Физические основы ядерной медицины. Учебное пособие

Moeкoвe.i'.lltH:ocyдJpC'I:В_N!tN~ вм. мв. Ломовоеова,

.-::;: "'-./

..... -

~

~........

Q7 ~

........

~

р ..J

.

о г­

О

"'-./

..... -

(J ..-.-J~

~........

,--r-

..--J

..-~........

~

rJj

'-..--

.-::;: "'-./ ..... ..-.-J

rJJ г­

О

1DJI1Iесквй-"ку.IIЬ-тerrъ==-=~

Московский Государcrвенный Университет им. М.В. Ломоносова Физический факультет Ассоциация Медицинских Физиков России

Наркевич Б-Я., Костылев В.А.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЫ учебное пособие

АМФ-Пресс москва

2001

С0ДЕРЖАНИЕ

Б.я.Наркевич, В.А.Костъшев

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЫ. Учебное пособие. -: М.: АМФ-Пресс,

2001.-: 60 с.

Учебное пособие является частью специального курса I, ~ци бы не была разработана COQTBeтcт­

вук>щая ~1УРадля

in yivo

регистрации распределеНия РФП в

организме челрвека. Такая апnЩ)атура' не могла функционировать на основе газоразрядных счетчиков вследствие их низкой чувстви­ тельности к у-излучению, и только с появлением сцинтилляционных

детекторов эту проблему удалось успешно решить. Впервые такой

детектор был ИСПОЛЬЗQван Б.Кассеном

vivo локализации 4

13I I,

(B.Kassen) в 1949 г. для in когдапри внутривенном введении 200 мкКи 5

1311

вся процедура заниМала 1,5 часа. В 1950 г. тот же Б.Кассен

смонтировал сцmrrилляционный детектор с кристаллом

13N 150 ,

и

l&...·

r,

- .'

.

а также некоторых других. Эra сложная техника не-

па

прерывно совершенствовалась, что позволилq в 80-ые гг. регистри­

движущемся механизме, и это можно считать изобретением устрой­

ровать и визуализировать уже 3-MepHЫ~ ра~Iфeделения РФП в орга­

ства для медицинского радиоизотопного сканирования. Начиная с

низме человека.

NaI(Tl)

том

_liачиная с ~O-LIX IJ'.' блaroдаря бурному развитию компьютер­

числе коллиматоры, детекторы, блоки электронного тракта и, в осо­

ной техники появилась возможность совмещать ОФЭКТ., и ПЭТ­

этого

времени,

сканеры. непрерывно

совершенствовались,

в

бенности, системы представления и визуализации зарегистрирован­

ной ·информации. Но подлинную революцию в аппаратуре для РИД произвела разработка в камеры,

1958 г.

изОбражения с изобраЖениями того же пациента, поЛученного ме­ тодами рентгеновской компьютерной томографии (КТ), магнитно­

Х.Энджером (Н.

представляющей

собой

Anger) так

называемой гамма­

стационарный

ПОЗИЦИонно­

чувствительный детектор у-излучения. Параметры гамма-камеры, в

резонансной томографии (МРТ) и т.Д ..Это позволило объединить

достоинетва РИД- и не.ра.дионyклидНblx методов визуализации и

тем самым получать качественно новую ана~мо-физиологическую информацию. .

В

том числе коллиматора, сцинтилляционного КРИСТ8JШа, фотоэлек­

1955 г. г

был открыт ПРИRЦИПИальноц~вый раздел РИД . ".

РНД-исследовзИИJl.За его разработку Р. Ялоу

- in vi(R. Yalow) в [17]. Сиомо­

тронных умножителей (ФЭу), светопровода и электронного тракта,

tro

были специально адаптированы для получения с достаточно хоро­

1977 г.

шим пространственным разрешением планарного (IШоскостного)

щъю этого метода в пробах крОви, отобранных у пациента, обнару­

проективного изображения пространственного распределения РФП

живают ничтожно малQе ('taкназываемые.исчезающие) концентра­

получила Нобелевскую npeмию по медицине

ции самых различных веществ как эндогешlOГО происхождения, в

в организме человека.

РадвоФармацевтика

[27]. Дальнейшее развитие РИД бьmо свя­

зано с качественным скачком в радиофармацевтике, который состо­

ял в разработке (конец 50-ыхгг.) и широком распространении

(60-

том числе гормонов, ферментов, опухолевых маркеров и т.п., так и экзогенного характера - вирусов, лекарственных препаратов и т.Д.

Радвонуклидвая tel!аПRJI

[21].

Лечебное применениерадио­

делениях РИД радионуклида ~c. Этот радионуклид уникален с

нуклидов. для РИТ началОсь' вскоре после открытия радиоактивно­ сти. Уже в 1900 г.ДэНлос (Р. Danlоs)впервые применил 226Ra для

точки зрения его функциональных возможностей в РИД, благодаря

лечения кожных заболеВаний. В течение последующих почти

чему· в настоящее время около

всех радиодиагностиче­

только радий и радон применялись посредством инraляции, приема

во всем мире проводят с РФП, меченными

через рот, инъекций и ЛОI(IЩЪНЫХ aпIШИКaщIЙ для лечения, в основ­

ые гг.) генераторных систем для синтеза непосредственно в подраз­

ских исследований

80% - 90%

~c. Одновременно расmиpялся ассортимент РФП, которых в на­ стоящее время известно около

500.

Однако в клинике используется

не более нескольких десятков РФП, из которых широко в рутинной клинической практике применяют не более

15 - 20.

Новые методы. Практически одновременно, в середине

70-

ьц ГГ., в зарубежных клиниках появились первые серийно выпус­

каемые установки для однофотонноЙ эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) и позитронной эмиссионной томографии

ном, онкологических.боЛЬiшx. с появлением искусственной радио­ ассортИмент терапевтических. РФП .расширился: в

активности

1938 г. для лечениябольныxейl цифровая фильтрация изображений

-

цедуры собсUJel.lно, реКQНСТРУКЦИИ;. имеется множество алго­ ритмо~ фильтрации, в которых используются фИЛЬ',l'pы раз­

возникновение аРтефакТов с отрицательной

плотностью счета в областях изображений с низкИми значениями

личнои мощности, и с Различными частотными характеристи­

накопления РФП и с положительной плотностью счета в областях

вообще с отсyrcтвием накопления РФП.

IqiМИ, оптимальные по различным критериям; в планарной

'

сцинтиграфии

Эти алгори~ы все чаще заменяются на итерационные,ОСНО­

максимизации математического ожидания сто­

хастической функции максимума правдоподобия, основанный на

ственного разрешедия детектора;

введении уточняющей мультипликативной поправки к предыдущей

[19, 28, 30]. их главное достоинство - высокая точность реконструкции, особенно в областях с пЛохой статистикой плотно~ с!и счета импульсов, а недостаток - значительное возрастание про~ должительности вычислений вследствие слабой сходимости про­

цесса итераций. Этот недостаток уже успешно решается путем ис­ пользования как

мультипроцессорных

систем, так

и

новых

про­

Трансформации РНД-изображениЙ. Она детализируется в за­ В,исимости от цели преобразования изображений:

};> ,алгебраические преобразования изображений, в том числе суммирование и вычитание кадров, пороговая отсечка плот­

ности счета сверху и(или) снизу (например, для вычитания т.

наз. тканевого фона), построение профильных, гистограмм;

/

окружающие ткани путем поро­

гового или нелинейного контрастирования; наиболее важной здесь является процедура попиксельного

жений при исследованиях с

2

вычитания цзобра­

различными РФП и при радио­

иммуносцинтиграфии;

};> вь~еление и точное определение границ и объемов очагов аномального накопления РФП, различных органов и анатоми­ ческих структур; для этого используется множество различ-

32

};>

автоматизированн:ое введение различных" методических по­ правок [22, 23], в том числе: науказаннущ зависимость; с це­ лью компенсации артефщсгов, возникающих вследствие спон­ танных движений тела пациента и его отдельных органов (сердце, легкие и т.п.); на гетерогенные неодн:ородн:ости ос­ лабления у~излучения в теле пациента; на «размывающее»

влияние эффекта комптоновскогорассеяния у-квантов на про­ странственное разрешение, контрастность и точность количе­

граммно-алгоритмических средств.

повЫшение отношения очаг

редко

ОФЭКТ и ПЭТситуация обратная, благодаря чему здесь фильтрация ПОЗВОЩIет надежно скорректировать пространст­ венную зависимость функции чувствительности и простран­

так называемой байесовской стратегии. из них наиболее популяр~

бражения

фильтрация, используется

ции О пространственном распределении РФП в объекте; при

формации о распределеиии РФП в исследуемом объекте на основе

оценке при получении последующей оценки формируемого изо­

цифровая

вследств»е недостатка априорной и измерительной информа­

ванные на различных пonxодах к использованию априорной ин­

ным стал алгоритм

[1, 16], которая может вы­

щ)лнятьсякак отдельн:о, так и непосредственно в рамках про­

времени, в том числе и по неполной системе проекционных дан­

ных. Недостаток

так называемой сегментации изображений,

которые реализуются либо автоматичесКИ,либо в интерак­

ственного картирован:ия распределения РФП; на наложение спектров у-излучения при сцинтиграфии или ОФЭКТ с

2

раз­

ными РФП, меченными различными радио нуклидами; с це­ лью определения глубины расположения исследуемого орга­ на; с целью учета временного разрешения позитронного томо­

графа на основе определения вклада случайцых совпадений; на радиоактивный распад ультракОРОТКОЖИВУЩИХ радионук-

,

лидов и т .Д.;

).-.параметрическаявизуализация [9, 14]; она состоит ~ переко­ ДИровании исходных изображений, сформированн:ых в терми­ нах плотности счета импульсов от детекторов, в изображения,

Выраженные в физиологически содержательных терминах, в том числе скорости накопления РФП, среднего времени его

транзита и удержания в исследуемом органе, объемной СКОРО-

33

сти КPOBOТO~ транспортных констаНт камерных моделей и т.д.; параметрическая визуализация может вьmолняться и в

где а ij

-

транспортные константы модели, характеризующие

скорость переноса РФП из i-ой камеры в j-ую. Эта система линей­

терминах формальных параметров без к-онкретного физиоло­

ных, дифференциальНЫХ уравнений первого порядка дополняется

гического содержания, например, в терМинах амплитудных,

начальными условиями:

частотных

и

фазовых

параметров

Фурье-разложения

q 1 (О)

при

оценке пространственной согласованности движений стенок

= 1,

q j .. 1 (О) =

О

и системой так называемых измерительных соотношений: т

миокарда;

N,,(t) = Ihkiqj(t) , k = 1' .... ' n;

~ представление изображений в виде, удобном для визуального восприятия и облегчения экспертного анализа изображений;

например, режим псевдообьемной визуализации прm.iеняется для повышения точНости выявления аномалий и планирова­ ния хирургическoro вмещательства; режим кинопоказа позво­

ляет в режиме реального времени визуализировать 3-мерные движения стенок миокарда на основе резу.льтаroв ПЭТ с ЭКГ­ синхронизацией;

~ обработка результатов РИД-исследований функционального состояния органов и систем на основе математическоГо моде­

лирования транспорта РФП в организме пациента

[13, 14]; та­

nS

;:!

где

N

А:

пуАСОВ для

т,

(t) - временная гистограмма зарегистрированных им­ k -ой области интереса на изображении исследуемого

участка тела;

h ki -

функция объемной чувствительности детектора

к активности

q i (t)

В

k - ой

области интереса. Сущность обработки

еоотоиr в определении априорно неизвестных числовых значений системы транспортных констант

{а

ij } по результатам измерений

{N'k(t)}.

.'

Авализ РIШ-изображеиий

[4].

В .особое направление необхо­

,l(имо выделить объективный анализ изображений посредством их

кая обработка позволяет вве зависимости от геометрии и ре­

компьютерной классификации на основе различных методов тео­

жимов измерений и с учeroм априорной информации о про­

рии распознавания образов без и с предварительнь~ обучением

странственно-временном распределении

РФП

в

организме

К1.IRссификатора по верифицированной выборке изображений. Наи­

вычислить совокупность диагностически информативных и

боJiее часто применяется автоматическая классификация на основе

физиологически содержательных параметррв, характеризую­

так называемых генетических алгоритмов, реализуемых на искус­

щих исследуемое функциональное состояние; разработаны

етвеШIЫX нейронных сетях с самоадаптирующейся структурой сис­

различные алгоритмы идентификации параметров линейных и

темы распознавания, что обеспечивает наилучшую точность распо­

нелинейиых камерных, ЦИрКУЛЯЦИОШlЫX, пространственно­

знавания для РИД-исследований конкретного типа.

распределеШIЫX и других математических моделей транспор­

Мультимодальиаи визуализации

[19, 25].

В 9О-ые п. сфор­

та РФП с определением оценок погреmностей этих парамет­

мировались в виде отдельного направления

ров и с формированием соответствующих параметрических

принципы, алгоритмы и технологии компьютерного совмещения

изображений.

мультимода.;lЬных. изображений, Т.е. полученных разными метода­

и бурно развиваются

Наиболее используемым является математический аппарат ли­

~ лучевой диагностики у одного и того же пациента. При этом,

нейного камерного анализа. Если активность РФП в i.;,оЙ камере

щ'цравило, ОФЭКТ- или ПЭТ-изображения совмещаются с рент­

(т.е. в какой-либо обособленной анатомической или физиолomче-

гено~ми

ской структуре) есть q i (t), то: т

. .

qj(t) = Laij(t)Qj(t), j:J

i,j == 1, ... ,т,

(КТ-)

или

магнитно-резонансными

(МРТ-

) томоt1щфическими изображениями, Цель такого совмещения обесче~ние достоверной анатомической привязки ФИЗиологических данных посредством пространственной подгонки структурно-анатомических КТ - и МРТ - •изображений с высоким пространственным

разрешением

к

функциональным,

Т.е.

физиологическим, ОФЭКТ- и ПЭТ-изображениям со сравнительно 34

35

изображениям со сравнительно невысоким rфocтpанственным раз­

решением. Такая подгонка проводится с помощью либо системы опорных точеЧНЫХ маркеров, yкpeII.JDieMЫX. на поверхности тела

пациента в анатомически информативных точках и хорошо визуа­

~ создание и внедрение в клиническую практику банков и баз Рид- и РНТ-данных;такие банки изображений и другой ин­ формации в норме и при типичных патолоtиях особенно эф­ фективны для повышения тОчности диагностики и качества

лизируемых обоими методами (т.е. РИД и не-РНД), либо различ­

терапии, для обуЧения и переподготовки спеЦиалистов, в том

ными программно-ашоритмическими средсТвами по системе внут­

'числе и с использованием локальных· и глобальных компью­

ренних опорных точек, т.е. собственных анатомических ориенти­

терных сетей.

ров тела пациента.

КомпьютериэаЦ!IЯ теиюnогических процессов. Она все ши­

ре проводится В подразделеиияхРНД с целью повышения эффек­ тивности РНД:

Гарантия качества в ядерной медицине

~ использование персональных компьютеров и соответствую­

щих

программных средств для формирования и обработки

изображений, в том числе и 3-мервых, для расчета вводимых активностей РФП и лучевых нагрузок на пациентов, учета по­

лучения и расходования РФП, накопления, хранения и удале­

ния радиоактивных отходов, унификации форм диагностиче­ ских заключений и другой медицинской документации и т.п.;

» разработка и внедрение компъютерных систем архивирования и передачи изображений (САПИ), полученных разными мето­ дами лучевой диагностики, в том числе и методами РИД;

функционирование таких САПИ невозможно без предвари­ тельной разработки и применения эффективных алгоритмов и программ для конденсации изображений, особенно 3-мерных, что позволяет хранить больщие массивы данных и воспроиз­ водить архивированные изображения без ухудшения их каче­ ства и потери диагностической'Информативности; ~ создание и внедрение в клиническую практику локальных

компьютерных сетей, охватывающих частично или полностью диагностические и лечебные подразделения данной клиники и соединенных через модемы или оптоволоконные коммуника­

ции с такими же сетями других медицинских учреждений;

здесь особенно актуально использование мультип~цессор­ ных систем, позволяющих резко повысить пропускиylO спо­

собность сети ДЛЯ большого количества различных ~адач лу­

чевой диагностики от разных пользователей, в том числе и при передаче данных через Интернет;

36

РадиоФармпрепараты [27]. Проблема гарантии качества в РИД и РИТ состоит в разработке, стандартизации и· клиническом J$недрении средств, методов и комплексных программ контроля и

IЦ)выmения качества собственно РФП и технологий их изготовле­ НИJ{, измерительной аппаратуры и вспомогательного оборудования,

собственно

РИД-

и

РИТ -технологий

и

программно­

;~оритмического обеспечения для них.

В частности, для гарантии качества радиофармацевтики разра­ .ботана система стандартизованных на международном уровне (ВОЗ, МАГАТЭ, МЭК и др.) технол