ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΙΑΤΡΙΚΗ ΚΑΙ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ SPECT

Transcript

1 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΙΑΤΡΙΚΗ ΚΑΙ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ SPECT ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Δ. ΚΟΥΤΣΟΥΡΗΣ

2 Εισαγωγή Πυρηνική Ιατρική: διαγνωστικές και θεραπευτικές διαδικασίες που απαιτούν την εισαγωγή ραδιενέργειας στον οργανισμό με ενδοφλέβια ένεση, εισπνοή ή κατάποση. Η επιτυχία της διαγνωστικής πυρηνικής ιατρικής οφείλεται σε δύο παράγοντες: Χρησιμοποιεί πολύ μικρές ποσότητες ραδιενεργών υλικών που δεν επιδρούν στις υπό μελέτη διαδικασίες. Η ακτινοβολία των ραδιενεργών νουκλιδίων μπορεί να διαπεράσει τους ιστούς και ν ανιχνευθεί εξωτερικά, καθιστώντας έτσι δυνατή τη μελέτη διαδικασιών ή οργάνων χωρίς να επηρεάζει τη λειτουργία τους. 2

3 Βασικές Έννοιες και Ορισμοί Ραδιενέργεια: είναι η εκπομπή ακτινοβολίας ως αποτέλεσμα της αυθόρμητης μετάπτωσης ασταθών πυρήνων σε σταθερότερη κατάσταση. Η ενέργεια που ελευθερώνεται σε μια ραδιενεργό διάσπαση είναι η κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου σωμάτιου και η ενέργεια ανάκρουσης του πυρήνα (~5MeV). Νόμος Ραδιενεργών Διασπάσεων (Decay Law): Ο αριθμός των διασπώμενων πυρήνων dn σε χρονικό διάστημα dt είναι ανάλογος με τον αριθμό των πυρήνων Ν κατά τη στιγμή που έγινε η παρατήρηση: dn=-λndt, όπου λ είναι η σταθερά διάσπασης και το αρνητικό πρόσημο δηλώνει τη μείωση του αριθμού των πυρήνων με την πάροδο του χρόνου. Μέσος Χρόνος Ζωής (Life Time) τ Χρόνος Ημιζωής ή Υποδιπλασιασμού (Half-Life) t 1/2 3

4 Βασικές Έννοιες και Ορισμοί α-διάσπαση: ονομάζεται η εκπομπή σωμάτιων α (πυρήνες Ηλίου 4 He) από βαρείς ραδιενεργούς πυρήνες: Χ(Ζ,Α) Υ(Ζ-2,Α-4) + α(2,4), όπου Χ(Ζ,Α) ο μητρικός πυρήνας και Υ(Ζ-2,Α-4) ο θυγατρικός πυρήνας. β-διάσπαση: ονομάζεται η παραγωγή και εκπομπή ενός ποζιτρονίου (e + ) ή ενός ηλεκτρονίου (e - ) κατά τη μετατροπή ενός πρωτονίου ή νετρονίου στο μητρικό πυρήνα σε νετρόνιο ή πρωτόνιο αντίστοιχα, καθώς επίσης και η σύλληψη ενός ατομικού ηλεκτρονίου από τον πυρήνα, οπότε το ηλεκτρόνιο με ένα πρωτόνιο μετατρέπονται σε ένα νετρόνιο. Κατά τη β-διάσπαση εκπέμπεται επίσης ένα νετρίνο ν e ή αντινετρίνο, ένα σωμάτιο δηλαδή σχεδόν μηδενικής μάζας και μαγνητικής ροπής, μηδενικού φορτίου και spin ħ/2. X(A,Z) Y(A,Z+1) + e - + X(A,Z) Y(A,Z-1) + e + + ν e X(A,Z) + e - Y(A,Z-1) + ν e Ακτινοβολία γ: ονομάζονται τα φωτόνια που εκπέμπονται κατά τη μετάπτωση ενός πυρήνα από μια αρχική διεγερμένη ενεργειακή στάθμη E 4 i σε μια χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη E f.

5 Ραδιοφάρμακα Τα ραδιοϊσότοπα που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική ιατρική κατατάσσονται σε τρεις ομάδες: Ραδιοϊσότοπα παραγόμενα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες Ραδιοϊσότοπα παραγόμενα από επιταχυντές Ραδιοϊσότοπα παραγόμενα από γεννήτρια Η ραδιενέργεια A(t) Nτων σϕ τεχνητών t ln 2 ραδιονουκλιδίων σε A( t) = 1 exp 10 αριθμό ατόμων ανά sec: T (1) 3, Ν : ο αριθμός των πυρήνων του στόχου σ : η ενεργός διατομή της αντίδρασης ϕ : η ροή των φορτισμένων σωματιδίων T 1/2 : ο χρόνος ημιζωής του προϊόντος. 5

6 Παράμετροι Επιλογής (I) Η ακτινοβολία α δεν μπορεί να διαπεράσει τους ιστούς και να ανιχνευθεί εξωτερικά. Τα σωματίδια β- υψηλής ενέργειας εκπέμπουν ακτινοβολία κατά την αλληλεπίδρασή τους με τους ιστούς, όμως το σημείο παραγωγής της ανιχνεύσιμης ακτινοβολίας δεν είναι το σημείο εκπομπής των σωματιδίων β-. Τα ποζιτρόνια (σωματίδια β+) εξαϋλώνονται με ηλεκτρόνια (πρακτικά στο σημείο παραγωγής τους) προκαλώντας τη δημιουργία ακτίνων γ που μπορούν να ανιχνευθούν. Η ακτινοβολία γ και οι ακτίνες Χ ενέργειας 50 έως 100keV μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν. 6

7 Παράμετροι Επιλογής (II) Ο χρόνος ημιζωής των χρησιμοποιούμενων ραδιενεργών ισοτόπων κυμαίνεται μεταξύ μερικών ημερών και μερικών εβδομάδων και επιλέγεται βάσει δύο κριτηρίων: του ρυθμού χρονικής εξέλιξης της υπό μελέτη διαδικασίας της ραδιενεργού δόσεως στο όργανο στόχο Η ακτινοβολία θα πρέπει να έχει κατάλληλη ενέργεια ώστε να διαπερνά τους ιστούς και να αλληλεπιδρά με τους ανιχνευτές προκειμένου να καταγραφεί. 7

8 Βασική Ανιχνευτική Μονάδα (I) Η λειτουργία των ανιχνευτών στηρίζεται στο φαινόμενο του ιονισμού των ατόμων τους κατά τη διέλευση της ακτινοβολίας. Η ευαισθησία ενός ανιχνευτή (ποσοστό προσπιπτουσών ακτίνων γ που ανιχνεύονται) αυξάνεται με την αύξηση του ατομικού αριθμού και της πυκνότητάς του, που συνεπάγεται αύξηση της πιθανότητας πλήρους απορρόφησης μιας ακτίνας γ. Η ενεργειακή διακριτική ικανότητα (energy resolution) περιγράφει την ικανότητα διαχωρισμού των ενεργειών δύο φωτονίων, οι οποίες απέχουν πολύ λίγο μεταξύ τους. Ο ανιχνευτής πρέπει να έχει τη δυνατότητα καταγραφής υψηλού ρυθμού φωτονίων και κατ επέκταση καλή χρονική διακριτική ικανότητα (time resolution) χωρική διακριτική ικανότητα (spatial resolution) : ακρίβεια χωρικού προσδιορισμού της ανιχνευόμενης ακτινοβολίας. 8

9 Βασική Ανιχνευτική Μονάδα (II) Οι ανιχνευτές σπινθηρισμών που αποτελούνται από ένα υλικό σπινθηρισμού, έναν φωτοπολλαπλασιαστή και ένα κύκλωμα ηλεκτρονικής επεξεργασίας του σήματος, καθώς και οι ημιαγωγοί είναι οι καταλληλότεροι ανιχνευτές για την πυρηνική ιατρική, παρουσιάζοντας υψηλή απόδοση και καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα αντίστοιχα 9

10 Anger Camera Αποτελείται από έναν μόνο κρύσταλλο NaI(Tl), αρκετά μεγάλης διαμέτρου ώστε να είναι δυνατή η απεικόνιση ενός μεγάλου τμήματος του ανθρώπινου σώματος, και μία διάταξη φωτοπολλαπλασιαστών, σε κάθε έναν από τους οποίους προσδίδεται ένα ζεύγος συντεταγμένων Όταν ένα φωτόνιο απορροφάται από τον κρύσταλλο, ένας αριθμός PMTs δέχεται φως και εκπέμπει σήμα. Οι Χ και Υ τιμές του σήματος εκπομπής προσδιορίζονται από το μέτρο του σήματος και τις συντεταγμένες του φωτοπολλαπλασιαστή, ενώ η ενέργεια του φωτονίου, η οποία καθορίζει αν τα σήματα θα χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή της εικόνας, είναι το άθροισμα όλων των σημάτων (παλμός Ζ). 10

11 Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) Αρχές Λειτουργίας Χορήγηση ενός ραδιοφαρμάκου στον εξεταζόμενο, που συγκεντρώνεται επιλεκτικά σε ορισμένους ιστούς ή όργανα ανάλογα με τις βιοκινητικές του ιδιότητες και την παθοφυσιολογία του ασθενούς. Οι εκπεμπόμενες ακτίνες γ διαπερνούν τους ιστούς και καταγράφονται από μία ανιχνευτική διάταξη σε διάφορες γωνίες γύρω από τον ασθενή. Aλγόριθμος ανακατασκευής εφαρμόζεται για τη δημιουργία της τομογραφικής εικόνας, που αποτελεί έναν εγκάρσιο χάρτη της χωρικής κατανομής της συγκέντρωσης του χορηγηθέντος ραδιοφαρμάκου. 11

12 Διατάξεις SPECT Συστήματα SPECT πολλών ανιχνευτών a) MARK IV system, b) Head-tone II system, c) Cleon brain SPECT system. 12

13 Διατάξεις SPECT Συστήματα SPECT βασισμένα στην Anger Camera: Mία ή περισσότερες Anger Cameras που μπορούν να περιστρέφονται γύρω από τον ασθενή. 13

14 Διατάξεις SPECT Υβριδικά συστήματα SPECT: CERESPECT brain SPECT system που αποτελείται από έναν σταθερό κυκλικό κρύσταλλο NaI(Tl) και έναν περιστρεφόμενο κυκλικό ευθυγραμμιστή SPRINT II brain SPECT system αποτελούμενο από 11 ανιχνευτές και ένα περιστρεφόμενο μολύβδινο δακτύλιο με σχισμές Τα συστήματα ευθυγράμμισης είναι στην ουσία διατάξεις μεγάλου αριθμού οπών που διαχωρίζονται από φράγματα μολύβδου και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των οποίων καθορίζουν τις διευθύνσεις των φωτονίων που θ ανιχνευθούν από τους σπινθηριστές. 14

15 Παράγοντες που επηρεάζουν την Τομογραφική Εικόνα Κατά τη διέλευσή τους μέσα από τους ιστούς του σώματος, οι εκπεμπόμενες από τα ραδιοφάρμακα ακτίνες γ μπορούν ν αλληλεπιδράσουν μ αυτούς μέσω δύο κυρίως μηχανισμών: του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και του φαινομένου Compton. Η εξασθένιση των ακτίνων γ περιγράφεται με τη βοήθεια του γραμμικού συντελεστή εξασθένισης, ο οποίος εξαρτάται από την ενέργεια της ακτινοβολίας και το ποσοστό και το είδος των υλικών στο μέσο εξασθένισης. Οι τιμές του συντελεστή εξασθένισης διαφέρουν τόσο από ασθενή σε ασθενή, όσο και μεταξύ διαφορετικών οργάνων ή ιστών του ίδιου ασθενή. Οι διακυμάνσεις αυτές αποτελούν μία από τις σοβαρότερες δυσκολίες στη δημιουργία ποσοτικών εικόνων SPECT υψηλής ακρίβειας. 15

16 Παράγοντες που επηρεάζουν την Τομογραφική Εικόνα Το τμήμα της σκεδασμένης ακτινοβολίας γ που φθάνει στους ανιχνευτές παρέχει εσφαλμένες πληροφορίες για τη θέση εκπομπής των φωτονίων Το ποσό της ραδιενέργειας που μπορεί να χορηγηθεί στους ασθενείς περιορίζεται από την ανώτερη επιτρεπτή δόση, ενώ υπάρχουν και πρακτικά όρια στη χρονική διάρκεια της απεικονιστικής διαδικασίας. Το αποτέλεσμα είναι οι τομογραφικές εικόνες SPECT να διαθέτουν κακή διακριτική ικανότητα και χαμηλό λόγο σήματος προς θόρυβο. 16

17 Ανακατασκευή Εικόνας Οι μέθοδοι ανακατασκευής των εικόνων SPECT υψηλής ακρίβειας αποτελούνται από δύο τμήματα: τους καθιερωμένους αλγόριθμους ανακατασκευής εικόνας από προβολές και τις τεχνικές που αντισταθμίζουν τους παράγοντες υποβάθμισης της ποιότητας της εικόνας. Θεωρώντας τις επιδράσεις της εξασθένισης, της σκέδασης και της γεωμετρικής απόκρισης του συστήματος ευθυγράμμισης αμελητέες, τα δεδομένα προβολής της τομογραφίας SPECT έχουν τη μορφή: ( t, ϕ ) = ρ( x y) Εάν συνυπολογισθεί και το φαινόμενο της εξασθένισης, τότε: α p Ce, α ds (2) p α + = Ce α ( t, ϕ ) ρ( x, y) exp µ ( u, υ) ds ds (3) α ( x, y ) 17

18 Ανακατασκευή Εικόνας Η μελλοντική ανάπτυξη της τομογραφίας SPECT εξαρτάται από τις εξελίξεις στους τομείς των ραδιοφαρμάκων, της τεχνολογίας των ανιχνευτικών διατάξεων και των μεθόδων ανακατασκευής και επεξεργασίας της εικόνας, που θα επιτρέψουν τη χρήση της σε περισσότερες κλινικές εφαρμογές. 18