inertní plyn Tabulka 3: Radiofarmaka pro SPECT snímání rcbf (Thrall, 1995) 27

29 2.3 SISCOM SISCOM Subtraction ictal/interictal SPECT coregistered to MRI neboli subtrakce (rozdíl) iktálního a interiktálního snímku jednofotonové emisní tomografie proloženého přes magneticko-rezonanční snímek je skvělým příkladem mezioborové fuze, skloubením několika různých modalit, které do sebe postupně zapadají, vytvářejí celek a znásobují tak informační zisk (O Brien, 1999). Rozebráním jednotlivých složek je možné objasnit jejich přínos. Iktální/interiktální SPECT je patrné, že zvýšení mozkové aktivity je spjato se zvýšeným metabolismem a tím i zvýšeným CBF v dané lokalitě. Jelikož je možné pomocí radionuklidu sledovat distribuci radiofarmaka v těle pacienta, pak právě takto můžeme onu oblast zvýšené aktivity dané látky vystopovat. Přínos radionuklidového sledování spočívá také v možnosti nejen staticky sledovat požadovanou lokalitu, ale rovněž dynamicky zachytit děj jako výsledek opakování statického snímání v různém čase, navíc obohaceného o 3D tomografické zobrazení. Zde se zapojuje další část skládanky v podobě iktálního/interiktálního rozdílu - subtrakce (Zubal, 1995). V iktální fázi, respektive v době nástupu epileptického záchvatu, dochází k rapidnímu zvýšení CBF (prokrvení) právě z potřeby zvýšeného metabolismu. K odlišení normální a patologické aktivity je potřeba zjistit, který z výsledných hyperperfundovaných regionů mozku je aktivní v době nástupu záchvatu a můžeme mu tak přiřadit funkci epileptogenní zóny. K tomuto účelu slouží právě druhý snímek, a to interiktální z období mezi záchvaty, v němž patologické ložisko aktivní v době nástupu záchvatu nenalezneme. V některých případech je možné nalézt v interiktálním období i přesný opak hypoperfuzi. Následnou subtrakcí výsledných snímků docílíme výsledného zvýraznění oblastí se zvýšenou aktivitou spjatou s nástupem a průběhem epileptického záchvatu. Podání radiofarmaka hraje pro výslednou přesnou lokalizaci důležitý faktor. Klíčové je podání radionuklidu v časné fázi epileptického záchvatu (jako počátek se většinou označuje změna EEG signálu s výskytem signifikantních znaků, nástup aury nebo motorických projevů). Některé studie se zabývají přínosem post-iktálního podaní z důvodů nesnadnosti aplikace radiofarmaka v době záchvatu nebo pro krátkou dobu jeho trvání. Interiktální snímek je vázán na minimálně 24 hodin bez záchvatu (Kaiboriboon, 2005). Pro oba tyto účely je nutné dlouhodobé monitorování pomocí video EEG snímání. Jednofotonovou emisní výpočetní tomografii je možné provádět i několik hodin po intravenózním podání radionuklidové dávky. Díky 28