RAPORT

Propozycja podziału Ukrainy? Sikorski na cenzurowanym

Jak precyzyjniej obrazować zmiany chorobowe? Ważne badanie polskich naukowców

Praca naukowców z UJ i NCBJ ma ogromne znaczenie dla medycyny (fot. UJ)
Praca naukowców z UJ i NCBJ ma ogromne znaczenie dla medycyny (fot. UJ)

Najnowsze

Popularne

Twórcy J-PET z Uniwersytetu Jagiellońskiego 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 między innymi w czasopiśmie "Nature Communications". Współautorami nowej metody są naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Polscy badacze wracają na Antarktydę. „Unikalne miejsce”

Po czterech dekadach przerwy Polska powraca na mapę wschodniej Antarktydy. Jak dowiedział się podcast Polskiego Radia „Świat”, z Warszawy w...

zobacz więcej

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 UJ we współpracy między innymi z badaczami z NCBJ 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 unikatowe 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 na przykład 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.

Skąd Wit Stwosz brał drewno na ołtarz? Badaczka UMK ustaliła

Drewno z ponad 100-letnich dębów wyciętych w 1479 r. w królewskiej Puszczy Niepołomickiej posłużyło Witowi Stwoszowi do budowy konstrukcji ołtarza...

zobacz więcej

Rejestracja fotonów


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.

Twoje INFO - kontakt z TVP INFO
– 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 – podkreśla.

Nowa metoda obrazowania PET jest nie tylko tańsza od stosowanych w obecnie dostępnych na rynku urządzeniach PET, ale także bardziej precyzyjna. Pierwsze zdjęcia w tej technice wykonano na 50-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 około 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.

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej