Twórcy krakowskiego J-PET pokazali po raz pierwszy na świecie jak uzyskać dodatkowe cenne informacje o lokalizacji zmian chorobowych. Metoda oparta jest o analizę procesów z udziałem pozytoniów powstających w ciele pacjenta, Otrzymano już pierwsze bardzo obiecujące obrazy, a wyniki opublikowano m.in. w czasopiśmie Nature Communications. Współautorami nowej metody są naukowcy z NCBJ.

PET, czyli Pozytonowa Tomografia Emisyjna (z ang. Positron Emission Tomography) jest metodą obrazowania anatomii pacjenta w oparciu o zarejestrowane promieniowanie (fotony) wyemitowane z wnętrza ciała człowieka. W celu wykonania badania, pacjentowi podawany jest radiofarmaceutyk, zawierający pierwiastek promieniotwórczy – radioizotop, emitujący podczas rozpadu antycząstki elektronu, czyli pozytony. Najczęściej wykorzystywanym radioizotopem jest fluor 18. Pozytony, jako cząstki antymaterii łącząc się z elektronami (cząstkami materii) emitują dwa współliniowe fotony (poruszające się po jednej prostej, zwrócone w przeciwne strony). Proces ten nazywamy anihilacją. Radiofarmaceutyk, koncentruje się głównie w najbardziej energochłonnych komórkach, takich jak komórki nowotworowe. Wyemitowane fotony zostają zarejestrowane w skanerze, co pozwala na określenie pozycji źródła ich emisji. Cały ten proces polega na rejestracji miejsca, energii i czasów, w jakich para fotonów została zaobserwowana. Jednak do otrzymania trójwymiarowego obrazu jest jeszcze daleka droga pracy algorytmów, bez których otrzymane na jej końcu zdjęcie organizmu pacjenta i komórek nowotworowych nie byłoby możliwe.

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego we współpracy między innymi z badaczami z Narodowego Centrum Badań Jądrowych pracują nad nową generacją urządzeń pozytonowej tomografii emisyjnej – Jagiellonian PET. Stosowane w tomografii PET detektory fotonów wykorzystują zjawisko scyntylacji. Scyntylatory składają się z atomów, które pochłaniając część energii padającego fotonu, zmieniają ją na fotony z zakresu światła widzialnego, które następnie są rejestrowane przez elektronikę skanera. To sprawia, że zamiast jednego wysokoenergetycznego fotonu, rejestrujemy wiele fotonów o mniejszej energii. Jagiellonian PET różni się od klasycznych maszyn PET technologią detektorów. Zamiast droższych, powszechnie stosowanych w technologii PET nieorganicznych kryształów scyntylacyjnych (niezawierających atomów węgla), wykorzystuje on organiczne (zawierające atomy węgla) scyntylatory plastikowe. Użycie plastikowych detektorów obniża znacząco koszty produkcji takiej aparatury, ale to tylko jedna z zalet nowatorskiego rozwiązania. Okazuje się, że unikalne własności skanera pozwalają na wyjście poza konwencjonalne metody obrazowania PET i stworzenie zupełnie nowego, komplementarnego sposobu obrazowania wykorzystującego efekty kwantowe związane z powstawaniem i anihilacją pozytonium.

Pozytonium jest krótkotrwałym układem (stanem związanym) elektronu i pozytonu, podobnym do atomu wodoru, w którym zamiast protonu występuje pozyton (antycząstka elektronu, czyli cząstka o dodatnim ładunku). Układ taki po niedługim czasie anihiluje bezpośrednio lub z udziałem elektronu z otoczenia. W całym procesie możliwe jest obserwowanie czterech fotonów (w warunkach próżni), w tym trzech związanych z procesem anihilacji. Natomiast w ośrodku materialnym, jak np. organizm ludzki, można najczęściej zarejestrować trzy fotony: dwa pochodzące z anihilacji pozytonium, każdy o energii 511 keV, jak w klasycznym PET i dodatkowy foton, o energii 1274 keV, pochodzący z deekscytacji atomu radiofarmaceutyka. Pozwala on na określenie momentu powstania pozytonium. Detektory J-PET rejestrują wszystkie trzy fotony o odpowiednich energiach. I o ile odróżnienie fotonu początkowego, od pozostałych dwóch, jest proste (ma zdecydowanie większą energię), o tyle sparowanie fotonów anihilacyjnych pochodzących z tej samej anihilacji jest już trudniejsze. Foton deekscytacyjny daje nam punkt początku dla pomiaru czasu. Dwa fotony anihilacyjne przyjmujemy za pochodzące z tej samej anihilacji, jeśli czas ich rejestracji w dwóch przeciwległych detektorach jest odpowiednio bliski – rzędu 3 ns (1 nanosekunda to jedna miliardowa sekundy). Czas pomiędzy rejestracją obu fotonów pochodzących z anihilacji daje nam informację o pozycji (jeśli źródło emisji jest bliżej któregoś detektora, to najpierw on go zarejestruje, potem odpowiadający mu detektor z drugiej strony). Znając czas i prędkość fotonów, wyliczamy odległość źródła emisji od detektorów. To daje nam trójwymiarowy obraz emisji fotonów, jednak jeszcze nie wiemy, które z tych emisji pochodzą z miejsc zmienionych chorobowo. W zależności od środowiska, w którym następuje rozpad (komórki rakowe tworzą inne warunki niż komórki zdrowe), czas życia pozytonium, czyli czas pomiędzy wyemitowaniem początkowego fotonu a anihilacją, jest różny. W efekcie możliwe staje się odróżnienie partii komórek chorych od zdrowych z jeszcze większą precyzją niż w klasycznym PET. Cały ten skomplikowany proces pomiarów czasu z każdego detektora musi być robiony na bieżąco, żeby badający mógł otrzymać użyteczny obraz szybko, a nie po wielogodzinnych obliczeniach. Tu przydają się odpowiednie algorytmy komputerowe, które z chaotycznego ciągu zliczeń czasu budują gotowe do wykorzystania informacje.

W Total-Body Jagiellonian-PET Laboratory przy pomocy prototypowego skanera J-PET wykonano pierwszy obraz wykorzystujący pozytonium, a grupa naukowców z NCBJ, uczestniczących w projekcie Jagiellonian-PET zajmuje się rozwijaniem algorytmów do rekonstrukcji obrazów. „Oprogramowanie do analizy danych, wykorzystywane do uzyskania obecnych rezultatów, powstało jako efekt wieloletniego wspólnego wysiłku grupy ludzi, której członkami są osoby zarówno z UJ, jak i z NCBJ” - mówi dr inż. Wojciech Krzemień z Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ. „Pracę tą miałem przyjemność koordynować. Udział Narodowego Centrum Badań Jądrowych polega na rozwijaniu algorytmów do rekonstrukcji obrazu, procedur i narzędzi programistycznych do analizy danych, dzięki którym te dane możemy przetworzyć. I to jest bardzo duży wkład, bez którego te analizy by w ogóle nie powstały. Nasz dodatkowy wkład w prace nad J-PET to wykorzystanie metod uczenia maszynowego do analizy danych tomograficznych.”

Nowa metoda obrazowania PET jest nie tylko tańsza od stosowanych w obecnie dostepnych na rynku urządzeniach PET, ale także bardziej precyzyjna. Pierwsze zdjęcia w tej technice wykonano na 50-cio cm fantomie złożonym z tkanki śluzaka serca oraz tkanki tłuszczowej. Autorzy badań spodziewają się, że ich metoda pozwoli na obrazowanie większych objętości, długich do 200 cm, co da możliwość wykonania jednorazowo zdjęć całego ciała, podczas gdy powszechnie stosowane urządzenia PET są w stanie wykonać zdjęcia ok 20 cm fragmentu organizmu. Tomografia PET wykorzystywana jest nie tylko w diagnostyce nowotworowej, ale również do obrazowania w innych chorobach, jak choćby choroby serca. Skanowanie całego ciała przy pomocy urządzenia J-PET pomoże w diagnostyce chorób powodujących zmiany w całym organizmie, już od najwcześniejszych faz ich powstawania na poziomie komórkowym. Twórcy sądzą, że urządzenie będzie można wykorzystać również do diagnostyki powikłań po Covid-19.

Autorzy opublikowali już wyniki swoich badań w renomowanych czasopismach naukowych, jak choćby niedawna praca na łamach Nature Communications, gdzie wykorzystali J-PET w badaniach podstawowych, czy też praca w Science Advances, gdzie opisana została idea wykorzystania skanera w celach medycznych. Trwaja intensywne prace na rozwojem urządzenia i nowej metody.

Źródła:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh4394
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25905-9
https://www.physicamedica.com/article/S1120-1797(20)30254-4/fulltext
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361841521002449?via%3Dihub

Informacje uzupełniające

Jagiellonian PET (J-PET) to pierwszy skaner pozytonowej tomografii emisyjnej zbudowany z plastikowych scyntylatorów. Konsorcjum Jagiellońskiego PET pod przewodnictwem P. Moskala to interdyscyplinarna i międzynarodowa grupa składająca się z fizyków, chemików, elektroników, informatyków, fizyków informacji kwantowej oraz fizyków bio i medycznych z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Marii Curie- Skłodowskiej, Uniwersytetu Wiedeńskiego, National Laboratory we Frascati oraz firm Nowoczesna Elektronika i Brain Waves Electronics. Więcej na stronie projektu: http://koza.if.uj.edu.pl/pet/