Физические основы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) основана на физическом явлении аннигиляции позитрона, испущенного радионуклидом, с электроном вещества. При аннигиляции образуется пара гамма-квантов с энергией по 511 кэВ, испускаемых в противоположных направлениях (примерно под углом 180°). Регистрация этих квантов в совпадении (коинциденция) позволяет локализовать место аннигиляции, а значит и накопления радиофармпрепарата.
Для ПЭТ используются радионуклиды, испускающие позитроны (β⁺-радиоактивность), как правило, с коротким периодом полураспада, например:
Радиофармпрепарат вводится в организм пациента, накапливается в исследуемых тканях, а затем начинается регистрация аннигиляционных квантов с целью построения изображения распределения препарата в теле.
Процесс β⁺-распада можно описать следующим образом:
p → n + β⁺ + νe
Позитрон, испущенный из ядра, теряет энергию в тканях (замедляется) и через несколько миллиметров сталкивается с электроном. При этом происходит аннигиляция:
e⁺ + e⁻ → 2γ (по 511 кэВ)
Из-за закона сохранения импульса фотоны разлетаются в противоположные стороны. Это фундаментально важно для метода ПЭТ, так как позволяет использовать так называемую коинциденцию — регистрацию двух фотонов, пришедших одновременно на противоположные детекторы.
Если два фотона от аннигиляции приходят на два противоположных детектора одновременно (с точностью до наносекунд), система регистрирует факт коинциденции. Поскольку фотоны летят вдоль прямой, соединяющей точку аннигиляции с обоими детекторами, можно определить линию реакции (Line of Response, LOR) — потенциальное место аннигиляции.
Повторяя этот процесс для множества пар фотонов в разных направлениях, можно математически реконструировать трёхмерную картину распределения активности.
В отличие от однофотонной эмиссионной томографии (ОФЭКТ), ПЭТ не использует механические коллиматоры. Вместо этого используется электронная коллимация, основанная на принципе коинциденции, что приводит к:
Для регистрации фотонов аннигиляции применяются сцинтилляционные детекторы с фотопреобразователями. Основные характеристики детекторов:
Наиболее часто применяются следующие материалы:
| Сцинтиллятор | Эффективность (поглощение) | Светоотдача | Время спада (нс) |
|---|---|---|---|
| LSO (лучевой ортосиликат лютеция) | Высокая | Средняя | ~40 |
| BGO (германат висмута) | Очень высокая | Низкая | ~300 |
| LYSO (ортосиликат лютеция-иттрия) | Высокая | Высокая | ~40 |
Современные ПЭТ-сканеры используют технологию Time-of-Flight (TOF), при которой измеряется небольшая разница во времени прихода фотонов на противоположные детекторы. Эта разность времени позволяет уточнить местоположение аннигиляции вдоль линии реакции.
Если известно, что один фотон пришёл на δt раньше другого, можно рассчитать:
Δx = c · δt / 2
где c — скорость света. Таким образом, TOF позволяет улучшить пространственное разрешение и повысить отношение сигнал/шум.
Пространственное разрешение ПЭТ зависит от нескольких факторов:
Обычно ПЭТ обеспечивает разрешение в пределах 3–5 мм в клинических системах, а в современных TOF-устройствах — до 2 мм.
Поскольку данные собираются вдоль множества LOR, для формирования изображения необходимо применить методы реконструкции. Основные алгоритмы:
Обратная проекция (Filtered Back Projection, FBP) Простой и быстрый метод, но подвержен артефактам и шуму.
Итерационные методы (MLEM, OSEM) Более точные, учитывают физику процесса и статистику данных. Используются в современных системах.
TOF-реконструкция Учитывает временные метки коинциденции для уточнения места аннигиляции.
Поскольку гамма-кванты могут поглощаться или рассеиваться в теле пациента, необходимо вносить поправки в полученные данные:
Коррекция на поглощение осуществляется с использованием либо КТ (в ПЭТ/КТ), либо передачи внешнего источника (в старых системах).
Коррекция на рассеяние основана на моделировании и статистике. Рассеянные фотоны могут пройти коинциденцию, но исказят истинное местоположение аннигиляции.
Мёртвое время детекторов, случайные коинциденции и шум также требуют цифровой фильтрации.
Для повышения диагностической точности ПЭТ часто объединяется с другими методами:
ПЭТ/КТ — даёт анатомический контекст ПЭТ-изображения и используется для коррекции на ослабление.
ПЭТ/МРТ — более сложная, но не использует ионизирующее излучение в морфологической части. Требует специальных детекторов, нечувствительных к магнитному полю.
Облучение пациента при ПЭТ зависит от:
Для ¹⁸F-FDG доза эффективного облучения составляет примерно 7–10 мЗв при стандартной активности 370–740 МБк. Несмотря на использование β⁺-излучателей, основная доза обусловлена аннигиляционными фотонами.
ПЭТ позволяет получать функциональные изображения:
Особенность ПЭТ — количественная оценка метаболизма тканей, часто через показатель SUV (standardized uptake value), что делает метод незаменимым в персонализированной медицине.