Począwszy od momentu skonstruowania pierwszego tomografu komputerowego przez Hounsfielda w 1968 roku rozwój tomograficznych technik obrazowania ciała ludzkiego polegał przede wszystkim na poprawie jakości uzyskiwanych danych obrazowych oraz zmniejszeniu czasu trwania badania. Z czasem pojawiły się nowe techniki, takie jak np. tomografia rezonansu magnetycznego (MR). Nowoczesne skanery tomograficzne stały się coraz bardziej powszechne i dostępne. Część z nich służy do ukazania anatomii ciała lub organu np. tomografia komputerowa, czy MR. Natomiast obrazy  uzyskane technikami medycyny nuklearnej takimi jak SPECT czy PET zawierają tylko informację o funkcji fizjologicznej narządu. Dlatego też często wykonanie skanu jedną techniką nie jest wystarczające do postawienia diagnozy i niezbędne staje się kolejne badanie. Ideałem byłoby więc stworzenie urządzenia, które pokazuje funkcję fizjologiczną narządu wraz z precyzyjną lokalizacją na tle struktury anatomicznej. Odpowiedzią na tą potrzebę są skanery będące połączeniem kilku, najczęściej dwóch różnych urządzeń tomograficznych.

W artykule przedstawiono istniejące rozwiązania sprzętowe: połączenie pozytonowej tomografii emisyjnej z tomografią komputerową PET/CT, pozytonowej tomografii emisyjnej z tomografią rezonansu magnetycznego PET/MR oraz tomografii emisyjnej pojedynczych fotonów SPECT z tomografią komputerową. Wskazano również na możliwe obszary ich zastosowania w diagnostyce medycznej.

Zdjęcie po lewej ukazuje anatomię ciała człowieka uzyskaną w wyniku badania CT, środkowe   pochodzi z badania PET. Obraz po prawej to fuzja, czyli obrazowanie łączne PET/CT – zawiera informacje obrazowe z obu technik tomograficznych. Obszary o podwyższonej aktywności, widoczne na obrazie PET jako czarne plamy, są precyzyjnie zlokalizowane na tle anatomii.

Obecnie inżynierowie pracują nad połączeniem działania kilku różnych technik tomograficznych w celu takiej poprawy jakości i kompatybilności obrazów, tak aby można było na podstawie jednego badania postawić kompleksową diagnozę. Dokładniejszą lokalizacja miejsc o podwyższonej aktywności może mieć zastosowanie w onkologii. Skanery takie nazywamy multimodalnymi lub hybrydowymi, gdyż stanowią połączenie dwóch lub więcej technik tomograficznych, zwanych modalnościami.

Do najczęściej występujących rozwiązań hybrydowych należą PET/CT, SPECT/CT oraz PET/MR. Ponadto na rynku dostępne są tomografy SPECT/PET/CT, czyli połączenie już trzech modalności, oczywiście w wersji dla małych zwierząt, mające zastosowanie głównie w badaniach przedklinicznych

Zasada działania PET/CT i jego zastosowanie

W badaniu PET/CT podawane są drogą dożylną poprzez iniekcję izotopy radioaktywne (radioznaczniki) o bardzo krótkim półokresie rozpadu, najczęściej FDA (fluorodeoksyglukoza) czyli glukoza związana z izotopem fluoru. Zastosowanie izotopów fluoru pozwala na obserwację zmian, jakim w organizmie podlega glukoza. Chore komórki inaczej przetwarzają ten związek, stąd możliwym staje się zlokalizowanie nieprawidłowości na poziomie komórki lub grupy komórek. Dodatkowo pacjent poddawany jest badaniu tomografii komputerowej, dzięki któremu można ocenić anatomię narządów pacjenta i wskazać precyzyjnie ewentualne ogniska gromadzenia radioznacznika PET.

Skanery PET/CT składają się zarówno ze skanera CT jak i PET, łączy je wspólne łóżko, na którym leży pacjent. Oba badania wykonywane są bezpośrednio po sobie – w ramach jednej procedury, co znacznie oszczędza czas. Pierwszy skaner to zazwyczaj tomograf komputerowy, a drugi PET. Na zdjęciu wykonanym przy użyciu CT widać strukturę anatomiczną badanego narządu. PET pozwala na ukazanie funkcji fizjologicznej np. po podaniu glukozy znakowanej fluorem widzimy, które komórki i w jakim stopniu ją wykorzystały. Taka informacja pomimo prawidłowego obrazu anatomicznego  pozwala wykryć patologie na poziomie metabolicznym i umożliwia wyciągnąć wnioski odnośnie funkcji komórek lub badanych narządów. Nałożenie obrazów na siebie zwane fuzją pozwala na precyzyjne zlokalizowane tych nieprawidłowości metabolicznych na tle struktur tkankowych.

Wraz z poprawą jakości obrazowania rośnie także szybkość wykonania badania. Jest istotne z uwagi nie tylko na komfort pacjenta, ale także niższe prawdopodobieństwo zakłóceń powstałych na skutek mimowolnych ruchów badanego np. przy oddychaniu. Skrócenie łącznego czasu obrazowania pozwala na uzupełnienie badania PET o strukturalną ocenę stanu serca i naczyń oraz identyfikację zwapnień w tętnicach wieńcowych.

Technika PET/CT może się stać unikatową kompleksową metodą diagnostyczną i prognostyczną do oceny  chorych z przewlekłą niewydolnością serca o etiologii niedokrwiennej. Dane anatomiczne i czynnościowe oraz ocena żywotności mięśnia sercowego pomogą w identyfikowaniu pacjentów ze wskazaniami do poszerzenia i udrożnienie zwężonego naczynia krwionośnego, czyli rewaskularyzacji, a także w uniknięciu poddawania chorych niepotrzebnym procedurom inwazyjnym.

Warto wspomnieć także o możliwości korekcji osłabienia w PET wykorzystującej dane  z CT.  Fotony anihilacji wychodzące z ciała pacjenta są osłabiane zanim dotrą do pierścienia detektorów, co jest zjawiskiem niepożądanym. Niezbędna jest zatem korekcja osłabienia (AC). W PET standardowo tzn. bez połączenia z CT, odbywa się ona poprzez wykonanie kilku dodatkowych skanów. Skan emisyjny uzyskiwany jest poprzez detekcję promieniowania emitowanego przez pacjenta - izotop wewnątrz pacjenta. Podczas skanu transmisyjnego źródło jest poza obiektem badanym – mierzy się wówczas intensywność promieniowania przechodzącego przez obiekt. Niezbędny jest jeszcze skan pusty - pomiar promieniowania emitowanego przez izotop, bez udziału badanego. Na podstawie skanów uzyskuje się współczynnik korekcji AC. Dzięki danym z CT nie ma potrzeby wykonywania dodatkowych skanów. Ma to szereg zalet, do których należą m.in. szybkość wykonywania badania, lepsza rozdzielczość obrazu, niższe szumy i dobry kontrast tkankowy. Problemem przy stosowaniu PET/CT może być różnica rozdzielczości obu modalności oraz artefakty oddechowe, spowodowane ruchami klatki piersiowej podczas oddychania. Powyższe czynniki mogą skutkować błędnie wykonaną korekcją osłabienia, co po dopasowaniu może oznaczać błędy rzędu 20%!

W Polsce istnieje 10 ośrodków wykonujących badania PET/CT. Jak podaje Organisation for Economic Co-operation and Development w Health Data Survey, biorąc pod uwagę liczbę pacjentów oddziałów onkologicznych, kraj nasz powinien dysponować 28-ma  skanerami PET/CT. Jednak do osiągnięcia tego celu droga jeszcze jest bardzo daleka. Istotną barierą w zakupie  skanerów jest ich znaczny  koszt. Jeden aparat PET/CT kosztuje bowiem nawet 5 mln euro.

Zasada działania PET/MR i jego zastosowanie

Oprócz najbardziej powszechnej hybrydy PET/CT  istnieje także kombinacja PET/MR. Po otrzymaniu akredytacji FDA (Food Drug Administration) takie rozwiązanie jest dostępne na rynku od czerwca 2011. Udało się to Siemensowi - i tak powstał Siemens Biograph mMR, który jest pierwszym systemem z w pełni jednoczesną akwizycją. W tej metodzie badanie wykonywane jest podczas jednej procedury, gdyż skanery są połączone, a dane pobierane są w tym samym czasie. Jest to pierwsze i jedyne na świecie tego typu rozwiązanie Umieszczenie detektorów PET w polu magnetycznym jest rewolucyjnym wyzwaniem technicznym dla inżynierów.

Jako detektory zastosowano fotodiody (APD), które rejestrowały scyntylacje z BGO (bizmutek germanu). Mogą one działać w wysokim polu magnetycznym bez ich degradacji, a właśnie ten czynnik opóźniał powstanie PET/MR. PET zapewnia wykrycie miejsc o odmiennej aktywności, poprzez np. podawania FDA.

Podobnie jak w przypadku PET/CT, jedna z modalności odpowiada za ukazanie anatomii (MR), druga zaś za funkcję fizjologiczną (PET). MR cechuje się lepszym kontrastem tkanek miękkich niż CT, stąd PET/MR jest lepszym rozwiązaniem do obrazowania tkanek miękkich niż PET/CT. Istotną kwestią jest także jednoczesna akwizycja, w odróżnieniu od badań wykonanych na oddzielnych tomografach PET i MR, lecz wizualizowanych łącznie w formie fuzji.

Kolejny mający znaczenie czynnik to minimalna ekspozycja na promieniowanie jonizujące - ważna w przypadku osób często poddawanych badaniu i dzieci. Nowe urządzenie pozwala na wykonanie jednego badania zamiast dwóch, zajmuje mniej miejsca i jest korzystne ze względów ekonomicznych. Może znaleźć zastosowanie w onkologii, neurologii a nawet kardiologii.

Zasada działania SPECT/CT i jego zastosowanie

Hybryda SPECT/CT łączy zdolność SPECT do obrazowania funkcji z precyzją warstw anatomicznych CT podczas jednego badania. Warto wspomnieć o zaletach zastosowania SPECT nad PET do hybrydy. Jest to związane z różnorodnością możliwych do zastosowania radiofarmaceutyków (w PET tylko FDA), które wnikają do przeciwciał i łańcuchów peptydowych, dzięki czemu są transportowane do wyspecjalizowanych receptorów tkankowych.

Im bardziej specjalistyczny jest cel diagnostyczny, tym trudniej z powodu mniejszej liczby markerów zinterpretować jego anatomiczne położenie. Może to stanowić utrudnienie dla przeciętnego diagnosty. FDG pozwala na ukazywanie głównie aktywności metabolicznej. Zastosowana fluorodeoksyglukoza emituje kwanty  promieniowania zarówno w tkankach zdrowych jak i chorych, z tym że w tkankach patologicznych zachodzi to intensywniej z powodu większego tempa metabolizmu. Diagnostyka z wykorzystaniem SPECT bazuje na radiofarmaceutykach takich jak technet, które charakteryzują się stosunkowo niższym stopniem degradacji niż FDG.

Ukazany na zdjęciu aparat Philipsa SKYLight jest gamma kamerą bez charakterystycznej obudowy czyli gantry, co pozwala na zamontowanie detektorów bezpośrednio w strukturze pomieszczenia. W ten sposób można obrazować pacjentów o różnej budowie ciała, na dowolnym podłożu i w dowolnej pozycji. Kolejna generacja tych urządzeń umożliwi obrazowanie jednocześnie dwóch różnych pacjentów przez co znacznie wzrośnie efektywność obrazowania. Jest to istotne z uwagi na to, że nie jest to sprzęt powszechnie występujący.

Gamma kamera SKYLight aby przyspieszyć i usprawnić cały proces obrazowania od jego początku aż do końca zawiera JETStream Workspace. System ten pozwala na uzyskanie wielu zestawów danych jednocześnie, każdy z innymi parametrami. Zatem pojedyncze pobranie danych – akwizycja, wytwarza nawet piętnaście różnych obrazów uwzględniających różne czynniki. Skutkuje to możliwością doboru takich parametrów akwizycji, aby otrzymany obraz był w jak najlepszej jakości.

Rewolucyjny i dynamiczny rozwój medycznych technik pomiarowych spowodował, że skanery multimodalne stały się są nie tylko przyszłością obrazowania medycznego, lecz także  koniecznością. Opracowywanie nowych technologii tomografii multimodalnej będzie się wyzwaniem  dla  inżynierów i lekarzy, co może zaskutkować konstrukcją skanera, który będzie połączeniem nawet trzech technik. Pomimo większych kosztów finansowych współczesne tempo życia wymusza stosowanie coraz szybszych i dokładniejszych systemów obrazowania ciała ludzkiego. Czas jest jedyną rzeczą której kupić się nie da. Często to on decyduje o życiu pacjenta, należy więc zrobić wszystko, aby poprzez szybką i skuteczną diagnozę zdążyć pomóc choremu.