«Опыт пациентов в этом будущем ПЭТ-сканировании будет таким же, как сейчас. Опыт медицинских бригад по проведению 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 области коммуникационной физики.
«Это был быстрый проект для нас, и я думаю, что он также должен стать очень быстрым медицинским прогрессом для реальных пациентов в течение следующего десятилетия. Я надеюсь, что производители медицинского оборудования могут применять этот метод очень экономично », – сказал доцент Кенго Сибуя из Высшей школы искусств и наук Токийского университета, первый автор публикации.
ПЭТ сканирование
Позитроны, в честь которых названы ПЭТ-сканы, представляют собой положительно заряженные формы антивещества электронов. Из-за своего крошечного размера и чрезвычайно низкой массы 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 получении ПЭТ-сканирования пациент получает небольшое количество очень слаборадиоактивной жидкости, часто состоящей из модифицированных молекул сахара, обычно вводимой в его кровь. Жидкость циркулирует в течение короткого периода времени. Различия в кровотоке или метаболизме влияют на распределение радиоактивности.
Затем пациент лежит в большом ПЭТ-сканере 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 тела. Обнаружение концентрации кислорода с помощью того же ПЭТ-сканирования добавило бы еще один уровень полезной информации о функциях организма.
Концентрация кислорода в наносекундах
Жизнь позитрона – это выбор из двух очень коротких путей, оба из которых начинаются, когда позитрон «рождается», когда он высвобождается из радиоактивной жидкости для сканирования ПЭТ. На более коротком пути позитрон сразу же сталкивается с электроном и испускает гамма-лучи. На немного более длинном пути позитрон сначала превращается в частицы другого типа, называемые позитронием, которые затем распадаются на гамма-лучи.
В любом случае время жизни позитрона внутри человеческого тела не превышает 20 наносекунд или одну пятьдесят миллионную долю секунды (1/50 000000 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 ожидаемой 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.
Определить время жизни позитронов можно с помощью тех же детекторов гамма-излучения, которые уже используются при сканировании с помощью ПЭТ. Исследовательская группа прогнозирует, что большая часть работы по переносу этого исследования из лаборатории в лабораторию будет связана с обновлением детекторов гамма-излучения и программного обеспечения, чтобы детекторы гамма-излучения могли регистрировать не только местоположение, но и точные данные о времени.
«Это не должно приводить к значительному увеличению затрат на разработку инструментов», – сказала профессор Тайга Ямая, соавтор исследовательской публикации и руководитель группы физики изображений в NIRS.
Улучшенное сканирование ПЭТ 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 вызван недостаточным кровотоком, что чаще встречается в быстрорастущих, агрессивных опухолях, которые тяжелее. лечить.
Во-вторых, низкие уровни кислорода делают облучение менее эффективным, поскольку желаемый эффект лучевой терапии по уничтожению раковых клеток частично достигается за счет энергии излучения, преобразующей кислород, присутствующий в клетках, в свободные радикалы, повреждающие ДНК.
Таким образом, определение концентрации кислорода в тканях тела позволит медицинским экспертам узнать, как более эффективно атаковать опухоли внутри пациентов.
«Мы представляем себе нацеливание более интенсивной лучевой терапии на агрессивные области опухоли с низкой концентрацией кислорода и нацеливание на лечение более низкой интенсивности на другие области той же опухоли, чтобы дать пациентам лучшие результаты и меньше побочных эффектов», – сказал Такахаши.
Сибуя говорит, что команда исследователей была вдохновлена применить на практике теоретическую модель о способности позитронов определять концентрацию кислорода, опубликованную в прошлом году исследователями из Польши. Проект перешел от концепции к публикации всего за несколько месяцев, даже с учетом ограничений, связанных с пандемией COVID-19.
Сибуя и его коллеги теперь стремятся расширить свою работу, чтобы найти любые другие медицинские детали, которые могут быть обнаружены при жизни позитрона.