Tomografía de emisión de positrones

tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen funcional que utiliza sustancias radiactivas conocidas como radiotrazadores para visualizar y medir los cambios en los procesos metabólicos y en otras actividades fisiológicas, incluidas flujo sanguíneo, composición química regional y absorción. Se utilizan diferentes trazadores para diversos fines de obtención de imágenes, según el proceso de destino dentro del cuerpo. Por ejemplo, la 18F-FDG se usa comúnmente para detectar el cáncer, la NaF18F se usa ampliamente para detectar la formación de hueso y el oxígeno-15 a veces se usa para medir el flujo sanguíneo.

PET es una técnica de imagen común, una técnica de centelleografía médica utilizada en medicina nuclear. Un radiofármaco — un radioisótopo adherido a un fármaco — se inyecta en el cuerpo como marcador. Cuando el radiofármaco sufre una desintegración beta positiva, se emite un positrón, y cuando el positrón choca con un electrón ordinario, las dos partículas se aniquilan y se emiten rayos gamma. Estos rayos gamma son detectados por cámaras gamma para formar una imagen tridimensional, de manera similar a como se captura una imagen de rayos X.

Los escáneres PET pueden incorporar un escáner CT y se conocen como escáneres PET-CT. Las imágenes de tomografía por emisión de positrones se pueden reconstruir utilizando una tomografía computarizada realizada con un escáner durante la misma sesión.

Una de las desventajas de un escáner PET es su alto costo inicial y los costos operativos continuos.

Usos

Sistema PET/CT con TC de 16 piojos; el dispositivo montado en el techo es una bomba de inyección para agente de contraste CT

PET es una herramienta médica y de investigación utilizada en entornos preclínicos y clínicos. Se usa mucho en la obtención de imágenes de tumores y la búsqueda de metástasis dentro del campo de la oncología clínica, y para el diagnóstico clínico de ciertas enfermedades cerebrales difusas, como las que causan varios tipos de demencias. PET es una valiosa herramienta de investigación para aprender y mejorar nuestro conocimiento del cerebro humano normal, la función cardíaca y apoyar el desarrollo de fármacos. El PET también se utiliza en estudios preclínicos con animales. Permite investigaciones repetidas sobre los mismos sujetos a lo largo del tiempo, donde los sujetos pueden actuar como su propio control y reduce sustancialmente la cantidad de animales necesarios para un estudio determinado. Este enfoque permite que los estudios de investigación reduzcan el tamaño de la muestra necesaria al tiempo que aumentan la calidad estadística de sus resultados.

Los procesos fisiológicos conducen a cambios anatómicos en el cuerpo. Dado que la PET es capaz de detectar procesos bioquímicos, así como la expresión de algunas proteínas, la PET puede proporcionar información a nivel molecular mucho antes de que los cambios anatómicos sean visibles. La tomografía por emisión de positrones hace esto mediante el uso de sondas moleculares radiomarcadas que tienen diferentes tasas de captación según el tipo y la función del tejido involucrado. La captación del trazador regional en varias estructuras anatómicas se puede visualizar y cuantificar relativamente en términos de emisor de positrones inyectado dentro de una exploración PET.

La obtención de imágenes PET se realiza mejor con un escáner PET dedicado. También es posible adquirir imágenes PET utilizando una cámara gamma convencional de doble cabezal equipada con un detector de coincidencia. La calidad de las imágenes PET con cámara gamma es menor y los escaneos tardan más en adquirirse. Sin embargo, este método permite una solución in situ de bajo costo para instituciones con baja demanda de escaneo PET. Una alternativa sería derivar a estos pacientes a otro centro o confiar en la visita de un escáner móvil.

Los métodos alternativos de imágenes médicas incluyen la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT), la tomografía computarizada (TC) de rayos X, la resonancia magnética nuclear (RMN) y la resonancia magnética funcional (fMRI) y la ecografía. SPECT es una técnica de imagen similar a PET que utiliza radioligandos para detectar moléculas en el cuerpo. SPECT es menos costoso y proporciona una calidad de imagen inferior a la PET.

Oncología

Escaneo PET de todo el cuerpo usando ¹⁸F-FDG (fluorodeoxyglucose). El cerebro y los riñones normales están etiquetados, y la orina radiactiva del desglose del ODM se ve en la vejiga. Además, en el hígado se observa una gran masa tumoral metastásica procedente del cáncer de colon.

La exploración PET con el trazador ¹⁸F-FDG se usa ampliamente en oncología clínica. La FDG es un análogo de la glucosa que es captado por las células que usan glucosa y fosforilado por la hexoquinasa (cuya forma mitocondrial está significativamente elevada en los tumores malignos de crecimiento rápido). El atrapamiento metabólico de la molécula de glucosa radiactiva permite utilizar la exploración PET. Las concentraciones del trazador FDG fotografiado indican la actividad metabólica tisular que corresponde a la captación regional de glucosa. ¹⁸F-FDG se usa para explorar la posibilidad de que el cáncer se propague a otras partes del cuerpo (metástasis del cáncer). Estas exploraciones PET con ¹⁸F-FDG para detectar metástasis de cáncer son las más comunes en la atención médica estándar (representan el 90 % de las exploraciones actuales). El mismo trazador también puede usarse para el diagnóstico de tipos de demencia. Con menos frecuencia, se utilizan otros marcadores radiactivos, por lo general pero no siempre marcados con flúor-18, para obtener imágenes de la concentración tisular de diferentes tipos de moléculas de interés dentro del cuerpo.

Una dosis típica de FDG utilizada en una exploración oncológica tiene una dosis de radiación efectiva de 7,6 mSv. Debido a que el grupo hidroxi que se reemplaza por flúor-18 para generar FDG se requiere para el siguiente paso en el metabolismo de la glucosa en todas las células, no ocurren más reacciones en FDG. Además, la mayoría de los tejidos (con la notable excepción del hígado y los riñones) no pueden eliminar el fosfato agregado por la hexoquinasa. Esto significa que la FDG queda atrapada en cualquier célula que la tome hasta que se descomponga, ya que los azúcares fosforilados, por su carga iónica, no pueden salir de la célula. Esto da como resultado un radiomarcaje intenso de tejidos con alta captación de glucosa, como el cerebro, el hígado, los riñones y la mayoría de los cánceres normales, que tienen una captación de glucosa más alta que la mayoría de los tejidos normales debido al efecto Warburg. Como resultado, FDG-PET se puede utilizar para el diagnóstico, la estadificación y el seguimiento del tratamiento de cánceres, en particular en el linfoma de Hodgkin, el linfoma no Hodgkin y el cáncer de pulmón.

Una revisión de 2020 de la investigación sobre el uso de PET para el linfoma de Hodgkin encontró evidencia de que los resultados negativos en las exploraciones PET provisionales están relacionados con una mayor supervivencia general y una supervivencia libre de progresión; sin embargo, la certeza de la evidencia disponible fue moderada para la supervivencia y muy baja para la supervivencia libre de progresión.

Poco a poco se están introduciendo algunos otros isótopos y radiotrazadores en la oncología para fines específicos. Por ejemplo, el metomidato marcado con 11C (metomidato con 11C) se ha utilizado para detectar tumores de origen corticosuprarrenal. Además, FDOPA PET/CT (o F-18-DOPA PET/CT) ha demostrado ser una alternativa más sensible para encontrar y localizar feocromocitomas que la exploración MIBG.

Neuroimagen

Neurología

PET escaneo del cerebro humano

Las imágenes PET con oxígeno-15 miden indirectamente el flujo sanguíneo al cerebro. En este método, el aumento de la señal de radiactividad indica un aumento del flujo sanguíneo que se supone que se correlaciona con el aumento de la actividad cerebral. Debido a su vida media de 2 minutos, ¹⁵O debe canalizarse directamente desde un ciclotrón médico para tales usos, lo cual es difícil.

Las imágenes de PET con ¹⁸F-FDG aprovechan el hecho de que el cerebro normalmente consume rápidamente glucosa. La TEP ¹⁸F-FDG estándar del cerebro mide el uso regional de glucosa y se puede utilizar en el diagnóstico neuropatológico.

Patologías cerebrales como la enfermedad de Alzheimer reducen en gran medida el metabolismo cerebral de la glucosa y el oxígeno a la vez. Por lo tanto, la ¹⁸F-FDG PET del cerebro también se puede usar para diferenciar con éxito la enfermedad de Alzheimer de otros procesos demenciales, y también para realizar diagnósticos tempranos de la enfermedad de Alzheimer. La ventaja del ¹⁸F-FDG PET para estos usos es su disponibilidad mucho más amplia. Algunos marcadores radiactivos basados en ¹⁸F que se usan para el Alzheimer incluyen florbetapir, flutemetamol, PiB y florbetaben, que se usan para detectar placas de beta amiloide (un biomarcador potencial para el Alzheimer) en el cerebro.

Las imágenes de PET con FDG también se pueden usar para localizar el foco de convulsiones. Un foco convulsivo aparecerá como hipometabólico durante una exploración interictal. Se han desarrollado varios radiotrazadores (es decir, radioligandos) para PET que son ligandos para subtipos de neurorreceptores específicos como [¹¹C] racloprida, [¹⁸F] falypride y [ ¹⁸F] desmetoxifallyprida para los receptores de dopamina D2/D3, [¹¹C] McN 5652 y [¹¹C] DASB para los transportadores de serotonina, [¹⁸ F] Mefway para los receptores de serotonina 5HT1A, [¹⁸F] Nifene para los receptores nicotínicos de acetilcolina o sustratos enzimáticos (p. ej., 6-FDOPA para la enzima AADC). Estos agentes permiten la visualización de conjuntos de neurorreceptores en el contexto de una pluralidad de enfermedades neuropsiquiátricas y neurológicas.

La PET también se puede usar para el diagnóstico de la esclerosis del hipocampo, que causa epilepsia. FDG, y los trazadores menos comunes flumazenil y MPPF se han explorado para este propósito. Si la esclerosis es unilateral (hipocampo derecho o hipocampo izquierdo), la captación de ¹⁸F-FDG puede compararse con el lado sano. Incluso si el diagnóstico es difícil con MRI, se puede diagnosticar con PET.

El desarrollo de una serie de sondas novedosas para la obtención de imágenes PET in vivo no invasivas de neuroagregados en el cerebro humano ha acercado las imágenes de amiloide al uso clínico. Las primeras sondas de imágenes de amiloide incluían 2-(1-{6-[(2-[¹⁸F]fluoroetil)(metil)amino]-2-naftil}etilideno)malononitrilo ([¹⁸ F]FDDNP) desarrollado en la Universidad de California, Los Ángeles y N-metil-[¹¹C]2-(4'-metilaminofenil)-6-hidroxibenzotiazol (denominado Pittsburgh compuesto B) desarrollado en la Universidad de Pittsburgh. Estas sondas de imágenes de amiloide permiten la visualización de placas de amiloide en el cerebro de pacientes con Alzheimer y podrían ayudar a los médicos a realizar un diagnóstico clínico positivo de EA pre-mortem y ayudar en el desarrollo de nuevas terapias anti-amiloide. [¹¹C]PMP (N-[¹¹C]metilpiperidin-4-il propionato) es un nuevo radiofármaco utilizado en imágenes PET para determinar la actividad del sistema de neurotransmisores acetilcolinérgicos. actuando como sustrato de la acetilcolinesterasa. El examen post-mortem de pacientes con AD ha mostrado niveles reducidos de acetilcolinesterasa. [¹¹C]PMP se usa para mapear la actividad de la acetilcolinesterasa en el cerebro, lo que podría permitir diagnósticos pre-mortem de EA y ayudar a monitorear los tratamientos para la EA. Avid Radiopharmaceuticals ha desarrollado y comercializado un compuesto llamado florbetapir que utiliza el radionucleido flúor-18 de mayor duración para detectar placas de amiloide mediante exploraciones PET.

Neuropsicología o neurociencia cognitiva

Examinar los vínculos entre procesos o trastornos psicológicos específicos y la actividad cerebral.

Psiquiatría

Numerosos compuestos que se unen selectivamente a neurorreceptores de interés en psiquiatría biológica han sido radiomarcados con C-11 o F-18. Los radioligandos que se unen a los receptores de dopamina (receptor D1, D2, transportador de recaptación), receptores de serotonina (5HT1A, 5HT2A, transportador de recaptación), receptores opioides (mu y kappa), receptores colinérgicos (nicotínicos y muscarínicos) y otros sitios se han utilizado con éxito en estudios con sujetos humanos. Se han realizado estudios que examinan el estado de estos receptores en pacientes en comparación con controles sanos en esquizofrenia, abuso de sustancias, trastornos del estado de ánimo y otras afecciones psiquiátricas.

Cirugía estereotáctica y radiocirugía

La cirugía guiada por imágenes PET facilita el tratamiento de tumores intracraneales, malformaciones arteriovenosas y otras afecciones tratables quirúrgicamente.

Cardiología

Estudio de cardiología, aterosclerosis y enfermedades vasculares: ¹⁸F-FDG PET puede ayudar a identificar miocardio en hibernación. Sin embargo, la rentabilidad de la PET para esta función frente a la SPECT no está clara. También es factible la obtención de imágenes por PET con ¹⁸F-FDG de la aterosclerosis para detectar pacientes con riesgo de accidente cerebrovascular. Además, puede ayudar a probar la eficacia de nuevas terapias contra la aterosclerosis.

Enfermedades infecciosas

Las imágenes de infecciones con tecnologías de imágenes moleculares pueden mejorar el diagnóstico y el seguimiento del tratamiento. Clínicamente, la PET se ha utilizado ampliamente para obtener imágenes de infecciones bacterianas utilizando fluorodesoxiglucosa (FDG) para identificar la respuesta inflamatoria asociada a la infección. Se han desarrollado tres agentes de contraste PET diferentes para obtener imágenes de infecciones bacterianas in vivo: [¹⁸F] maltosa, [¹⁸F]maltohexaosa y [¹⁸F]2-fluorodesoxisorbitol (FDS). FDS tiene el beneficio adicional de poder apuntar solo a Enterobacteriaceae.

Estudios de biodistribución

En ensayos preclínicos, un nuevo fármaco se puede radiomarcar e inyectar en animales. Dichos escaneos se conocen como estudios de biodistribución. La información sobre la absorción, retención y eliminación del fármaco a lo largo del tiempo se puede obtener de forma rápida y rentable en comparación con la técnica más antigua de sacrificio y disección de los animales. Comúnmente, la ocupación del fármaco en un supuesto sitio de acción puede inferirse indirectamente mediante estudios de competencia entre el fármaco no marcado y los compuestos radiomarcados que se sabe a priori que se unen con especificidad al sitio. Un solo radioligando se puede usar de esta manera para probar muchos candidatos potenciales a fármacos para el mismo objetivo. Una técnica relacionada consiste en escanear con radioligandos que compiten con una sustancia endógena (de origen natural) en un receptor determinado para demostrar que un fármaco provoca la liberación de la sustancia natural.

Imágenes de animales pequeños

Se ha construido un animal PET en miniatura que es lo suficientemente pequeño como para escanear una rata plenamente consciente. Este RatCAP (Rat Conscious Animal PET) permite escanear animales sin los efectos confusos de la anestesia. Los escáneres PET diseñados específicamente para obtener imágenes de roedores, a menudo denominados microPET, así como los escáneres para pequeños primates, se comercializan para la investigación académica y farmacéutica. Los escáneres se basan en centelladores microminiatura y fotodiodos de avalancha amplificados (APD) a través de un sistema que utiliza fotomultiplicadores de silicio de un solo chip.

En 2018, la Escuela de Medicina Veterinaria de UC Davis se convirtió en el primer centro veterinario en emplear un pequeño escáner clínico PET como PET para diagnóstico clínico (en lugar de investigación) en animales. Debido al costo, así como a la utilidad marginal de detectar metástasis de cáncer en animales de compañía (el uso principal de esta modalidad), se espera que la tomografía por emisión de positrones veterinaria rara vez esté disponible en el futuro inmediato.

Imágenes musculoesqueléticas

Las imágenes PET se han utilizado para obtener imágenes de músculos y huesos. ¹⁸F-FDG es el marcador más utilizado para obtener imágenes de los músculos, y NaF-F18 es el marcador más utilizado para obtener imágenes de los huesos.

Músculos

PET es una técnica factible para estudiar los músculos esqueléticos durante ejercicios como caminar. Además, la PET puede proporcionar datos de activación muscular sobre los músculos profundos (como el vasto intermedio y el glúteo menor) en comparación con técnicas como la electromiografía, que solo se pueden usar en los músculos superficiales directamente debajo de la piel. Sin embargo, una desventaja es que la PET no proporciona información de tiempo sobre la activación muscular porque debe medirse después de que se completa el ejercicio. Esto se debe al tiempo que tarda la FDG en acumularse en los músculos activados.

Huesos

Junto con el NaF-F18, la PET para imágenes óseas se ha utilizado durante 60 años para medir el metabolismo óseo regional y el flujo sanguíneo mediante exploraciones estáticas y dinámicas. Recientemente, los investigadores también comenzaron a usar NaF-18 para estudiar la metástasis ósea.

Seguridad

La tomografía por emisión de positrones no es invasiva, pero implica exposición a radiación ionizante.

¹⁸F-FDG, que ahora es el radiotrazador estándar utilizado para la neuroimagen PET y el tratamiento de pacientes con cáncer, tiene una dosis de radiación efectiva de 14 mSv.

La cantidad de radiación en la ¹⁸F-FDG es similar a la dosis efectiva de pasar un año en la ciudad estadounidense de Denver, Colorado (12,4 mSv/año). A modo de comparación, la dosis de radiación para otros procedimientos médicos oscila entre 0,02 mSv para una radiografía de tórax y entre 6,5 y 8 mSv para una tomografía computarizada del tórax. Las tripulaciones aéreas civiles promedio están expuestas a 3 mSv/año, y el límite de dosis ocupacional para todo el cuerpo para los trabajadores de la energía nuclear en los EE. UU. es de 50 mSv/año. Para conocer la escala, consulte Órdenes de magnitud (radiación).

Para la exploración PET-CT, la exposición a la radiación puede ser considerable, alrededor de 23 a 26 mSv (para una persona de 70 kg, es probable que la dosis sea mayor para los pesos corporales más altos).

Operación

Radionucleidos y radiotrazadores

Vista esquemática de un bloque detector y anillo de un escáner PET

Los radionúclidos se incorporan a los compuestos que normalmente utiliza el cuerpo, como la glucosa (o los análogos de la glucosa), el agua o el amoníaco, o a las moléculas que se unen a los receptores u otros sitios de acción de los fármacos. Dichos compuestos marcados se conocen como radiotrazadores. La tecnología PET se puede utilizar para rastrear la vía biológica de cualquier compuesto en seres humanos vivos (y también en muchas otras especies), siempre que se pueda radiomarcar con un isótopo PET. Por lo tanto, los procesos específicos que pueden probarse con PET son prácticamente ilimitados, y se siguen sintetizando radiotrazadores para nuevas moléculas y procesos diana; al momento de escribir este artículo, ya hay docenas en uso clínico y cientos aplicados en investigación. En 2020, con mucho, el radiosonda más utilizado en la exploración clínica por TEP es el derivado de carbohidratos fluorodesoxiglucosa (18F) (¹⁸F-FDG). Esta radiosonda se utiliza esencialmente en todas las exploraciones de oncología y en la mayoría de las exploraciones de neurología y, por lo tanto, constituye la gran mayoría de las radiosonda (>95 %) utilizadas en las exploraciones PET y PET-CT.

Debido a la corta vida media de la mayoría de los radioisótopos emisores de positrones, los radiotrazadores se han producido tradicionalmente usando un ciclotrón muy cerca de la instalación de imágenes PET. La vida media del flúor-18 es lo suficientemente larga como para que los radiotrazadores marcados con flúor-18 puedan fabricarse comercialmente en ubicaciones externas y enviarse a los centros de imágenes. Recientemente, los generadores de rubidio-82 están disponibles comercialmente. Estos contienen estroncio-82, que se desintegra por captura de electrones para producir rubidio-82 emisor de positrones.

Se ha revisado el uso de isótopos de metales emisores de positrones en las tomografías por emisión de positrones (PET), incluidos elementos no mencionados anteriormente, como los lantánidos.

Inmuno-PET

El isótopo ⁸⁹Zr se ha aplicado al seguimiento y cuantificación de anticuerpos moleculares con cámaras de tomografía por emisión de positrones (PET) (un método denominado "inmuno-PET").

La vida media biológica de los anticuerpos suele ser del orden de días; consulte daclizumab y erenumab a modo de ejemplo. Para visualizar y cuantificar la distribución de tales anticuerpos en el cuerpo, el isótopo PET ⁸⁹Zr es muy adecuado porque su vida media física coincide con la vida media biológica típica de los anticuerpos, consulte la tabla anterior.

Emisión

Schema of a PET acquisition process

Para realizar la exploración, se inyecta un isótopo trazador radiactivo de vida corta en el sujeto vivo (generalmente en la circulación sanguínea). Cada átomo trazador se ha incorporado químicamente a una molécula biológicamente activa. Hay un período de espera mientras la molécula activa se concentra en los tejidos de interés; luego el sujeto se coloca en el escáner de imágenes. La molécula más comúnmente utilizada para este propósito es la fluorodesoxiglucosa (FDG) marcada con F-18, un azúcar, para el cual el período de espera suele ser de una hora. Durante la exploración, se realiza un registro de la concentración del tejido a medida que se desintegra el trazador.

A medida que el radioisótopo sufre un decaimiento por emisión de positrones (también conocido como decaimiento beta positivo), emite un positrón, una antipartícula del electrón con carga opuesta. El positrón emitido viaja en el tejido una distancia corta (normalmente menos de 1 mm, pero depende del isótopo), tiempo durante el cual pierde energía cinética, hasta que se desacelera hasta un punto en el que puede interactuar con un electrón. El encuentro aniquila tanto al electrón como al positrón, produciendo un par de fotones de aniquilación (gamma) que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas. Estos se detectan cuando alcanzan un centelleador en el dispositivo de escaneo, creando un estallido de luz que es detectado por tubos fotomultiplicadores o fotodiodos de avalancha de silicio (Si APD). La técnica depende de la detección simultánea o coincidente del par de fotones que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas (serían exactamente opuestos en el marco de su centro de masa, pero el escáner no tiene forma de saber esto, por lo que tiene una ligera dirección incorporada). -tolerancia al error). Los fotones que no llegan en 'pares' temporales (es decir, dentro de una ventana de tiempo de unos pocos nanosegundos) se ignoran.

Localización del evento de aniquilación de positrones

La fracción más significativa de aniquilaciones electrón-positrón da como resultado la emisión de dos fotones gamma de 511 keV a casi 180 grados entre sí; por lo tanto, es posible localizar su fuente a lo largo de una línea recta de coincidencia (también llamada línea de respuesta, o LOR). En la práctica, el LOR tiene un ancho distinto de cero ya que los fotones emitidos no están separados exactamente por 180 grados. Si el tiempo de resolución de los detectores es inferior a 500 picosegundos en lugar de unos 10 nanosegundos, es posible localizar el evento en un segmento de una cuerda, cuya longitud está determinada por la resolución de tiempo del detector. A medida que mejora la resolución de tiempo, la relación señal-ruido (SNR) de la imagen mejorará, lo que requerirá menos eventos para lograr la misma calidad de imagen. Esta tecnología aún no es común, pero está disponible en algunos sistemas nuevos.

Reconstrucción de imágenes

Los datos sin procesar recopilados por un escáner PET son una lista de 'eventos de coincidencia' que representa la detección casi simultánea (típicamente, dentro de una ventana de 6 a 12 nanosegundos de diferencia) de fotones de aniquilación por un par de detectores. Cada evento de coincidencia representa una línea en el espacio que conecta los dos detectores a lo largo de los cuales ocurrió la emisión de positrones (es decir, la línea de respuesta (LOR)).

Las técnicas analíticas, como la reconstrucción de datos de tomografía computarizada (TC) y tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT), se utilizan comúnmente, aunque el conjunto de datos recopilados en PET es mucho más pobre que en TC, por lo que las técnicas de reconstrucción son más difícil. Los eventos de coincidencia se pueden agrupar en imágenes de proyección, llamadas sinogramas. Los sinogramas están ordenados por el ángulo de cada vista e inclinación (para imágenes 3D). Las imágenes del sinograma son análogas a las proyecciones capturadas por los escáneres de tomografía computarizada (TC) y se pueden reconstruir de manera similar. Las estadísticas de los datos así obtenidos son mucho peores que las obtenidas mediante tomografía de transmisión. Un conjunto de datos de PET normal tiene millones de conteos para toda la adquisición, mientras que CT puede alcanzar unos pocos miles de millones de conteos. Esto contribuye a que las imágenes de PET parezcan "más ruidosas" que la TC. Dos fuentes principales de ruido en PET son la dispersión (un par de fotones detectados, al menos uno de los cuales fue desviado de su camino original por la interacción con la materia en el campo de visión, lo que lleva a que el par sea asignado a un LOR incorrecto) y aleatorio. eventos (fotones que se originan en dos eventos de aniquilación diferentes pero que se registran incorrectamente como un par de coincidencia porque su llegada a sus respectivos detectores ocurrió dentro de una ventana de tiempo de coincidencia).

En la práctica, se requiere un procesamiento previo considerable de los datos: corrección de coincidencias aleatorias, estimación y sustracción de fotones dispersos, corrección de tiempo muerto del detector (después de la detección de un fotón, el detector debe "enfriarse& #34; otra vez) y corrección de sensibilidad del detector (tanto para la sensibilidad inherente del detector como para cambios en la sensibilidad debido al ángulo de incidencia).

La retroproyección filtrada (FBP) se ha utilizado con frecuencia para reconstruir imágenes a partir de las proyecciones. Este algoritmo tiene la ventaja de ser simple y tener un bajo requerimiento de recursos informáticos. Las desventajas son que el ruido de disparo en los datos sin procesar es prominente en las imágenes reconstruidas, y las áreas de alta captación del trazador tienden a formar rayas en la imagen. Además, FBP trata los datos de manera determinista: no tiene en cuenta la aleatoriedad inherente asociada con los datos de PET, por lo que requiere todas las correcciones previas a la reconstrucción descritas anteriormente.

Enfoques estadísticos basados en la probabilidad: Estadística, basada en la probabilidad algoritmos iterativos de maximización de expectativas como el algoritmo Shepp-Vardi son ahora el método preferido de reconstrucción. Estos algoritmos calculan una estimación de la distribución probable de los eventos de aniquilación que dieron lugar a los datos medidos, basándose en principios estadísticos. La ventaja es un mejor perfil de ruido y resistencia a los artefactos de racha comunes con FBP, pero la desventaja son los mayores requisitos de recursos informáticos. Otra ventaja de las técnicas estadísticas de reconstrucción de imágenes es que los efectos físicos que deberían corregirse previamente cuando se utiliza un algoritmo de reconstrucción analítico, como fotones dispersos, coincidencias aleatorias, atenuación y tiempo muerto del detector, pueden incorporarse a la probabilidad. modelo que se utiliza en la reconstrucción, lo que permite una reducción de ruido adicional. También se ha demostrado que la reconstrucción iterativa da como resultado mejoras en la resolución de las imágenes reconstruidas, ya que se pueden incorporar modelos más sofisticados de la física del escáner en el modelo de probabilidad que los utilizados por los métodos de reconstrucción analíticos, lo que permite una mejor cuantificación de la distribución de radiactividad.

La investigación ha demostrado que los métodos Bayesianos que implican una función de probabilidad Poisson y una probabilidad previa adecuada (por ejemplo, un suavizado previo que conduce a la regularización total de la variación o una distribución laplaciana que conduce a la l l 1{displaystyle ell _{1}- regularización basada en un oleaje u otro dominio), como el estimador Sieve de Ulf Grenander o a través de métodos de sanción de Bayes o a través del método de rugosidad de I.J. Good puede dar un rendimiento superior a los métodos basados en expectativa-maximización que implican una función de probabilidad de Poisson pero no implican tal antes.

Corrección de atenuación: la imagen PET cuantitativa requiere corrección de atenuación. En estos sistemas, la corrección de la atenuación se basa en un escaneo de transmisión utilizando una fuente de varilla giratoria de ⁶⁸Ge.

Los escaneos de transmisión miden directamente los valores de atenuación a 511 keV. La atenuación ocurre cuando los fotones emitidos por el radiotrazador dentro del cuerpo son absorbidos por el tejido intermedio entre el detector y la emisión del fotón. Como diferentes LOR deben atravesar diferentes espesores de tejido, los fotones se atenúan de manera diferencial. El resultado es que las estructuras profundas del cuerpo se reconstruyen como si tuvieran una captación de trazador falsamente baja. Los escáneres contemporáneos pueden estimar la atenuación utilizando equipos integrados de TC de rayos X, en lugar de los equipos anteriores que ofrecían una forma tosca de TC utilizando una fuente de rayos gamma (emisora de positrones) y los detectores PET.

Si bien las imágenes corregidas por atenuación son generalmente representaciones más fieles, el proceso de corrección en sí mismo es susceptible a artefactos significativos. Como resultado, tanto las imágenes corregidas como las no corregidas siempre se reconstruyen y se leen juntas.

Reconstrucción 2D/3D: los primeros escáneres PET tenían un solo anillo de detectores, por lo que la adquisición de datos y la posterior reconstrucción estaban restringidas a un solo plano transversal. Los escáneres más modernos ahora incluyen múltiples anillos, formando esencialmente un cilindro de detectores.

Hay dos enfoques para reconstruir datos de un escáner de este tipo: 1) tratar cada anillo como una entidad separada, de modo que solo se detecten las coincidencias dentro de un anillo, la imagen de cada anillo se puede reconstruir individualmente (reconstrucción 2D), o 2) permitir que se detecten coincidencias entre anillos y dentro de los anillos, y luego reconstruir todo el volumen juntos (3D).

Las técnicas 3D tienen una mejor sensibilidad (porque se detectan y utilizan más coincidencias) y, por lo tanto, menos ruido, pero son más sensibles a los efectos de la dispersión y las coincidencias aleatorias, además de requerir, en consecuencia, mayores recursos informáticos. El advenimiento de los detectores de resolución de tiempo de sub-nanosegundos permite un mejor rechazo de coincidencias aleatorias, lo que favorece la reconstrucción de imágenes en 3D.

PET de tiempo de vuelo (TOF): para los sistemas modernos con una resolución de tiempo más alta (aproximadamente 3 nanosegundos), una técnica llamada "tiempo de vuelo" se utiliza para mejorar el rendimiento general. La PET de tiempo de vuelo utiliza detectores de rayos gamma muy rápidos y un sistema de procesamiento de datos que puede decidir con mayor precisión la diferencia de tiempo entre la detección de los dos fotones. Es imposible localizar exactamente el punto de origen del evento de aniquilación (actualmente dentro de los 10 cm). Por lo tanto, todavía se necesita la reconstrucción de la imagen. La técnica TOF ofrece una notable mejora en la calidad de la imagen, especialmente en la relación señal/ruido.

Combinación de PET con CT o MRI

Cuerpo completo PET-CT fusión imagen

Imagen de fusión del cerebro PET-MRI

Las tomografías por emisión de positrones (PET) se leen cada vez más junto con las tomografías computarizadas o las imágenes por resonancia magnética (IRM), y la combinación (llamada "corregistro") proporciona información tanto anatómica como metabólica (es decir, cuál es la estructura y lo que está haciendo bioquímicamente). Debido a que las imágenes PET son más útiles en combinación con imágenes anatómicas, como la TC, los escáneres PET modernos ahora están disponibles con escáneres de TC integrados de alta gama con múltiples detectores (los llamados "PET-CT"). Debido a que los dos escaneos se pueden realizar en secuencia inmediata durante la misma sesión, sin que el paciente cambie de posición entre los dos tipos de escaneos, los dos conjuntos de imágenes se registran con mayor precisión, de modo que las áreas de anormalidad en las imágenes PET pueden ser más precisas. perfectamente correlacionado con la anatomía en las imágenes de TC. Esto es muy útil para mostrar vistas detalladas de órganos o estructuras en movimiento con una mayor variación anatómica, que es más común fuera del cerebro.

En el Instituto Jülich de Neurociencias y Biofísica, el dispositivo PET-MRI más grande del mundo comenzó a funcionar en abril de 2009: un tomógrafo de resonancia magnética (MRT) de 9,4 teslas combinado con un tomógrafo por emisión de positrones (PET). Actualmente, solo la cabeza y el cerebro pueden obtener imágenes con estas altas intensidades de campo magnético.

Para las imágenes cerebrales, el registro de tomografías computarizadas, resonancias magnéticas y tomografías por emisión de positrones (PET) se puede lograr sin la necesidad de un escáner PET-CT o PET-MRI integrado mediante el uso de un dispositivo conocido como localizador N.

Limitaciones

La minimización de la dosis de radiación al sujeto es una característica atractiva del uso de radionúclidos de vida corta. Además de su papel establecido como técnica de diagnóstico, la PET tiene un papel en expansión como método para evaluar la respuesta a la terapia, en particular, la terapia del cáncer, donde el riesgo para el paciente por la falta de conocimiento sobre el progreso de la enfermedad es mucho mayor que el riesgo por la radiación de prueba. Dado que los marcadores son radiactivos, las personas mayores y las embarazadas no pueden usarlos debido a los riesgos que plantea la radiación.

Las limitaciones para el uso generalizado de PET surgen de los altos costos de los ciclotrones necesarios para producir los radionúclidos de vida corta para la exploración PET y la necesidad de un aparato de síntesis química in situ especialmente adaptado para producir los radiofármacos después de la preparación de radioisótopos. Las moléculas de radiotrazador orgánico que contendrán un radioisótopo emisor de positrones no se pueden sintetizar primero y luego preparar el radioisótopo dentro de ellas, porque el bombardeo con un ciclotrón para preparar el radioisótopo destruye cualquier portador orgánico. En cambio, el isótopo debe prepararse primero, luego, la química para preparar cualquier radiotrazador orgánico (como la FDG) se lleva a cabo muy rápidamente, en el corto tiempo antes de que el isótopo se desintegre. Pocos hospitales y universidades son capaces de mantener dichos sistemas, y la mayoría de las TEP clínicas cuentan con el respaldo de proveedores externos de radiotrazadores que pueden suministrar a muchos sitios simultáneamente. Esta limitación restringe la PET clínica principalmente al uso de trazadores marcados con flúor-18, que tiene una vida media de 110 minutos y puede transportarse una distancia razonable antes de su uso, o al rubidio-82 (utilizado como cloruro de rubidio-82) con una vida media de 1,27 minutos, que se crea en un generador portátil y se utiliza para estudios de perfusión miocárdica. Sin embargo, en los últimos años, algunos ciclotrones in situ con blindaje integrado y "laboratorios calientes" (laboratorios de química automatizados que pueden trabajar con radioisótopos) han comenzado a acompañar a las unidades de PET a hospitales remotos. La presencia del pequeño ciclotrón in situ promete expandirse en el futuro a medida que los ciclotrones se reduzcan en respuesta al alto costo del transporte de isótopos a máquinas de PET remotas. En los últimos años, la escasez de tomografías por emisión de positrones (PET) se ha aliviado en los EE. UU., ya que el despliegue de radiofarmacias para suministrar radioisótopos ha crecido un 30 % al año.

Debido a que la vida media del flúor-18 es de aproximadamente dos horas, la dosis preparada de un radiofármaco que contenga este radionúclido experimentará múltiples vidas medias de descomposición durante la jornada laboral. Esto requiere una recalibración frecuente de la dosis restante (determinación de la actividad por unidad de volumen) y una planificación cuidadosa con respecto a la programación del paciente.

Historia

El concepto de tomografía de emisión y transmisión fue introducido por David E. Kuhl, Luke Chapman y Roy Edwards a fines de la década de 1950. Posteriormente, su trabajo condujo al diseño y la construcción de varios instrumentos tomográficos en la Universidad de Pensilvania. En 1975, Michel Ter-Pogossian, Michael E. Phelps, Edward J. Hoffman y otros desarrollaron aún más las técnicas de imágenes tomográficas en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington.

El trabajo de Gordon Brownell, Charles Burnham y sus asociados en el Hospital General de Massachusetts a partir de la década de 1950 contribuyó significativamente al desarrollo de la tecnología PET e incluyó la primera demostración de radiación de aniquilación para imágenes médicas. Sus innovaciones, incluido el uso de conductos de luz y el análisis volumétrico, han sido importantes en el despliegue de imágenes PET. En 1961, James Robertson y sus asociados en el Laboratorio Nacional de Brookhaven construyeron la primera tomografía por emisión de positrones de un solo plano, apodada la "reductora de cabezas".

Uno de los factores más responsables de la aceptación de las imágenes de positrones fue el desarrollo de radiofármacos. En particular, el desarrollo de la 2-fluorodesoxi-D-glucosa (2FDG) marcada por el grupo de Brookhaven bajo la dirección de Al Wolf y Joanna Fowler fue un factor importante en la expansión del alcance de las imágenes PET. El compuesto fue administrado por primera vez a dos voluntarios humanos normales por Abass Alavi en agosto de 1976 en la Universidad de Pensilvania. Las imágenes cerebrales obtenidas con un escáner nuclear ordinario (no PET) demostraron la concentración de FDG en ese órgano. Más tarde, la sustancia se usó en escáneres tomográficos de positrones dedicados, para producir el procedimiento moderno.

La extensión lógica de la instrumentación de positrones era un diseño que utilizaba dos matrices bidimensionales. PC-I fue el primer instrumento que usó este concepto y fue diseñado en 1968, completado en 1969 e informado en 1972. Las primeras aplicaciones de PC-I en modo tomográfico a diferencia del modo tomográfico computarizado se informaron en 1970. Pronto quedó claro para muchos de los involucrados en el desarrollo de PET que una matriz circular o cilíndrica de detectores era el siguiente paso lógico en la instrumentación de PET. Aunque muchos investigadores adoptaron este enfoque, James Robertson y Zang-Hee Cho fueron los primeros en proponer un sistema de anillos que se ha convertido en el prototipo de la forma actual de PET.

El escáner PET-CT, atribuido a David Townsend y Ronald Nutt, fue nombrado por Time como el invento médico del año en 2000.

Coste

En agosto de 2008, Cancer Care Ontario informa que el costo incremental promedio actual para realizar una exploración PET en la provincia es de 1000 a 1200 dólares canadienses por exploración. Esto incluye el costo del radiofármaco y un estipendio para el médico que lee la exploración.

En los Estados Unidos, se estima que una tomografía por emisión de positrones (PET) cuesta unos 5000 dólares, y la mayoría de las compañías de seguros no pagan por las tomografías por emisión de positrones de rutina después del tratamiento del cáncer debido al hecho de que estas exploraciones suelen ser innecesarias y presentan potencialmente más riesgos. que beneficios.

En Inglaterra, el costo de referencia del Servicio Nacional de Salud (2015-2016) para una exploración PET ambulatoria para adultos es de £798.

En Australia, a partir de julio de 2018, la tarifa del programa de beneficios de Medicare para FDG PET de cuerpo entero oscila entre 953 y 999 dólares australianos, según la indicación de la exploración.

Control de calidad

El rendimiento general de los sistemas de PET se puede evaluar mediante herramientas de control de calidad como el fantoma de Jaszczak.