PET. Medisinsk verktøy med radioaktivitet som grunnlag. Detektorer. Positron. g-kvant 511 kev. Radioaktiv tracer Detektorer

Transkript

1 PET Medisinsk verktøy med radioaktivitet som grunnlag Detektorer g-kvant 511 kev g-kvant 511 kev Positron Radioaktiv tracer Detektorer Illustrasjon hentet fra Internett 1

2 PET det nye innen medisinsk diagnostikk Informasjon om bakgrunn og forskning som har ledet fram til metoden I mer enn 100 år har vi brukt røntgen for a se inn i kroppen vår. I 1972 fikk vi CT eller Computer Tomografi som er en billedanalyse basert på røntgen. De gamle røntgenbildene, som slett ikke var så lette å analysere, er nå helt digitalisert og vi studerer bildene på datamaskiner. MR magnetisk rseonans ble introdusert i 1977, men fikk sitt gjennombrudd først i det 21. århundre. Bruk av radioaktive stoffer innen medisinsk diagnostikk startet i 1930-årene i Berkeley med brødrene Lawrence og svensken Glenn Seaborg. At det var nettopp Berkeley som sto i spissen skyldes da at de der utviklet syklotronen som var nødvendig for å lage kunstige radioaktive isotoper. Det var ikke nok å lage isotoper en måtte føre de inn i kroppen og ikke minst kunne måle den strålingen som kommer ut igjen for å få den informasjon som ble ettersøkt. I 1950-årene utviklet de slikt måleutstyr også det sentrert til Berkeley med de såkalte gamma-kameraene. I 1962 introduserte David Kuhl emission tomography det vil si han kunne lage bilder av den strålingen som kom ut av kroppen. Dette førte i sin tur til CT og senere PET. Vi må kunne si at David Kuhl er father of PET. La oss se nærmere på det som kalles PET. Bokstavene står for Positron Emission Tomography. Det baserer seg på et kunstig radioaktivt stoff som føres inn i kroppen og som i sin tur sender ut positroner. Positronet lever bare i brøkdelen av et sekund før det møter et elektron og det hele ender i et lysglimt eller gammaglimt (det er det vi observerer). Det er dette glimtet som inneholder det meste av informasjonen. Før vi forklarer nærmere om PET, kan vi nevne noe av den informasjon dette lysglimtet kan inneholde. David Kuhl 1. Vi kan få informasjon om hvordan vev og organer i kroppen fungerer både på det molekylære og cellulære nivå. 2. PET er en effektiv metode til å oppdage kreft det gjelder; lungekreft, hode og hals, mage og tarm, melanomer, lymfoner, bryst, skjoldbrukskjertel, hjernekreft, osv. Særlig spredning av kreft kan kartlegges effektivt. 3. Metoden gjør det mulig å følge virkningen av en behandling. For kreft gjelder det effekten av stråleterapi og/eller cellegift. 4. En kan studere endringer i hjernen slik som en begynnende Alzheimer og epilepsi. Vi kan spørre om PET gir flere eller andre muligheter enn det vi allerede kan få kunnskap om gjennom CT og MR. Svaret er at PET måler eller gir opplysninger om metabolske forandringer på cellenivå. Det betyr at PET i betydelig større grad enn de andre metodene kan si om det er godartede eller ondartede endringer i kroppen. PET oppdager sykdommene på et tidlig stadium når forandringene bare er synlig på det cellulære nivå. For CT og MR blir de ikke oppdaget før det har skjedd forandringer i strukturen til organer og vev. Full nytte av PET får vi ved en kombinasjon av PET og CT evt. MR. Det vil gjøre det langt lettere å gi et tredimensjonalt bilde av et organ med lokalisering av en kreftsvulst innen det samme organ. 2

3 Vi nevnte at PET baserer seg på positroner som går over i et lysblink når det møter et vanlig elektron. Det kan være passe å begynne her med å beskrive dette fenomenet. Hva er et positron? Et positron er en partikkel med samme vekt som et elektron men det har positiv ladning. Det er det vi kaller antimaterie. Det er ikke stabilt og vil tilslutt gå sammen med et elektron. Da omformes massen av de to partiklene til stråling. Det dannes som regel to fotoner som går i hver sin retning det vil si med 180 graders forskjell. Det er disse fotonene vi benytter i PET og vi må registrere de samtidig. Historikk: Det var engelskmannen P. A. M. Dirac som i 1928 foreslo eksistensen av en antipartikkel til elektronet. Fire år senere, i 1932, observertre Carl D. Anderson en partikkel med elektronets masse og med positiv ladning. Han studerte kosmisk stråling og brukte tåkekammer, der han ser banen til partiklene og slik bestemte han at ladningen var positiv. Det var Anderson som døpte partikkelen og kalte den for positron. Hva skjer videre? P.A.M. Dirac and Carl D. Anderson ( ) ( ) Positronet vil raskt møte et elektron og da skjer det interessante ting som: 1. De to partiklene positronet og elektronet omformes direkte til energi (vi sier de annihilerer). Det dannes to, eventuelt tre høyenergetiske fotoner eller g-kvanter. 2. Elektronet og positronet danner noe som ligner et atom. Dette atomet kalles positronium. Det er ikke stabilt og vil etter kort tid også annihileres det omdannes til g-stråling. En av de første som studerte positronium og mulighetene for at det dannes, var Odne Ore. Han var professor ved Fysisk institutt, UiO, og det var han som startet biofysikk-gruppen på Universitetet i Oslo. Positronium kan være i to tilstander enten det vi kaller singlett (da har elektronet og positronet motsatt spinn) eller det kan være en tilstand der de har paralelle spinn. Dette er kanskje ikke så interessant for oss, men det betyr en del for levetiden og om det dannes to eller tre kvanter når det annihileres. Når det dannes en triplett (parallelle spinn) er levetiden mye lenger, 142 nanosekunder. Når det annihileres dannes det 3 kvanter. Aadne Ore ( ) Modell av Positronium elektron positron Vi kan jo ikke se hverken elektroner eller positroner. Likevel kan det av og til være gunstig å ha en slags modell av både atomer og molekyler. I modellen her tenker vi oss både elektronet og positronet som 2 små baller som svirrer rundt hverandre. De er like store, men har motsatt ladning. Atomet lever brøkdelen av et sekund og omformes til stråling. I PET kan vi bestemme stedet der dette skjer! 3

4 Hvordan kan PET gi oss informasjon? 1. Når elektronet og positronet smelter sammen omdannes deres masse til g-stråling. Her har vi et eksempel på Einsteins berømte ligning: E = mc 2 massen går over til energi og energien er i form av stråling. Det blir som oftest dannet 2 like kraftige g-fotoner. Hver av de har en energi lik massen av et elektron eller 511 kev. Det betyr at vi ser etter 2 slike fotoner som dannes samtidig. 2. Den andre viktige egenskap er at fotonene går i hver sin retning 180 grader fra hverandre kev kev photon photon kev photon Illustrasjon fra Arnt Inge Vistnes En illustrasjon av PET Øverst er en illustrasjon hvor et positron smelter sammen med et elektron. De to kvantene med energi på 511 kev går i hver sin retning. Når de to fotonene observeres samtidig koinsidensmåling av to detektorer som er 180 grader fra hverandre så vet vi at selve annihilasjonsprosessen har funnet sted på den rette linjen mellom de 2 detektorene. En ny annihilering med et annet detektorpar vil gi en linje som krysser den første. Dette bestemmer stedet der strålingen dannes. Illustrasjon fra Wikipedia 4

5 Hvor finner vi positroner som gir grunnlag for metoden? Vi startet med å si at en oppdaget positroner i den kosmiske strålingen. Men vi kan selvsagt ikke bruke det som kilde i PET. Men kanskje kan vi gå til radioaktive stoffer og finne noen som sender ut positroner? For alle vanlige radioaktive stoffer vet vi at det er 3 typer stråling som sendes ut og at de er navngitt etter de 3 første bokstavene i det greske alfabet. Alfa-partikler er heliumkjerner, beta-partikler er elektroner av den vanlige typen med negativ ladning og g-stråling er høyenergetiske fotoner eller kvanter. Betyr det at vi ikke finner noen radioaktive kjerner som sender ut positroner? I en vanlig b-decay blir et nøytron i kjernen omvandlet til et proton og et elektron. Det er elektronet som sendes ut og som er b-partikkelen. Dette er en gunstig reaksjon siden nøytronets masse er større enn protonets. Den motsatte prosess ville være at et proton ble transformert til et nøytron noe som er adskillig mer problematisk men det kan skje og vi kan vise to veier det kan skje på. 1. Ved elektron capture 2. Ved positron utsendelse Ved elektron capture vil et elektron rundt atomet fanges inn i kjernen og omvandle et proton til et nøytron og samtidig sende ut g-stråling. Prosessen ble oppdaget i 1938 av amerikaneren Luiz Alvarez. Dette er en ganske vanlig prosess som vi for eksempel ser hos K-40 (den radioaktive kalium-isotopen). Dette er den eneste muligheten når energiforskjellen mellom den opprinnelige kjernen og datterkjernen er mindre enn 2m e c 2 (m e er massen til et elektron). Hvis energiforskjellen er større har vi muligheten for en positronutsendelse. For å få til dette må vi lage denne radioaktive isotopen kunstig (det er ingen naturlig isotop). Idag har vi flere muligheter til å lage isotoper også slike som sender ut positroner. Positron-isotoper lages kunstig i en syklotron De viktigste positron-isotopene som brukes idag er gitt i tabellen under. Isotop C 11 N 13 O 15 F 18 Halveringstid 20.3 min 10 min 2,03 min min Legg merke til halveringstiden. Den viser hvor lang tid vi har til rådighet for å bruke denne metoden. Den mest brukte isotopen er F-18, som er en fluorisotop. Når den desintegrerer sender den ut et positron (med startenergi på 635 kev) og ingen gamma-stråling. Den har en halveringstid på 109,8 minutter litt mindre enn 2 timer. De andre isotopene har ennå kortere halveringstid. Vi må også nevne at vi har isotoper med større halveringstid som gir andre muligheter. Det er Zr-89 med halveringstid på 3,27 dager og en jodisotop I-124 med halveringstid på 4,18 dager. 5

6 Slik bruker vi F-18 F-18 kan lages i en syklotron når en bestråler O-18 anriket vann med protoner (p). Reaksjonen skjer på følgende måte: O+ p = F + n En sender inn et proton i O-18 og får ut et nøytron (n) + F-18. Nå må vi arbeide raskt fordi hver annen time reduseres mengden av F-18 til det halve. Kjernekjemikerne kommer inn og tilrettelegger bruken. Kreftceller er langt mer aktive enn andre normale celler i kroppen. Vi vil finne disse cellene og det gjør vi ved å føre F-18 til kreftcellene. Vi vet at aktive celler trenger sukker glukose. Hvis vi kunne hekte på F-18 til glukose ville det føre direkte til de aktive cellene til kreftcellene spesifikt. Vi hekter F-18 til glukose det virker som en fraktebåt som fører F-18 til de aktive cellene. Glukose FDG Pasienten får tilført glukose med F-18 (FDG) i en vene i armen. Så venter man i ca. 1 time og i den tiden finner FDG molekylene frem til kreftcellene. Når isotopen F-18 disintegrerer sendes det ut et positron med energi på 635 kev. Den går et lite stykke ca. 1 mm og da er energien redusert slik at det kan vekselvirke med et elektron enten direkte eller via et positronium. Denne annihilasjonen gir så 2 fotoner hver med energi på 511 kev som går i to retninger med 180 grader forskjell. Fotonene har en bestemt energi og de måles samtidig såkalt koinsidensmåling av detektorer som står 180 grader fra hverandre. Det betyr at vi ikke bryr oss om annen stråling eller enkle fotoner. Bare når 2 kvanter opptrer samtidig gir det en posisjonsbestemmelse. Da vet vi at stedet der annihilasjonen skjedde, ligger på linjen mellom de to detektorene. En ny koinsidensmåling med to detektorer som ligger forskjellig fra de første vil gi et krysningspunkt der annihilasjonene foregår der kreftcellene er (usikkerheten er det veistykke positronet går før det annihilerer). For å få den anatomiske beliggenheten av de aktive cellene kobles gjerne PET sammen med CT. 6

7 Historikk La oss nevne at de første forsøk med PET ble gjort av Michael E. Phelps, Edward Hoffman, og Michel M. Ter-Pogossian som bygde den første PET-maskinen i Michael E. Phelps Edward Hoffman Michel M. Ter-Pogossian (1939) ( ) ( ) Det har de senere årene vært en rivende utvikling av PET og dens muligheter. Det var i første rekke forskere ved Brookhaven National Laboratory som sto i spissen for utviklingen av PET. De navn vi vil trekke frem i denne sammenheng er Al Wolf og senere Joanna Fowler. Alfred Wolf ( ) Joanna Fowler 7

8 Hvor store er de radioaktive kildene? Gir de en stråledose? Den mengde radoaktivitet som brukes i en undersøkelse er omkring MBq. Det er kraftige kilder og en kan jo lure på om denne strålingen representerer noen fare for pasient og omgivelser. De fotoner som brukes i selve undersøkelsen går uhindret ut av kroppen og gir ingen dose. Men mange av kvantene på 511 kev (mer enn halvparten) vil absorberes og gi pasienten en stråledose. Dessuten vil det bli en stråledose når positronene bremses ned. Følgelig vil en få en stråledose ved en undersøkelse. Denne dosen er ikke stor (beregnet til omkring 5 7 mgy) og er ikke noe en bør tenke på ved en undersøkelse. Eksempler Vi må vise noen eksempler på bruken av PET. I eksempelet under har vi to bilder. Til venstre er et CT bilde. Bildet viser en skygge et område som vi er usikre på. Vi har markert det med en ring. I bildet til høyre har vi benyttet PET og lagt på en farge der det er PET aktivitet. Da ser vi at radioaktiviten peker på det mistenkelige området og viser at her finner en celler med stor aktivitet kreftceller. Courtesy of Dag Rune Olsen 8

9 Et eksempel der en ser på effekten av stråleterapi Under er vist to serier av PET/CT bilder. I begge seriene viser vi pasienter som har kreft. Poenget nå er å se på effekten av en strålebehandling. Til venstre er det et sarkom i høyre skulderblad. Til høyre er det et lymfom i den høyre lymfe i armen. De to krefttypene blir strålebehandlet en ser resultatet før behandling (0 Gy), etter 8 Gy og etter 40 Gy. Vi ser at den ene kreftformen er nærmest upåvirket, mens den andre forsvinner. Courtesy of Eirik Malinen. Du kan lett finne informasjon om PET på nettet. Vi gir her en referanse til PET-seneteret i Oslo som du kan titte på: 9