Gamma-kamera SPECT PET 2011.04.17.
Gamma sugárzás • Elektromágneses sugárzás (f>1019Hz, E>~50keV (6.6×10-15J), λ< 3×10-11m) • 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 (E1:100 keV-10 MeV) + elektron → foton (E2<E1, megváltozott irány) + kilökődött elektron
• Párképződés – foton (E>1.02MeV=2*0.51MeV) + atommag elektromos mezője → elektron-pozitron pár (1.02MeV feletti energia →Ekinetikus)
Tömeg-energia ekvivalencia E=mc2 (Albert Einstein 1905) elektron, pozitron: 9.1×10-31kg * (3×108m/s)2 = 8.2×10-14J = 511179.4 eV = 0.51 MeV párképződés: Efoton>1.02MeV → e- + e+ + Ekinetikus Ekinetikus = Efoton − 1.02MeV Annihiláció (megsemmisülés): elektron + pozitron → 2 foton (Emin = 2*0.51MeV)
2
γ-sugárzás előállítása • α- és β-bomlás kísérője • magizomerek alapállapotba jutása – Co → Ni* → Ni – 99mTc → 99Tc 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: jelölt vegyület.
radioaktív
izotópokkal
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+ + n0) • azonos kémiai és biológiai tulajdonságok • de eltérő fizikai tulajdonságok (radioaktív izotópok) •
pl.
Prócium: 1H (rövidebb jelölése: H) - 99,985 % 2H
(rövidebb jelölése: D) Deutérium: 3 Trícium: H (rövidebb jelölése: T)
(1p + Øn + 1e) (1p + 1n + 1e) (1p + 2n + 1e)
4
Gamma-kamera Gamma fotonok detektálására alkalmas eszköz (2D leképezés). Gamma sugárzás: (f>1019Hz, E>100keV (1.6*10-14J), f<10-12m) Szcintigráfia. Gamma sugárzó radioaktív izotópok detektálása. • 99mTc (metastabil Technécium izotóp) nagy energiájú gamma sugárzás kibocsátása féléletidő ~ 6 óra PMT
Szcintillációs kristály(NaI; CsF; BaF2; Bi4Ge3O12)
Szcintillációs kristály
kollimátor p:piko – 10-12 E:exa - 1018
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 (99mTc; 123I; 131I; 133Xe). 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 10-31kg), azonos nyugalmi energia (0.51MeV = 8.2 x 10-14 J), azonos nagyságú de eltérő előjelű töltés (+1.6 x 10-19C). • 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-
atommag foton
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) 1 0
n →11p + + 00e − + ν ( antineutrínó )
1 1
p + →01n + 00e + + ν ( neutrínó )
137 55
22 11
− Cs→137 56 Ba + e + ν
22 Na →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 6 13 7 15 8 18 9
C N O F
124 53 82 37
I
Rb
izotóp
Felezési idő (t1/2)
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
oxigén anyagcsere
Oxigén anyagcsere mérése
F-18
110 perc
Deoxiglükóz (FDG: 18fluoro-deoxyglukóz)
glükózanyagcsere
Anyagcsere változás, tumorok
I-124
4.15 nap
Tumorok, reziduumok detektálása
Pajzsmirigy vizsgálata
Rb-82
25 nap
Szívizomszövet vérátáramlásámak megváltozás
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)
180o 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
