Gamma-kamera SPECT PET 2011.04.17. Gamma sugárzás Elektromágneses sugárzás (f>10 19 Hz, E>~50keV (6.6 10-15 J), λ< 3 10-11 m) gamma-bomlás (atommag alacsonyabb energiájú állapotba történő átmenetét kísérő foton kibocsátás) - többnyire az α- és a β-bomlást kíséri ionizáló sugárzás Paul Ulrich Villard, francia kémikus-fizikus fedezte fel 1900-ban miközben rádiummal dolgozott 1903-ban Ernest Rutherford nevezte el atommag által kibocsátott sugárzás röntgen sugárzás:elektronátmenetek által kiváltott sugárzás 1
γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Fotoelektromos hatás foton (E~50keV) + elektron kilökődött elektron Compton effektus (szóródás) foton (E 1 :100 kev-10 MeV) + elektron foton (E 2 <E 1, megváltozott irány) + kilökődött elektron Párképződés foton (E>1.02MeV=2*0.51MeV) + atommag elektromos mezője elektron-pozitron pár (1.02MeV feletti energia E kinetikus ) Tömeg-energia ekvivalencia E=mc 2 (Albert Einstein 1905) elektron, pozitron: 9.1 10-31 kg * (3 10 8 m/s) 2 = 8.2 10-14 J = 511179.4 ev = 0.51 MeV párképződés: E foton >1.02MeV e - + e + + E kinetikus E kinetikus = E foton 1.02MeV Annihiláció (megsemmisülés): elektron + pozitron 2 foton (E min = 2*0.51MeV) 2
γ-sugárzás előállítása α- és β-bomlás kísérője magizomerek alapállapotba jutása Co Ni * Ni 99m Tc 99 Tc magizomer: elemek melyeknél az atommagok azonos összetételűek de eltérő energiaállapotúak. Nukleáris medicína Nukleáris Medicina: Nyílt radioaktív készítmények gyógyászati célú felhasználásával foglalkozó szakterület. Nyílt radioaktív készítmény: Olyan radioaktív összetevőt tartalmazó készítmény, amely a felhasználáskor a környezetével elkeveredhet ill. kémiai reakcióban is részt vehet. Radiofarmakon: radioaktív izotópokkal jelölt vegyület. http://www.nmc.dote.hu/nmtk/ 3
Tomográfia tomos réteg, sík szelet tomogram egy fizikai paraméter értékének a metszeti síkban/rétegben érvényes eloszlása Tomográfiai módszerek: CT, MRI, PET Izotópok Izotóp = azonos hely (a periódusos rendszerben) Azonos rendszám (p + ) eltérő tömegszám (p + + n 0 ) azonos kémiai és biológiai tulajdonságok de eltérő fizikai tulajdonságok (radioaktív izotópok) pl. Prócium: 1 H (rövidebb jelölése: H) - 99,985 % (1p + Øn + 1e) Deutérium: 2 H (rövidebb jelölése: D) (1p + 1n + 1e) Trícium: 3 H (rövidebb jelölése: T) (1p + 2n + 1e) 4
Gamma-kamera Gamma fotonok detektálására alkalmas eszköz (2D leképezés). Gamma sugárzás: (f>10 19 Hz, E>100keV (1.6*10-14 J), f<10-12 m) Szcintigráfia. Gamma sugárzó radioaktív izotópok detektálása. 99m Tc (metastabil Technécium izotóp) nagy energiájú gamma sugárzás kibocsátása féléletidő ~ 6 óra PMT Szcintillációs kristály(nai; CsF; BaF 2 ; Bi 4 Ge 3 O 12 ) Szcintillációs kristály p:piko 10-12 E:exa - 10 18 kollimátor Gamma-kamera Hátrány: alacsony érzékenység (nagy veszteség a kollimátoron). Rossz térbeli felbontóképesség (1.8 cm / 5 cm (detektortól való távolság)). Előny: relatíve olcsó 5
SPECT Single Photon Emisson Computed Tomography Képalkotó eljárás mely a gamma kamera által rögzített, több szögből (360 ) felvett 2D képeket rekonstruálja számítógép segítségével. Eredmény: 3D kép. Szükséges: gamma sugárzó izotóp ( 99m Tc; 123 I; 131 I; 133 Xe). Felvétel ideje ~ 15-20 perc (javítható többdetektoros rendszerrel) Hátrány: rossz térbeli felbontó képesség (~1cm) Előny: relatíve olcsó Használat: - szívizom funkciójának vizsgálata (CO; MI diagnózisa) - agyi funkció vizsgálata SPECT hátrányai alacsony érzékenység (nagy veszteség a kollimátoron). rossz térbeli felbontó képesség (~1cm) Hosszú lehet a mérési idő (a detektor pozícionálása miatt). Sugárterhelés! Gamma sugárzás - égési sebek, daganat, genetikai mutációk 6
PET Pozitron Emissziós Tomográfia komputertomográfia Történeti háttér 1973 St. Louis (USA, Missouri) Washington Egyetem Edward J. Hoffman & Michael Phelps üzembe helyezi az első PET szkennert 7
Definíció A PET olyan, a nukleáris medicina körébe tartozó tomográfiai, képalkotó eljárás, amely a szervezetben zajló funkcionális folyamatokat képes 3D kép vagy térkép formájában ábrázolni pozitront emittáló izotóppal jelölt jelzőmolekulák eloszlásának vizsgálatán keresztül. - anyagcsere folyamatok kvantitatív mérése! Definíció A PET olyan, a nukleáris medicina körébe tartozó tomográfiai, képalkotó eljárás, amely a szervezetben zajló funkcionális folyamatokat képes 3D kép vagy térkép formájában ábrázolni pozitront emittáló izotóppal jelölt jelzőmolekulák eloszlásának vizsgálatán keresztül. - anyagcsere folyamatok kvantitatív mérése! 8
pozitron Elemi részecske: olyan részecske, mely tovább nem bontható. - szubatomos részecske - atommag proton + neutron kvarkok Az elektron ellenanyaga (azonos tömeg(9.1 x 10-31 kg), azonos nyugalmi energia (0.51MeV = 8.2 x 10-14 J), azonos nagyságú de eltérő előjelű töltés (+1.6 x 10-19 C). Az első bizonyított ellenanyag ( antimatter ). Chung-Yao Chao (diák a Caltech-en) - 1930: először fogott be pozitront elektron-pozitron annihiláció útján. Létezését először Paul Dirac vetette fel 1928-ban egyenletei alapján. Carl D. Anderson (elméleti fizikus) 1932: felfedezte és elnevezte a pozitront. Előállítása: - párképződés - pozitron emisszió (β bomlás) Felhasználása: PET. Pozitronok keletkezése Párképződés β-bomlás 9
Pozitronok keletkezése I. Párképződés e - foton atommag e + Párképződés előfeltétele, hogy a foton energiája legalább 1.022 MeV legyen (0.511MeV az elektron nyugalmi tömegéhez rendelhető energiamennyiség.) Gamma sugárzás nagy energiájú fotonok (E>100 kev). Pozitronok keletkezése II. β + sugárzás (magsugárzás) n p + e + ν 1 1 + 0 0 1 0 ( antineutrínó) 137 55 Cs 137 56 Ba + e +ν p n+ e + ν 1 + 1 0 + 1 0 0 ( neutrínó) 22 11 Na 22 10 Ne + + e +ν 10
Annihiláció (megsemmisülés) foton 1 e - e + + 180º foton 2 Párképződés ellentéte: 1e - + 1e + 2 foton 180º β + bomló anyagok 11 6C 13 7 N 15 8O 18 9 F 124 53 I 82 37 Rb izotóp Felezési idő (t 1/2 ) jelzőmolekula Mit mutat ki felhasználás C-11 20 perc aminosavak aminosavanyagcsere Anyagcsere változások, tumorok N-13 2 perc ammónia vérátáramlás Szívizom életképessége O-15 10 perc O-15 jelzett gázok F-18 110 perc Deoxiglükóz (FDG: 18- fluoro-deoxyglukóz) oxigén anyagcsere glükózanyagcsere I-124 4.15 nap Tumorok, reziduumok detektálása Rb-82 25 nap Szívizomszövet vérátáramlásámak megváltozás Oxigén anyagcsere mérése Anyagcsere változás, tumorok Pajzsmirigy vizsgálata Koszorúér betegségek 11
PET feltételei PET készülék (~1milliárd Ft) Ciklotron (részecskegyorsító) az izotópok előállítására (~1milliárd Ft) Onkológiai központ (85-90% onkológiai beteg)?!?!? A PET laboratórium egységei 12
PET módszer alapja Detektor gyűrű Koincidencia kör (t<20ns) 180 o 0.511MeV annihiláció Mire jó? Diagnózis Terápiás válasz kiértékelése 13
Indikációi Onkológia fej és nyaki neopláziák, tüdőtumor, emlőrák, pajzsmirigyrák, nyelőcsőrák, végbélrák,. Kardiológia szívizom életképesség vizsgálata (szívizom infarktuskardiális FDG-PET), myocardiális perfúzió Neuropszichiátria Refrakter epilepszia, dementia, Parkinson-kór, Huntington-chorea PET előnyei és hátrányai metszetképalkotó eljárás Az élő szervezet működéséről, funkciójáról informál (anyagcserefolyamatok) Korai diagnózis (szerkezeti változás előtt) Abszolút egységekben skálázható gyengítési korrekciós faktor (kalibrálás) Gyenge térbeli felbontóképesség (4-6mm) (SPECT-nél jobb) Nem szolgáltat struktúrális információt képfúziós eljárások (PET-CT) drága a telepítés (1+1 milliárd Ft) Drága a vizsgálat (800-1200 /vizsgálat) 14
PET Magyarországon Debreceni Orvostudományi Egyetem 1994 január 26. MGC20 ciklotron (ATOMKI) GE4096 teljes test szkenner Budapest, Országos Idegsebészeti Tudományos Intézet 2005. május 26. PET-CT Vége! 15