CC BY
15
6
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ
РАЗВИТИЕ НЕИНВАЗИВНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВХОДНОЙ
В статье рассмотрена проблема развития неинвазивных методов оценки входной функции по ПЭТ-изображениям. Рассмотрен новый подход к данной проблеме, основанный на анализе трех областей исследования объекта для определения входной функции.
В сфере нарушений мозговой деятельности диагностика при анализе состояния пациентов до и после лечения методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) является определяющей. ПЭТ позволяет изучить и проанализировать функциональное и биохимическое состояние головного мозга неинвазивным путем. Но одной лишь визуальной оценки ПЭТ-изображений недостаточно. Во-первых, цветовая шкала, отражающая на полученном изображении концентрацию глюкозы, не позволяет увидеть незначительные изменения в процессах, происходящих в изучаемой области головного мозга пациента, но являющимися очень важными для выбора дальнейшего хода лечения. Во-вторых, уровень накопленной в ткани и зарегистрированной во время сканирования активности является не абсолютной физиологической информацией об исследуемом процессе, выраженной в физиологических единицах (ммоль/100 г ткани/мин), а лишь его линейной оценкой, так как его значение зависит еще и от ряда технических причин - введенной активности, времени сканирования, текущей чувствительности датчиков камеры и т.д. Для расчета абсолютных значений применяются фармакокине-тические модели, учитывающие динамику биохимического поведения РФП и так называемую входную функцию, т.е. кривую активности трейсера в плазме артериальной крови за время исследования. Знание абсолютных величин остается важным при оценке результатов медикаментозного лечения.
Метод ПЭТ - одна из немногих возможностей изучения не анатомии, а функционального состояния организма и биохимии in vivo. С технической точки зрения пози-тронно-эмиссионный томограф измеряет распределение радиоактивного трейсера (вещества, меченного ультракороткоживущими (УКЖ) позитрон-излучающими изотопами) в исследуемом объекте. Метод основан на использовании свойства неустойчивости ядер УКЖ изотопов, в которых количество протонов превышает количество нейтронов. При переходе ядра в устойчивое состояние оно излучает позитрон, свободный пробег которого заканчивается столкновением с электроном и их аннигиляцией. Аннигиляция сопровождается образованием двух у-квантов с энергией 511 кЭв, разлетающихся под углом 180°, которые и регистрируются датчиками камеры [1].
Для исследования различных биохимических процессов требуются специально выбранные радиотрейсеры, или, иначе - радиофармпрепараты (РФП), поведение которых может быть аналитически осмыслено и для которых может быть построена адекватная математическая модель, связывающая доступные для измерения величины (такие как накопление трейсера или концентрация РФП в плазме артериальной крови) с исследуемыми параметрами [2].
ФУНКЦИИ ПО ПЭТ-ИЗОБРАЖЕНИЯМ Е.Н. Терещенко
Введение
Описание метода
Поскольку среди позитронных эмиттеров имеются изотопы основных элементов-органогенов (углерода, азота и кислорода), имеется принципиальная возможность использовать в качестве радиотрейсеров самые разнообразные биологически важные соединения - как содержащиеся в нормально функционирующем живом организме, так и ксенобиотики.
В связи со сказанным ПЭТ может быть использована для измерения региональных биохимических и физиологических параметров процессов, происходящих при участии химических соединений, меченных позитронными эмиттерами. В частности, при использовании метода ПЭТ при исследованиях живого мозга появляется возможность количественной оценки важнейших функциональных физиологических параметров -мозгового и коронарного кровотока (кровотока в сердечной мышце), метаболизма глюкозы и аминокислот, а также статуса рецепторов, ферментных систем и т.д. Данные о распределении радионуклида в обследуемом участке тела могут быть превращены с помощью соответствующей фармакокинетической модели в физиологическую или биохимическую информацию. Однако для расчета интересующих параметров недостаточно данных, получаемых при помощи позитронно-эмиссионного томографа, т.е. уровня накопленной активности в ткани. Для решения модельных уравнений требуется знание и так называемой входной функции, т.е. уровня активности в плазме крове в течение исследования.
Стандартный вид кривой входной функции представлен на рис. 1 и 2. На первом из них показано поведение кривой входной функции в первые 200 с после инъекции, а на втором — поведение кривой в последующее время, начиная с 1200-й с после инъекции. По оси абсцисс показано время в секундах, а по оси ординат - активность в бекке-релях. Сплошная линия показывает теоретическую кривую, а прерывистая - экспериментальную [3].
О 16 0.14 0.12 0 1 0.08 о ое-
0 04 0 02 О
Рис. 1. Кривая входной функции в первые 200 сек после инъекции
Из рисунков видно, что пик активности фиксируется в первые секунды после инъекции, а в последующее время она убывает. По литературным данным от 85% до 95% РФП в первые минуты после инъекции проходит из сосудистого русла в ткань. Помимо этого, необходимо учитывать периоды полураспада, которые в среднем равны
А, Бк
1 сек
2 мин, что через 10 мин приведет к полному распаду вещества. Из сказанного следует, что при любом поведении РФП (останется ли он в сосудах или полностью перейдет в ткань) справедливо утверждение, что через 25-30 мин показатель активности абсолютно точно будет равен нулю.
В настоящее время известны методы как инвазивного (взятие проб крови во время исследования и измерения активности независимыми методами), так и неинвазивного определения входной функции. Речь идет об определении входной функции путем измерения активности в артериальной крови и анализе ПЭТ-изображений.
Если рассматривать первый метод (метод определения входной функции путем измерения активности в артериальной крови), то, несмотря на то, что он дает возможность непрерывного измерения, данный метод имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, это довольно болезненный метод, во-вторых, существует временная погрешность, которая возникает за счет сдвига времени прихода болюса (значение активности в артерии все равно будет отличаться от значения входной функции в головном мозге), в-третьих, возникает необходимость кросс-калибровки. Нельзя забывать и о человеческом факторе - погрешность в измерения может быть внесена и медицинскими работниками, осуществляющими забор крови из артерии.
А, Бк
Рис. 2. Кривая входной функции в последующее время после инъекции,
начиная с 1200 сек
Метод анализа входной функции по ПЭТ-изображению лишен вышеперечисленных недостатков. Единственным известным в настоящее время недостатком данного метода может являться недостаточное пространственное разрешение томографа.
В настоящее время идет разработка нового неинвазивного метода определения входной функции. Данный метод основан на рассмотрении трех областей интереса. В качестве первой области интереса мы будем рассматривать крупный сосуд головного мозга, затем область прилегающих к выбранному сосуду тканей головного мозга, в которые уходит со временем часть введенной пациенту активности. Третья область будет выбираться в той части головного мозга, о которой известно наверняка, что крупные
сосуды в ней не присутствуют. Во всех трех выбранных областях необходимо будет определить входную функцию [4].
В ходе работы предполагается найти уравнение входной функции, описывающей поведение РФП при данных условиях во всех трех выбранных областях интереса, разработать алгоритм определения входной функции и создать программный продукт, который бы отвечал всем предъявляемым к нему требованиям в процессе определения искомой входной функции. Результаты работы будут опробованы на имеющейся материальной базе лаборатории ПЭТ Института мозга человека РАН.
Заключение
Современные условия таковы, что к настоящему моменту необходим переход к абсолютным числам. Одной цветовой шкалы недостаточно, чтобы уловить малейшие изменения, которые могут оказать большое влияние на дальнейшее состояние пациента. В то же время использование ПЭТ в фармакологической промышленности и знание абсолютных величин при этом в 1,5 раза ускоряет процесс внедрения препарата в практику. Большое значение имеет знание входной функции, инвазивное определение которой, как показала многолетняя практика, является трудоемким для персонала, а также тяжело переносится пациентами и несет в себе множество погрешностей. Поиск неин-вазивных методов определения входной функции ведется достаточно давно, их актуальность доказана на практике.
Литература
1. Терещенко Е.Н. ПЭТ и один из подходов к повышению точности анализа изображения / Междунар. конф. «Приборостроение в экологии и безопасности человека». СПб, 1G-12 ноября 2GG4 г. Труды. С. 1G2-1G3.
2. Messa C, Goodman WG, Hoh CK, et al. Bone metabolic activity measured with positron emission tomography and 18 F-fluo-rideion in renal osteodystrophy: correlation with bone histo-morphometry // J. Clin Endocrinol Metab. 1993; 77: 949-955.
3. Image-Derived Input Function for [11C]Flumazenil Kinetic Analysis in Human Brain. Sandra M. Sanabria-Boho rquez, PhD1, Alex Maes, Patrick Dupont, Guy Bormans, Tjibbe de Groot, Alexandre Coimbra, PhD1, WaiSi Eng, Tine Laethem, Inge De Lepe-leire, Jay Gambale, Jose M. Vega, H. Donald Burns, Molecular Imag-ing and Biology, Vol. 5, No. 3, 72-78. 2GG3
4. Yu-Hua Fang, Tsair Kao, Ren-Shyan Liu, Liang-Chih Wu, Estimating the input function non-invasively for FDG-PET quantification with multiple linear regression analysis: simulation and verification with in vivo data. Springer-Verlag 2GG4
