Методы неинвазивного исследования тела: позитронно-эмиссионная томография, сцинтиграфия

Введение
В медицинской диагностике проходит много времени, прежде чем новая технология визуализации становится пригодной для клинической практики.
Для правильной интерпретации изображения необходимо немало дополнительных исследований. На этом этапе сейчас находится позитронноэмиссионная томография (ПЭТ) и сцинтиграфия.
В клинической практике ПЭТ используется с начала 1990-ых и в отличие от классических методов (таких как компьютерная и магнитнорезонансная томография), позволяющих получать только изображения анатомических структур и изменений в них, ПЭТ позволяет проводить количественный анализ биохимических или физиологических функций [17]. Эта информация часто позволяет выявить функциональные изменения, вызванные заболеванием, задолго до появления каких-либо морфологических изменений. В частности ПЭТ - единственный аппарат, позволяющий диагностировать опухоль на "нулевой" стадии.
Сцинтиграфия - методика радиоизотопной диагностики, позволяющая получать двумерное изображение исследуемой области после введения в организм радиофармпрепарата (РФП) и регистрации испускаемого им гамма-излучения посредством сцинтилляционной камеры. Меченные гамма-излучающими изотопом-маркером вещества способны избирательно накапливаться в определенных органах и тканях, что позволяет обнаруживать патологические очаги повышенного распределения РФП. Статическая сцинтиграфия проводится для выявления очаговых поражений. Динамическая сцинтиграфия основана на регистрации прохождения радиоактивной метки через исследуемую область, поэтому более информативна для оценки функции того или иного органа. Для проведения сцинтиграфии используются микродозы радиоактивного фармпрепарата, поэтому лучевая нагрузка на организм минимальна.
Позитронно-эмиссионная томографияПозитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), двухфотонная эмиссионная томография — радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары γ-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов, образовавшихся при позитронном β-распаде радионуклида, входящего в состав РФП, который вводится в организм перед исследованием. Метод позитронно-эмиссионной томографии позволяет при помощи детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радионуклидами и получать объёмные (томографические) изображения зон интереса. ПЭТ представляет собой неинвазивный метод определения концентраций соединений, меченных позитронными эмиттерами, в биологических тканях. Преимущество ПЭТ заключается в его высокой чувствительности, примерно на два порядка большей, чем у ОФЭКТ. Наличие среди позитронных эмиттеров радионуклидов основных элементов-органогенов (углерод, азот, кислород) позволяет использовать меченные этими радионуклидами самые разнообразные биологически активные соединения, содержащиеся в нормально функционирующем живом организме. ПЭТ – метод, который позволяет выявлять отклонения от нормы в функционировании систем, например, головного мозга, даёт врачу возможность связывать и количественно оценивать наблюдаемые патологические отклонения с дисфункцией биохимических и/или физиологических параметров. Основные радионуклиды, используемые в клинических исследованиях, это углерод 11C, азот 13N, кислород 15O и фтор 18F, поскольку эти химические элементы есть почти во всех соединениях в теле человека. Перспективными также считаются 64Cu, 72Ac, 89Zr, 86Y, 76Br, 82Sr, 68Ga, 45Ti, 43Sc и 82Rb. Предпочтение отдают позитронным эмиттерам с низкой максимальной энергией β+-частиц, что позволяет повысить пространственное разрешение изображения. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) – это трёхмерный визуализирующий лучевой метод исследования, основанный на способности радиоактивного изотопа накапливаться в тканях, обладающих высокой метаболической активностью. Метод ПЭТ выявляет участки с повышенной активностью обмена веществ, которые свойственны злокачественным опухолям. Благодаря этому свойству опухоли становятся заметными на изо- 284 бражениях ПЭТ-сканах. ПЭТ используется в клинической медицине для получения изображений, как отражающих анатомическое строение ткани, так и отражающее их физиологические функции [2,5,6,7]
Позитронная эмиссионная томография обеспечивает визуализацию протекания биологических процессов in vivo с высоким пространственным
разрешением. Используя набор радиоактивных меток-трасеров, являющихся радиоактивными изотопами природных элементов постоянно присутствующих в организме (11C, 13N, 15O, 18F), получают трёхмерные изображения диагностируемых органов. Эти трасеры и природные заменители, а также лекарства, меченные радионуклидами, моделируют естественные сахара, протеины, воду и кислород, находящиеся в человеке. Позитронный эмиссионный томограф позволяет установить местоположение трассера и получить изображения на уровне клеточной биологической активности.
К преимуществам ПЭТ относится количественная оценка параметров физиологических и биохимических процессов, высокая чувствительность и хорошая разрешающая способность метода, а также малая радиационная нагрузка на пациента [3,4].
ПЭТ позволяет получать функциональные изображения, отражающие процессы жизнедеятельности органов и тканей организма человека на
молекулярном уровне, включая метаболизм глюкозы и утилизацию кислорода, интенсивность кровотока, концентрацию и сродство специфических рецепторов и др. Методом ПЭТ можно исследовать многие функции организма. Следует только выбрать химическое соединение, критически важное для осуществления этой функции.
ПЭТ полезна для выявления опухолей, различения добрых и злокачественных опухолей, определения стадий рака, а также для контролирования реакции на радио- и химиотерапию. ПЭТ всего тела позволяет улучшить определение стадии рака в момент диагностики, а сканирование позволяет исключить удалённые метастазы. Врачи могут отслеживать реакцию пациента на терапию с помощью ПЭТ и корректировать при необходимости режим лечения [1,3].
К возможностям ПЭТ относится ранняя диагностика заболеваний до появления структурных изменений, оценка эффективности лечения, замена серии исследований одним наиболее информативным, прогнозирование результатов хирургического лечения и выявление метастаз, приводящее к изменению тактики лечения.
В 1931 г. Ворбург обнаружил, что злокачественные опухоли отличаются повышенным уровнем потребления глюкозы. В 1977 г. Соколов предложил измерять локальный уровень метаболического потребления глюкозы в мозгу крыс с помощью дезоксиглюкозы меченной радиоактивным изотопом углерода. Фелпс в 1979 г. измерил тот же параметр у людей с помощью дезоксиглюкозы меченной радиоактивным изотопом фтора 18F (фтородезоксиглюкозы). Фтордезоксиглюкоза (ФДГ) является аналогом
глюкозы на нескольких этапах ее метаболизма, но, в отличие от глюкозы, метаболизм ФДГ прекращается преждевременно и её продукт накапливается в тканях. Радиоактивный 18F (Т=109 мин) распадается, испуская позитрон, β+. Эти работы и заложили основы позитронной эмиссионной томографии, которая теперь располагает большим разнообразием РФП, меченных радионуклидами – позитронными излучателями: 11С, 13N, 15O, 18F, 68Ga, 82Rb, 124J и др [1,3,5].

Рис. 1. Шприцы для инъекции РФП в методе ПЭТ (вольфрамовая защита).
ПЭТ включает производство радионуклидов и радиохимический синтез меченых фармпрепаратов, получение изображений (введение РФП в тело пациента, позитронный распад + анигилляция, вылетевшие в разные стороны γ-кванты пронизывают тело пациента (некоторые фотоны взаимодействуют с биологической тканью), фотоны входят в детектор (некоторые взаимодействуют с материалом детектора), зарегестрированные фотоны спаривают в акты совпадения), сохранение всех событий в виде синограммы), анализ данных (коррекция данных с учётом физических эффектов, реконструкция изображения, интерпретация результатов диагностики).
Первым этапом ПЭТ исследования является производство радионуклида. Радиохимическая стадия (синтез РФП) включает маркировку выбранной молекулы испускающим позитроны радионуклидом и подготовку состава препарата в форме, пригодной для введения в пациента. Далее осуществляется транспортировка лекарственной формы из лаборатории к месту проведения исследования, введение РФП в организм пациента, сканирование радиационного поля вокруг пациента, получение изображения и других данных ПЭТ, компьютерный анализ результатов – пространственно-временное восстановление концентрационного поля РФП, и, наконец, интерпретация результата, выдача диагноза и рекомендаций лечения [1,5,6].
Для проведения исследования малое количество РФП внутривенно или путём ингаляции вводят пациенту. РФП начинает циркулировать в кровяном русле и достигает, например, ткани головного мозга или сердечной мышцы, затем он поступает в клетки и распределяется в них. Спустя некоторое время его концентрация в тканях измеряется сканером, достаточно чувствительным для обнаружения даже небольшого количества радиоактивного вещества. Как только происходит аннигиляция, томограф регистрирует локализацию изотопа и вычисляет его концентрацию [1,3,4,5].
Рис. 2. Схема основных операций в ПЭТ
У изотопов, используемых в ПЭТ, элемент, образующийся в результате позитронного распада, является стабильным (не радиоактивным). Все радионуклиды для ПЭТ претерпевают позитронный распад. Позитрон, испущенный распадающимся ядром, проходит короткое расстояние, прежде чем столкнется с электроном атома [1,4,5,6].
Рис. 3. Информация, получаемая в методе ПЭТ.
Сцинтиляционные детекторы настроены на регистрацию фотопика от излучения с энергией 0,511 МэВ. Регистрируемые противоположно направленные γ-лучи, возникающие в результате распада позитрония, называются линией совпадения (LOR). Каждая линия регистрирует именно те два γ-кванта, которые участвовали в акте аннигиляции. Томограф регистрирует эти лучи, означающие, что позитронная аннигиляция произошла где-то на данной линии совпадения [2,6].
Линии совпадения используются в схеме регистрации для формирования томографических изображений на позитронном томографе. Эти данные реконструируют, получая карту интенсивности радиоактивного распада внутри объекта (реконструкция пространственного распределения молекулярного зонда). Полученные изображения анализируются с целью выявления аномалий в интенсивности радиационного поля. Области повышенной (или пониженной) концентрации позитронного молекулярного зонда свидетельствуют о ненормальном функционировании органа.
Когда гамма-лучи с энергией 511 кэВ взаимодействуют с кристаллами сцинтиллятора, они преобразуются в фотоны света. Процессы преобразования и регистрация происходят практически мгновенно друг за другом, что позволяет сравнить события сцинтилляции с противоположных детекторов (вдоль большого количества линий совпадений). Детектируются только совпадающие события, разность по времени между которыми не превышает 10 нс. Два детектора, представленные на рис. 6, определяют линию совпадения (трубку, LOR) вдоль которой в каком-то месте произошла аннигиляция. Каждая зарегистрированная пара фотонов представляет собой такую линию, и совокупность таких линий отображает физиологическую активность ткани.
Детекторы кольцеобразно располагаются вокруг исследуемого объекта. Томограф может быть оборудован пятнадцатью (а то и больше) такими кольцами для одновременной томографии нескольких поперечных срезов. Каждый детектор работает в режиме регистрации совпадений со множеством расположенных напротив друг друга детекторов, определяя совпадения на нескольких углах (расходящийся пучок). Кроме того, при любом заданном угле, может быть определено множество выборок [2,3,5].
Компьютер получает данные о событиях совпадения, зарегистрированных в угловых и линейных положениях, воссоздает пространственно-временную конфигурацию интенсивности гаммаполя (точнее – дозового поля) вокруг исследуемого объекта, и выдаёт информацию в виде изображений (одного или нескольких, снятых в последовательные моменты времени). Затем компьютер решает обратную задачу, обеспечивая переход от пространственного распределения интенсивности (скорости счёта детекторов) гамма-поля к пространственному распределению источников излучения – молекул меченного радионуклидом зонда (сначала – в плоскости сканирования, а затем – во всем пространстве (по данным всех пятнадцати колец). При наличии центров повышенной абсорбции зонда (очагов поражения) осуществляется локализация таких центров (находятся все три пространственные координаты очагов), рассчитываются его размеры и форма, а также концентрация зонда в очаге (в динамических вариантах выдаётся зависимость количества зонда в опухоли от времени) [1,2,4].
При наличии нескольких близкорасположенных очагов, заслоняющих друг друга, предпринимаются меры по улучшению пространственного разрешения методики.
Позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ) – это прибор, регистрирующий в режиме совпадений γ-излучение двух γ-квантов с энергией 511 кэВ, образующихся при аннигиляции электрона среды и позитрона, излучаемого при распаде β+-радиоактивного изотопа.
Позитронно-эмиссионный томограф измеряет локальную концентрацию следовых количеств радиоактивного изотопа, введённого в объект, помещённый в поле зрения ПЭТ-камеры [2].
Как уже упоминалось, в аппаратуре для ПЭТ датчики аннигиляционного γ-излучения организованы в несколько плотно упакованных колец с минимальным расстоянием, как между ними, так и между кольцами.
Если два детектора одновременно зарегистрируют сигнал (т.е. происходит «совпадение»), можно утверждать, что точка аннигиляции находится на линии, соединяющей детекторы. Этот факт позволяет отказаться
от использования для определения направления полёта γ-квантов свинцовых коллиматоров (как это принято в ОФЭТ), которые существенно ослабляют эффективность детектирования за счет уменьшения числа доступных для регистрации направлений движения γ-квантов. Отличие ПЭТ от других методов томографии заключается в использовании принципа электронной коллимации, что увеличивает разрешающую способность прибора при введении меньших доз РФП. Отсечка незначительного числа γ-квантов, отклонившихся от прямой траектории при столкновении с ядрами других атомов (явление рассеяния), а также случайных совпадений происходит во время предварительной обработки данных путём задания энергетического и временного окон регистрации [3].
Рис. 4. Внешний вид ПЭТ-томографа
Аппаратура для ПЭТ содержит 24÷32 кольца с детекторами γ-излучения, причём каждое такое кольцо содержит сотни сцинтиллирующих кристаллов, что обеспечивает реализацию нескольких миллионов линий отклика (LOR). Высокопроизводительная гамма-камера обладает большим полем обзора, и изменяемой геометрией детекторов, что позволяет выполнять планарную и ПЭТ визуализацию, а также ОФЭКТ для кардиологических исследований [4].
В детекторе для ПЭТ обычно используется сцинтиллятор на основе Bi4Ge3O12 (германганат висмута, BGO), который обеспечивает большую эффективность счёта, чем BaF2. С другой стороны, BaF2 имеет более быстрое время высвечивания, что делает его лучше пригодным для приложений, где необходимо хорошее разрешение по времени. В ПЭТ/КТ устройствах применяют сцинтилляционные детекторы на основе монокристаллов оксиортосиликата лютеция (Lu2SiO5, LSO).
ПЭТ томограф позволяет проводить исследования не только одного органа или анатомической области (головной мозг, сердце, молочная железа и т.п.), но и любых по протяженности анатомических областей, включая исследования всего тела [2,3,5,6].
Клинический ПЭТ должен поддерживать широкий диапазон скоростей счёта без существенных потерь в разрешающей способности и линейности. В исследованиях с высокими скоростями счёта, такими как кардиоисследования с 82Rb, необходимы высокие активности РФП. При таких высоких активностях могут происходить потери в разрешении из-за наложения событий. Для большинства ПЭТ-систем приемлемым является внутреннее разрешение 6 мм по всем пространственным направлениям. При таком разрешении после реконструкции могут быть получены высококачественные изображения с конечным разрешением 8 мм. Относительно однородное разрешение и дискретизация делает их пригодными к проведению трёхмерной визуализации. Это важно, например, при проведении кардиоисследований, где существует необходимость ориентировать данные вдоль длинной оси.
Производители медицинского диагностического оборудования, стремясь сделать метод ПЭТ доступным для клиник разного уровня, предлагают ПЭТ-сканеры с различными характеристиками и качеством получаемых изображений. К ним относятся томографы с конструкцией детекторов в виде сплошного и незамкнутого кольца, гаммы-камеры двойного назначения с двумя либо с тремя детекторными головками, работающие в режиме совпадений и однофотонного детектирования, а также ПЭТсканеры, совмещенные с многосрезовыми компьютерными томографами (КТ). Такие аппараты позволяют за одно исследование получать функциональные (ПЭТ) и анатомические (КТ) данные [2.3.5.6].
Недостаток ПЭТ – бедная анатомически информация изображений, что сильно затрудняет локализацию выявленных патологических очагов.
Для преодоления этого был создан совмещенный ПЭТ/КТ прибор, позволяющий одновременно проводить два исследования. ПЭТ/КТ совмещает изображения этих диагностических способов и позволяет на одном срезе получить анатомическое изображение с наложенной на него картой метаболических процессов. Система ПЭТ/КТ предназначена для диагностики в области онкологии, кардиологии и неврологии. Благодаря большой апертуре гентри удаётся легко разместить пациентов любого телосложения [1,2,4].
Рис. 5. Совмещение методов ПЭТ и КТ.
Рис.6. Результаты одновременного использования ПЭТ и КТ.
Для ПЭТ-визуализации в томографе часто используется кольцевая система с набором детекторов, которая обеспечивает трёхмерное сканирование и позволяет получать 81 плоскость изображений в аксиальном поле обзора размером 16,2 см. Для КТ-визуализации в томографе используется система, поддерживающая полный спектр высокоэффективных возможностей многосрезового спирального КТ-сканирования. Конфигурация базируется на сверхскоростной технологии скользящего кольца и вращающейся системе трубка-детектор. Сверхпроизводительная рентгеновская трубка позволяет осуществлять сбор проекционных данных при скорости вращения 0,37 с на один полный 360О оборот; количество одновременно сканируемых срезов до 64-х за одно вращение с изотропным пространственным разрешением 0,4 мм. Полная трёхмерная реконструкция линии отклика(LOR) точно определяет положение РФП [2,3,5,6].
Снимки ПЭT-КТ, сочетающие функциональные и анатомические клинические данные, позволяют улучшить диагностику, планирование и контроль в онкологии. ПЭТ-КТ на 100% отображает обмен веществ в клетках и тканях организма и процессы изменения органов. Преимуществом ПЭТ-КТ является возможность сканирования всего тела сразу. Система позволяет с высокой точностью определять опухоли и степень их распространения, степень поражения органов, выявляет опухоли на ранней стадии развития, распознает злокачественность и определяет степень прогрессирования.
Рис. 7. Система ПЭТ/КТ томографов.
Однократное использование ПЭТ-КТ позволяет подробно исследовать все органы, одновременно уменьшив радиационную нагрузку на пациента. Поэтому данный аппарат считается самым безопасным [3,5].
Доза радиации всего тела 7 мЗв (при КТ только одного участка тела доза радиации 8 мЗв). Период полураспада используемых радиоактивных веществ от 10 мин до 2 ч, поэтому все они быстро выводятся из организма.
Комбинация ПЭТ и КТ связывает в единое целое преимущества обеих диагностических систем. На комбинированном снимке КТ представляет своего рода трёхмерную анатомическую карту человеческого тела, на которой наложена сверху картина ПЭТ, которая точно выявляет области ткани с повышенной биологической активностью. В настоящее время метод ПЭТ/КТ является самым высокоинформативным в онкологии. С его помощью можно достоверно выявить и изобразить довольно мелкие раковые структуры. Одновременно ПЭТ/КТ измеряет величину опухолевых образований. Этот диагностический метод помогает также распознать возможный рецидив – новый рост раковой опухоли – намного раньше, чем при использовании обычных методов диагностики. Особенным преимуществом комплексной диагностики является точная локализация нужного фрагмента органа перед операцией удаления опухоли или при заборе ткани для уточнения диагноза. Метод применяется и при планировании облучения опухоли. С его помощью возможно объективное и детальное наблюдение за изменениями опухоли после лучевой или химиотерапии, что позволяет судить об успехе стратегии лечения [3,6,7].
РадиофармпрепаратыПотенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений — радиофармпрепаратов (РФП). Именно выбор подходящего РФП позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, лиганд-рецепторные взаимодействия, экспрессию генов и т. д. Использование РФП, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому разработка новых РФП и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов в настоящее время становится ключевым этапом в развитии метода ПЭТ [6,7].
На сегодняшний день в ПЭТ в основном применяются позитрон-излучающие изотопы элементов второго периода периодической системы:
углерод-11 (T½= 20,4 мин.);
азот-13 (T½ = 9,96 мин.);
кислород-15 (T½ = 2,03 мин.);
фтор-18 (T½ = 109,8 мин.).
Фтор-18 обладает оптимальными характеристиками для использования в ПЭТ: наибольшим периодом полураспада и наименьшей энергией излучения. С одной стороны, относительно небольшой период полураспада фтора-18 позволяет получать ПЭТ-изображения высокой контрастности при низкой дозовой нагрузке на пациентов. Низкая энергия позитронного излучения обеспечивает высокое пространственное разрешение ПЭТ-изображений. С другой стороны, период полураспада фтора-18 достаточно велик, чтобы обеспечить возможность транспортировки РФП на основе фтора-18 из централизованного места производства в клиники и институты, имеющие ПЭТ-сканеры (т. н. концепция сателлитов), а также расширить временны́е границы ПЭТ-исследований и синтеза РФП [5,7].
ПЭТ-сканирование с использованием фтордезоксиглюкозы (ФДГ-ПЭТ) широко используется в клинической онкологии. Этот трассер представляет собой аналог глюкозы, который поглощается клетками, использующими глюкозу, и фосфорилируется гексокиназой (чья митохондриальная форма значительно повышается при быстрорастущих злокачественных опухолях). Обычная доза ФДГ, используемая при онкологическом сканировании, создаёт эффективную дозу облучения 14 мЗв при однократном применении. Поскольку для следующего этапа метаболизма глюкозы во всех клетках необходим атом кислорода, который заменён фтором-18 для синтеза ФДГ, дальнейших реакций с ФДГ не происходит. Кроме того, большинство тканей (за исключением печени и почек) не могут удалить фосфат, добавленный гексокиназой. Это означает, что ФДГ задерживается в любой клетке, которая его поглощает, пока она не распадается, поскольку фосфорилированные сахара из-за их ионного заряда не могут выйти из клетки. Это приводит к интенсивному радиоактивному мечению тканей с высоким поглощением глюкозы, таких как мозг, печень и большинство видов рака. В результате, ФДГ-ПЭТ можно использовать для диагностики, постановки и мониторинга лечения злокачественных опухолей, особенно при лимфоме Ходжкина, неходжкинской лимфоме и раке лёгкого [2,5].
СцинтиграфияВ радионуклидной терапии визуализацию органов осуществляют путем сканирования и сцинтиграфии.
Сканирование радионуклидное — метод радионуклидного исследования основанный на получении двумерного изображения, отражающего распределение радиофармацевтического препарата в организме. В клинической практике используется для исследования почек, печени, легких, щитовидной железы, поджелудочной железы, головного мозга, скелета и др [2].
Исследование проводят с помощью сканера. Импульсы излучения регистрируются построчно движущимся детектором, а затем трансформируются в штриховые отметки на бумаге.
Штриховые строчки, постепенно заполняя поле регистрации, образуют сканограмму. По плотности штриховки и ее распределению судят о степени накопления РФП препарата в различных участках изучаемой области.
Первоначальная оценка сканограмм осуществляется путем визуального анализа изображения. При этом определяют положение, форму и размеры области накопления РФП, выявляют особенности его распределения, равномерность и интенсивность накопления. При анализе сканограмм специально выявляют зоны избыточного или недостаточного накопления РФП, обусловленные наличием функционирующих (поглощающих) или не функционирующих (не поглощающих) участков в органе [4].
При профильном сканировании один или два датчика сканера движутся над исследуемой областью в одном линейном направлении. При этом вместо штрихового изображения исследуемого органа вычерчивается кривая, отражающая распределение РФП в теле пациента в направлении движения датчика. Профильное сканирование применяют для изучения распределения РФП в теле пациента с целью поиска клинически неопределяемых метастаз и для обнаружения крупных патологических очагов [4,6].
Статическая сцинтиграфияОсновное направление радионуклидной диагностики — визуализация распределения РФП как во всём организме, так и в отдельных органах или тканях. Метод назван сцинтиграфией, т.к. способ регистрации построен на эффекте сцинтилляции – образовании световых вспышек при взаимодействии γ-излучения с кристаллофосфорами. В основе сцинтиграфии лежит избирательное накопление и выведение РФП исследуемым органом [5,6,7].
Сцинтиграфия – метод радионуклидного исследования внутренних органов, основанный на визуализации с помощью сцинтилляционной гаммы-камеры распределения введенного в организм РФП. При сцинтиграфии всегда используют РФП, меченные γ-излучающими радионуклидами, поэтому её называют также гамма-сцинтиграфией. Сцинтиграфия позволяет изучить топографию органа, выявить в нём морфологические, функциональные и метаболические нарушения [2,3,4].
При сцинтиграфии внутривенно, через дыхательную или пищеварительную систему вводится меченый радионуклидом препарат. Он накапливается в органах и тканях, из которых начинает исходить γ-излучение, считываемое гамма камерой, в результате чего получается двухмерная картинка, называемая сцинтиграммой.
Рис. 3. Последовательность операций в методе сцинтиграфии.
Различают статическую сцинтиграфию скелета, всего тела, щитовидной железы, шеи, лёгких, печени и селезёнки, головного мозга, грудной клетки, почек и др [5,6].
Диагностический аппарат для сцинтиграфии состоит из следующих узлов:
а) сцинтилляционно-детектирующего устройства, осуществляющего преобразование γ- или β-излучения в энергии световых квантов и затем – в электрические сигналы;
б) усилителя электрических импульсов, поступающих со сцинтилляционно-детектирующего устройства;
в) амплитудного анализатора импульсов – устройства, которое способствует дифференцированию поступающих с усилителя сигналов;
г) устройства регистрации и представления информации – преобразователя сигналов дифференциального дискриминатора в цифровую, графическую или визуальную информацию;
д) специализированного или универсального компьютера для управления процессом сбора данных и их обработки.
Прибором для регистрации излучения от РФП в процессе исследования является сцинтилляционная камера (гамма-камера) [3,5,6,7].
Гамма-камера сцинтилляционная – медицинский прибор для радиоизотопной диагностики. Представляет собой многоканальный коллиматор; на выходе каждого из каналов установлены ФЭУ, сигналы которых обрабатывают на компьютере. После введения в организм препарата, меченного радиоактивными изотопами, с помощью гамма-камеры можно получить на экране картину распределения препарата в исследуемом органе, а также наблюдать в динамике процесс его выведения.
Гамма-камера предназначена для визуализации и исследования кинетики накопления РФП во внутренних органах и физиологических системах организма пациента. Она регистрирует количество фотонов, испускаемых исследуемым органом, и формирует карту вспышек каждого из них в пространстве, строя изображение органа. Статические изображения отображают данные, полученные в конкретной точке в течение исследования, динамические изображения отображают изменения результатов измерения с течением времени [3,6,7].
К характеристикам гамма-камеры относится полезное поле видения детектора, степень неоднородности поля видения, энергетическое разрешение, пространственное разрешение, нелинейное искажение, быстродействие гамма-камеры. Обычно гамма-камера обеспечивает хорошее пространственное разрешение и высокую скорость визуализации γ-излучения от РФП, введенного в организм пациента. В сочетании с компьютером гамма-камера позволяет проводить все основные виды радиоактивных in vivo исследований [2,5,7].
Гамма-камера состоит из детектора (большого сцинтилляционного кристалла, обычно из NaJ(Tl)), световода, набора ФЭУ, сменных свинцовых многоканальных коллиматоров и блока аналоговых электронных устройств, обеспечивающих определение координат и амплитуд сигналов, компьютера и консоли оператора. Система для диагностики всего тела требует наличия подвижного детектора, который проходит вдоль тела пациента, либо подвижного стола, который движется под неподвижным детектором.
Во избежание погрешностей, привносимых излучением от посторонних источников, детектор помещают в защитный кожух, выполненный из свинца или его сплавов. Пространство, с которого на детектор поступает излучение, ограничивается и формируется сменными диафрагмами (коллиматорами) из свинца, которые имеют разную форму в зависимости от типа исследования. Толщина свинцовой защиты зависит от применяемых изотопов. Излучение должно ослабляться защитой в 1000 раз. Для излучения с энергией 140 кэВ достаточно свинцовой защиты толщиной 10 мм, а для энергии 500 кэВ необходимо 50 мм [2,5,6,7].
Поступающие через отверстия в коллиматоре γ-кванты от РФП, распределенного в теле пациента, возбуждают в кристалле световые вспышки — сцинтилляции. ФЭУ преобразуют фотоны видимого излучения в импульс тока, который регистрируется спектрометрической аппаратурой.
Амплитуда импульса пропорциональна поглощённой в сцинтилляторе энергии γ-кванта, поэтому возможно отделение от фона вспышек, вызванных γ-квантами с энергией, характерной для используемого маркера [2].
Каждый изотоп имеет максимальную интенсивность в определённом диапазоне энергии (это область называется фотопиком). Для получения высокой эффективности счёта необходимо регистрировать те импульсы, амплитуда которых соответствует области фотопика. Эту задачу выполняет анализатор, пропускающий импульсы, амплитуда которых находится в диапазоне энергий (окне), заданном исследователем. С выхода анализатора стандартизированные по длительности и амплитуде импульсы поступают на устройство регистрации. В одном приборе может быть несколько анализаторов, соединенных параллельно, но работающих с разными режимами дискриминации. Это позволяет раздельно регистрировать различные диапазоны энергии, а, следовательно, получать информацию о количестве разных изотопов, находящихся одновременно в поле зрения устройства [2,4].
Сборка ФЭУ осуществляет восстановление координат вспышки, что позволяет измерить пространственное распределение маркера в теле пациента. Данные поступают в компьютер, который формирует и выводит на дисплей изображение — сцинтиграмму.
Важным узлом детектора является коллиматор, который позволяет избежать искажений получаемых сцинтиграмм. Расположенный перед кристаллом коллиматор позволяет чётко визуализировать тот или иной орган, поскольку падающие под некоторым углом к центральной оси его отверстий γ-кванты поглощаются свинцовыми перегородками и не достигают кристалла. В гамма-камерах используются многоканальные (параллельные, дивергентные, конвергентные) и одноканальный «pin hole» коллиматоры. В зависимости от примененного коллиматора могут существенно изменяться такие параметры, как поле видения гамма-камеры, её чувствительность и разрешающая способность, поэтому выбор коллиматора является важным этапом исследования [4,5].
При выполнении обследования необходимо располагать пациента на минимальном расстоянии от коллиматора для того, чтобы повысить пространственное разрешение полученных сцинтиграмм.
В зависимости от способа регистрации излучений все приборы делят на шесть групп:
1) медицинские радиометры – для регистрации относительной радиоактивности в органе или в пробах биологических сред (радиометрия
щитовидной железы, гормонов в крови и др.);
2) медицинские радиографы – для регистрации динамики перемещения РФП в организме с представлением информации в виде кривых (ренография, гепатография, кардиография и др.);
3) дозкалибраторы – для измерения абсолютной величины активности РФП, вводимой пациенту;
4) счётчики всего тела – для измерения общей активности РФП в теле пациента (оценка тканевого этапа йодного обмена и т.п.)
5) сканеры, профильные сканеры – для регистрации распределения РФП в органе или теле больного с представлением данных в виде изображения или кривых;
6) сцинтилляционная γ-камера, оснащенная компьютером – для регистрации динамики перемещения и распределения РФП с одновременным получением на дисплее ЭВМ изображения органа и кривых, отражающих его функцию [2,5,6].
Наиболее распространённым методом клинической диагностики является статическая изотопная визуализация в плоскости, называемая планарной сцинтиграфией. Планарные сцинтиграммы представляют собой двумерные распределения, т.е. проекции трёхмерного распределения активности изотопов, находящихся в поле зрения детектора. В отличие от рентгенографии, в которой точно известно начальное и конечное положения каждого рентгеновского луча, в планарной сцинтирафиипри визуализации радиоизотопного источника можно определить положение лишь регистрируемого γ-излучения. Следовательно, для получения изображения необходимо применять систему коллимации, позволяющую выделять направление прихода γ-квантов. Способ коллимирования излучения бывает механическим (например, с использованием свинцовых экранов) или электронным [3,4].
Современная сцинтилляционная гамма-камера оснащена компьютером, в памяти которого хранятся изображения распределения РФП в исследуемой области. Программное обеспечение содержит большое количество протоколов для обработки изображения. Наиболее распространенными функциями являются: сглаживание изображения, нормализация и интерполяция; соединение и вычитание изображений; вычитание фона; увеличение контраста; циклический показ последовательности изображений (режим кино); реконструкция и отображение зоны интереса; построение и отображение графиков и гистограмм [2,3,4].
Рис. 9. Обследование больного методом сцинтиграфии.
Ряд методик статической сцинтиграфии основан на получении диагностической информации по повышенному накоплению РФП в патологическом очаге. Например, при метастатическом поражении скелета РФП распределяются в метастазах в большем количестве, чем на других участках, что отображается на сцинтиграммах в виде «горячих» очагов. Сцинтиграфия с остеотропным РФП во многих случаях позволяет обнар?