Nukleáris medicinai technikák alapjai: Gamma- kamera, SPECT, PET

Átírás

1 Nukleáris medicinai technikák alapjai: Gamma- kamera, SPECT, PET Dr. Kengyel András Miklós ALAPELVEK A nukleáris medicina az orvostudomány radioaktív izotópokkal foglalkozó ága. Radioaktív izotópokat a diagnosztikában, mint speciális nyomjelzőket alkalmaznak, amelyek a páciensbe juttatva felhalmozódnak a szervezet meghatározott pontján, az általuk kibocsátott sugárzás pedig egy testen kívüli detektorral észlelhető. Terápiás céllal is juttatnak radioaktív izotópokat a szervezetbe, hogy lokálisan sugározva például rosszindulatú sejteket pusztítsanak, ilyenkor az alkalmazott izotóp aktivitása több nagyságrenddel nagyobb, mint a diagnosztika esetén. (Például pajzsmirigy szcintigráfia esetén az alkalmazott 131 I izotóp aktivitása 0,15 0,37 MBq, míg hipertireózis kezelése során MBq, pajzsmirigyrák kezelése során MBq aktivitást alkalmaznak 1.) GAMMA- KAMERA Gamma- sugárzás A gamma- sugárzás nagy energiájú, nagy áthatolóképességű elektromágneses sugárzás, ami radioaktív bomlás során keletkezik. Mivel a gamma- foton töltéssel nem rendelkezik, nyugalmi tömege pedig nulla, a közeg atomjaival nehezen lép kölcsönhatásba, lineáris ionizációs képessége alacsony, ezért nagy az áthatolóképessége. A gamma- sugárzás a közeg atomjaival kölcsönhatásba lépve fotoeffektus, Compton- szórás vagy párkeltés révén képes átadni energiáját. (Részletesebben e jelenségek leírását lásd Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal handout - I. Félév és Röntgen- CT handout - II. félév). Gamma- sugárzás gyakorlatilag gyengítetlenül halad át a szöveteken és csak a magas rendszámú elemek képesek hatékonyan abszorbeálni, mint például az ólom vagy a szcintillációs kristályt alkotó tallium. Alkalmazott izotópok Gamma- sugárzás általában α- vagy β- bomlást követően keletkezik. Mivel az α- és β- sugárzás elnyelődik a beteg szöveteiben (ionizáció révén károsítva azt), célszerű olyan izotópokat alkalmazni, amelyek a betegben már tisztán csak gamma- sugárzást bocsájtanak ki. Ilyen például a metastabil izotóp, ahol a β- bomlás már megtörtént a testbe való bejuttatás előtt és a gamma foton a magas energiájú atommag izomer magátalakulása során bocsájtódik ki. 1 Adatok forrása: Zámbó Katalin, PTE Nukleáris Medicina Intézet, Multimodalitású képalkotás jelentősége az endokrin diagnosztikában c. előadás 1/10

2 ! " Gerjesztett( állapotú Alap0 állapotú Másik lehetőség az olyan típusú izotóp, ahol K- befogás történik, itt az elektron csak az elsődleges és másodlagos elektronhéjak között vándorol, de nem hagyja el az atomot. e! foton Az alkalmazott izotópok felezési ideje ideális esetben néhány órától néhány napig tart, így kényelmesen bejuttatható a szervezetbe, de hamar le is bomlik. Sugárzási energiája a kev energiatartományba esik (ha alacsonyabb energiájú, elnyelődik a szövetekben; ha magasabb, áthatol a detektoron is). Izotóp Bomlás típus Felezési idő 99mTc (metastabil Technécium) Izomer magátalakulás 6 óra 123I (Jód) K- befogás 13 óra 201Tl (Tallium) K- befogás 72 óra 131I (Jód) Izomer magátalakulás 8 nap 1. Táblázat Gamma kamerás vizsgálat során alkalmazott leggyakoribb izotópok Gamma- sugárzás detektálása Gamma- sugárzást szcintillációs detektorral lehet észlelni. A szcintillációs számláló egy nagy rendszámú, nagy sűrűségű pl. talliummal aktivált nátrium- jodidot (NaI(Tl)) tartalmazó anyag, egy ún. szcintillácios kristály segítségével fogja meg a gamma fotonokat. A kristályba becsapódó nagy energiájú gamma fotonok az anyaggal kölcsönhatásba jutva fényfelvillanást ( szcintillációt ) okoznak. A fényfelvillanás intenzitása (vagyis a keletkezett fény- fotonok száma) arányos a becsapódó gamma- foton energiájával. A fény- foton energiája már lényegesen kisebb és egy fotokatódba csapódva foteffektus révén energiáját teljesen elveszítve egy elektront szabadít ki a katód anyagából. Ez az elektron sorba kapcsolt dinódák között felsokszorozódik és a végén egy mérhető elektromos jelet ad. (A szcintillációs detektor felépítését és működését részletesebben lásd a Biofizika gyakorlatok jegyzetben.) 2/10

3 kristály fotodioda gamma foton elektron fény dinoda 1. Ábra A szcintillációs detektor felépítése A Gamma- kamera felépítése és működése Szervezetbe juttatott gamma- sugárzó izotóp detektálására szolgáló diagnosztikai műszer a gamma- kamera A beteg előkészítése A vizsgálat kezdetén a betegbe gamma- sugárzó izotópot juttatnak, ami az anyag farmakodinámiás tulajdonságai alapján eloszlik a megfelelő szövetekben. Mivel a sugárzás detektálása nagy érzékenységű vizsgálat, az alkalmazott izotóp kis mennyisége nem befolyásolja az élettani folyamatokat. Kollimátor Gamma- kamerás vizsgálat során feltérképezhető az adott radioaktív izotóp lokalizációja illetve a dúsulás mértéke. Mivel a bejuttatott izotóp pontszerű sugárforrásként a tér minden irányába bocsájt ki fotonokat, fontos a sugárforrás pontos helyének lokalizálása. Ez a szcintillációs detektor elé helyezett kollimátorral oldható meg. A kollimátor egy ólom rács, ami csak a furatok tengelyén keresztül haladó sugárzást engedi át, a szög alatt érkezők elnyelődnek a furatok falában. A furatok mérete alapvetően meghatározza a gamma- kamera geometriai hatékonyságát, vagyis a detektálás hasznos térszögét, ami minden esetben felbontás és a jel- intenzitás kompromisszuma. Minél pontosabb a lokalizáció, azaz jobb a térbeli felbontás, annál kevesebb foton jut át a kollimátoron, annál kisebb lesz a kapott jel intenzitása. A nagyon pontos lokalizáció hátránya, hogy az optimális jelintenzitás eléréséhez nagyobb aktivitású izotópot kell használni. Fotoelektron- sokszorozó Kristály Kollimátor A B 2. Ábra A) Kollimátor B) Fotoelektron- sokszorozók aktiválódása 3/10

4 Detektor A kollimátoron átjutó gamma fotonok becsapódnak a nagyméretű szcintillációs kristályba és ott fényfelvillanást okoznak. Az egykristályra számos (kb. 100 db) fotoelektron- sokszorozó illeszkedik, amelyek közül egy időben több is képes érzékelni a fényfelvillanást (egykristály= folytonos rácsszerkezetű kristály, amelyben az atomok meghatározott geometriai rendben helyezkednek el). A fotoelektron- sokszorozókba érkező jel intenzitása attól függ, milyen messze helyezkednek el a fényfelvillanás helyétől. A kimeneti elektromos jelek a mátrix- áramkörbe jutnak, ahol a feldolgozás után meghatározható a foton energiájával arányos intenzitás, illetve annak térbeli XY koordinátája. Képalkotás Az analóg elektromos jeleket a számítógép digitális jelekké alakítja és az intenzitásnak megfelelően színskálát rendel mellé. A koordináta információkból meghatározható a sugárforrás két dimenziós vetülete, az intenzitás értékekből pedig a minta aktivitása Gyakorlati alkalmazások A gamma- kamerás vizsgálat lehet statikus vagy dinamikus. Az első esetben meg kell várni, amíg az izotóp eloszlik és beáll az egyensúly, míg a második esetben az egymást követő felvételek segítségével a radiofarmakon vándorlása időben is követhető. A vizsgálat korlátozódhat egy szervre vagy régióra (pl. a 131 I izotóppal végzett pajzsmirigy szcintigráfia), de akár az egész testet is lehet egyszerre vizsgálni (pl. a 99m Tc- DMSA foszfát- analóggal végzett csont- szcintigráfia során). Immunszcintigráfia során radioaktívan jelölt antitestet alkalmaznak, amelyek nagyon specifikusan és nagy érzékenységgel jelölik ki a keresett objektumot (pl. rejtett helyzetű, kisméretű primer tumort). Az izotópot általában intravénásan juttatják be a szervezetbe (perfúziós szcintigráfia), de be is lehet lélegeztetni radioaktív gázt (pl. 133 Xe, ventillációs szcintigráfia). A két módszer jól kombinálható például a tüdő vizsgálatánál, ahol a módszerrel elkülöníthető egy kórkép keringési vagy légúti eredete. 4/10

5 A B C D E 3. Ábra Példák a szcintigráfia gyakorlati alkalmazására. A) 99m TC- DMSA csont- szcintigráfia B) Immunszcintigráfia C) 131 I Pajzsmirigy- szcintigráfia D) 201 Tl szívizom perfúziós szcintigráfia E) Kombinált 133 Xe- ventillációs / 201 Tl- perfúziós szcintigráfia tüdő vizsgálata során. SPECT Single- photon emission computed tomography, vagyis egyfoton kibocsájtásos számítógépes rétegfelvétel a gamma- kamera működési elvén alapuló funkcionális izotóp diagnosztikai módszer. A két- dimenziós képet adó gamma- kamerához képest az előrelépést az jelenti, hogy a sugárzás detektálása több irányból történik, így három- dimenziós kép rekonstruálható. A szcintillációs detektorok egy forgó állványon helyezkednek el a páciens körül és jellemzően irányból mérik a sugárzást. A számítógépes rekonstrukció során meghatározható a sugárforrás helyzete és intenzitása, vagyis a radiofarmakon térbeli akkumulációja, amiből digitálisan tetszőleges irányú szeleteket lehet előállítani. A vizsgálat hosszadalmas: 3-6 fokonként léptetve a detektort, másodpercig tartó felvételek esetén a teljes adatgyűjtés percig tart. 4. Ábra Az emberi agy SPECT vizsgálat segítségével készült rekonstruált, három- dimenziós funkcionális térképe. ( 5/10

6 POZITRON EMISSZIÓS TOMOGRÁFIA (PET) Pozitronok keletkezése és megsemmisülése Párkeltés és pozitív béta- bomlás A pozitronok pozitív töltéssel rendelkező elemi részecskék, amelyek az elektron antirészecskéi. Pozitronok keletkeznek a párkeltés során, amikor a nagy energiájú gamma fotonok hirtelen lefékeződnek az atomi erőtérben és a foton energiája egy elektron- pozitron, anyag- antianyag párt hoz létre. Ezenkívül pozitronok keletkeznek pozitív béta- bomlás során, ahol a mag protonja neutronná, pozitronná és neutrínóvá alakul át, a pozitron pedig elhagyja az atommagot. Pozitív béta bomlás a természetben nem, csak mesterséges radioaktív izotópok esetén jöhet létre, akkor, ha az atommagban a neutronok száma kevesebb az optimálisnál. A szabad proton önmagában stabil, nem tud elbomlani. A magátalakulás során az atom rendszáma eggyel csökken, a tömegszáma nem változik. Mivel a neutron tömege nagyobb, mint az elbomló protoné, ez azzal magyarázható, hogy a mag fölösleges energiája alakul a neutron többlettömegévé. A B 18 F (pozitron emitter) g foton (0.51 MeV) pozitron (e + ) e + (pozitron) p n + e + u g foton (0.51 MeV) elektron (e - ) 5. Ábra A) Pozitív béta bomlás B) Pozitron- elektron annihiláció Pozitron- elektron annihiláció Az atommagból kiszabaduló pozitronok meglehetősen rövid életűek (~10-10 s), néhány milliméteren belül összeütköznek valamelyik atomhéjon található elektronnal és egy anyag antianyag reakció során kölcsönösen megsemmisítik egymást, két nagy energiájú gamma fotont létrehozva. Az annihiláció során érvényben marad a töltésmegmaradás, hiszen a nettó 0 töltés nem változik. A tömeg- energia ekvivalencia elv értelmében a pozitron és az elektron tömege két gamma foton energiájává alakul, tehát sem a tömeg, sem az energiamegmaradás törvénye nem sérül. A lendületmegmaradás viszont csak abban az esetben teljesülhet, ha az ütközés pillanatában fennálló 0 impulzus nem változik, tehát a létrejövő két foton azonos tömeggel és sebességgel, de ellentétes irányba távozik. Töltés megmaradás: e + + e ˉ = 2 γ 0 Energia megmaradás: Tömeg megmaradás: m (e + ) c 2 + m (e ˉ) c 2 = 2 h f Lendület megmaradás: 0 = m v 1 + m v 2 cos 180 PET vizsgálat során az annihilációt követő gamma sugárzást detektálják. 6/10

7 Az annihilációs sugárzást alkotó gamma fotonpár: koincidens (egyidejűleg keletkezett), kolineáris (egy vonalban halad), ellentétes irányú, 0,511 MeV energiájú. A PET felépítése és működése A beteg előkészítés PET vizsgálat során pozitron bomló izotópot juttatnak a beteg szervezetébe. Ilyen izotópok előállítása ciklotronban történik, ami limitálja a PET diagnosztikai egységek létrejöttét. A beadott izotópok perc alatt jutnak el a szervezet megfelelő helyére. Amikor az egyensúly beállt, akkor történhet a sugárzás detektálása. Izotóp Felezési idő Hatótávolság vízben Alkalmazott vegyületek 18F ~110 perc 1 mm [ 18 F]- Fluorodezoxiglükóz (FDG) 11C ~20 perc 1,1 mm [ 11 C]- Metionin 13N ~10 perc 1,4 mm 13N 2 15O ~2 perc 1,5 mm 15O 2; [ 15 O]- Víz; [ 15 O]- Szén- dioxid 2. Táblázat A leggyakrabban alkalmazott könnyű PET izotópok és vegyületeik A PET készülék A PET készülék gyűrűszerűen elrendezett detektorokból áll, amelyek közepébe tolják be a pácienst. A készülékben több gyűrű, gyűrűnként detektor található. Két tetszőleges detektor a gyűrűn belül és a gyűrűk között úgynevezett koincidencia áramkörön keresztül kapcsolódik össze. Egy koincidencia áramkör akkor szolgáltat kimenő jelet, ha a két összekapcsolt detektor egyidejűleg kap jelet, vagyis egy időben két gamma- foton érkezik két detektorba. (A két aktivált detektor nem feltétlenül a detektorgyűrű átellenes pontján helyezkedik el. Jóllehet az annihilációs sugárzás két egymással ellentétes irányú gamma- sugárzást eredményez, az általában nem a gyűrű középpontjában történik.) Annihiláció Kolineáris gamma fotonok Detektor Koincidencia áramkör 6. Ábra Példák a detektorpárok aktiválására azonos pontból, különböző irányokba haladó kolineáris fotonok esetén 7/10

8 A koincidencia áramkör időfelbontása ns nagyságrendbe esik, vagyis ezen időtartamon belül érkező fotonpárt érzékeli egyidejűnek. Magától értetődő, hogy nem centrális elhelyezkedésű sugárforrás esetén a két egy időben keletkező gamma- foton különböző utakat tesz meg a detektorig, vagyis valamekkora időkülönbséggel érkeznek, de ez mérés szempontjából elhanyagolható. Vegyük példának az 6. Ábra jobb oldali esetét. Legyen a két gamma foton úthossza 10 és 50 cm a detektorig. Felhasználva, hogy az elektromágneses sugárzás fénysebességgel terjed, ami cm/s, a detektorokig megtett idő: 0,33 ns és 1,66 ns. Könnyű belátni, hogy az időkülönbség egy nagyságrenddel kisebb, mint a készülék időfelbontása. A koincidencia áramkörökből kimenő jel áthalad még egy energia- diszkriminátoron, ami csak az 0,511 MeV energiájú fotonok jelei engedi át, ezzel csak az annihilációs sugárzás nagy energiájú fotonjai kerülnek feldolgozásra. Képalkotás A detektorpárokba érkező jeleket a számítógép dolgozza fel és értékeli ki. A koincidencia egyenesek metszéspontja megadja a sugárforrás helyét, ami közvetlenül az annihiláció, közvetve a pozitron sugárzó izotóp akkumulációjának néhány mm- es körzetét jelenti. A metszéspontokon keresztülhaladó koincidencia egyenesek száma arányos az adott térpontból jövő sugárzás intenzitásával (ami arányos a felhalmozódott izotóp mennyiségével). Az intenzitás értékhez színskála rendelhető, így a radiofarmakon eloszlása egy adott szeletben kirajzolható. A radiofarmakon lokalizálásához PET esetén nincs szükség ólomkollimátorra, ami a fotonok jelentős részét elnyeli, ezért az érzékenysége nagyságrendekkel jobb, mint a gamma- kamera vagy a SPECT készülékek esetén. Természetesen a gamma sugárzás kölcsönhatásba tud lépni a szövet atomjaival mielőtt elérné a detektort, ezért a kapott képet korrigálni kell a különböző szövetek abszorpciós együtthatójával. A B 7. Ábra A) Koincidencia egyenesek metszéspontja megadja az izotóp felhalmozódásának a helyét. B) Izotóp akkumuláció mértékét színkódoltan megjelenítő digitális kép. 8/10

9 Képalkotási hibák Bármennyire is specifikusak a detektorok az annihilációs sugárzás érzékelésére, a hibás jelfeldolgozás nem zárható ki teljesen. Ezek oka lehet például a gamma- foton szóródása a szervezet atomjain (szóródásos koincidencia), két különböző esemény véletlen egybeesése (random koincidencia) vagy több egyidejű esemény hibás párosítása (multiplex koincidencia). Ilyenkor a megszerkesztett koincidencia egyenes nem a sugárforrás helyén fog keresztül haladni. Valódi koincidencia Szóródási koincidencia Random koincidencia Multiplex koincidencia Gyakorlati alkalmazás Indikáció: a vizsgálat előnyei A PET vizsgálat nagy érzékenységű, funkcionális vizsgálati módszer. Segítségével a kóros folyamatok még azelőtt kimutathatóak, hogy morfológiai elváltozást okoznának. Az alkalmazott izotópokkal élettani folyamatokat: anyagcserét, gázcserét lehet követni, dinamikus vizsgálatokkal a folyamatok időbeli lefolyásáról is információhoz lehet jutni. A leggyakrabban alkalmazott izotópok a [ 18 F]- FDG glükóz analóg, amit a sejtek képesek felvenni, de lebontani már nem; illetve a [ 11 C]- Metionin aminosav analóg. Előbbivel a szénhidrát felvétel, utóbbival a fehérjeszintézis vizsgálható. Ennél specifikusabb például a [ 11 C]- Flumazenil (benzodiazepin receptor antagonista) alkalmazása, amivel pszichiátriai kórfolyamatok követhetőek. Normál agyi [ 18 F]- FDG- scan Alacsony grádusú astrocytoma [ 18 F]- FDG- PET [ 11 C]- Metionin- PET 8. Ábra Normál és kóros agyi funkciók vizsgálata. Az astrocytoma (glia sejtes agydaganat) térségében megfigyelhető a csökkent szénhidrát felvétel, illetve a fokozott fehérjeszintézis. 9/10

10 A PET, mint diagnosztikai módszer általában akkor választandó, ha más, kevésbé megterhelő vizsgálat nem járt eredménnyel. A vizsgálat jól meghatározott esetekben olyan többletinformációhoz juttatja a kezelőorvost, ami a gyógyítási stratégia elkészítéséhez mással nehezen, vagy egyáltalán nem pótolható. Az alkalmazás korlátai: hátrányok A PET rendkívül költség- és eszközigényes módszer: a sikeres beavatkozáshoz elengedhetetlen az elérhető közelségben lévő pozitron- bomló izotópokat előállító ciklotron. A vizsgálat hosszadalmas és bonyolult, komoly beteg- előkészítést igényel. A vizsgálati eredmény önmagában általában nem eléggé informatív, más morfológiai módszerekkel szükséges kombinálni. Különösen ionizáló sugárzással dolgozó módszerekkel (pl. CT) együtt alkalmazva nagy sugárterhelésnek teszi ki a beteget. Felhasznált irodalom Balkay László, Orvosi leképezéstechnika. Debreceni Egyetem, x.html S. Cherry and M. Dahlbom, PET: Physics, Instrumentation, and Scanners. New York, NY: Springer, /10