Kliniczne zastosowanie prototypu skanera J-PET (JPET2Clinic)

Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) jest obecnie jedną z podstawowych technik umożliwiających obrazowanie molekularne. Koncepcja ta oznacza obrazowanie na poziomie procesów biochemicznych. Skaner J-PET to pierwszy na świecie tomograf pozytonowy oparty na scyntylatorach paskowych z tworzywa sztucznego, służący do pomiaru czasu życia atomu orto-pozytonu (o-Ps). Jest to skaner modułowy, zaprojektowany i zainstalowany w Katedrze Doświadczalnej Fizyki Cząstek i Zastosowań Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Skaner J-PET oparty jest na technologii opatentowanej w latach 2014 i 2016.

Obecne kamery PET charakteryzują się niezwykłą czułością, umożliwiającą wykrywanie zmian w stężeniu substancji chemicznych tak subtelnych jak 1E-11 moli. Ta niespotykana dotąd czułość pozwala na wizualizację zmian metabolicznych, zaburzeń równowagi neuroprzekaźników czy dysfunkcji układu receptorowego na wczesnym etapie, często przed wystąpieniem objawów klinicznych różnych chorób. Technika PET opiera się na radioizotopach emitujących pozytony, które są antymatecznymi odpowiednikami elektronów. Kamery PET, których zadaniem jest monitorowanie rozkładu pozytonów, wykorzystują systemy detektorów wychwytujących promieniowanie powstające podczas anihilacji pozytonów i elektronów. Ten proces anihilacji zachodzi w wyniku emisji fotonów promieniowania gamma, które są wykrywane przez odpowiednie układy detektorów. System komputerowy rejestruje w szczególności tylko te zdarzenia, które wyzwalają jednocześnie dwa detektory, zapewniając wysoką rozdzielczość przestrzenną i precyzyjną lokalizację anatomiczną zdarzeń anihilacyjnych. Warto zauważyć, że anihilacja pozytonów może być poprzedzona utworzeniem pozytonu, przejściowego, quasi-stabilnego stanu związanego obejmującego elektron i jego antycząstkę, pozyton. Ze względu na wzajemne ułożenie spinów rozróżnia się dwa stany pozytonu.

• Gdy spiny elektronu i pozytonu są równoległe (stan trypletowy ↑↑); układ ten nazywany jest ortopozytem (o-Ps). Rozpad o-Ps (następuje anihilacja) po średnim czasie życia próżni wynoszącym 142 nanosekundy [ns]. Anihilacja wytwarza trzy fotony promieniowania gamma.
• Kiedy spiny elektronu i pozytonu są antyrównoległe (stan singletowy ↑↓) - układ nazywa się para-pozytonem (p-Ps). Anihilacja wytwarza dwa fotony promieniowania gamma o średnim czasie życia próżni wynoszącym 125 pikosekund [ps], czyli 1136 razy krótszym.

W odróżnieniu od konwencjonalnych skanerów PET stosowanych w obrazowaniu diagnostycznym, skaner J-PET może pochwalić się trzema niezwykłymi cechami:

1. Scyntylacja plastikowa: w przeciwieństwie do standardowych skanerów PET, które wykorzystują drogie kryształy scyntylacyjne, skaner J-PET wykorzystuje scyntylatory plastikowe, co znacznie obniża jego koszt i czyni go bardziej przystępnym cenowo.
2. Konstrukcja modułowa: Modułowa konstrukcja J-PET umożliwia łatwe dostosowanie do różnych rozmiarów pacjentów i można ją rozszerzyć do skanera PET całego ciała. Ta elastyczność pozwala zaspokoić szeroki zakres populacji pacjentów i potrzeb diagnostycznych.
3. Biomarker pozytonowy: J-PET poszerza zakres obrazowania PET o wprowadzenie detekcji i analizy o-P.

Ogłoszenie. 1. Konwencjonalne skanery PET wykorzystują detektory kryształowe, które wykrywają promienie gamma za pomocą efektu fotoelektrycznego. Droższe skanery PET wykorzystują kryształy LSO, LYSO lub BGO. Nowe skanery PET wykorzystują plastikowe detektory, które wykrywają promienie gamma za pomocą rozpraszania Comptona. Pozwala to na tańsze skanery o tej samej lub lepszej jakości obrazu.

Ogłoszenie. 2. Dzięki modułowej budowie i zastosowaniu scyntylatorów paskowych parametr czasu przelotu (ToF) służy również do poprawy jakości obrazu lub uzyskania obrazów o tej samej jakości w krótszym czasie badania, ponieważ zmniejsza szum.

Ad.3. Możliwość ta otwiera możliwość wykorzystania nowego biomarkera diagnostycznego, który ma obiecujący potencjał, ale pozostaje niedostatecznie zbadany w technologii PET. Obrazowanie pozytonowe stosowane jest wyłącznie w skanerze J-PET. Technika PET wykorzystuje radioizotopy emitujące promieniowanie pozytonowe (beta+). Tradycyjne skanery PET obrazują rozkład fotonów promieniowania gamma wytwarzanych w wyniku anihilacji elektronu (e-) i pozytonu (e+). Anihilację może poprzedzić pojawienie się atomu pozytonu, co występuje w około 30-40% wszystkich anihilacji zachodzących w organizmie pacjenta.

Hipoteza robocza:

Skaner J-PET oparty jest na technologii wykorzystującej plastikowe scyntylatory. Jeśli udowodniona zostanie jej przydatność kliniczna, rozwój tej metody obrazowania może znacząco obniżyć koszty i zwiększyć dostępność obrazowania PET/CT.

Ponadto tomograf J-PET pozwala na wyznaczenie nowego wskaźnika diagnostycznego, jakim jest czas życia atomów pozytonu.

Cel badania:

Celem tego badania jest wykazanie klinicznej wykonalności skanerów PET opartych na plastikowych scyntylatorach, w szczególności badanie wydajności obrazowania trójfotonowego i wykorzystania pozytonu jako biomarkera diagnostycznego. Jeżeli metoda J-PET pozwala z większą dokładnością zarejestrować rozkład substancji chemicznej pełniącej funkcję radiofarmaceutyku oraz – niezależnie, możliwe jest zarejestrowanie czasu życia o-Ps w zależności od składu biochemicznego środowiska, co jest dodatkowym parametrem - dotychczas nie stosowany w obrazowaniu medycznym.