Гамма-сәулелі эмиссиялық компьютерлік томография (SPECT) туралы мәліметтер

Кіріспе

Ядролық медицина томографиялық бейнелеу техникасы

Бірыңғай фотонды эмиссиялық компьютерлік томография (SPECT, немесе сирек SPET) – гамма сәулелерін пайдаланатын ядролық медицина томографиялық бейнелеу техникасы. Бұл гамма камераны (яғни сцинтиграфияны) пайдалана отырып жүзеге асырылатын дәстүрлі ядролық медицина жазықтық бейнелеуіне өте ұқсас, бірақ нақты 3D ақпаратты қамтамасыз етеді. Бұл ақпарат көбінесе пациенттің қима кескіндері түрінде ұсынылады, бірақ қажет болған жағдайда еркін түрде қайта пішімдеуге немесе өңдеуге болады. Бұл техникаға гамма сәуле шығаратын радиоизотопты (радионуклидті) пациентке енгізу қажет, әдетте қан тамырларына инъекция арқылы. Кейде радиоизотоп галлий(III) изотопы сияқты қарапайым еріген ион болып табылады. Көбінесе, белгілі бір радиоизотоп белгілі бір тіндерге байланысатын қасиеттері бар радиолиганд құру үшін нақты лигандқа қосылады. Бұл үйлесім лиганд пен радиофармацевтикалық препаратты организмдегі қызығушылық тудыратын жерге жеткізуге және байлауға мүмкіндік береді, онда лигандтың концентрациясы гамма камерамен көрінеді.

Негізгі қағидалар

Анатомиялық құрылымдарды суретке түсірудің орнына, SPECT сканилеуі 3D аймақтағы әрбір нүктедегі биологиялық белсенділіктің деңгейін бақылайды. Радионуклидтен шығатын сәулелену, суреттелген аймақтардағы капиллярлардағы қан ағынының мөлшерін көрсетеді. Жазық рентген сәулесі 3 өлшемді құрылымның 2 өлшемді (2D) көрінісі болса, гамма-камерадан алынған сурет радионуклидтің 3D таралуының 2D көрінісі болып табылады. SPECT бейнелеуі бірнеше бұрыштардан бірнеше 2D суретті (оларды проекциялар деп те атайды) алу үшін гамма-камераны пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Содан кейін компьютер томографиялық реконструкция алгоритмін бірнеше проекцияларға қолданып, 3D деректер жиынтығын құрайды. Бұл деректер жиынтығын дененің кез келген таңдалған осі бойынша жұқа тілімдерді көрсету үшін манипуляциялауға болады, бұл магниттік-резонанстық бейнелеу (МРТ), рентгендік компьютерлік томография (РКТ) және позитрон-эмиссиялық томография (ПЭТ) сияқты басқа томографиялық әдістерден алынған тілімдерге ұқсас. SPECT, радиоактивті іздеуші материалдарды пайдалану және гамма сәулелерін анықтау тұрғысынан ПЭТ-ке ұқсас. ПЭТ-тен айырмашылығы, ПЭТ-те қолданылатын іздеушілер гамма сәулесін тікелей шығарады, ал ПЭТ іздеушілері бірнеше миллиметрге дейінгі арақашықтықта электрондармен жойылған позитрондарды шығарады, нәтижесінде екі гамма фотоны қарама-қарсы бағытта шығарылады. ПЭТ сканері осы эмиссияларды уақыт бойынша "сәйкес" деп анықтайды, бұл сәулелену оқиғасының орналасуы туралы көбірек ақпарат береді және SPECT-ке қарағанда кеңістікте жоғары ажыратылатын суреттерді қамтамасыз етеді (ол шамамен 1 см ажыратылатындыққа ие). SPECT сканилеуі ПЭТ сканилеуіне қарағанда әлдеқайда арзан, өйткені ол ПЭТ-ке қарағанда ұзақ өмір сүретін және оңай қол жеткізілетін радиоизотоптарды пайдалана алады. SPECT әдісі жазықтық гамма-камералық бейнелеуге өте ұқсас болғандықтан, бірдей радиофармацевтикалық препараттарды қолдануға болады. Егер пациенттің басқа типтегі ядролық медициналық сканилеуі жасалса, бірақ суреттер диагностикалық болмаса, пациентті SPECT аппаратына көшіру арқылы немесе пациент үстелде жатқанда SPECT суреттерін алу үшін камераны қайта конфигурациялау арқылы тікелей SPECT-ке өтуге болады. SPECT суреттерін алу үшін гамма-камера пациенттің айналасында айналады. Проекциялар айналу кезінде белгілі бір нүктелерде, әдетте әр 3-6 градуста алынады. Көп жағдайда оңтайлы реконструкция алу үшін толық 360 градустық айналу қолданылады. Әрбір проекцияны алуға кеткен уақыт та өзгеріп отырады, бірақ әдетте 15-20 секунд қажет. Бұл сканилеудің жалпы уақытын 15-20 минутқа дейін созады. Көп басты гамма-камералар түсіруді үдетуге мүмкіндік береді. Мысалы, екі басты камераны 180 градус бұрышпен орналастырылған бастармен пайдалануға болады, бұл екі проекцияны бір уақытта алуға мүмкіндік береді, әр бастың 180 градус айналуы қажет. 120 градус бұрышпен орналастырылған үш басты камералар да қолданылады. SPECT-те жүрекке арналған қақпалы сканилеулерді жүргізуге болады, сондай-ақ көп қақпалы сканилеу (MUGA) сияқты жазықтық бейнелеу әдістерімен де мүмкін. Электрокардиограмма (ЭКГ) арқылы жүректің циклінің әртүрлі кезеңдеріндегі дифференциалдық ақпаратты алу үшін, қақпалы миокард SPECT-і миокардтың қанмен қамтамасыз етілуі, қалыңдығы және миокардтың жүрек циклінің әртүрлі кезеңдеріндегі созылуы туралы сандық ақпаратты алу үшін, сондай-ақ сол жақ қарыншаның эжекциялық фракциясын, соққы көлемін және жүрек шығысын есептеу үшін қолданылуы мүмкін.

Instead of just "taking a picture of anatomical structures", a SPECT scan monitors level of biological activity at each place in the 3 D region analyzed. Emissions from the radionuclide indicate amounts of blood flow in the capillaries of the imaged regions. In the same way that a plain X ray is a 2 dimensional (2 D) view of a 3 dimensional structure, the image obtained by a gamma camera is a 2 D view of 3 D distribution of a radionuclide. SPECT imaging is performed by using a gamma camera to acquire multiple 2 D images (also called projections), from multiple angles. A computer is then used to apply a tomographic reconstruction algorithm to the multiple projections, yielding a 3 D data set. This data set may then be manipulated to show thin slices along any chosen axis of the body, similar to those obtained from other tomographic techniques, such as magnetic resonance imaging (MRI), X ray computed tomography (X ray CT), and positron emission tomography (PET). SPECT is similar to PET in its use of radioactive tracer material and detection of gamma rays. In contrast with PET, the tracers used in SPECT emit gamma radiation that is measured directly, whereas PET tracers emit positrons that annihilate with electrons up to a few millimeters away, causing two gamma photons to be emitted in opposite directions. A PET scanner detects these emissions "coincident" in time, which provides more radiation event localization information and, thus, higher spatial resolution images than SPECT (which has about 1 cm resolution). SPECT scans are significantly less expensive than PET scans, in part because they are able to use longer lived and more easily obtained radioisotopes than PET. Because SPECT acquisition is very similar to planar gamma camera imaging, the same radiopharmaceuticals may be used. If a patient is examined in another type of nuclear medicine scan, but the images are non diagnostic, it may be possible to proceed straight to SPECT by moving the patient to a SPECT instrument, or even by simply reconfiguring the camera for SPECT image acquisition while the patient remains on the table. To acquire SPECT images, the gamma camera is rotated around the patient. Projections are acquired at defined points during the rotation, typically every 3–6 degrees. In most cases, a full 360 degree rotation is used to obtain an optimal reconstruction. The time taken to obtain each projection is also variable, but 15–20 seconds is typical. This gives a total scan time of 15–20 minutes. Multi headed gamma cameras can accelerate acquisition. For example, a dual headed camera can be used with heads spaced 180 degrees apart, allowing two projections to be acquired simultaneously, with each head requiring 180 degrees of rotation. Triple head cameras with 120 degree spacing are also used. Cardiac gated acquisitions are possible with SPECT, just as with planar imaging techniques such as multi gated acquisition scan (MUGA). Triggered by electrocardiogram (EKG) to obtain differential information about the heart in various parts of its cycle, gated myocardial SPECT can be used to obtain quantitative information about myocardial perfusion, thickness, and contractility of the myocardium during various parts of the cardiac cycle, and also to allow calculation of left ventricular ejection fraction, stroke volume, and cardiac output.

Қолдану

SPECT кез келген гамма-суреттеу зерттеуіне қосымша қолданылуы мүмкін, үш өлшемді нақты бейнелеудің пайдалы болатын жағдайларда, мысалы, ісіктерді, инфекцияны (лейкоциттерді), қалқанша безін бейнелеу немесе сүйек сцинтиграфиясы. SPECT үш өлшемді кеңістікте дәл орналасуға мүмкіндік беретіндіктен, ішкі органдардың жергілікті функциясы туралы ақпарат алу үшін, мысалы, функционалдық жүрек немесе ми бейнелеуі үшін қолданылуы мүмкін.

Миокардтық перфузияны бейнелеу

Миокардтық перфузиялық бейнелеу (МПИ) – жүректің функционалдық бейнелеуінің бір түрі, ишемиялық жүрек ауруын диагностикалау үшін қолданылады. Негізгі принцип – стресс жағдайында, ауру миокардыға қалыпты миокардқа қарағанда аз қан ағыны түседі. МПИ – жүрек стресс-тестілеуінің бірнеше түрінің бірі. Жүрекке арналған радиофармацевтикалық препараттар қолданылады, мысалы, 99mTc тетрофосмин (Myoview, GE healthcare), 99mTc сестамиби (Cardiolite, Bristol Myers Squibb) немесе Таллий-201 хлориді. Содан кейін жүрек соғу жиілігі миокардтық стресс тудыру үшін жоғарылатылады, оны жүгіру жолындағы жаттығулар арқылы немесе аденозин, добутамин немесе дипиридамолмен фармакологиялық түрде жүзеге асыруға болады (дипиридамолдың әсерін кері қайтару үшін аминофиллин қолданылуы мүмкін). Стресс кезінен кейін жүргізілген SPECT бейнелеуі радиофармацевтикалық препараттың таралуын, демек миокардтың әртүрлі аймақтарына қан ағынының шамасын көрсетеді. Диагноз стресс кезінде алынған суреттерді, стресс кезінен бұрын алынған тыныш күйдегі суреттер жиынтығымен салыстыру арқылы қойылады. MPI-дің жалпы дәлдігі шамамен 83% (сезімталдығы: 85%; нақтылығы: 72%) құрайды (бұл SPECT MPI-ге ғана емес, жалпы шолу) және ишемиялық жүрек ауруына арналған басқа инвазивті емес тестілермен салыстырылады (немесе олардан жақсы).

Мүсіндік мидың функционалды бейнелеуі

Әдетте, функциялық миды бейнелеуде қолданылатын гамма-сәуле шығарушы трасер - Technetium (99mTc) exametazime. 99mTc - гамма-камерамен анықталатын гамма-сәулелерін шығаратын метатұрақ ядролық изомер. Экзаметазимге қосылған кезде оны ми тіндері мидағы қан ағынына пропорционалды түрде қабылдай алады, бұл өз кезегінде ядролық гамма камерамен мидағы қан ағынын бағалауға мүмкіндік береді. Мидағы қан ағыны мидың жергілікті метаболизмімен және энергияны пайдаланумен тығыз байланысты болғандықтан, 99mTc экзаметазимдік трасер (оған ұқсас 99mTc EC трасері) ми метаболизмін аймақтық тұрғыдан бағалау үшін, деменцияның әртүрлі себептік патологияларын диагностикалау және ажырату үшін қолданылады. Көптеген зерттеулердің мета-талдауынан бұл трасері бар SPECT-тің Альцгеймер ауруын диагностикалауда шамамен 74% сезімтал екендігі, ал клиникалық емтиханда (когнитивтік тестілеу және т.б.) сезімталдық 81% екендігі көрінеді. Жақында жүргізілген зерттеулер Альцгеймер ауруын анықтаудағы SPECT әдісінің дәлдігі 88% -ға дейін жетуі мүмкін екенін көрсетті. Мета-талдауда SPECT клиникалық емтихан мен клиникалық критерийлерге қарағанда (91% -ға қарсы 70%) Альцгеймер ауруын тамырлық деменциядан ажырата алуы жағынан артық болды. Бұл соңғы мүмкіндік SPECT-тің мидың жергілікті метаболизмін бейнелеуіне байланысты, онда бірнеше инсульт кезінде кортикаль метаболизмнің біршама жоғалуы Альцгеймер ауруына тән мидың қабықшалық емес функциясының тегіс немесе "тұйық" жоғалуынан айқын ерекшеленеді. Жақында жасалған тағы бір мақаладан көрініс тапқандай, сандық талдаумен бірнеше баслы SPECT камералары жалпы сезімталдығын 84-89% - ға, жалпы ерекшелігін 83-89% - ға, ал қималық зерттеулерде сезімталдығын 82-96%, ал деменцияның ұзындықтық зерттеулерінде 83-89% - ға жеткізеді. 99mTc exametazime SPECT сканерлеуі көптеген процестерден болатын мидың жергілікті зақымдануы туралы өте ұқсас ақпаратты беру үшін мидың флюдоксиглюкозалық (FDG) ПЕТ сканерлеуімен бәсекелеседі, ол мидың аймақтық глюкозалық метаболизмін бағалауға арналған. SPECT кеңінен қол жетімді, өйткені пайдаланылатын радиоизотоп ұзаққа созылады және SPECT-те әлдеқайда арзан, ал гамма сканерлеу жабдықтары да арзан. 99mTc салыстырмалы қарапайым технотий 99m генераторларынан алынады, олар апта сайын ауруханалар мен сканерлеу орталықтарына жаңа радиоизотоппен қамтамасыз ету үшін жеткізіледі, ал FDG PET қымбат медициналық циклотронда және "қызыл зертханада" (радиофармацевтикалық өндіріс үшін автоматтандырылған химия зертханасында) жасалатын FDG-ге арқа сүйеді, содан кейін Фтор-18-дің табиғи қысқа 110 минуттық жартылай жойылу мерзіміне байланысты сканерлеу орындарына дереу жеткізіледі.

Usually, the gamma emitting tracer used in functional brain imaging is Technetium (99mTc) exametazime. 99mTc is a metastable nuclear isomer that emits gamma rays detectable by a gamma camera. Attaching it to exametazime allows it to be taken up by brain tissue in a manner proportional to brain blood flow, in turn allowing cerebral blood flow to be assessed with the nuclear gamma camera. Because blood flow in the brain is tightly coupled to local brain metabolism and energy use, the 99mTc exametazime tracer (as well as the similar 99mTc EC tracer) is used to assess brain metabolism regionally, in an attempt to diagnose and differentiate the different causal pathologies of dementia. Meta analysis of many reported studies suggests that SPECT with this tracer is about 74% sensitive at diagnosing Alzheimer's disease vs. 81% sensitivity for clinical exam (cognitive testing, etc.). More recent studies have shown the accuracy of SPECT in Alzheimer's diagnosis may be as high as 88%. In meta analysis, SPECT was superior to clinical exam and clinical criteria (91% vs. 70%) in being able to differentiate Alzheimer's disease from vascular dementias. This latter ability relates to SPECT's imaging of local metabolism of the brain, in which the patchy loss of cortical metabolism seen in multiple strokes differs clearly from the more even or "smooth" loss of non occipital cortical brain function typical of Alzheimer's disease. Another recent review article showed that multi headed SPECT cameras with quantitative analysis result in an overall sensitivity of 84 89% and an overall specificity of 83 89% in cross sectional studies and sensitivity of 82 96% and specificity of 83 89% for longitudinal studies of dementia. 99mTc exametazime SPECT scanning competes with fludeoxyglucose (FDG) PET scanning of the brain, which works to assess regional brain glucose metabolism, to provide very similar information about local brain damage from many processes. SPECT is more widely available, because the radioisotope used is longer lasting and far less expensive in SPECT, and the gamma scanning equipment is less expensive as well. While 99mTc is extracted from relatively simple technetium 99m generators, which are delivered to hospitals and scanning centers weekly to supply fresh radioisotope, FDG PET relies on FDG, which is made in an expensive medical cyclotron and "hot lab" (automated chemistry lab for radiopharmaceutical manufacture), and then delivered immediately to scanning sites because of the natural short 110 minute half life of Fluorine 18.

Ядролық технологиядағы қолданулар

Ядролық энергетика саласында SPECT техникасы сәулеленген ядролық отын ішіндегі радиоизотоптардың таралуын бейнелеу үшін қолданылуы мүмкін. Ядролық отынның (мысалы, уранның) ядролық реактордағы нейтрондармен сәулеленуі нәтижесінде, отында гамма-сәуле шығаратын радионуклидтердің кең спектрі пайда болады, мысалы, бөліну өнімдері (цезий-137, барий-140 және европий-154) және активация өнімдері (хром-51 және кобальт-58). Бұл радионуклидтерді SPECT көмегімен АЭАҚ қауіпсіздік мақсатында сақталатын отын жинағындағы отын таяқшаларының бар-жоғын тексеру, ядролық есептеу кодтарының болжамдарын растау, немесе ядролық отынның қалыпты жағдайдағы немесе төтенше жағдайлардағы қасиеттерін зерттеу үшін бейнелеуге болады.

Қайта құру

Қайта құрылған кескіндердің ажыратымдылығы әдетте 64×64 немесе 128×128 пикселді құрайды, пикселдердің мөлшері 3–6 мм аралығында өзгереді. Алынған проекциялардың саны нәтижедегі кескіндердің еніне шамамен тең етіп таңдалады. Жалпы алғанда, қайта құрылған кескіндер төменгі ажыратымдылыққа ие болады, жазық кескіндерге қарағанда шу деңгейі жоғары болады және артефакттарға ұшырау ықтималдығы артады. Сканирлеу уақытты көп алады, сондықтан сканирлеу барысында пациенттің қозғалысын болдырмау өте маңызды. Қозғалыс қайта құрылған кескіндердің сапасын нашарлатуы мүмкін, бірақ қозғалысты өтемақылайтын реконструкция техникалары бұл мәселені шешуге көмектеседі. Радиофармацевтикалық препараттың теңсіз таралуы да артефакттардың пайда болуына себеп болуы мүмкін. Өте жоғары белсенділік аймағы (мысалы, несеп қуығы) кескіндерде кеңінен созылуға және жақын орналасқан белсенділік аймақтарын жасыруға әкелуі мүмкін. Бұл сүзгіленген кері проекциялық реконструкция алгоритмінің шектеуі болып табылады. Итеративтік реконструкция – маңыздылығы артып келе жатқан балама алгоритм, себебі ол артефакттарға аз сезімтал және сонымен қатар әлсіреу мен тереңдікке байланысты бұрмалануды түзетуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, Superiorization әдістемесін қолдану арқылы итеративтік алгоритмдердің тиімділігін арттыруға болады. Пациенттің ішіндегі гамма сәулелерінің әлсіреуі терең тіндердегі белсенділіктің бағасын, беткейлі тіндерге қарағанда, айтарлықтай төмендетуі мүмкін. Белсенділіктің салыстырмалы орнына сүйене отырып шамамен түзету жасауға болады, ал ең оңтайлы түзету өлшенген әлсіреу мәндері арқылы жүзеге асырылады. Қазіргі заманғы SPECT құрылғылары рентгендік компьютерлік томография (КТ) сканерімен біріктірілген түрде қол жетімді. Рентгендік КТ кескіндері тіндердің әлсіреу картасын құрайтындықтан, бұл деректерді SPECT реконструкциясына қосып, әлсіреуді түзетуге болады. Бұдан басқа, ол дәл тіркелген КТ кескінін ұсынады, бұл қосымша анатомиялық ақпарат беруге мүмкіндік береді. Гамма сәулелерінің шашырауы, сондай-ақ гамма сәулелерінің кездейсоқ сипаты SPECT кескіндерінің сапасын нашарлатуына және ажыратымдылықтың төмендеуіне әкелуі мүмкін. SPECT кескіндерінің ажыратымдылығын жақсарту үшін шашырауды түзету және ажыратымдылықты қалпына келтіру шаралары да қолданылады.

Reconstructed images typically have resolutions of 64×64 or 128×128 pixels, with the pixel sizes ranging from 3–6 mm. The number of projections acquired is chosen to be approximately equal to the width of the resulting images. In general, the resulting reconstructed images will be of lower resolution, have increased noise than planar images, and be susceptible to artifacts. Scanning is time consuming, and it is essential that there is no patient movement during the scan time. Movement can cause significant degradation of the reconstructed images, although movement compensation reconstruction techniques can help with this. A highly uneven distribution of radiopharmaceutical also has the potential to cause artifacts. A very intense area of activity (e. g., the bladder) can cause extensive streaking of the images and obscure neighboring areas of activity. This is a limitation of the filtered back projection reconstruction algorithm. Iterative reconstruction is an alternative algorithm that is growing in importance, as it is less sensitive to artifacts and can also correct for attenuation and depth dependent blurring. Furthermore, iterative algorithms can be made more efficacious using the Superiorization methodology. Attenuation of the gamma rays within the patient can lead to significant underestimation of activity in deep tissues, compared to superficial tissues. Approximate correction is possible, based on relative position of the activity, and optimal correction is obtained with measured attenuation values. Modern SPECT equipment is available with an integrated X ray CT scanner. As X ray CT images are an attenuation map of the tissues, this data can be incorporated into the SPECT reconstruction to correct for attenuation. It also provides a precisely registered CT image, which can provide additional anatomical information. Scatter of the gamma rays as well as the random nature of gamma rays can also lead to the degradation of quality of SPECT images and cause loss of resolution. Scatter correction and resolution recovery are also applied to improve resolution of SPECT images.

SPECT/CT

Кейбір жағдайларда SPECT гамма сканері бейнелерді бірге тіркеу арқылы, дәстүрлі КТ сканерімен жұмыс істеуге құрылуы мүмкін. ПЭТ/КТ сияқты, бұл SPECT сцинтиграфиясында көрінетін, бірақ басқа анатомиялық құрылымдармен салыстырғанда орналасқан жерін анықтау қиын болатын ісіктер мен тіндерді табуға мүмкіндік береді. Мұндай сканерлеулер мидан тыс тіндер үшін ең пайдалы, себебі тіндердің орналасуы онда әлдеқайда өзгермелі болуы мүмкін. Мысалы, SPECT/CT сестамиби паратиреоид сканерлеуінде қолданылуы мүмкін, онда бұл техника қалқанша безіндегі әдеттегі орналасқан жерлерінен тыс жерде болатын эктопиялық паратиреоид аденомаларын анықтауға көмектеседі.

Сапаны бақылау

SPECT жүйелерінің жалпы жұмысы Jaszczak фантомы сияқты сапаны бақылау құралдарымен тексерілуі мүмкін.