راهی بهتر یرای تومور شناسی ناهنجاریهای عصبی وبیماریهای قلبی
مقطع نگاری با تابشكنندههای پوزیترون یكی از ابزارهای تصویربرداری است كه می‌توان از آن برای بیشتر پروسه‌های بیولوژیك در موجودات زنده استفاده كرد. سیستم‌های غیربالینی هم‌اكنون توانایی تصویربرداری از قلب و مغز با قدرت تفكیك فضایی mm ۶-۴ و قدرت تفكیك زمانی در حدود ثانیه دارد. سیستم تصویربرداری PET یكی از ابزارهای مهم بالینی به‌خصوص در انكولوژی و تومورهای ناهنجاریهای نورولوژیك و بیماریهای قلبی _ عروقی است. در این مقاله روش‌ها و تجهیزات مورد استفاده در PET را به‌طور اختصار معرفی میشود.
● اصول تصویربرداری در PET
تصویربرداری با توزیع رادیو ایزوتوپ تابشكنندههای پوزیترون در بدن نیاز به دو آشكارساز دارد كه پرتوهای گامای ۵۱۱ keV تابش شده ناشی از پدیده فنا را به‌طور همزمان آ شكار كند . جهت رسیدن به تصاویر با كیفیت بالا مهم است كه آشكارسازهای مورد استفاده دارای قدرت تفكیك فضایی ذاتی بالا ضریب (بهره ) آ شكار سازی بالا و توانایی ثبت میزان شمارش‌های بالا را داشته باشد ( حداقل زمان مرده ). بالاترین حساسیت سیستم (وقایع ثبت شده برای یك تابشكنندههای پوزیترون ) نسبت به بهره دتكتور‌های تولید شده و زاویه پوشش دهنده اسكنر، بسیار مهم‌تر است. بنابراین اسكنرهای به‌طور شاخص شامل حلقه‌های چند گانه‌ای از آشكارسازهایی است كه بیمار یا شیء را احاطه كرده است. آشكارساز انتخابی تقریبا در تمام اسكنرهای PET قابل دسترس از مواد سنتیلاتور كه با یك جفت شده، ساخته میشود. پرتوهای گامای ۵۱۱ keV برخوردی به سنتیلاتور در اثر پدیده فتوالكتریك پراكندگی ایجاد كرده، تمام یا قسمتی از انرژیشان را به‌جا می‌گذارند . سنتیلاتور این انرژی را به نور مریی تبدیل می‌كند كه آشكار میشود و به پالس جریانی تبدیل میشود. اگر به‌طور همزمان هر دو پرتوهای گاما مشخص شود این وقایع را ثبت و ذخیره می‌كند. این وقایع به‌طور سری با یك كامپیوتر تبدیل به یك سری تصاویر حقیقی از بدن شده و سپس باز سازی میشود. این حجم تصویری در جهات عرضی - ساژیتال و كرونال میتواند نمایش داده شود (یا میانگین‌های حجم تصویری هر مقطع در هر جهت).
● عوامل مؤثر در تصویربرداری PET
۱) قدرت تفكیك ذاتی،
۲) بهره دتكتور،
۳) قدرت تفكیك انرژی و وقایع پراكنده شده،
۴) همزمانی وقایع تصادفی،
۵) حساسیت،
۶) زمان مرده سیستم و توانایی حداكثر میزان شمارش و
۷) میزان شمارش معادل نویز.
● قدرت تفكیك ذاتی
قدرت تفكیك ذاتی در سیستم‌های PET توسط قدرت تفكیك ذاتی آشكارسازها تعیین میشود گرچه برای سیستم‌های با قدرت تفكیك بالا ممكن است به‌صورت توزیعی از هر محدوده پوزیترون یا آثار noncolinearity بیان شود. یك منبع نقطه‌ای را در نظر بگیرید و یك خطی را از مركز و از میان دو د تكتور با عرض عبور دهید. تابع گسترش نقطه‌ای(PSF) به همراه FWHM محاسبه میشود. (D/۲ ) به‌طور عملی قدرت تفكیك در تصاویر بازسازی شده، چندان مناسب نیست و این همان اثر مربوط به نمونه برداری دادها نویز آ ماری و الگوریتم بازسازی است. قدرت تفكیك تصاویر بازسازی شده بعدا بحث میشود اما گفته میشود كه یك اسكنر PET با قدرت تفكیك بالا نیازمند به استفاده از عناصر دتكتوری منفرد خیلی كوچك یا یك آ شكار ساز حسگر پوزیترون بزرگتر قدرت تفكیك پوزیترونی بسیار مناسب است.
● بهره آشكارساز
بهره آشكارساز بستگی به قدرت توقف‌كنندگی سنتیلاتور ( مربوط به اثر عدد اتمی و چگالی مواد) و ضخامت سنتیلاتور مورد استفاده در آشكارساز دارد. BGD (بیسموت ژرمانیت Bismuth Germanate ) كه اكثر سیستم‌های PET مورد استفاده قرار می‌گیرد دلیل آن هم مشابه نبودن قدرت توقف كنندگی در آشكارسازهای پرتوی گامای با انرژی keV ۵۱۱ ، است. حتی با BGD با ضخامت ۳ سانتیمتر ماده ۹۰ درصد از پرتوهای گامای keV ۵۱۱ با آن اندر كنش انجام می‌دهد. چون هر دو پرتوی گاما باید آشكار شود حداكثر بهره برای یك جفت آشكارساز با ضخامت ۳ سانتیمتر برابر با (۹/۰) یا ۸۱/۰ است.چون دارای زمان استحاله طولانی است. با وجود قدرت توقف كنندگی خوب BGD نسبت به سنتیلاتور‌های دیگر پیشرفت چشمگیری نكرد (میزان زمانی كه سنتیلاتور بعداز اندر كنش پرتوی گاما با آن تولید نور می‌كند را زمان استحاله گویند) در نتیجه سبب محدودیت‌هایی در میزان شمارش شده و شدت نور خروجی (میزان نور تولید شده در سنتیلاسیون وقتی با فوتون keV ۵۱۱ اندر كنش می‌كند) پایین می‌آید. سپس سنتیلاتور دیگری با دانسیته بالا به نام LSO ( Lutetium Oxyortho SILICATE) تولید شد و با پیشرفت تولید آن در اندازه‌های بزرگتر و تولید نور با زمان استحاله (decay time ) كوتاه‌تر از BGD شد. LSO به‌طور اختصاصی در اسكنرهای تحقیقاتی به‌كار برده می‌شد و در سیستم‌های بالینی PET وجود دارد.
در سال ۱۹۹۷ موسس و همكاران با مقایسه پارامترهای مختلف در دوربین سه بعدی PET با قطر حلقه د تكتور به اندازه ۳۵ سانتیمتر و میدان دید محوری ۱۵ سانتیمتر با یك دوربین معمولی PET نتایج زیر را بدست آورند. آشكارساز مورد نظر از كریستال LSO با ابعاد،۳×۳ سانتیمتر و با عمق ۳۰ میلی‌متر ساخته شده كه كوچكی اندازه و كوتاه بودن زمان واپاشی در LSO سبب كاهش زمان مرده در مقایسه با دیگر مدل‌ها نظیر BGD همچنین با یك شدن عرض پنجره همزمانی به ۴ نانوثانیه میشود. در صورتی‌كه در آشكارسازهای LSO پیك میزان شمارش معادل نویز در حدود kcps ۸۰۰ و حساسیت معادل نویز در حدود kcps/mci/cc ۱۳۷۰كه با یك فانتوم با قطر ۲۰ سانتیمتر اندازه گیری شده در حدود ۵-۳ برابر بزرگتر از اسكنرهای متداول است
● قدرت تفكیك انرژی و پرتویهای پراكنده
هر واقعه ای كه در بدن دستخوش پراكندگی كمپتون قرار می‌گیرد در اثر پراكندگی انرژی خود را از دست می‌دهد كه سیستم‌های PET این پرتوها را (پرتوهای پراكنده) با استفاده از جداكننده انرژی حذف می‌كند. مقدار نور سنتیلاسیون تولید شده تناسب مستقیم با انرژی به‌جا مانده در سنتیلاتور دارد اما تعدادی از فاكتورها سبب حذف پرتوهای پراكنده میشود ( توسط میانگین انرژی جداكننده ) كه در تصویربرداری PET مشكل‌ساز است. ابتدا مقدار نور سنتیلاسیون تولید شده در BGD است كه نور خیلی زیادی نیست، وجود دارد. بنابراین قدرت تفكیك انرژی كه نسبت عكس با جذر توان دوم تعداد فوتونهای تولید شده دارد در حدود ۳۰-۲۰ در صد است. دوم پرتوهای گاما وقتی در بدن پراكنده می‌شوند مقداری از انرژی خود را از دست می‌دهد بنابراین انرژی فوتونهای پراكنده شده خیلی كمتر از پرتوهای غیر پراكنده نیست و در حدود ۲۰ درصد قدرت تفكیك انرژی است در نتیجه نمی‌توان آنها را از فوتونهای غیر پراكنده مجزا كرد. سوم بعضی از پرتوهای گامای غیر پراكنده در آشكارساز نیز به صورت كمپتون برهم كنش می‌كنند و قسمتی از انرژیشان را بجا می‌گذارند. بنابراین به‌صورت یك واقعه پراكنده شده ثبت میشود در صورتی‌كه جزء پرتوهای غیر پراكنده است.
● همزمانی وقایع تصادفی
برای ثبت یك واقعه در اسكنر PET باید دو نوترون گاما در دو جهت مخالف از هم در بدن به طور همزمان خارج شود كه كاهش شدت بستگی به اختلاف زمانی رسیدن دو پرتوی گاما دارد و این اختلاف در زمان سبب تاخیر در پردازش الكترونیك میشود. پنجره همزمان‌كننده باری هر واقعه به ۱۲ نانوثانیه تنظیم میشود و باید هر دو واقعه در فاصله زمانی ۱۲ نانوثانیه از یكدیگر جهت ثبت یك واقعه اتفاق بیافتد. محدوده عرض پنجره همزمان كننده زمانی وقایع تصادفی را آشكار می‌كند كه دو نوترون گاما در اثر پدیده ایجاد شود. میزان همزمانی تصادفی (R) از فرمول زیر به‌دست می‌آید:
R=۲.T.S.S
T پنجره همزمانی و S میزان وقایع پرتوهای گامایی كه به‌صورت تكی به دو آشكارساز برخورد می‌كند. عرض پنجره همزمانی (به‌صورت بهینه) با یك نمودار بر حسب وقایع تصادفی و واقعی نظیر از T تعیین میشود.اگرT خیلی كوچك باشد وقایع زمان - واقع بسیاری را از دست خواهد داد. اگر T خیلی بزرگ باشد وقایع تصادفی زیادی را دریافت می‌كند. وقایع تصادفی، اگر تصحیح نشود سبب افزایش پرتوهای زمینه در تصویر می‌شودد.كسر وقایع تصادفی سبب افزایش اكتیویته در میدان دید میشود. دو برابر كردن اكتیویته سبب دو برابر شدن تعداد شمارش زمان ـ واقع میشود، اما چون مقدار تصادفی تناسب با توان دوم مقدار وقایع منفرد است و همین‌طور با اكتیویته مناسب است، مقدار وقایع تصادفی ۴ برابر میشود
● حساسیت
جهت افزایش حساسیت باید زاویه حجمی آشكارسازها را بزرگ كرد. معمولا در تصویربرداری دو بعدیPET ، حلقه‌ای از آشكارسازها برای تسخیر فوتونهای تابش شده از بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد. جهت ثبت وقایع بیشتر (در اثر دور تزریق شده)، سیستم‌های امروزی شامل حلقه‌های متعددی از آشكار سازها است كه قابلیت این را دارد تا برشهای متعددی از بدن به‌طور همزمان تصویربرداری شود. محافظ‌های فلزی باریك (كه به آنها Septa می‌گویند) بین حلقه‌های آشكارسازها قرار می‌گیرد تا كمكی برای كاهش تعداد پرتوهای پراكنده و تصادفی باشد. به طور شاخص در یك سیستم PET مدرن ۴۷ تا ۶۳ برش در محور میدان دید در هر ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر ایجاد می‌كند. این برشها روی هم انباشته میشود تا ایجاد داده‌های حجمی نظیر قلب یا مغز را فراهم نماید. حساسیت یك مقطع (برش) منفرد در یك سیستم بر اساس توان دوم ضریب آشكارساز ( E ) و زاویه حجمی آن به‌دست می‌آید. برای حلقه‌ای از آشكارسازها به قطر d، كه اگر عرض هر آشكارساز را در جهت محور D cm باشد ، حساسیت در مركز اسكن به‌طور تقریبی به‌صورت زیر تعریف میشود:
اگر D خیلی كوچكتر از d باشد مثلا در یك سیستم cm۸۰d= و mm۴=D و ۹/۰=E حساسیت مطلق در حدود ۴/. درصد به‌دست آید. بنابراین حتما با كامل كردن حلقه‌های آشكارسازها، تصویر برداری با مقدار ناچیزی از دوز تزریقی میسر است
● زمان مرده سیستم و حداكثر میزان شمارش
طول زمان از (زمان مورد نیاز) برای پردازش یك واقعه بعد از برخورد نوتون keV ۵۱۱ به آشكارساز را زمان مرده سیستم می‌گویند. عامل تعیین كننده میزان در سیستم مجموع نورنستسلاسیون ایجاد شده توسط PMTها است. زمان مجموع ۲ تا ۳ برابر زمان واپاشی درنتیلاتور است. برای BGO زمان مجموع ۱ است كه بیشتر از ۹۰% از نورنستیلاسیون را جمع آوری می‌كند. وقتی در زمان پردازش هر واقعه‌ای آشكارساز ضرورتا فعال است و نمی تواند به واقعه دیگری پاسخ دهد. (نظیر واقعه ای مجزا ). بنابر این واقعه از دست می‌رود و حساسیت موثر اسكن كاهش می‌یابد. برای بیان زمان مرده در اسكن PET از معادله زیر استفاده میشود.
S۰ مقادیر وقایع منفرد در هر آشكارساز، S زمان مرده و S میزان وقایع آشكار شده است. به این ترتیب در اكثر سیستمها، S در حدود ۳-۱ میكرو ثانیه میشود. زمانی‌كه سیستم شامل آشكارسازهای منفرد و كانالهای انرژی زیاد باشد زمان مرده مشكل ساز نیست. اما در اكثر سیستمها آشكارسازها چند تایی است تا بتوان پیچیدگی الكترونیكی را كاهش داد. با افزایش سطح موثر آشكارسازها هر واقعه ای آشكار و پردازش میشود. در بعضی مطالعات با دوز‌های بالا از ایزوتوپ‌های با نیمه عمر كوتاه استفاده و در نتیجه زمان مرده در اینجا به فاكتوری محدودكننده تبدیل میشود. زمان مرده سبب كاهش تعداد شمارش‌های مثبت شده در واحد دوز تزریقی و به‌طور موثری حساسیت سیستم را در میزان شمارش‌های بالا كاهش می‌دهد. میزان شمارش را می‌توان در هر سیستم PET با تخمین میانگین مانیتورینگ تعیین كرد. بنابراین تابعی از مقدار اكتیویته در شی ء مورد نظر است.
● میزان شمارش معادل نویز
یكی از مباحث مفید در تعیین میزان شمارش در PET میزان شمارش معادل نویز (NEC) است. تعداد شمارش‌های آشكار شده تابعی از غلظت اكتیویته بعد از تصحیح آثار وقایع تصادفی و پراكنده است، مقدار NEC تناسب مستقیمی با نسبت سیگنال به نویز در تصاویر بازسازی شده دارد. بنابراین راهنمای خوبی برای اسكن است كه به‌صورت زیر تعریف میشود.
T میزان شمارش واقعی، R میزان شمارش تصادفی و S میزان وقایع پراكنده شده به‌طور همزمان است. ( S ) وقایع پراكنده شده به میزان دید آشكارساز از شی مورد نظر بستگی دارد. اهمیت فاكتور K این است كه وقایع تصادفی در سرتاسر میدان دید به‌طور جداگانه اتفاق می‌افتند، و اینكه نویز فقط در میدان دید آشكارساز از شی اهمیت دارد. ضریب ۲ سبب افزایش همزمانی تاخیری در اثر تصحیح كننده در جهت وقایع تصادفی است. با استفاده از نموداری از اكتیویته بر حسبNEC كه از یك سیلندر استوانه یكنواخت به اندازه ۲۰ سانتیمتر (این سیلندر بطور استاندارد تعبیه شده) تخمین زده شده روشی ساده برای مقایسه اسكنها و بر آورد نسبت سیگنال به نویز است كه این را در تصاویر نهایی خواهیم دید (SNR).مقدار NEC بسیار با اهمیت است و با مقایسه انجام شده این نتیجه به دست می‌آید كه میزان NEC حساس به اندازه و شكل شی در میدان دید است.
● محدودیت‌های تصویر برداری در PET
این محدودیتها را می‌توان به عنوان نویز تصویری با آرتیفكت یا هر نوع عامل ناخواسته ای تعبیر كرد كه شامل موارد زیر است:
● آشكار ساز همزمان و محدود كننده الكترونیك
بیشترین احتمال این است كه هر دو فوتون گامای KeV ۵۱۱ بدون پراكندگی از بدن عبور كند. اگر هر دو فوتون به صورت متوالی آشكار شود، سیری برای پدیده فنا تعریف می‌كنیم. چون پوزیترون قبل از پدیده فنا، حركتی ناچیز دارد پس با تقریب می‌توان سیری را برای آن در نظر گرفت و محدوده‌ای را برای اتم تابش كننده تعریف كرد. در نتیجه نقشه‌ای از توزیع ایزوتوپ تابش‌كننده (پوزیترون) با استفاده از حلقه‌ای از آشكارسازهایی كه بیمار را احاطه كرده است، در بدن بیمار ایجاد میشود.
یكی از پیشرفت‌هایPET استفاده از محدود كننده الكترونیك است كه بر اساس آشكارسازی همزمان فوتونها تعریف میشود. در تكنیك‌های متداول در پزشكی هسته‌ای تنها از یك فوتون استفاده میشود و با استفاده از یك كولیماتور سربی كه دارای سوراخهای كوچكی است فوتونهایی كه عبور از سیر این سوراخها عبور كرده است، به آشكارساز برخورد می‌كند (بدون در نظر گرفتن پرتوهای پراكنده ) و مابقی جذب كولیماتور میشود. جذب زیاد فوتونها توسط سرب ( یك به ۱۰ یا ۱۰ نوترن به‌طور شاخص از میان سوراخهای كولیماتور عبور می‌كنند) ایجاد كاهش شدیدی در حساسیت این سیستمها در مقایسه با PET ایجاد می‌كند. پیشرفت بعدی استفاده از رادیونوكلیید‌های تابش كننده پوزیترون است كه دارای نوترونهای با انرژی keV ۵۱۱ بوده، در نهایت می‌توان اسكن‌هایPET را برای آشكار سازی در این انرژی بهینه كرد. در صورتی كه در تكنیك‌های دیگر پزشكی هسته‌ای انرژی پرتوی گاما تغییر رادیونوكلیید تعبیر می‌كند و دوربین باید از توانایی تصویربرداری در محدوده‌ای از انرژی‌ها برخوردار باشد.
● محدودیت‌های فیزیكی قدرت تفكیك فضایی در PET
دو عامل مهم قدرت تفكیك فضایی را در PET محدوده می‌كند؛ حركت اولیه پوزیترونها است كه فاصله كوتاهی را بین محل تابش و محل فنا طی می‌كند.
این فاصله را در رنج پوزیترون ) Position Range ) نامیده میشود و از كسری از یك تا چند میلی‌متر متغیر است و بستگی به طیف انرژی پوزیترونهای تابش‌كننده و بافتی كه تابش در آن رخ می‌دهد، دارد. این اثر باعث ایجاد محوشدگی در دادها میشود كه به‌صورت یك تابع نمایی تغییر می‌كند.فاكتور اكسترون در لحظه ایجاد پدیده فنا است.كه باعث میشود زاویه بین دو فوتون گاما به طور ناچیزی از۱۸۰ درجه منحرف شود. اثر محو شدگی ایجاد شده بستگی به قطر اسكنر PET دارد برای یك سیستم بالینی معمولی، قطر حلقه تقریبا ۸۰ سانتیمتر است كه قدرت تفكیك بر اساس این اثر تقریبا ۸/۱ میلی‌متر كاهش می‌یابد. توسط كانونی كردن غیر خطی و آ ثار رنج پوزیترون محدوده قدرت تفكیك مطلق در whole body میلی‌متر (۲) تقریبا با كربن -۱۱یا فلویور-۱۸ باند شده است. كه در بعضی از سیستمها با قطر‌های كوچكتر كه برای تصویربرداری مغز و قلب طراحی شده‌اند قدرت تفكیك به یك تا ۵/۱ میلی‌متر می‌رسد
● وقایع همزمان پرتوهای پراكنده و تصادفی
به‌علاوه آشكار سازی زمان ـ واقع در تصویر برداری PET دو روش وجود دارد. پرتوهای پراكنده همزمان وقتی یكی یا هر دو فوتون گاما را شامل شود، ایجاد تغییرات جهت داری می‌نماید و سبب كاهش انرژی پرتوی گاما و تغییر پرتو سبب عدم تطابق فوتون گامای اولیه میشود. كسر پرتوهای پراكنده بستگی به ماده پراكنده كننده و طول مسیر عبور كرده از داخل بدن دارد. بنابراین وقایع پراكنده در تصویر برداری شكم از دیگر تصویر برداری‌ها (مثلا مغز) است. گر چه انرژی پرتوهای پراكنده كمتر از keV ۵۱۱ است. زوایای پراكندگی كوچك و مربوط به نواحی كوچك در انرژی است. قدرت تفكیك انرژی در سیستم‌های PET جهت حذف این وقایع كافی نیست و پنجره انرژی تاثیر قابل توجه‌ای برای حذف پرتوهای پراكنده ندارد بنابراین خیلی از پرتوهای پراكنده ثبت میشود و ایجاد داده‌های جابه‌جا می‌نماید كه باید برای حذف آنها از روشهای تصحیح استفاده كرد. گرچه پدیده فنا تولید دو فوتون گاما می‌نماید ممكن است فوتون گامای مخالف به آشكارساز برخورد نكند و به خارج از میدان دید دوربین پراكنده شود. وقایع همزمان تصادفی وقتی رخ می‌دهد كه از دو فوتون گامای با انرژیkeV ۵۱۱ مجزا (غیر مرتبط) باشد (نه از یك پدیده فنا) و به آشكارسازها به‌طور همزمان برخورد كند. سبب ثبت واقعه در سیستم میشود زیرا سیستم قابلیت تمایز كنندگی وقایع زمان-واقع از غیر حقیقی را ندارد. مقدار وقایع تصادفی همزمان به‌طور متناسب با مربع غلظت اكتیویته در میدان دید دوربین است بنابراین ایجاد مشكل در مطالعات با شمارش میزان‌های بالا می‌كند.
منبع: نویسنده: دکتر احمد بیطرفان رجبی، بخش پزشکی هسته ای ، بیمارستان شهید رجایی
