Однофотонная эмиссионная томография

Принцип однофотонной эмиссионной томографии (ОФЭТ)

Однофотонная эмиссионная томография (ОФЭТ, или SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography) представляет собой ядерно-медицинский метод визуализации, основанный на регистрации гамма-излучения, испускаемого радионуклидными препаратами, введёнными в организм пациента. В отличие от планарной сцинтиграфии, ОФЭТ позволяет получать трёхмерные распределения радиофармпрепарата в тканях и органах.

Изображения формируются путём вращения одной или нескольких гамма-камер вокруг пациента и сбора проекционных данных под разными углами. Полученные проекции подвергаются реконструкции с использованием математических алгоритмов (обычно — обратное фильтрованное преобразование Радона или итеративные методы), что позволяет получить томографические срезы.

Радиофармацевтические препараты и их распределение

Ключевым элементом ОФЭТ является радиофармацевтический препарат (РФП), содержащий радионуклид с подходящими характеристиками:

  • Излучение: моноэнергетическое гамма-излучение (наиболее часто — ^99mTc с энергией 140 кэВ);
  • Период полураспада: соответствующий продолжительности исследования (например, для ^99mTc — около 6 часов);
  • Биораспределение: высокая органоспецифичность и быстрое очищение из неспецифических тканей.

Примеры РФП:

  • Технеций-перхнетат — для щитовидной железы;
  • Технеций-сестамиби — для миокарда;
  • Иод-123-мета-йодбензилгуанидин — для нейроэндокринных опухолей.

Гамма-камеры и сбор данных

Гамма-камера — основной детекторный модуль ОФЭТ, состоящий из следующих компонентов:

  • Коллиматор: ограничивает направление прилетающих фотонов, формируя проекционное изображение;
  • Сцинтилляционный кристалл (обычно NaI(Tl)): преобразует гамма-квант в световые фотоны;
  • Фотонные датчики (ФЭУ или SiPM): преобразуют световые фотоны в электрический сигнал;
  • Электроника и система обработки: формируют координаты попадания и энергию каждого события.

В режиме ОФЭТ камера вращается вокруг пациента, регистрируя 360° проекционные изображения. Обычно собирается от 60 до 120 проекций на круг, каждая длительностью 15–40 секунд.

Реконструкция томографических изображений

Сырые проекционные данные необходимо обработать для получения срезов, отображающих распределение РФП в тканях. Существует два основных класса алгоритмов реконструкции:

  1. Аналитические методы:

    • Обратное проекционное преобразование с фильтрацией (filtered back projection, FBP);
    • Быстрое, но чувствительное к шуму и артефактам.

  2. Итеративные методы:

    • Алгоритмы типа MLEM (Maximum Likelihood Expectation Maximization) и OSEM (Ordered Subsets Expectation Maximization);
    • Учитывают реальные параметры системы: распределение точечного отклика (PSF), сдвиги, затухание, рассеяние;
    • Позволяют значительно повысить пространственное разрешение и точность.

Коррекция артефактов и факторов искажения

Для повышения качества изображений ОФЭТ необходимо учитывать ряд физических эффектов, влияющих на точность регистрации:

  • Затухание фотонов в тканях: особенно значимо при исследовании грудной клетки или брюшной полости. Используется карта затухания, полученная с помощью КТ или из эмпирических моделей.
  • Рассеяние фотонов: приводит к неправильному определению положения источника. Вводятся методы энергетической дискриминации и коррекционные алгоритмы.
  • Флуктуации в чувствительности детектора: калибровка и использование нормализационных данных.
  • Движение пациента: коррекция за счёт синхронизации (например, с дыхательным циклом при кардиологической ОФЭТ) или алгоритмическая компенсация.

Интеграция с компьютерной томографией (SPECT/CT)

Современные гибридные системы ОФЭТ/КТ (SPECT/CT) позволяют объединить функциональные данные с анатомическими. Преимущества:

  • Повышенная точность локализации патологических очагов;
  • Более точная коррекция затухания;
  • Улучшенное качество реконструкции;
  • Возможность количественной оценки распределения РФП.

КТ-данные используются не только для визуализации, но и для коррекции ослабления и определения плотности тканей. Это особенно важно при исследовании структур вблизи костей, лёгких и других участков с резкими градиентами плотности.

Пространственное разрешение и чувствительность

Основные параметры, определяющие качество изображения ОФЭТ:

  • Пространственное разрешение: обычно 8–12 мм, зависит от типа коллиматора, расстояния объект-детектор и алгоритма реконструкции;
  • Энергетическое разрешение: около 9–10% на 140 кэВ;
  • Чувствительность: выражается в количестве зарегистрированных событий на единицу активности и времени (кБк/сек/МБк);
  • Контраст: способность различать области с различной концентрацией РФП.

Клинические применения

ОФЭТ широко применяется в клинической практике, включая:

  • Кардиология:

    • Оценка миокардиальной перфузии;
    • Жизнеспособность миокарда;
    • Анализ фракции выброса и движений стенки;

  • Онкология:

    • Поиск первичных и метастатических очагов (например, с использованием ^123I или ^111In-меток);

  • Неврология:

    • Оценка перфузии мозга при деменциях, эпилепсии, инсульте;

  • Эндокринология:

    • Исследование щитовидной и паращитовидных желез;

  • Ортопедия и воспалительные процессы:

    • Оценка остеомиелита, инфекционных очагов.

Коллиматоры и их разновидности

Тип коллиматора существенно влияет на чувствительность и разрешение системы. Используются:

  • Параллельные коллиматоры: стандарт для большинства клинических применений;
  • Конвергентные (фокусирующие): увеличивают чувствительность при исследовании мелких объектов;
  • Пинхол-коллиматоры: высокое разрешение, применяются для исследования щитовидной железы, глаз, мелких животных;
  • Фантомные коллиматоры: для томографических фантомов и калибровки.

Квантовая эффективность и дозиметрия

Поглощённая доза при ОФЭТ зависит от:

  • Используемого радионуклида и его активности;
  • Фармакокинетики препарата;
  • Массы органов;
  • Времени регистрации.

Доза может варьироваться от 2 до 15 мЗв в зависимости от протокола исследования. Важно учитывать риск/пользу, особенно при повторных исследованиях и у детей.

Будущее ОФЭТ и перспективные технологии

Современные тенденции развития однофотонной томографии включают:

  • Цифровые гамма-камеры: с использованием полупроводниковых детекторов (CdZnTe), повышающих разрешение и чувствительность;
  • Гибридные технологии: SPECT/CT, SPECT/MRI;
  • Квантитативная ОФЭТ: методы калибровки и абсолютного измерения концентрации РФП;
  • Многоэнергетическая регистрация: одновременное исследование с несколькими радионуклидами;
  • Улучшенные алгоритмы реконструкции с ИИ и машинным обучением.

Однофотонная эмиссионная томография остаётся незаменимым методом в медицинской визуализации, обеспечивая уникальную информацию о функциональных процессах в организме, недоступную для purely анатомических методов визуализации.

Оглавление