J-PET – nowe możliwości diagnostyczne

Dodano: 18 listopada 2021

Twórcy krakowskiego urządzenia J-PET pokazali po raz pierwszy na świecie, jak uzyskać dodatkowe cenne informacje o lokalizacji zmian chorobowych. Metoda oparta jest o analizę procesów z udziałem pozytoniów powstających w ciele pacjenta.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl

O wynikach informowano m.in. w czasopiśmie Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-021-25905-9) i Science Advances (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh4394). Rezultaty prac opisuje też w prasowym komunikacie Narodowe Centrum Badań Jądrowych.

PET, czyli Pozytonowa Tomografia Emisyjna (z ang. Positron Emission Tomography) jest metodą obrazowania anatomii pacjenta w oparciu o zarejestrowane promieniowanie (fotony) wyemitowane z wnętrza ciała człowieka. W celu wykonania badania, pacjentowi podawany jest radiofarmaceutyk, zawierający pierwiastek promieniotwórczy – radioizotop, emitujący podczas rozpadu antycząstki elektronu, czyli pozytony. Najczęściej wykorzystywanym radioizotopem jest fluor 18. Pozytony, jako cząstki antymaterii łącząc się z elektronami (cząstkami materii) emitują dwa współliniowe fotony (poruszające się po jednej prostej, zwrócone w przeciwne strony). Proces ten nazywamy anihilacją – wyjaśniają w prasowym komunikacie Małgorzata Bankowicz, Wojciech Krzemień, Marek Pawłowski.

Radiofarmaceutyk, koncentruje się głównie w najbardziej energochłonnych komórkach, takich jak komórki nowotworowe. Wyemitowane fotony zostają zarejestrowane w skanerze, co pozwala na określenie pozycji źródła ich emisji. Cały ten proces polega na rejestracji miejsca, energii i czasów, w jakich para fotonów została zaobserwowana. Jednak do otrzymania trójwymiarowego obrazu jest jeszcze daleka droga pracy algorytmów, bez których otrzymane na jej końcu zdjęcie organizmu pacjenta i komórek nowotworowych nie byłoby możliwe.

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego we współpracy między innymi z badaczami z Narodowego Centrum Badań Jądrowych pracują nad nową generacją urządzeń pozytonowej tomografii emisyjnej – Jagiellonian PET.

„Stosowane w tomografii PET detektory fotonów wykorzystują zjawisko scyntylacji. Scyntylatory składają się z atomów, które pochłaniając część energii padającego fotonu, zmieniają ją na fotony z zakresu światła widzialnego, które następnie są rejestrowane przez elektronikę skanera. To sprawia, że zamiast jednego wysokoenergetycznego fotonu, rejestrujemy wiele fotonów o mniejszej energii. Jagiellonian PET różni się od klasycznych maszyn PET technologią detektorów. Zamiast droższych, powszechnie stosowanych w technologii PET nieorganicznych kryształów scyntylacyjnych (niezawierających atomów węgla), wykorzystuje on organiczne (zawierające atomy węgla) scyntylatory plastikowe” – czytamy w prasowym komunikacie.

Unikalne własności skanera J-PET pozwalają na wyjście poza konwencjonalne metody obrazowania PET i stworzenie zupełnie nowego, komplementarnego sposobu obrazowania wykorzystującego efekty kwantowe związane z powstawaniem i anihilacją pozytonium.

Pozytonium jest krótkotrwałym układem (stanem związanym) elektronu i pozytonu, podobnym do atomu wodoru, w którym zamiast protonu występuje pozyton (antycząstka elektronu, czyli cząstka o dodatnim ładunku). Układ taki po niedługim czasie anihiluje bezpośrednio lub z udziałem elektronu z otoczenia.

W zależności od środowiska, w którym następuje rozpad (komórki rakowe tworzą inne warunki niż komórki zdrowe), czas życia pozytonium, czyli czas pomiędzy wyemitowaniem początkowego fotonu a anihilacją, jest różny.

W efekcie możliwe staje się rozróżnienie partii komórek chorych od zdrowych z jeszcze większą precyzją niż w klasycznym PET. Skomplikowany proces pomiarów czasu z każdego detektora musi być robiony na bieżąco, żeby badający mógł otrzymać użyteczny obraz szybko, a nie po wielogodzinnych obliczeniach. Tu przydają się odpowiednie algorytmy komputerowe, które z chaotycznego ciągu z liczeń czasu budują gotowe do wykorzystania informacje.

W Total-Body Jagiellonian-PET Laboratory przy pomocy prototypowego skanera J-PET wykonano pierwszy obraz wykorzystujący pozytonium, a grupa naukowców z NCBJ, uczestniczących w projekcie Jagiellonian-PET zajmuje się rozwijaniem algorytmów do rekonstrukcji obrazów.

„Udział Narodowego Centrum Badań Jądrowych polega na rozwijaniu algorytmów do rekonstrukcji obrazu, procedur i narzędzi programistycznych do analizy danych, dzięki którym te dane możemy przetworzyć. I to jest bardzo duży wkład, bez którego te analizy by w ogóle nie powstały. Nasz dodatkowy wkład w prace nad J-PET to wykorzystanie metod uczenia maszynowego do analizy danych tomograficznych” – mówi dr inż. Wojciech Krzemień z Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ, cytowany w prasowym komunikacie.

Nowa metoda obrazowania PET jest nie tylko tańsza od obecnie produkowanych seryjnie urządzeń PET, ale także bardziej precyzyjna. Pierwsze zdjęcia w tej technice wykonano na piędziesięciocentymetrowym fantomie złożonym z tkanki śluzaka serca oraz tkanki tłuszczowej. Autorzy badań spodziewają się, że ich metoda pozwoli na obrazowanie większych objętości, długich do 200 cm, co da możliwość wykonania jednorazowo zdjęć całego ciała, podczas gdy powszechnie stosowane urządzenia PET są w stanie wykonać zdjęcia ok 20 cm fragmentu organizmu.

Tomografia PET wykorzystywana jest nie tylko w diagnostyce nowotworowej, ale również do obrazowania w innych chorobach, jak choćby choroby serca. Skanowanie całego ciała przy pomocy urządzenia J-PET pomoże w diagnostyce chorób powodujących zmiany w całym organizmie, już od najwcześniejszych faz ich powstawania na poziomie komórkowym. Twórcy sądzą, że urządzenie będzie można wykorzystać również do diagnostyki powikłań po COVID-19.

PAP - Nauka w Polsce

ekr/ agt/