RU2599192C2 - Способ определения плотности ткани патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа - Google Patents
Способ определения плотности ткани патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2599192C2 RU2599192C2 RU2014149471/14A RU2014149471A RU2599192C2 RU 2599192 C2 RU2599192 C2 RU 2599192C2 RU 2014149471/14 A RU2014149471/14 A RU 2014149471/14A RU 2014149471 A RU2014149471 A RU 2014149471A RU 2599192 C2 RU2599192 C2 RU 2599192C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- positron
- detectors
- formula
- density
- difference
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
- A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/161—Applications in the field of nuclear medicine, e.g. in vivo counting
- G01T1/164—Scintigraphy
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Nuclear Medicine (AREA)
Abstract
Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской диагностической технике и может быть использовано для определения плотности биоткани в патологическом очаге. С помощью позитронно-эмиссионного томографа, содержащего устройство, измеряющее разность частот γ-квантов, одновременно поступающих на детекторы γ-излучения, измеряют максимальную разность частот указанных γ-квантов. По этой разности частот на основе эффекта Доплера находят скорость позитрона и пропорциональную ей плотность биоткани в патологическом очаге. Способ позволяет измерить плотность биоткани в патологическом очаге за счет использования устройства, позволяющего измерять разность частот γ-квантов, одновременно поступающих на детекторы γ-излучения. 3 ил.
Description
Описание изобретения
Изобретение относится к области медицинской диагностической техники и служит для определения плотности биологической ткани в области патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа.
Известен диагностический способ визуализации патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа, предназначенный для определения местоположения и размеров патологического очага на основе измерения детекторами γ-излучения двух одновременно регистрируемых γ-квантов [1].
Позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ) - это устройство радиоизотопной диагностики, в котором используется внутривенное введение таких радиофармацевтических препаратов (РФП), как излучающие позитроны радиоизотопы
,
,
,
и др. Важным узлом позитронно-эмиссионного томографа является циклотрон, вырабатывающий эти короткоживущие радиоизотопы с периодом полураспада T1/2~10-20 мин. Испущенные ядром изотопа позитроны
, сталкиваясь с электронами
вещества, аннигилируют с образованием 2-х γ-квантов, фиг. 1.
Особенностью этих γ-квантов ћω1 и ћω2 является то, что они излучаются в строго противоположных направлениях.
В методе ПЭТ кушетка с пациентом, у которого в тканях имеется патологический участок 2, в котором накопился РФП, помещается в кольцо 1, состоящее из детекторов, регистрирующих γ-кванты. Информационную ценность имеет только событие, когда два излученных в процессе аннигиляции γ-кванта достигают противоположных детекторов одновременно, т.е. оба γ-кванта пролетают одинаковый путь до детекторов. Например, γ-кванты, излученные из точки a патологического очага, достигают двух детекторов γ-излучения Д1 и Д2, расположенных на линии A-A, одновременно, эти сигналы участвуют в построении изображения.
Координата излучающей γ-кванты точки патологического очага, находится на линии, соединяющей детекторы точно посередине между ними. Интенсивность сигнала от детекторов, т.е. количество γ-квантов регистрируемых детекторами в единицу времени, указывает на количество накопленного в патологическом очаге РФП.
Сигналы детекторов, не одновременно регистрирующих γ-кванты, игнорируются. Это связано с тем, что для таких γ-квантов невозможно рассчитать точку их испускания в связи с очень большой скоростью движения квантов.
При перемещении кушетки с пациентом вдоль оси, перпендикулярной плоскости кольца детекторов, получается послойное трехмерное (3D) изображение распределения концентрации РФП в патологическом очаге.
Результаты регистрации γ-квантов всеми, одновременно срабатывающими детекторами, обрабатывается с помощью ЭВМ. При этом получается изображение высокой информативности.
ПЭТ в настоящее время успешно применяется, прежде всего, для раннего обнаружения и визуализации онкологических новообразований, особенно метастазов. С его помощью обнаруживаются патологические очаги, когда структурных изменений еще нет, но течение биохимических реакций в клетках уже нарушено.
Недостатком ПЭТ является отсутствие информации о состоянии патологического очага, в частности плотности ткани в очаге.
В результате квантово-электродинамического расчета процесса аннигиляции были получены две формулы для дифференциального эффективного сечения рассеяния квантов электромагнитного излучения в телесный угол dΩ.
Первая по времени формула была получена Гайтлером [2]. Эта формула имеет вид:
Формула дана в обозначениях [3], где имеется ее подробный вывод. Использована т.н. рациональная система единиц, в которой скорость света и постоянная Планка равны единице c=ћ=1. В этой системе единиц энергия импульса и масса имеют одну и ту же размерность.
В формуле (1) e - заряд электрона (или позитрона с противоположным знаком), k0 - энергия фотона, p - импульс электрона, θ - угол между импульсами электрона и одного из излученных фотонов. Формула (1) получена при условии суммирования по всем направлениям поляризации фотонов.
При выводе (1) использована система отсчета, связанная с центром масс взаимодействующих электрона и позитрона, в которой импульсы электрона и позитрона равны по модулю между собой и противоположны по направлению p1=-p2=p. Импульсы фотонов также равны по модулю между собой и противоположны по направлению k1=-k2 [2, 3]. Отметим, что в этой системе отсчета условия наблюдения обоих фотонов одинаковы.
Вторая формула была предложена несколько позже Фейнманом [4]:
Формула (2) записана в обозначениях [4]. Как и в предыдущем случае, использована рациональная система единиц.
В формуле (2) e1 и e2 - единичные векторы поляризации излученных при аннигиляции фотонов, ω1 и ω2 - частоты излученных фотонов, m - масса электрона (или позитрона),
- модуль импульса позитрона, E+ - его энергия.
Важнейшим отличительным условием вывода формулы (2) является использование другой системы отсчета по сравнению с выводом формулы (1). Формула (2) выводилась в системе отсчета, в которой электрон покоится, а движется позитрон.
Эта система отсчета в целом эквивалентна системе отсчета, связанной с ПЭТ. Электроны объекта, исследуемого в ПЭТ, в основном находятся в связанном состоянии. Позитроны же возникают в результате β-позитронного распада радиоактивных элементов. Поэтому электроны в системе отсчета, связанной с ПЭТ, можно считать неподвижными (если исключить хаотическое тепловое движение молекул).
Обе формулы (1) и (2) выводились с помощью стандартной диаграммной техники Фейнмана и диаграмм второго порядка теории возмущений. Однако результаты вывода существенно различаются.
Во-первых, формула (1) предполагает довольно сложное угловое распределение аннигиляционных фотонов. Причем это распределение связано только с импульсом электрона, угол θ присутствует только в комплексе с импульсом p. В формуле (2) угловое распределение фотонов отсутствует.
Во-вторых, формула (2) предполагает возможность различной энергии фотонов при аннигиляции, что запрещается выводом формулы (1) вследствие k1=-k2.
Поэтому, прежде всего, возникает вопрос, какова природа углового распределения аннигиляционных фотонов в (1)? Связано ли это распределение с самим процессом аннигиляции, т.е. переходом «вещество-энергия», либо определяется какими-то другими эффектами? Сохранится ли данное угловое распределение фотонов при переходе к другой системе отсчета, например, связанной с ПЭТ?
Для исследования причины угловой зависимости дифференциального эффективного сечения (1) рассмотрим промежуточное выражение вывода, которое еще не просуммировано по направлениям поляризации фотонов [3]:
где k1 и k2 - импульсы фотонов. Переменные в квадратных скобках: импульс электрона, импульсы фотонов, единичные векторы поляризации фотонов записаны в виде 4-векторов.
Формулу (3) несложно преобразовать к виду:
Перейдем в (4) к пространственным векторам, используя правило (ab)=a 0b0-ab, где a и b - трехмерные векторы, компоненты которых изменяются ковариантно, a 0 и b0 - контравариантно изменяющиеся компоненты 4-векторов, в нашем случае энергетические компоненты.
Переходя к трехмерным векторам, а также, учитывая отсутствие контравариантных компонент у поляризационных 4-векторов e0=0, выражение (4) можно представить в виде:
При выводе (5) также использовано условие вылета фотонов в строго противоположных направлениях k2=-k1.
Учитывая
, а также в соответствии с законом сохранения энергии ck0=mc2 (для наглядности вводим внутри скобок скорость света c=1), в формуле (5) заменим где V - скорость электрона. В результате получим:
Перейдем в (6) в систему отсчета, предложенную в [4], связанную с электроном (или с ПЭТ). В этом случае p=0, а V - можно рассматривать, как скорость движения позитрона. То же самое относится и к величине p в коэффициенте перед скобками. В данной системе отсчета формула (6) значительно упрощается:
Исследуем вспомогательную задачу.
Наблюдатель 4, находящийся в «неподвижной» (связанной с Землей) системе отсчета, фиг. 2, рассматривает некоторую движущуюся со скоростью V частицу 5, которая в определенный момент времени излучает два противоположно направленных кванта. При V=0 частота квантов равна ω0. Угол между скоростью частицы и направлением распространения одного из квантов равен θ. В направлении наблюдателя частица имеет составляющую скорости Vcosθ.
За счет эффекта Доплера квант, движущийся в направлении наблюдателя, будет обладать повышенной частотой [5]:
Для кванта, движущегося в противоположном направлении, будет наблюдаться т.н. «красное смещение»:
Отметим, что различие в частотах квантов в рассматриваемой задаче определяется различием в условиях наблюдения этих квантов: один квант движется к наблюдателю, другой удаляется от него.
В формуле (7) фактически реализуется рассмотренная вспомогательная задача. При этом под движущейся частицей подразумевается позитрон, а наблюдатель находится на «неподвижном» электроне. Поэтому, подставляя (10) в (7), найдем:
Отметим, что при использовании формулы (10) мы фактически отказались от условия k2=-k1.
Если в коэффициенте перед скобками в формуле (2) принять E+=m=ω1, то формулы (2) и (11) становятся тождественными.
Таким образом, делаем важные выводы.
1. Формулы (1) и (2) полностью эквивалентны.
2. Различие частот фотонов в формуле (2) является следствием эффекта Доплера, который проявляется в результате движения позитрона.
Найдем разность частот излучаемых фотонов, т.е. величину Δω=ω1-ω2, используя формулы (8) и (9):
Если угол θ=0, т.е. позитрон движется по линии, соединяющей детекторы γ-излучения Д1 и Д2, разность частот фотонов будет максимально возможной и формула (12) преобразуется к виду:
Учитывая V<<c, найдем:
Величину ω0 можно получить исходя из приближенного равенства ћω0≈mc2. В этом случае:
Целью настоящего изобретения является получение в процессе диагностической процедуры на ПЭТ информации о плотности биологической ткани в патологическом очаге.
Данная цель достигается следующим образом, фиг. 3.
В ПЭТ вводится устройство 3 для измерения разности частот γ-квантов Δω=ω1-ω2, одновременно поступающих на детекторы Д1 и Д2.
Предположим, что в точке a патологического очага происходит аннигиляция электронов и позитронов. Возникшие γ-кванты движутся по разным направлениям, см. фиг. 3. В одном из направлений разность частот фотонов предполагается максимальной Δωmax (при θ=0) и, следовательно, справедлива формула (15).
Таким образом, измеряя с помощью устройства 3, фиг. 3, разность частот фотонов Δω=ω1-ω2, одновременно поступающих на детекторы, используя максимальное значение этой разности за время измерения Δωmax, по формуле (15) - следствии эффекта Доплера, находим скорость позитрона V при его движении в патологическом очаге, которая пропорциональна Δωmax.
Учитывая, что скорость позитрона пропорциональна плотности ткани, через которую он движется ρ~V, получаем необходимую информацию о плотности ткани в патологическом очаге.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Волобуев А.Н. Основы медицинской и биологической физики. Самара: «Самарский дом печати», 2011, С. 636.
2. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. М.: Изд-во Иностр. лит., 1956, с. 302-304.
3. Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Введение в теорию квантовых полей. М.: Наука, 1976, с. 203-205.
4. Фейнман Р. Квантовая электродинамика. Курс лекций. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009, с. 135-137.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1967, с. 156.
6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М: Наука, 1990, с. 576.
Claims (1)
- Способ определения плотности биоткани в патологическом очаге с помощью позитронно-эмиссионного томографа, содержащего устройство, измеряющее разность частот γ-квантов, одновременно поступающих на детекторы γ-излучения, отличающийся тем, что измеряется максимальная разность частот γ-квантов, одновременно поступающих на детекторы γ-излучения и по этой разности частот на основе эффекта Доплера находится скорость позитрона и пропорциональная ей плотность биоткани в патологическом очаге.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014149471/14A RU2599192C2 (ru) | 2014-12-08 | 2014-12-08 | Способ определения плотности ткани патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014149471/14A RU2599192C2 (ru) | 2014-12-08 | 2014-12-08 | Способ определения плотности ткани патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014149471A RU2014149471A (ru) | 2016-06-27 |
RU2599192C2 true RU2599192C2 (ru) | 2016-10-10 |
Family
ID=56195440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014149471/14A RU2599192C2 (ru) | 2014-12-08 | 2014-12-08 | Способ определения плотности ткани патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2599192C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11899144B2 (en) | 2018-10-31 | 2024-02-13 | Czech Technical University In Prague, Institute Of Experimental And Applied Physics | Method for improving the position resolution of a positron source during positron emission tomography |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1811289A1 (ru) * | 1990-08-21 | 1995-03-27 | Всесоюзный научно-исследовательский институт технической физики | Способ томографического исследования плотности тела |
WO2007034357A2 (en) * | 2005-09-22 | 2007-03-29 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | Data processing device, tomography apparatus for examination of an object of interest, method of examining an object of interest, computer-readable medium and program element |
WO2010004464A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-14 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Physiological pharmacokinetic analysis for combined molecular mri and dynamic pet imaging |
RU2381525C2 (ru) * | 2004-09-30 | 2010-02-10 | Тагуспарки-Сосьедади Ди-Промосан-И-Дезенвольвименто Ду-Парки Ди-Сьенсьяш-И-Текноложья Да-Ареа Ди-Лисбоа, С.А. | Система позитрон-эмиссионной томографии |
RU2472440C1 (ru) * | 2011-08-08 | 2013-01-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" | Способ определения плотности биологических тканей |
-
2014
- 2014-12-08 RU RU2014149471/14A patent/RU2599192C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1811289A1 (ru) * | 1990-08-21 | 1995-03-27 | Всесоюзный научно-исследовательский институт технической физики | Способ томографического исследования плотности тела |
RU2381525C2 (ru) * | 2004-09-30 | 2010-02-10 | Тагуспарки-Сосьедади Ди-Промосан-И-Дезенвольвименто Ду-Парки Ди-Сьенсьяш-И-Текноложья Да-Ареа Ди-Лисбоа, С.А. | Система позитрон-эмиссионной томографии |
WO2007034357A2 (en) * | 2005-09-22 | 2007-03-29 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | Data processing device, tomography apparatus for examination of an object of interest, method of examining an object of interest, computer-readable medium and program element |
WO2010004464A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-14 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Physiological pharmacokinetic analysis for combined molecular mri and dynamic pet imaging |
RU2472440C1 (ru) * | 2011-08-08 | 2013-01-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" | Способ определения плотности биологических тканей |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВОЛОБУЕВ А.Н. Основы медицинской и биологической физики. Самара 2011 с.636. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11899144B2 (en) | 2018-10-31 | 2024-02-13 | Czech Technical University In Prague, Institute Of Experimental And Applied Physics | Method for improving the position resolution of a positron source during positron emission tomography |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014149471A (ru) | 2016-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shimazoe et al. | Development of simultaneous PET and Compton imaging using GAGG-SiPM based pixel detectors | |
Moskal et al. | Novel detector systems for the positron emission tomography | |
Tanaka et al. | Development of an emulsion imaging system for cosmic-ray muon radiography to explore the internal structure of a volcano, Mt. Asama | |
Uenomachi et al. | Simultaneous in vivo imaging with PET and SPECT tracers using a Compton-PET hybrid camera | |
Motomura et al. | Multiple molecular simultaneous imaging in a live mouse using semiconductor Compton camera | |
Turecek et al. | Application of Timepix3 based CdTe spectral sensitive photon counting detector for PET imaging | |
Takeuchi et al. | “Stereo Compton cameras” for the 3-D localization of radioisotopes | |
Walrand et al. | Optimal design of Anger camera for bremsstrahlung imaging: Monte Carlo evaluation | |
Murata et al. | Design of SPECT for BNCT to measure local boron dose with GAGG scintillator | |
Shimazoe et al. | Imaging and sensing of pH and chemical state with nuclear-spin-correlated cascade gamma rays via radioactive tracer | |
RU2599192C2 (ru) | Способ определения плотности ткани патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа | |
Maier et al. | Correlation between positron emission tomography and Cerenkov luminescence imaging in vivo and ex vivo using 64Cu-labeled antibodies in a neuroblastoma mouse model | |
Arosio et al. | easyPET: a novel concept for an affordable tomographic system | |
Kim et al. | Evaluation of single scattering correction method in compton imaging system | |
US11899144B2 (en) | Method for improving the position resolution of a positron source during positron emission tomography | |
Ueki et al. | Precession measurement of perturbed angular correlation in double-photon emission nuclides with magnetic field for novel RI imaging method | |
Sadrozinski | Particle detector applications in medicine | |
Sato et al. | Multi-energy in-vivo imaging of multiple contrast agents in a mouse using MPPC-based photon-counting CT | |
Hussein | On the intricacy of imaging with incoherently-scattered radiation | |
Yamaya et al. | OpenPET enabling PET imaging during radiotherapy | |
Volobuev | New possibilities of positron-emission tomography | |
Berdnikova et al. | Experimental study of the possibility of 3D localization of the compact gamma-sources in soft tissues | |
Raj et al. | Study of the time reversal symmetry in the decay of ortho-Positronium atoms using the J-PET detector | |
Safari et al. | Conceptual design of a low-dose multi-parameter imaging system: Positron annihilation interaction-transmission imaging (PAITI) | |
Cuéllar et al. | Soft cosmic ray tomography for detection of explosives |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171209 |