Gamma-kamera SPECT PET 2012.04.16.
Gamma sugárzás • Elektromágneses sugárzás (f>1019Hz, E>100keV (1.6*10-14J), λ<10-12m) • 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 – angol fizikus, kémiai Nobel-díj 1908 ("az elemek bomlásának kutatásáért és a radioaktív anyagok kémiájában elért eredményeiért") • 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)
γ-sugárzás előállítása • α- és β-bomlás kísérője • magizomerek alapállapotba jutása – Co → Ni* → Ni – 99mTechnécium → 99Technécium magizomer: elemek melyeknél az atommagok azonos összetételűek de eltérő energiaállapotúak.
2
Hevesy György (1885–1966) • • • •
vegyész (kémikus) felismerte az izotópok nyomjelző képességét (1913) kémiai Nobel-díj (1943) a radioaktív nyomjelzési technika kidolgozásáért. felfedezte a 72. sorszámú kémiai elemet, a Hafniumot (1922). Radioaktív nyomjelzési technika – ha egy vegyület valamelyik atomját annak sugárzó izotópjával helyettesítjük, a kapott "radioaktívan jelzett" anyag kémiailag és biológiailag az eredeti, nem sugárzó vegyülettel azonosan viselkedik.
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 felezési idő ~ 6 óra PMT
Szcintillációs kristály(NaI; CsF; BaF2; Bi4Ge3O12)
Szcintillációs kristály
kollimátor 10-12
p:piko – E:exa - 1018
(latin collimare, colineare: törekedni arra, hogy valami egyenes legyen)
3
Gamma-kamera • Hátrány: – alacsony érzékenység (nagy veszteség a kollimátoron). – Rossz térbeli felbontóképesség (1.8 cm / 5 cm (detektortól való távolság)).
• Előny: relatíve olcsó
Tomográfia • • • •
tomē - szeletelni graphē - írni „tomos” – réteg, sík szelet tomogram – egy fizikai paraméter értékének a metszeti síkban/rétegben érvényes eloszlása • Tomográfiai módszerek: CT, MRI, PET
4
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 és nem invazív 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
5
PET Pozitron Emissziós Tomográfia
Történeti háttér • 1973 – St. Louis (USA, Missouri) Washington Egyetem Edward J. Hoffman & Michael Phelps üzembe helyezi az első PET készüléket
6
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!
7
pozitron •
•
Elemi részecske: olyan részecske, mely tovább nem bontható. • szubatomos részecske • atommag ← proton + neutron ← kvarkok Az elektron ellenanyaga: • • •
azonos tömeg (9.1*10-31kg) azonos nyugalmi energia (0.51MeV=8.2*10-14J) azonos nagyságú de eltérő előjelű töltés (+1.6*10-19C)
Az első bizonyított ellenanyag („antimatter”). Chung-Yao Chao (diák a “Caltech”-en) - 1930: először fogott be pozitront elektron-pozitron annihiláció útján. • Előállítása: • •
• •
Párképződés pozitron emisszió (β bomlás)
• Létezését először Paul Dirac vetette fel 1928-ban egyenletei alapján. • Carl D. Anderson – 1932: elnevezte a pozitront. • Felhasználása: PET.
Pozitronok keletkezése • Párképződés • β-bomlás
8
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
9
β+ bomló anyagok 11 6 13 7 15 8 18 9
C N O F
124 53 82 37
I
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
Rb
PET feltételei • PET készülék (~1milliárd Ft) • Ciklotron (részecskegyorsító) az izotópok előállítására (~1milliárd Ft) • Onkológiai központ (85-90% onkológiai beteg)?!?!?
10
A PET laboratórium egységei
PET módszer alapja Detektor gyűrű Koincidencia kör (t<20ns)
fotoelektron sokszorozó Szcintillációs kristály CsFBaF2Bi4Ge3O12-
180o 0.511MeV
Detektor blokk
annihiláció
11
PET módszer alapja Detektor gyűrű Koincidencia kör (t<20ns)
180o 0.511MeV
Annihiláció !!!!!!
Indikációi • Onkológia – fej és nyaki neopláziák, tüdőtumor, pajzsmirigyrák, nyelőcsőrák, végbélrák, ….
emlőrák,
• Kardiológia – szívizom életképesség vizsgálata (szívizom infarktuskardiális FDG-PET), myocardiális perfúzió
• Neuropszichiátria – Refrakter epilepszia, Huntington-chorea
dementia,
Parkinson-kór,
12
FDG használata (2-[18F]-fluoro-2-deoxy-D-glucose) FDG szintézis – iv beadás – detektálás Sejtek anyagcseréjének intenzitása - cukorfelvétel – Daganatos sejt – fokozott növekedés, alacsony hatékonyság: • Membrán glukóz transzporterek fokozott expressziója • Glukózanyagcsere enzimeinek fokozott expressziója → fokozott FDG felvétel
– Szívizomsejtek életképességének vizsgálata – Központi idegrendszeri sejtek funkciójának megítélése (Parkinson-kór)
FDG a daganatok diagnosztikájában • • • •
Korai felismerés, lokalizáció, kizárás Primer tumor megtalálása Távoli metasztázisok kimutatása Rosszindulatúság fokának megítélése (rosszabb indulat – fokozottabb cukorfelhasználás) • Rosszindulatú és jóindulatú daganat elkülönítése • Elhalt és aktív daganat elkülönítése (terápiás válasz kiértékelése) • Stádium besorolás („staging”)
13
PET előnyei és hátrányai • • • • • • • • •
metszetképalkotó eljárás (3D) Az élő szervezet működéséről, funkciójáról informál (anyagcserefolyamatok) Korai diagnózis (szerkezeti változás előtt) nem invazív 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)
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
14
Vége!
15
