Pozitronová Emisní Tomografie PET Jiří Kvita, MFF UK

Pozitronová Emisní Tomografie PET

18.12.2007

Jiří Kvita, MFF UK

1

PET – Positron Emission Tomography • Krásný příklad kombinace fyziky, chemie, biologie, medicíny a počítačové rekonstrukce obrazu. • Fyzika: princip, detektor. • Chemie: příprava vhodného radiofarmaka, jeho kinetika. • Biologie: metabolismus a lokalizace zvýšeného záchytu radiofarmaka. • Medicína: množina diagnóz, která se pozitivně zobrazí. • IT: zpracování a rekonstrukce obrazu. • Diagnostická metoda spadající pod nukleární medicínu. • V ČR je několik pracovišť: Nemocnice na Homolce (Praha), Plzeň, Masarykův onkologický ústav Brno, Olomouc; Bratislava. • O čem budu mluvit: základní principy, hrátky s rekonstrukcí obrazu. • Tomography - (řecky τόμος - řez; γραφεῖν - zaznamenat)

18.12.2007


2

PET – Princip • β+ zářič emituje pozitron, který lokálně annihiluje s elektronem a vznikne pár opačně letících fotonů. • p → n e+ ve. • e+e- → γγ. • Současná detekce dvou fotonů 180°od sebe: koincidence. • Klidová energie elektronu: mc2 = 511keV – energie každého z fotonů. • Pro srovnání: základní stav atomu vodíku: 13.6eV • Červené světlo: • Dostatečně vysoká energie, aby foton opustil tělo, ale také aby zvládl v případě absorpce působit jako škodlivé ionizující záření.

18.12.2007


3

PET – Radioizotopy a radiofarmaka • Jaké jsou vhodné radioizotopy? Jaké mají poločasy rozpadu? • Do jakých sloučenin je zabudujeme, aby je tělo přijalo, a absorbovalo na správných místech? • Naštěstí prvky s nízkým Z: biogenní 11C, 15O, 13N, či nejčastější 18F. • Poločasy rozpadu jsou 20min, 2min, 10min, 110min - nutná příprava na místě či rychlá přeprava! (vrtulník) • Nejpoužívanější sloučenina je fluordeoxyglukóza (FDG). • Podobna glukóze v kinetice a metabolismu, je vychytávána na místech se zvýšenou spotřebou energie: mozek, játra, srdce, zánět, nádor. • Ale používají se i značené neurotransmitery, O2 pro respiraci etc. • PET tedy umožňuje funkční zobrazování! • Pozor: někdy však nelze odlišit např. zánět od nádoru. • Vodné např. pro celotělový scan v případě nalezené metastáze bez známého primárního tumoru. • Sledování recidivy. • Funkční zobrazování: kognitivní studie.

18.12.2007


4

Detekce – fyzika a elektronika • Foton zachycen scintilátorem: záblesk světla, signál dále zesílen, digitalizován. • PET Camera: do kruhu uspořádané fluorescenční detektory: krystaly či kapalné scintilátory. • Materiály: hygroskopický NaI nebo např. těžké sklo BgO. • Mříž krystalů násladuje mříž fotonásobičů (PMT’s - Photomultipliers). • Elektronika pro sběr dat a měření časové koincidence. • Central master clock.

18.12.2007

5 Jiří Kvita, MFF UK

Praxe

18.12.2007


Počítačová rekonstrukce - Sinogram • Scanováním získáme projekci hustoty radiofarmaka v daném řezu. • Zajímá nás 2D či 3D rekonstrukce samotné hustoty aktivity. • Ve hře jsou efekty, které obraz rozmazávají a zkreslují. • Obraz vždy zrekonstruujeme jen s určitou přesností. • Nejjednodušší je tzv. jednoduchá zpětná projekce (simple backprojection). Jde ale pouze o aproximaci vedoucí k závažným artefaktům obrazu.

Original 18.12.2007

Projection (sinogram) - vlastní PET scan. Jiří Kvita, MFF UK

Simple Backprojection - primitivní rekonstrukce

7

Počítačová rekonstrukce - FFT • Fourierova transformace každého z 1D řezů (Fast Fourier Transform, FFT) – rozklad obrazu do prostorových frekvencí. • Frekvenční filtr, a zpětná transformace. • Mnohem věrnější a podrobnější zrekonstruovaný obraz! • Filtered backprojection. Projekce (sinogram)

Nový sinogram

Re (amplituda) FFT

+ filtr

FFT-1

18.12.2007

Backprojection

8

Im (fáze) Jiří Kvita, MFF UK

Filtered Backprojection

Počítačová rekonstrukce - FFT

18.12.2007


9

Odbočka: Fourierova transformace • Fourierova transformace: rozklad do frekvencí. • Aplikace: zpracování a komprimace zvuku a obrazu. • Že se vás netýká? A co mp3, jpeg…?☺ - odstranění části frekvenčního spektra. • Např. lidské ucho je Fourierovský analyzátor: v hluku slyšíme hudbu, a dokonce rozpoznáme housle od kontrabasu. • Fáze nese podstatnou informaci o vzájemné poloze peaků. • Frekvenční filtry: posílením vysokých frekvencí získáme lepší detaily, ale zároveň posílíme šum.

18.12.2007


Počítačová rekonstrukce - FFT • Efekt počtu projekcí na kvalitu zrekonstruovaného obrazu (filtered backprojection).

18.12.2007

16

64

32

128


11

Efekt šumu • K sinogramu náhodně přidán malý fluktuující signál. • Horší kvalita filtered backprojection, realistický případ.

18.12.2007


Simulace mrtvého fotonásobiče • Vybílení jedné řádky v sinogramu simuluje „mrtvý kanál“ detektoru.

18.12.2007


Počítačová rekonstrukce - FFT • Frekvenční filtr pouze na Imaginární či Reálnou část. • Silné artefakty – filtr se musí konsistentně aplikovat na frekvenci i fázi.

18.12.2007


Počítačová rekonstrukce - FFT • Frekvenční filtry – reálný článek v žurnálu.

18.12.2007


15

Artefakty a zkreslení • Atenuační korekce: intenzita fotonů menší při průchodu hutnější tkání. • Lze individuálně měřit pomocí vnějšího zářiče: transmisní scan. • Elektron-pozitronový pár neainhiluje zcela v klidu: úhel mezi nimi není přesně 180°. • Prostorové rozlišení metody je dáno délkou dráhy pozitronu v tkáni, než se zpomalí a anihiluje: závisí na typu použitého izotopu, neb pozitrony mají různá spektra energií. • Šum v elektronice a omezená statistika nabraných dat: numerické metody zpracování obrazu mohou být citlivé na statistické fluktuace (nestabilní). • Falešné koincidence mezi dvěma opačnými detektory: pozadí. • Velikost detektoru, okrajové neaktivní oblasti, hranice mezi krystaly, rozptyl fotonu v těle či detektoru… • Neuniformita detektorů (rozdíly mezi krystaly). • Pohyb pacienta, dýchání, peristaltika, myokard… 18.12.2007


16

PET – Aplikace, indikace, kontraindikace • Celotělový scan při neznámé lokalizaci či rozsahu onemocnění. • Hlava: stabilní, lehce fixovatelná poloha. • Kontraindikace: silná nadváha.

18.12.2007


17

PET – Aplikace • http://www.bocaradiology.com/Procedures/PET.html •Images of the brain show exquisite anatomic detail with abnormal activity in the right temporal lobe (arrow) in an epileptic patient.

• PET Scan showing diffuse spread of prostate cancer to bone. PET has the advantage over traditional bone scanning in its ability to differentiate active from dormant disease.

• Image of the chest and abdomen reveals a solitary focus of cancer within the liver. PET is effectively able to exclude that cancer has spread elsewhere in the body. 18.12.2007


18

PET a CT kombinace • Kombinace PET a CT: možnost přesné lokalizace. • PET kamera kombinovaná s CT scannerem (např. Olomouc).

18.12.2007


19

Výhody a nevýhody

• Obdobná metoda pracuje s libovolným zářičem, bez koincidencí dvou fotonů: Single Photon Emission Tomography, která ale vyžaduje kolimátory, a ztrácí tak na efektivitě. • PET: sbíráním signálu bez použití kolimátorů snižuje expoziční čas a také aktivitu, která se musí pacientovi podat. • Přechod od 2D PET na 3D PET může čas zřejmě ještě více zkrátit. • PET scanner často kobinován s CT (X-ray computer tomography) – kombinace funkčního a prostorově přesného zobrazení (lokalizace). • Náročné na technologie, zvláště výrobu β+ zářičů: složitá doprava, nebo malý nemocniční cyklotron, ale již dnes dodáván „na klíč“. • Farmaka rozvážena z Prahy, nejdříve z Řeže, pak z NNH do Brna a Bratislavy; nyní také Brno vlastní cyklotron.

18.12.2007


20

Aplikace

• Neinvazivní metoda, funkční zobrazování, bez magnetického pole (tj. vhodné pro pacienty s pacemakery, endoprotézami) a většinou s menší dávkou pro pacienta než CT či SPECT. • Kromě onkologie lze měřit a zobrazovat např. myokard, autoimunitní záněty, lze měřit průtok krve mozkem, srdcem… • Alzheimerova choroba: radionuklidem značený dopamin. • Zřejmě nevhodné pro karcinomy ledvin? (hromadění radiofarmaka) • Lze sledovat funkci mozku při různých činnostech (spánek, sledování televize, poslech hudby, přemýšlení, sex…)

18.12.2007


21

Závěrem

• Dávka pro pacienta • Typické aktivity: desítky mega becquerelů (1Bq = 1 rozpad / s). • Potřebná doba vyšetření nepřímo úměrná podané aktivitě. • Ale nežádoucí ozáření pacienta je jí úměrné. • Citlivost detektoru a požadovaný počet signálů v každém fotonásobiči definuje aktivitu nutnou k podání a poměr Signál / Šum rekonstruovaného obrazu. • PET: mocná zobrazovací metoda, ale též s vlastními omezeními. • Vhodná jako primární či sekundární diagnostický nástroj. • Funkční zobrazování, ale náročné na technologie (kvalifikace personálu, cena). • Stále rozšířenější a stále ve vývoji. • Krásná ukázka spolupráce včech přírodních oborů. :)

18.12.2007


22

Zdroje • Physics in Nuclear Medicine, S. Cherrry, J.A. Sorenson, M.E. Phelps, 3rd edition, Saunders. • PET: Physics, Instrumentation, and Scanners, M.E.Phelps, Springer.

• www.root.cern.ch – ROOT: pomocník při numerickém modelování v C++ :o) • http://depts.washington.edu/nucmed/IRL/pet_intro/intro_src/section5.html • http://www.mdanderson.org/departments/webuildpet/display.cfm?id=3d3c0169-be53-4e17a2e92ee7aa0124af&method=displayfull&pn=69e6ff0b-0492-453f-8dbbccf32cf74aa7 • http://www.uphs.upenn.edu/~pet/pet/pet_ctr_guide.shtml • http://www.petnm.unimelb.edu.au/pet/detail/nucphysics.html • Masarykům onkologický ústav Brno • http://www.orl.cz/diagnozy/zobrazovaci/2/kopie/PET_pouceni_pro_lekare.pdf • http://www.mou.cz/mou/section_show.jsp?s=903|916|991 • Nemocnice na Homolce: http://www.homolka.cz/cz/oddeleni_nuklearni_mediciny_-_pet_centrum/ • FN Plzeň: http://www.fnplzen.cz/pracoviste_detail.asp?klinodd_cislo=63 • http://www.biont.sk/index.php?pageid=pet • http://public.fnol.cz/www/tm/casopis/Pacient_2006_1.pdf • Česká společnost nukleární medicíny http://www.csnm.cz/ 18.12.2007


23

Pozitronová Emisní Tomografie PET Jiří Kvita, MFF UK

Recommend Documents