6 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ

6
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
И КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ
РАЗВИТИЕ НЕИНВАЗИВНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВХОДНОЙ
ФУНКЦИИ ПО ПЭТ-ИЗОБРАЖЕНИЯМ
Е.Н. Терещенко
В статье рассмотрена проблема развития неинвазивных методов оценки входной функции по ПЭТизображениям. Рассмотрен новый подход к данной проблеме, основанный на анализе трех областей исследования объекта для определения входной функции.
Введение
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 фармакокинетические 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.
Описание метода
Метод ПЭТ – одна из немногих возможностей изучения не анатомии, а функционального состояния организма и биохимии in vivo. С технической точки зрения позитронно-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 γ-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].
181
Поскольку среди позитронных эмиттеров имеются изотопы основных элементоворганогенов (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 беккерелях. Сплошная линия показывает теоретическую кривую, а прерывистая – экспериментальную [3].
А, Бк
t, сек
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
182
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
t, сек
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
183
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 неинвазивных 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, 10–12 ноября 2004 г. Труды. С. 102–103.
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 Lepeleire, Jay Gambale, Jose M. Vega, H. Donald Burns, Molecular Imag-ing and Biology,
Vol. 5, No. 3, 72–78. 2003
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 2004
184