Ugrás a tartalomhoz

Orvosi leképezéstechnika

Balkay László (2011)

Debreceni Egyetem

A PET leképzés alapjai

A PET leképzés alapjai

Pozitron bomló izotópok

A PET technika esetében a radiofarmakon jelölő izotópja valamilyen β+ (pozitron) bomló izotóp, amely a bomlása során egy pozitront emittál. Az alábbi táblázatban néhány a PET technikában használt radioaktív izotóp és fontosabb fizikai jellemzői vannak feltüntetve. A rövid felezési idő a minél kisebb (a beteg számára leadott) sugárzási dózisnak, a hosszabb felezési idő pedig a minél optimálisabb gyártási és szállítási körülményeknek kedvez.

Radionuklid

Felezési idő

Magreakció

Példák radiofarmakonokra

O15

2.0 perc

N14 (d,n) O15

O152, C15O2, C15O

N13

10.0 perc

O16(p,α) N13

N13H3, N132

C11

20.4 perc

N14(p,α)C11

C11O2, C11O, C11H3I

F18

110 perc

O18(p,n) F18

F182, NaF18, F18DG

Br76

16 óra

As75(He,2n) Br76

Br762

Cu64

12,8 óra

Ni64(p,n) Cu64

Cu64-ATSM,

I124

4.2nap

Te124(d,2n) I124

Na124I

Pozitron bomlás és annihiláció

A bomlásból származó és a testszövetekben (0.2-3mm) lefékeződő pozitron valamelyik atomhéjon levő elektronnal úgynevezett annihilációs kölcsönhatásba lép.

Ennek során a rövid életidejű (~10-10s) elektron-pozitron pár megsemmisül (szétsugárzódik az energiájuk) és helyettük megjelenik egyidőben (koincidenciában) két 511 keV energiájú gamma kvantum. A szétsugárzó fotonok iránya egymással 180º ± 0,25º szöget zárnak be, tehát jó közelítéssel egy egyenes mentén, de egymással ellentétes irányban haladnak. Ez meghatározó fontosságú, mert így a két egyidejű fotonnak két kisméretű detektorral történő észlelése lehetővé teszi az annihilációs egyenes (LOR: line of response) kijelölését (1. ábra). A PET kamera geometriája

Az előzőekből következik, hogy a gamma sugárzást érzékelő detektoroknak pozíció-érzékenyeknek kell lenniük, hogy minden pozitron bomlás után a hozzátartozó LOR-t meg lehessen határozni. Ha tehát a vizsgálati személyt pozíció érzékeny detektorokkal körbevesszük, akkor az adott egyenes térbeli pozíciója azonosító lesz, ha azt vizsgáljuk, hogy azonos időpillanatban történt-e két gamma-foton elnyelődése a detektorgyűrűn belül (1. ábra).

1. ábra. A PET-kamera vázlatos képe (www.griffwason.com alapján, Griff Wason hozzájárulásával). A pozitronbomló izotóppal jelölt molekula testen belüli feltételezett helyét a sárga pont jelöli. A bomlás helyén keletkező két gamma-foton útját a két sárga nyíl reprezentálja, amelyek időben egyszerre (1–10 ns-on belül) detektálódnak a két szemben levő detektoregységben. A detektorgyűrű sok detektormodulból áll (1), amelyekben pixellált szcintillációs kristályok (3), illetve ezekhez csatolt PMT-k találhatók (2). A mai PET-kamerák térbeli felbontása általában 4–5 mm

Ilyen módon tehát a pozitronbomlás egyenesei, vagyis a szervezeten belüli radiofarmakon-eloszlás speciális vetületi képei meghatározhatók, ha pedig már vannak vetületi képeink, akkor a tomografikus képrekonstrukció segítségével elkészíthetjük az eloszlások 3D képeit. Látható, hogy a PET esetében a vetületek definiálásához nincs szükség ólomkollimátorra – mint a gamma kamerák esetében, ami a fotonok jelentős részét elnyelné –, így a detektált események száma legalább egy-két nagyságrenddel több lehet, mint a SPECT-kamerák esetén.

A gamma fotonok detektálásának alapelvei

A SPECT és PET esetén gammasugárzó radioaktív izotóppal jelezzük meg a biológiailag érdekes molekulát, majd a kamerákban a gammasugárzást érzékelő detektorok segítségével állapíthatók meg azok a régiók, ahol a radioaktivitás a felhalmozódott. Erre alkalmas detektorok már régóta léteznek, de ennél a felhasználási módnál fontos a lehető legjobb érzékenység is, mivel a vizsgálat során a betegnek radioaktív izotópot kell a szervezetébe juttatni és ennek a mennyisége nem lehet tetszőlegesen nagy. A SPECT és a PET kamera érzékenysége a következő mennyiséggel definiálható:

11.1. ábra - eq_11_1.png

eq_11_1.png

ahol Ctot [cps] a kamera teljes számlálási sebessége (rate) egy a látótér közepébe helyezett Aminta [Bq] aktivitású pontszerű forrás esetén. Jelenleg erre a feladatra a legalkalmasabbak az úgynevezett szcintillációs kristályokból készült detektorok. A szcintillációs kristályokban a becsapódó gamma fotonok bizonyos valószínűséggel kölcsönhatásba lépnek a detektor anyagával, aminek eredményeképpen kis fényfelvillanásokat, úgynevezett szcintillációkat kelt. A fényfelvillanás intenzitása (a keletkező látható fotonok száma) arányos a gamma foton energiájával. Az egy gamma foton által keltett látható fotonok számát a kristály fényhozamnak nevezzük, amely egy további fontos tényező az szcintillációs kristályok használhatósága szempontjából. Ezeknek az anyagoknak a szcintillációs tulajdonság mellett nagy sűrűségűeknek is kell lenniük, mivel a sűrűséggel nő a gamma sugárzás detektálásának valószínűsége.

A gamma sugárzás a detektor anyagával több kölcsönhatásban is részt vesz. A nukleáris medicinában előforduló gamma energiák esetén a kölcsönhatások két legfontosabb formája a Compton-szórás és a foto-effektus. A Compton-szórás a gamma foton rugalmatlan szórása az szabad elektronon (nagy energiájú gamma foton esetén, amikor az energia lényegesen nagyobb a kötési energiánál, a kötött elektronon is megtörténik a szórás). A Comton-szórás során a gamma foton energiája és iránya is megváltozik, ezért az ilyen szórt fotonok már nem informatívak a gamma sugárzás detektálása szempontjából, tehát ezeket az eseményeket a lehető legjobban ki kell szűrni. A fotoeffektusban a gamma foton teljesen megszűnik a gammasugár a teljes energiáját átadja egy kötött elektronnak, és így első lépésben un. foto- vagy Auger-elektronok keletkeznek. A fotoeffektus vagy a Compton szórás kölcsönhatásából megjelenő mozgó elektronok másodlagos folyamatként elektron-lyuk párokat keltenek a szcintillátorban. Ezek szerencsés esetben, diffúzió révén eljutnak egy ún. aktivátor centrumhoz (LSO, LYSO esetén Ce3+, NaJ esetén Tl), amelyen befogódva az aktivátornak az adott atomi környezete által determinált energiaszinteknek megfelelő hullámhosszúságú fénykvantum kibocsátásával rekombinálódnak. Az így keltett, ún. szcintillációs fotonok száma a három részfolyamat mindegyikétől függ, de arányos az elnyelt gamma sugárzás energiájával.

A nukleáris medicinában leggyakrabban használt szcintillációs anyagok és tulajdonságaik az 1. táblázatban láthatóak.

Szcintillátor

anyag

Sűrűség

(g/cm3)

Zeff

Elnyelési

hossz

(mm)

Foto effektus

valószínűség

(%)

Fényhoz. (ph/MeV)

τ

(ns)

λ

(nm)

n

BGO

7,1

75

10,4

40

9000

300

480

2,15

LSO

7,4

66

11,4

32

30000

40

420

1,82

NaI:Tl

3,67

51

29,1

17

41000

230

410

1,85

GSO

6,7

59

14,1

25

8000

60

440

1,85

LYSO

7,1

75

12

32

32000

41

420

1,81

LaBr

5,08

165

21,3

13

63000

0,016

380

1,9

YAP

5,5

33,5

21,3

4,2

17000

30

350

1,95

1.táblázat A PET készülékekben korábban és jelenleg alkalmazott inorganikus szcintillátorok fizikai jellemzői. A mai leggyakrabban használt az LSO és a LYSO.

A táblázatban a következő elnevezéseket használtuk: a Zeff érték a szcintillátor effektív rendszáma; az elnyelési hossz az a kristályvastagság amelynél γ-sugárzás intenzitása az e-ad részére csökken; a foto effektus valószínűség azt fejezi ki, hogy az anyaggal a γ-foton kölcsönhatása az összes közül (Compton-kölcsönhatás és fotoeffektus) mekkora valószínűséggel lesz fotoeffektus; τ a felvillanás exponenciális időeloszlásának bomlásállandója; λ az emittált fény átlagos hullámhossza; n a kristály törésmutatója. Ha a szcintillációs kristályt több oldalról fényvisszaverő réteggel vesszük körül, akkor a szcintillációk során keletkezett fény fotonok egy része a kristályhoz illesztett fotoelektron-sokszorozó (PMT) fotokatódjába vezethetők, ahol un. fotoelektronokat keltenek (1. ábra).

fény

elektronok

fotokatód

szcintillátor

γ-foton

1 ábra. A gamma fotonok észlelésére szolgáló fotoelektron-sokszorozóból és szcintillációs kristályból álló detektormodul

A fotokatódból kiváltott primer fotoelektronok száma igen alacsony (2-5), ezeknek a részecskéknek a számát sokszorozza meg a PMT dinóda lánca. A PMT-k erősítése általában 106 - 108 értékű, ami azt jelenti, hogy az utolsó dinódán már mérhető nagyságú áram jelenik meg.