Klinická aplikace prototypu J-PET skeneru (JPET2Clinic)

Pozitronová emisní tomografie (PET) je v současnosti jednou ze základních technik umožňujících molekulární zobrazování. Tento pojem znamená zobrazování na úrovni biochemických procesů. Skener J-PET je první pozitronový tomograf na světě založený na plastových páskových scintilátorech pro měření životnosti atomu orto-pozitronia (o-Ps). Jedná se o modulární skener navržený a nainstalovaný na Katedře experimentální částicové fyziky a aplikací Jagellonské univerzity v Krakově. Skener J-PET je založen na technologii patentované v letech 2014 a 2016.

Současné PET kamery mají pozoruhodnou citlivost, která umožňuje detekovat změny v chemické koncentraci tak jemné jako 1E-11 molů. Tato bezprecedentní citlivost umožňuje vizualizaci metabolických změn, nerovnováhy neurotransmiterů nebo dysfunkcí receptorového systému v rané fázi, často ještě před nástupem klinických příznaků u různých onemocnění. Technika PET se opírá o radioizotopy, které emitují pozitrony, což jsou antihmotové protějšky elektronů. PET kamery, které mají za úkol monitorovat distribuci pozitronů, využívají systémy detektorů, které zachycují záření generované během anihilace pozitronů a elektronů. K tomuto anihilačnímu procesu dochází při emisi fotonů gama záření, které jsou detekovány příslušnými detektorovými poli. Počítačový systém zaznamenává zejména pouze ty události, které současně spouštějí dva detektory, což zajišťuje vysoké prostorové rozlišení a přesnou anatomickou lokalizaci anihilačních událostí. Pozoruhodné je, že anihilaci pozitronu může předcházet tvorba pozitronia, přechodného, ​​kvazistabilního vázaného stavu obsahujícího elektron a jeho antičástici, pozitron. Vzájemným uspořádáním spinů se rozlišují dva stavy pozitronu.

• Když jsou rotace elektronu a pozitronu paralelní (stav tripletu ↑↑); toto uspořádání se nazývá ortho-pozitronium (o-Ps). o-Ps se rozpadá (dochází k anihilaci) po průměrné životnosti vakua 142 nanosekund [ns]. Anihilace produkuje tři fotony gama záření.
• Když jsou spiny elektronu a pozitronu antiparalelní (singletový stav ↑↓) - systém se nazývá para-pozitronium (p-Ps). Anihilace produkuje dva fotony gama záření s průměrnou životností ve vakuu 125 pikosekund [ps], tedy 1136krát kratší.

Na rozdíl od běžných PET skenerů používaných v diagnostickém zobrazování se skener J-PET může pochlubit třemi pozoruhodnými funkcemi:

1. Plastová scintilace: na rozdíl od standardních PET skenerů, které používají drahé scintilační krystaly, J-PET skener využívá plastové scintilátory, což výrazně snižuje náklady a činí jej dostupnější.
2. Modulární design: Modulární design J-PET umožňuje snadné přizpůsobení pro různé velikosti pacientů a lze jej rozšířit na celotělový PET skener. Tato flexibilita uspokojuje širokou škálu pacientů a diagnostických potřeb.
3. Positronium Biomarker: J-PET rozšiřuje rozsah PET zobrazování zavedením detekce a analýzy o-Ps.

Inzerát. 1. Konvenční PET skenery používají krystalové detektory, které detekují gama záření pomocí fotoelektrického jevu. Dražší PET skenery používají krystaly LSO, LYSO nebo BGO. Nové PET skenery používají plastové detektory, které detekují gama záření pomocí Comptonova rozptylu. To umožňuje levnější skenery se stejnou nebo lepší kvalitou obrazu.

Inzerát. 2. Díky modulární konstrukci a použití páskových scintilátorů se parametr time-of-flight (ToF) používá také ke zlepšení kvality obrazu nebo získání stejně kvalitních snímků při kratším vyšetření, protože snižuje šum.

Ad.3. Tato schopnost otevírá možnost využití nového diagnostického biomarkeru, který má slibný potenciál, ale zůstává v technologii PET nedostatečně prozkoumán. Pozitroniové zobrazování je aplikováno pouze v J-PET skeneru. Technika PET využívá radioizotopy, které emitují pozitronové záření (beta+). Tradiční PET skenery zobrazují rozložení fotonů gama záření produkovaných anihilací elektronu (e-) a pozitronu (e+). Anihilaci může předcházet objevení se atomu pozitronia, ke kterému dochází přibližně u 30-40 % všech anihilací vyskytujících se v těle pacienta.

Pracovní hypotéza:

Skener J-PET je založen na technologii využívající plastové scintilátory. Pokud se prokáže její klinická užitečnost, může vývoj této zobrazovací metody významně snížit náklady a zvýšit dostupnost PET/CT zobrazení.

J-PET tomograf nám navíc umožňuje určit nový diagnostický ukazatel, kterým je životnost atomů pozitronia.

Cíl studie:

Tato studie si klade za cíl demonstrovat klinickou proveditelnost PET skenerů založených na plastových scintilátorech, konkrétně zkoumat výkon třífotonového zobrazování a použití pozitronia jako diagnostického biomarkeru. Pokud metoda J-PET umožňuje zaznamenat distribuci chemické látky působící jako radiofarmakum s větší přesností a - nezávisle, je možné zaznamenat životnost o-Ps v závislosti na biochemickém složení prostředí, což je doplňkový parametr - dosud nepoužívané v lékařském zobrazování.