Усовершенствованный томограф может привести к более дешевому и простому медицинскому обследованию

Исследователи из США и Японии продемонстрировали первое экспериментальное медицинское изображение, которое не требует томографии - математического процесса, используемого для реконструкции изображений в КТ и ПЭТ-сканах. Результаты научной работы по созданию новой технологии опубликованы в журнале Nature Photonics. Это может привести к созданию более дешевых, простых и точных медицинских изображений.

По словам Саймона Черри, профессора биомедицинской инженерии и радиологии Калифорнийского университета в Дэвисе и старшего автора статьи, этот прогресс стал возможен благодаря разработке новых сверхбыстрых детекторов фотонов.


Экспериментальная работа проводилась под руководством Сун Иль Квона, научного сотрудника отдела биомедицинской инженерии Калифорнийского университета в Дэвисе, и Рёсуке Ота в компании Hamamatsu Photonics, Япония, где была разработана новая технология детектора фотонов. Среди других соавторов были исследовательские группы под руководством профессора Йоичи Тамагавы из Университета Фукуи и профессора Томоюки Хасегавы из Университета Китасато.

Процесс томографии необходим для математической реконструкции изображений поперечного сечения из данных при визуализации, использующей рентгеновские или гамма-лучи. При ПЭТ-сканировании молекулы, меченные следовыми количествами радиоактивного изотопа, вводятся в организм и поглощаются органами и тканями тела. Изотоп, например, фтор-18, нестабилен и при распаде испускает позитроны.

Каждый раз, когда один из этих позитронов сталкивается с электроном в организме, они аннигилируют друг с другом и одновременно испускают два аннигиляционных фотона. Отслеживание происхождения и траектории этих фотонов теоретически позволяет получить изображение тканей, меченных изотопами. Но до сих пор исследователи не могли сделать это без дополнительного шага томографической реконструкции, поскольку детекторы были слишком медленными, чтобы точно определить время прихода двух фотонов и, таким образом, точно определить их местоположение на основе разницы во времени.

Когда аннигиляционные фотоны попадают в детектор, они генерируют черенковские фотоны, которые и создают сигнал. Черри и его коллеги выяснили, как обнаружить эти черенковские фотоны со средней точностью 32 пикосекунды. Это означало, что они могли определить место возникновения аннигиляционных фотонов с пространственной точностью 4,8 миллиметра. Такой уровень скорости и точности позволил исследовательской группе получить изображения поперечного сечения радиоактивного изотопа непосредственно из аннигиляционных фотонов без использования томографии.

В своей статье исследователи описывают различные испытания, проведенные ими с помощью новой методики, в том числе на тестовом объекте, имитирующем человеческий мозг. Они уверены, что эта процедура в конечном итоге может быть масштабирована до уровня, необходимого для клинической диагностики, и имеет потенциал для создания изображений более высокого качества с использованием меньшей дозы радиации. Кроме того, с помощью этого метода изображения могут быть созданы быстрее, возможно, даже в режиме реального времени во время ПЭТ-сканирования, так как не требуется реконструкция "постфактум".

В настоящее время ПЭТ-сканирование является дорогостоящим и технически ограниченным, так как полная информация, содержащаяся во времени пролета аннигиляционных фотонов, не улавливается существующими клиническими сканерами. Новое открытие предполагает компактную установку оборудования и может привести к недорогим, простым и точным сканированиям человеческого тела с использованием радиоактивных изотопов.