Введение
Техника томографической визуализации в ядерной медицине. Компьютерная томография с одиночным фотонным излучением (ОФЭКТ, или реже СПЭТ) – это томографическая техника визуализации в ядерной медицине, использующая гамма-лучи. Она очень похожа на традиционную плоскостную визуализацию в ядерной медицине с использованием гамма-камеры (то есть сцинтиграфию), но позволяет получать истинную трехмерную информацию. Эта информация обычно представляется в виде поперечных срезов тела пациента, но может быть свободно переформатирована или изменена по мере необходимости. Для проведения исследования необходимо введение в организм пациента гамма-излучающего радиоизотопа (радионуклида), как правило, путем инъекции в кровоток. В некоторых случаях радиоизотоп представляет собой простой растворимый ион, например, изотоп галлия(III). Однако чаще всего радиоизотоп-маркер присоединяется к специфическому лиганду для создания радиолиганда, свойства которого обеспечивают его связывание с определенными типами тканей. Такое сочетание позволяет комбинации лиганда и радиофармпрепарата доставляться и связываться в интересующей области организма, где концентрация лиганда визуализируется гамма-камерой.
Single photon emission computed tomography (SPECT, or less commonly, SPET) is a nuclear medicine tomographic imaging technique using gamma rays. It is very similar to conventional nuclear medicine planar imaging using a gamma camera (that is, scintigraphy), but is able to provide true 3D information. This information is typically presented as cross sectional slices through the patient, but can be freely reformatted or manipulated as required. The technique needs delivery of a gamma emitting radioisotope (a radionuclide) into the patient, normally through injection into the bloodstream. On occasion, the radioisotope is a simple soluble dissolved ion, such as an isotope of gallium(III). Usually, though, a marker radioisotope is attached to a specific ligand to create a radioligand, whose properties bind it to certain types of tissues. This marriage allows the combination of ligand and radiopharmaceutical to be carried and bound to a place of interest in the body, where the ligand concentration is seen by a gamma camera.
Принципы
Вместо простой "съемки анатомических структур", SPECT-сканирование отслеживает уровень биологической активности в каждой точке анализируемой трехмерной (3D) области. Эмиссия от радионуклида указывает на объем кровотока в капиллярах визуализированных областей. Подобно тому, как обычный рентгеновский снимок представляет собой двухмерное (2D) изображение трехмерной структуры, изображение, полученное с помощью гамма-камеры, является двухмерным представлением трехмерного распределения радионуклида. SPECT-изображение выполняется с использованием гамма-камеры для получения множества 2D-изображений (также называемых проекциями) с разных углов. Затем компьютер применяет алгоритм томографической реконструкции к этим проекциям, создавая трехмерный (3D) набор данных. Этот набор данных можно использовать для отображения тонких срезов вдоль любой выбранной оси тела, аналогично тем, что получаются при других томографических методах, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). SPECT схож с ПЭТ в использовании радиоактивных трассеров и обнаружении гамма-излучения. В отличие от ПЭТ, трассеры, используемые в SPECT, излучают гамма-излучение, которое измеряется напрямую, в то время как трассеры ПЭТ излучают позитроны, которые аннигилируют с электронами на расстоянии до нескольких миллиметров, приводя к образованию двух гамма-фотонов, испускаемых в противоположных направлениях. ПЭТ-сканер обнаруживает эти "совпадающие" эмиссии по времени, что обеспечивает более точную локализацию события излучения и, следовательно, более высокое пространственное разрешение изображений, чем у SPECT (разрешение которого составляет около 1 см). SPECT-сканирование значительно дешевле, чем ПЭТ-сканирование, отчасти потому, что оно позволяет использовать более долгоживущие и легкодоступные радиоизотопы. Поскольку процесс получения изображений SPECT очень похож на планарную гамма-камерную визуализацию, можно использовать те же радиофармпрепараты. Если пациент обследован с помощью другого метода ядерной медицины, но полученные изображения не являются диагностическими, можно перейти непосредственно к SPECT, переместив пациента к SPECT-аппарату или даже просто перенастроив камеру для получения SPECT-изображений, не перемещая пациента со стола. Для получения SPECT-изображений гамма-камера вращается вокруг пациента. Проекции получаются в определенных точках во время вращения, обычно каждые 3–6 градусов. В большинстве случаев для оптимальной реконструкции используется полное вращение на 360 градусов. Время, необходимое для получения каждой проекции, также может варьироваться, но обычно составляет 15–20 секунд. Это дает общее время сканирования 15–20 минут. Многоголовые гамма-камеры могут ускорить процесс получения изображений. Например, двухголовая камера может быть использована с головками, расположенными на расстоянии 180 градусов друг от друга, что позволяет получать две проекции одновременно, при этом каждой головке требуется вращение на 180 градусов. Также используются трехголовые камеры с расстоянием между головками 120 градусов. Кардиологические синхронизированные с ЭКГ исследования возможны при SPECT, как и при планарных методах визуализации, таких как многофазное сканирование (MUGA). С помощью электрокардиограммы (ЭКГ) для получения дифференцированной информации о сердце на различных этапах его цикла, синхронизированная с ЭКГ миокардиальная SPECT может использоваться для получения количественной информации о перфузии миокарда, толщине и сократимости миокарда на различных этапах сердечного цикла, а также для расчета фракции выброса левого желудочка, ударного объема и сердечного выброса.
Применение
SPECT может быть использован для дополнения любого исследования гамма-визуализации, где полезно получение истинного трехмерного изображения, например, при визуализации опухолей, инфекций (лейкоцитов), щитовидной железы или сцинтиграфии костей. Благодаря возможности точной локализации в трехмерном пространстве, SPECT позволяет получать информацию о локальной функции внутренних органов, например, при функциональной кардиологической или церебральной визуализации.
Изображение перфузии миокарда
Перфузионная визуализация миокарда (MPI) – это метод функциональной кардиальной визуализации, используемый для диагностики ишемической болезни сердца. В основе метода лежит тот факт, что при нагрузке пораженный миокард получает меньший приток крови, чем здоровый. MPI является одним из видов стресс-тестов сердца. Вводится кардиоспецифический радиофармпрепарат, например, 99mTc тетрофосмин (Myoview, GE healthcare), 99mTc сестамиби (Cardiolite, Bristol Myers Squibb) или хлорид таллия-201. Затем частоту сердечных сокращений повышают для создания миокардиального стресса либо с помощью физической нагрузки на беговой дорожке, либо фармакологически, используя аденозин, добутамин или дипиридамол (аминофиллин может быть использован для устранения эффектов дипиридамола). Сцинтиграфия SPECT, выполненная после нагрузки, отображает распределение радиофармпрепарата и, следовательно, относительный кровоток в различных областях миокарда. Диагноз ставится путем сравнения изображений, полученных при нагрузке, с дополнительным набором изображений, полученных в состоянии покоя, которые обычно приобретаются до проведения стресс-теста. Показано, что общая точность MPI составляет около 83% (чувствительность: 85%; специфичность: 72%) (по данным обзора, включающего не только SPECT MPI), и она сопоставима (или превосходит) другие неинвазивные методы диагностики ишемической болезни сердца.
Функциональная визуализация мозга
Обычно гамма-излучающим трассером, используемым при функциональной визуализации мозга, является экзаметазим Technetium (99mTc). 99mTc – метастабильный ядерный изомер, излучающий гамма-лучи, обнаруживаемые гамма-камерой. Присоединение его к экзаметазиму обеспечивает его поглощение тканями мозга пропорционально мозговому кровотоку, что, в свою очередь, позволяет оценивать мозговой кровоток с помощью ядерной гамма-камеры. Поскольку мозговой кровоток тесно связан с локальным метаболизмом мозга и потреблением энергии, трассер 99mTc-экзаметазим (а также аналогичный трассер 99mTc EC) используется для оценки регионального метаболизма мозга с целью диагностики и дифференциации различных причинных патологий деменции. Мета-анализ множества опубликованных исследований показывает, что SPECT с этим трассером обладает чувствительностью около 74% при диагностике болезни Альцгеймера, в то время как клиническое обследование (когнитивные тесты и т.д.) – 81%. Более поздние исследования показали, что точность SPECT в диагностике болезни Альцгеймера может достигать 88%. В мета-анализе SPECT превзошел клиническое обследование и клинические критерии (91% против 70%) в способности дифференцировать болезнь Альцгеймера от сосудистой деменции. Эта способность связана с визуализацией SPECT локального метаболизма мозга, где неравномерная потеря метаболизма коры, наблюдаемая при перенесенных инсультах, отчетливо отличается от более равномерной или "гладкой" потери функции коры головного мозга, не затрагивающей затылочную область, типичной для болезни Альцгеймера. Другой недавний обзор показал, что многодетекторные SPECT-камеры с количественным анализом обеспечивают общую чувствительность 84-89% и общую специфичность 83-89% в поперечных исследованиях, а также чувствительность 82-96% и специфичность 83-89% в продольных исследованиях деменции. SPECT-сканирование с 99mTc-экзаметазимом конкурирует с ПЭТ-сканированием мозга с использованием флюородеоксиглюкозы (FDG), которое оценивает региональный метаболизм глюкозы в мозге, предоставляя очень схожую информацию о локальном повреждении мозга, вызванном различными процессами. SPECT более широко доступен, поскольку используемый радиоизотоп имеет больший период полураспада и значительно дешевле, а оборудование для гамма-сканирования также стоит дешевле. 99mTc извлекается из относительно простых генераторов 99mTc, которые еженедельно доставляются в больницы и центры сканирования для обеспечения свежими радиоизотопами, в то время как FDG PET требует FDG, который производится в дорогостоящем медицинском циклотроне и "горячей лаборатории" (автоматизированной химической лаборатории для производства радиофармпрепаратов), а затем немедленно доставляется на места сканирования из-за короткого естественного периода полураспада фтора-18, составляющего 110 минут.
Применение в ядерной технологии
В ядерной энергетике метод SPECT может применяться для визуализации распределения радиоизотопов в облученном ядерном топливе. В результате облучения ядерного топлива (например, урана) нейтронами в ядерном реакторе, в топливе естественным образом образуется широкий спектр гамма-излучающих радионуклидов, таких как продукты деления (цезий-137, барий-140 и европий-154) и продукты активации (хром-51 и кобальт-58). Эти радионуклиды могут быть визуализированы с помощью SPECT для подтверждения наличия топливных стержней в хранимой топливной сборке в целях гарантий МАГАТЭ, для верификации прогнозов кодов моделирования активной зоны реактора или для изучения поведения ядерного топлива в нормальных условиях эксплуатации или в аварийных ситуациях.
or in accident scenarios.
Реконструкция
Реконструированные изображения обычно имеют разрешение 64×64 или 128×128 пикселей, с размерами пикселей от 3 до 6 мм. Количество полученных проекций выбирается примерно равным ширине результирующих изображений. В целом, полученные реконструированные изображения будут иметь более низкое разрешение, повышенный уровень шума по сравнению с планарными изображениями и быть подвержены артефактам. Сканирование занимает много времени, и крайне важно, чтобы пациент не двигался во время сканирования. Движение может привести к значительному ухудшению качества реконструированных изображений, хотя методы реконструкции с компенсацией движения могут помочь в этом. Высоко неравномерное распределение радиофармпрепарата также может вызывать артефакты. Область очень высокой активности (например, мочевой пузырь) может вызывать обширные полосы на изображениях и скрывать соседние области активности. Это ограничение алгоритма реконструкции методом фильтрованной обратной проекции. Итеративная реконструкция является альтернативным алгоритмом, который приобретает все большее значение, поскольку она менее чувствительна к артефактам и может также корректировать затухание и размытие, зависящее от глубины. Кроме того, эффективность итеративных алгоритмов можно повысить с помощью методологии Superiorization. Затухание гамма-излучения внутри тела пациента может приводить к значительному занижению активности в глубоких тканях по сравнению с поверхностными тканями. Возможна приблизительная коррекция, основанная на относительном положении активности, а оптимальная коррекция достигается при использовании измеренных значений затухания. Современное оборудование для ОФЭКТ доступно со встроенным рентгеновским КТ-сканером. Поскольку изображения, полученные с помощью рентгеновской КТ, представляют собой карту затухания тканей, эти данные могут быть включены в реконструкцию ОФЭКТ для коррекции затухания. Также это обеспечивает точно зарегистрированное КТ-изображение, которое может предоставить дополнительную анатомическую информацию. Рассеяние гамма-лучей, а также случайный характер гамма-излучения также могут приводить к ухудшению качества изображений ОФЭКТ и потере разрешения. Для улучшения разрешения изображений ОФЭКТ применяются коррекция рассеяния и восстановление разрешения.
SPECT/CT
В некоторых случаях гамма-сканер SPECT может быть сконструирован для работы совместно с обычным КТ-сканером с сорегистрацией изображений. Как и в ПЭТ/КТ, это позволяет локализовать опухоли или ткани, которые видны на сцинтиграфии SPECT, но которые сложно точно определить относительно других анатомических структур. Такие исследования наиболее полезны для тканей за пределами мозга, где расположение тканей может значительно варьироваться. Например, SPECT/КТ может использоваться при сестамиби-сканировании паращитовидных желез, где эта методика полезна для локализации эктопических паратиреоидных аденом, которые могут находиться не в типичных местах в щитовидной железе.
Контроль качества
Общая производительность систем SPECT оценивается с помощью инструментов контроля качества, таких как фантом Ясчака.