Temat proponowanej pracy: „Badanie efektywności rónych

Temat proponowanej pracy: „Badanie efektywności różnych algorytmów rekonstrukcji
obrazu dla danych uzyskanych z spektrometru PET zbudowanego z scyntylatorów
organicznych”.
Opiekun: prof. dr hab. Zbigniew Rudy, Zakład Fizyki Jądrowej.
Zadaniem magistranta będzie implementacja i przetestowanie algorytmów służących do
rekonstrukcji obrazu (inaczej obrazowania) dla danych uzyskanych z spektrometru PET.
Pozytonowa Tomografia Emisyjna (Positron Emission Tomography, PET) jest techniką
obrazowania, w której rejestruje się pary kwantów gamma powstające podczas anihilacji
pozytonów (elektronów o dodatnim znaku ładunku elektrycznego, będącymi antycząstkami
elektronów o ładunku ujemnym). Źródłem pozytonów jest podana pacjentowi substancja
promieniotwórcza.
Substancja ta zawiera krótko żyjące izotopy promieniotwórcze, dzięki czemu większość
promieniowania powstaje w trakcie badania, co ogranicza powstawanie uszkodzeń tkanek
wywołanych promieniowaniem. PET jest zatem niskoinwazyjną metodą
diagnostyczną, wykorzystującą techniki radioizotopowe w ocenie procesów metabolicznych
przebiegających w organizmie. Metoda pozwala na badanie i obrazowanie zmian
chorobowych poprzez elektroniczną detekcję rozkładu przestrzennego radiofarmaceutyków,
znakowanych krótkożyciowymi emiterami pozytonów. Jej stosowanie wymaga
wprowadzenia do organizmu (do krwi) znakowanej radioizotopem substancji,
(np. deoxyglukozy znakowanej fluorem 18F). W metodzie tej używa się także izotopów
fluoru, węgla, tlenu i azotu, a wiec podstawowych pierwiastków organizmu człowieka.
Skaner PET składa się z zestawu detektorów promieniowania powstałego w procesie
anihilacji pozytonów. Metoda wykorzystuje fakt jednoczesnej emisji dwóch anihilacyjnych
kwantów gamma pod katem 180°. Detektory i pacjent umieszczeni są w odpowiednim
jarzmie (zwanym gantry).
W diagnostyce medycznej PET stosowany jest przede wszystkim w :
• onkologii (ok. 80% badan)
• neurologii (ok. 15 % badan, choroby: Alzheimer, Huntington, Parkinson, schizofrenia);
• kardiologii (ok. 5% badan; stopień niedotlenienia, przepływ krwi).
Najważniejsza zaletą techniki PET jest możliwość wbudowywania pierwiastków emitujących
pozytony (czyli znaczników promieniotwórczych β+) w związki organiczne (np. glukozę,
wodę, aminokwasy i inne), biorące udział w zachodzących w organizmie procesach
metabolicznych. Właściwość ta umożliwia wykorzystanie metody pozytonowej tomografii
emisyjnej do badania reakcji chemicznych zachodzących w żywym organizmie („in vivo”).
Technika PET znalazła szerokie zastosowanie jako narzędzie diagnostyczne w onkologii,
gdyż pozwala na badanie trzech podstawowych zespołów cech nowotworowych: tempa
zużycia glukozy, syntezy białek i syntezy DNA czy stopnia niedotlenienia mięśnia (np.
mięśnia serca). Najczęściej podawanym radioznacznikiem jest 18F fluorodeoksyglukoza (w
skrócie 18FDG), której metabolizm (identyczny z glukozą) jest dużo intensywniejszy w
komórkach nowotworowych niż w komórkach zdrowych.
Podczas skanowania pacjent leży nieruchomo na specjalnym stole do badania .
Wcześniej podaje mu się znacznik radioaktywny; doustnie, dożylnie lub w postaci gazu, a
jego dobór zależny jest od celu badania (oprócz fluoru 18F używa się węgla C-11, azotu N-13
czy tlenu O-15). Po pewnym czasie, kiedy aktywna metabolicznie cząsteczka (najczęściej
glukozy 18FDG) skoncentruje się w tkankach interesującego nas obszaru (gdyż izotopy
promieniotwórcze podczas migracji w organizmie kumulują się w rejonach o wyższym
metabolizmie, np. w obrębie komórek nowotworowych), pacjent umieszczany jest w
skanerze/spektrometrze PET. Krótko żyjący izotop promieniotwórczy rozpada się emitując
pozytony (antyelektrony, czyli cząstki elementarne obdarzone jednostkowym ładunkiem
dodatnim, o masie równej masie elektronu). Po przebyciu bardzo krótkiego dystansu
wewnątrz ciała (ok. 1-3 mm) pozytony zderzają się z elektronami zawartymi w tkankach
ulegając anihilacji. Powstałe podczas anihilacji kwanty promieniowania
elektromagnetycznego (fotony), posiadające energię 511 keV każdy, oddalają się od siebie w
przeciwnych kierunkach (pod kątem 180°). Fotony te rejestrowane są przez dwa z wielu
detektorów ustawionych pod różnymi kątami w stosunku do ciała pacjenta (pomiar
koincydencyjny dwóch fotonów). Detekcja pary fotonów wyznacza linię prostą; po
zmierzeniu dużej ilości takich linii (LOR – Line Of Response) można dokonać obrazowania.
Obrazowanie polega na wyznaczeniu takiego przestrzennego rozkładu intensywności miejsc
emisji par fotonów (pochodzących z anihilacji elektron-antyelektron), który odtwarza
zaobserwowany w pomiarze rozkład linii LOR. W ten sposób identyfikuje się miejsca o
wzmożonym metabolizmie.
W roku 1917 Johann Radon udowodnił, że funkcja może być w sposób jednoznaczny
odtworzona, jeśli podane są wartości całek z tej funkcji wzdłuż linii prostych. Formułując to
inaczej, obiekt może być odtworzony, jeśli istnieje dostatecznie dużo jego rzutów, w wielu
kierunkach rzutowania. W przypadku PET tą odtwarzana funkcją jest przestrzenny rozkład
miejsc anihilacji par elektron-antyelektron; kierunków rzutowania czyli projekcji jest wiele
gdyż kierunki linii LOR są podczas anihilacji wybierane statystycznie.
Na poniższym rysunku przedstawiono schematycznie jak z odpowiednio dużej ilości projekcji
(rzutów) można odtworzyć obiekt pierwotny; na tym w skrócie polega rekonstrukcja obrazu
także w metodzie PET. Z spektrometru PET otrzymuje się obraz w przestrzeni projekcyjnej
(ten obraz to rozkład linii LOR); dobór algorytmów rekonstrukcyjnych (skuteczność,
zbieżność) wymaga testowania ich na rzeczywistych danych.