Позитрон Помогает Диагностировать Рак

Название статьи выбрано не случайно.

В блоге НИТУ «МИСиС» есть статья.

«Лазер может помочь диагностировать рак» с подробным описанием принципа работы лазерно-флуоресцентного микроскопа, но, по сути, ни слова о диагностике рака.

Довольно давно у меня возникла смутная идея написать небольшой обзор о таком методе диагностики раковых опухолей, как позитронно-эмиссионная томография (далее – ПЭТ).

Эта новость о строительство центра ядерной медицины И статья про МРТ только укрепил эту идею.

Фундаментальные принципы, лежащие в основе PЭT

Метод диагностики основан на том, что некоторые вещества, характерные для метаболизма человека в целом и раковых клеток в частности, радиоактивно метятся и затем вводятся в организм человека.

Это соединение называется радиофармпрепаратом – радиофармпрепаратом.

Последующее обнаружение продуктов распада позволяет построить трехмерную карту распределения метки в организме для определения зон поглощения, нехарактерных для здорового человека.

Важной особенностью метода PЭT является то, что доминирующим механизмом распада является бета-плюс-распад, т.е.

распад с образованием позитрона.

Позитрон помогает диагностировать рак

ПТ/КТ (позитронно-эмиссионный в сочетании с компьютерной томографией) томограф GE Discovery 610. Изображение взято с официального сайта GE Healthcare. Примечание Вертикальная подставка у ног пациента – система контроля дыхания.

Здесь стоит сделать экскурс в сторону квантовой механики.

Аннигиляция позитрона и электрона не происходит мгновенно.

Позитрон, испускаемый радиоактивной меткой, при встрече с электроном образует связанное состояние – «позитроний».

И электрон, и позитрон являются фермионами, поэтому полный спин связанного состояния может быть равен нулю (парапозитроний) или единице (ортопозитроний).

Время жизни парапозитрония составляет около 0,1 нс, а ортопозитрония на 3 порядка больше.

Пара-позитроний может распасться только на четное число гамма-квантов, орто-позитроний, наоборот, только на нечетное число гамма-квантов.

Такое поведение обусловлено законами сохранения квантово-механических четностей и симметрий.

Учитывая малые энергии позитронов в случае PЭT, можно предположить, что возможны только 2-фотонный и 3-фотонный распады.

Кроме того, позитрон в составе орто-позитрония благодаря гораздо большему времени жизни может реагировать с другими электронами среды с переходом из орто-в пара-состояние.

Фактически доминирующим механизмом распада является распад с образованием 2 гамма-квантов, хотя с точки зрения квантовой механики образование ортопозитрония в 3 раза более вероятно.

Сказанное справедливо только для плотных сред, таких как тело человека.

Важно, что испускаемые гамма-лучи имеют одинаковую энергию 511 кэВ и рассеиваются в строго противоположных направлениях.

В рамках квантовой механики это утверждение можно строго доказать; в рамках механики макромира ее можно представить так: пока энергия позитрония превышает 1022 кэВ (суммарная энергия покоя электрона и позитрона), то позитроний «живет и движется», теряя энергию при взаимодействии с материей.

Как только энергия позитрония падает до 1022 кэВ, т.е.

«останавливается», происходит аннигиляция с испусканием 2 гамма-квантов под углом 180 градусов с той же энергией.

Позитрон помогает диагностировать рак

Диаграммы распада пара-позитрония и орто-позитрония Регистрация испускаемых гамма-квантов позволяет с высокой точностью определить точку распада.

Событием считается одновременная регистрация двух гамма-квантов на противоположных сторонах кольцевого детектора.

изотопы

Все изотопы, используемые для PЭT, недолговечны.

Периоды полураспада наиболее широко используемых изотопов составляют: 18F (фтор-18) — 109 минут, 11C (углерод-11) — 20 минут, 13N (азот-13) — 10 минут. Одним из самых короткоживущих веществ, используемых в PЭT, является 15O (кислород-15) с периодом полураспада 122 секунды.

В связи с этим единственным способом получения изотопов PЭT, за исключением фтора, является синтез in situ на циклотроне.

Слово «циклотрон» сразу же напоминает БАК; к счастью, медицинские циклотроны для PЭT гораздо компактнее.

Характерный размер 3 м, характерная энергия протонов до 30 МэВ.

Позитрон помогает диагностировать рак

Циклотрон GE PETtrace 800. Изображение из официальной брошюры GE Healthcare После производства на циклотроне изотоп отправляется в специализированную лабораторию, где синтезируется необходимый радиофармпрепарат. Полученный радиофармпрепарат подлежит обязательному исследованию в лаборатории контроля качества для подтверждения того, что полученное вещество является требуемым радиофармпрепаратом, не содержит токсинов и безопасно для введения пациенту.

После получения подтверждения лаборатории контроля качества пациенту вводят радиофармпрепарат и проводят томографическое исследование (ПТ/КТ или ПТ/МРТ).

Одним из наиболее распространенных (если не самым распространенным) радиофармпрепаратов для лечения PЭT является 18F-ФДГ (фтордезоксиглюкоза), по существу молекула глюкозы, меченная атомом фтора-18. При делении раковые клетки чрезвычайно активно поглощают глюкозу; поэтому, если на изображении виден участок с большим количеством глюкозы, что нехарактерно для здорового обмена веществ, то существует высокая вероятность того, что в этом участке растет раковая опухоль.

Позитрон помогает диагностировать рак

Молекула 18F-ФДГ.

Вместо одной из групп ОН присоединен атом 18F.

Заключение

Важно отметить, что ПТ является функциональным методом, а КТ или МРТ – анатомическим.

Те.

Если опухоль находится на очень ранних стадиях, то на КТ или МРТ она еще не будет выделяться на фоне здорового органа, тогда как на П&Т она уже будет «светиться».

Соответственно, для получения полной картины необходимо совместить два метода – П&Т видит опухоль, а КТ или МРТ дают точную анатомическую привязку к органу.

Позитрон помогает диагностировать рак

Последовательные изображения КТ, PЭT и PЭT/CT. Изображение из Интернета P.S.: Редко упоминается, но метод ПЭТ применяется не только при диагностике рака, но и для изучения функций внутренних органов.