راهی بهتر یرای تومور شناسی ناهنجاریهای عصبی وبیماریهای قلبی

مقطع نگاری با تابش كننده های پوزیترون یكی از ابزارهای تصویربرداری است كه می توان از آن برای بیشتر پروسه های بیولوژیك در موجودات زنده استفاده كرد

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.

نویسنده: دکتر احمد بیطرفان رجبی، بخش پزشکی هسته ای ، بیمارستان شهید رجایی

---