Название статьи выбрано не случайно. В блоге НИТУ МИСиС есть статья «Диагностировать рак поможет лазер» с подробным описанием принципа работы лазерного флуоресцентного микроскопа, но, собственно, про диагностику рака толком ни слова. Довольно давно у меня возникла смутная мысль написать небольшой обзор о таком методе диагностики раковых опухолей как позитрон-эмиссионная томография (далее – ПЭТ). Новость же о строительстве центра ядерной медицины и статья о МРТ только укрепили в этой мысли.

Фундаментальные принципы, лежащие в основе ПЭТ

Метод диагностики основан на том, что некоторые характерные для метаболизма человека в целом и раковых клеток в частности вещества помечаются радиоактивной меткой, а затем вводятся в организм человека. Такое соединение называется радиофармпрепаратом – РФП. Последующее детектирование продуктов распада позволяет построить трехмерную карту распределения метки в организме для определения нехарактерных для здорового человека областей поглощения. Важной особенностью методики ПЭТ является то, что доминирующим механизмом распада является бета-плюс распад, т.е. распад с образованием позитрона.



ПЭТ/КТ (позитрон-эмиссионный, совмещенный с компьютерным) томограф GE Discovery 610. Изображение взято с официального сайта GE Healthcare. Прим. Вертикальная стойка у ног пациента – система контроля дыхания.

Тут стоит сделать оступление в сторону квантовой механики. Аннигиляция позитрона и электрона происходит не мгновенно. Позитрон, излученный радиоактивной меткой, при встрече с электроном образует связанное состояние — «позитроний». И электрон, и позитрон являются фермионами, поэтому суммарный спин связанного состояния может равнятся нулю (пара-позитроний) или единице (орто-позитроний). Время жизни пара-позитрония порядка 0.1 нс, тогда как орто-позитрония – на 3 порядка больше. Пара-позитроний может распадаться только на четное количество гамма-квантов, орто-позитроний, наоборот, только на нечетное количество гамма-квантов. Такое поведение проистекает из законов сохранения квантовомеханических четностей и симметрий. В виду малых энергий позитронов в случае ПЭТ можно считать, что возможны только 2х-фотонный и 3х-фотонный распады. Кроме того, позитрон в составе орто-позитрония, вследствие гораздо большего времени жизни, может реагировать с другими электронами среды с переходом из орто- в пара-состояние. Фактически, доминирующим механизмом распада является распад с образованием 2х гамма-квантов, хотя с квантовомеханической точки зрения образование орто-позитрония в 3 раза более вероятно. Вышесказанное справедливо только для плотных сред, какой является человеческое тело. Важно, что излученные гамма-кванты имеют одинаковую энергию 511кэВ и разлетаются в строго противоположные стороны. В рамках квантовой механики данное утверждение можно доказать строго, в рамках механики макро-мира эможно 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. он «останавливается», происходит аннигиляция с вылетом 2х гамма-квантов под 180 градусов с одинаковой энергией.



Диаграммы распада пара-позитрония и орто-позитрония

Регистрация излученных гамма-квантов позволяет с высокой точностью определить точку распада. Событием считается одновременная регистрация 2х гамма-квантов на противоположных сторонах кольцевого детектора.

Изотопы

Все изотопы, применяемые для ПЭТ, являются короткоживущими. Периоды полураспадов самых широко используемых изотопов: 18F (фтор-18) – 109 минут, 11C (углерод-11) – 20 минут, 13N (азот-13) – 10 минут. Один из самых короткоживущих, применяемых в ПЭТ – 15O (кислород-15) c периодом полураспада 122 секунды. В виду данного факта единственным способом получения изотопов для ПЭТ, за исключением фтора, является синтез на месте на циклотроне. При слове «циклотрон» сразу вспоминается БАК, к счастью, медицинские циклотроны для ПЭТ гораздо компактнее. Характерный размер – 3м, характерная энергия протонов – до 30 МэВ.



Циклотрон GE PETtrace 800. Изображение из официальной брошюры GE Healthcare

После наработки на циклотроне, изотоп поступает в специализированную лабораторию, где и происходит синтез необходимого РФП. Полученный РФП подлежит обязательной проверке в лаборатории контроля качества для подтверждения, что полученное вещество является требуемым РФП, не содержит токсинов и безопасно для введения пациенту. После получения подтверждения из лаборатории контроля качества РФП вводится пациенту и проводится исследование на томографе (ПЭТ/КТ или ПЭТ/МРТ).

Одним из самых распространенных (если не самым распространенным) РФП для ПЭТ является 18F-FDG (fluorodeoxyglucose), по сути – молекула глюкозы, помеченная атомом фтора-18. При делении раковые клетки крайне активно поглощают глюкозу, соответственно, если на снимке видна область с большим количеством глюкозы, нехарактерным для здорового метаболизма, то с высокой вероятностью в данной области идет процесс роста раковой опухоли.


Молекула 18F-FDG. Вместо одной из OH-групп прицеплен атом 18F

Заключение

Важно отметить, что ПЭТ является функциональным методом, тогда как КТ или МРТ – анатомические. Т.е. если имеется опухоль на очень ранних стадиях, то на КТ или МРТ она еще не будет выделяться на фоне здорового органа, тогда как на ПЭТ уже будет «светиться». Соответственно, для получения полной картины необходимо совмещение двух методик – ПЭТ видит опухоль, а КТ или МРТ дают точную анатомическую привязку к органу.



Последовательно изображения КТ, ПЭТ и ПЭТ/КТ. Изображение с просторов Интернета

P.S.: Редко где упоминается, но метод ПЭТ используется не только в диагностике раковых заболеваний, но так же и для исследования функций внутренних органов. Например, метод нашел достаточно широкое применение в кардиологии при исследовании функций сердца.