Физические принципы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) основана на регистрации пар гамма-квантов, возникающих в результате аннигиляции позитрона, испускаемого радионуклидом, с электроном. При этом используются радионуклиды, испытывающие β⁺-распад. В ходе этого распада протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона (e⁺) и нейтрино (νₑ):
p → n + e⁺ + νₑ
Позитрон, испущенный радионуклидом, теряет энергию в тканях (в основном через ионизацию и возбуждение атомов) и спустя 1–3 мм от места распада аннигилирует с электроном. При этом образуются два гамма-кванта с энергией по 511 кэВ, которые разлетаются почти строго в противоположных направлениях (угол ≈ 180°).
В ПЭТ-сканере детекторы размещены по кругу (или в виде цилиндра) вокруг пациента. Когда два детектора, расположенные напротив друг друга, регистрируют одновременно (в пределах временного окна порядка 6–12 нс) два гамма-кванта, это событие интерпретируется как произошедшее на прямой между двумя детекторами. Такая прямая называется линией отклика (line of response, LOR).
Точное место аннигиляции позитрона не определяется напрямую, однако при регистрации множества событий с разных углов становится возможным реконструировать распределение источников радиации в теле пациента — это и составляет основную задачу томографической реконструкции.
Для ПЭТ применяются радионуклиды с β⁺-распадом, наиболее часто — следующие:
Особенность заключается в том, что короткий период полураспада требует близости циклотронного производства радионуклидов к месту проведения ПЭТ-исследований.
В ПЭТ используются сцинтилляционные детекторы, преобразующие энергию гамма-квантов в световые вспышки, которые затем регистрируются фотодетекторами (фотодиодами или фотоумножителями). Основные требования к детекторам:
Часто используются кристаллы: LSO (лу-тетиевый ортосиликат), BGO (висмутовый германият) и др. Важной технологией является временная привязка (time stamping): каждому зарегистрированному событию присваивается точное время, что необходимо для выделения истинных совпадений.
Регистрация истинных совпадений означает, что оба гамма-кванта от одного акта аннигиляции зафиксированы. Кроме них возможны:
Для повышения точности изображения система ПЭТ включает схемы подавления рассеянных и случайных совпадений, энергетические фильтры и временные окна.
На пространственное разрешение ПЭТ влияют:
Для ¹⁸F разрешение достигает 4–5 мм. При использовании радионуклидов с более энергичными позитронами (например, ¹⁵O) разрешение снижается.
Реконструкция изображений в ПЭТ требует обработки большого массива данных — по сути, восстановления распределения источников по проекциям. Используются:
Поглощение гамма-квантов в теле пациента приводит к искажению реконструкции, особенно в глубинных слоях. Для этого проводится:
В ПЭТ с временным разрешением (Time-of-Flight PET) используется разность времени прихода двух квантов для локализации аннигиляции вдоль линии отклика. При точности порядка 400 пс можно достичь пространственного уточнения в пределах ~6 см, что улучшает соотношение сигнал/шум и качество реконструкции.
Сегодня большинство ПЭТ-томографов — это гибридные системы ПЭТ/КТ и ПЭТ/МРТ, позволяющие:
Поскольку ПЭТ включает введение радиофармпрепаратов с β⁺-излучением, необходимо строгое соблюдение норм радиационной безопасности:
ПЭТ широко применяется в:
ПЭТ обладает высочайшей чувствительностью и позволяет оценивать биохимические процессы in vivo, что делает этот метод уникальным в современной медицинской визуализации.