Эксперты в Японии разработали простой способ получения более подробной информации из стандартных медицинских изображений. Исследовательская группа, состоящая из физиков-атомщиков и экспертов в области ядерной медицины из Токийского университета и Национального института радиологических наук (NIRS), разработала таймер, который позволяет сканерам позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) определять концентрацию кислорода в тканях пациентов. ' тела. Это обновление ПЭТ-сканеров может привести к лучшему лечению рака в будущем за счет быстрого выявления частей опухолей с более агрессивным ростом клеток.
«Опыт пациентов в будущем ПЭТ-сканировании будет таким же, как и сейчас. Опыт медицинских бригад при проведении сканирования также будет таким же, только с более полезной информацией в конце», - сказал врач ядерной медицины д-р, Мивако Такахаши из NIRS, соавтор исследовательской публикации в Communication Physics.
"Это был быстрый проект для нас, и я думаю, что он также должен стать очень быстрым медицинским достижением для реальных пациентов в течение следующего десятилетия. Я надеюсь, что компании, производящие медицинское оборудование, смогут применить этот метод очень экономично", - сказал помощник. Профессор Кенго Сибуя из Высшей школы искусств и наук Токийского университета, первый автор публикации.
ПЭТ-сканы
Позитроны, в честь которых названо сканирование ПЭТ, представляют собой положительно заряженные формы электронов из антивещества. Благодаря своим крошечным размерам и чрезвычайно малой массе позитроны не представляют опасности для медицинских приложений. Позитроны производят гамма-лучи, которые представляют собой электромагнитные волны, похожие на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн.
При проведении ПЭТ пациент получает небольшое количество очень слаборадиоактивной жидкости, часто состоящей из модифицированных молекул сахара, которую обычно вводят в кровь. Жидкость циркулирует в течение короткого промежутка времени. Различия в кровотоке или метаболизме влияют на то, как распределяется радиоактивность. Затем пациент ложится в большой ПЭТ-сканер в форме трубки. Поскольку радиоактивная жидкость испускает позитроны, которые затем распадаются на гамма-лучи, кольца детекторов гамма-излучения отображают местоположение гамма-лучей, испускаемых телом пациента.
Врачи уже запрашивают ПЭТ-сканирование, когда им нужна информация не только о структуре, но и о метаболической функции тканей внутри организма. Определение концентрации кислорода с помощью того же ПЭТ-сканирования добавит еще один слой полезной информации о функциях организма.
Концентрация кислорода измеряется в наносекундах
Жизнь позитрона - это выбор двух очень коротких путей, оба из которых начинаются, когда позитрон «рождается» при его высвобождении из радиоактивной жидкости для ПЭТ-сканирования. На более коротком пути позитрон немедленно сталкивается с электроном и испускает гамма-лучи. На немного более длинном пути позитрон сначала превращается в частицу другого типа, называемую позитронием, которая затем распадается на гамма-лучи. В любом случае время жизни позитрона в человеческом теле не превышает 20 наносекунд или одной пятидесятимиллионной доли секунды (1/50 000 000 секунды).
«Результат тот же, но время жизни другое. Наше предложение состоит в том, чтобы различать время жизни позитронов с помощью ПЭТ-сканирования с таймером, чтобы мы могли отображать концентрации кислорода в телах пациентов», - сказал Сибуя.
Сибуя и его коллеги разработали диаграмму продолжительности жизни позитронов, используя миниатюрный ПЭТ-сканер, чтобы определить время образования и распада позитронов в жидкостях с известной концентрацией кислорода.
Новые результаты исследовательской группы показывают, что при высокой концентрации кислорода более короткий путь более вероятен. Исследователи предсказывают, что их метод сможет определять абсолютную концентрацию кислорода в любой ткани тела пациента на основе времени жизни позитронов во время ПЭТ-сканирования.
Определение времени жизни позитронов возможно с использованием тех же детекторов гамма-излучения, которые уже используются при ПЭТ-сканировании. Исследовательская группа прогнозирует, что большая часть работы по переносу этого исследования из лаборатории в прикроватную тумбочку будет заключаться в обновлении детекторов гамма-излучения и программного обеспечения, чтобы детекторы гамма-излучения могли регистрировать не только местоположение, но и точные данные о времени.
«Разработка инструментов не должна сильно увеличиваться, - говорит профессор Тайга Ямая, соавтор исследовательской публикации и руководитель группы Imaging Physics Group в NIRS.
Улучшенные ПЭТ-сканы для более эффективного лечения рака
Медицинские эксперты давно поняли, что низкие концентрации кислорода в опухолях могут препятствовать лечению рака по двум причинам: во-первых, низкий уровень кислорода в опухоли часто вызывается недостаточным кровотоком, что чаще встречается у быстрорастущих, агрессивные опухоли, которые трудно поддаются лечению. Во-вторых, низкий уровень кислорода делает облучение менее эффективным, поскольку желаемый эффект лучевой терапии, убивающий раковые клетки, частично достигается за счет преобразования энергии излучения кислорода, присутствующего в клетках, в свободные радикалы, повреждающие ДНК..
Таким образом, определение концентрации кислорода в тканях тела информирует медицинских экспертов о том, как более эффективно атаковать опухоли внутри пациентов.
«Мы предполагаем, что более интенсивное лучевое лечение будет направлено на агрессивные области опухоли с низкой концентрацией кислорода, а менее интенсивное лечение будет направлено на другие области той же опухоли, чтобы дать пациентам лучшие результаты и меньше побочных эффектов», - сказал он. Такахаши.
Сибуя говорит, что группа исследователей была вдохновлена на то, чтобы применить на практике теоретическую модель о способности позитронов определять концентрацию кислорода, опубликованную в прошлом году исследователями в Польше. Проект прошел путь от концепции до публикации всего за несколько месяцев, даже с ограничениями, связанными с пандемией COVID-19.
Сибуя и его коллеги теперь стремятся расширить свою работу, чтобы найти любые другие медицинские детали, которые могут быть выявлены при жизни позитрона.