Портативная комптоновская камера сделала томограмму in vivo — Naked Science
Редакция

Портативная комптоновская камера сделала томограмму in vivo

Исследователи из Университета Васэда и Университета Осаки впервые провели полноцветную трехмерную визуализацию живого организма с помощью комптоновской камеры весом всего 580 граммов.

20170518_eyecatch
©Wikipedia

Существующие методы томографии основаны на детекции элементарных частиц, возникающих при полураспаде радионуклидов, введенных в организм пациента. Несмотря на широкое распространение, они обладают рядом недостатков. Так, позитронно-эмиссионная (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) позволяют работать только с гамма-квантами определенных низких энергий — 511 и 300–400 килоэлектронвольт соответственно. Это ограничивает параллельное использование нескольких изотопов и, как следствие, точность диагностики (например «обычного» воспаления и раковой опухоли на ранних стадиях). Также расширение диапазона доступных препаратов могло бы сократить расходы на их получение в лабораторных условиях.

 

Более перспективной считается визуализация с помощью комптоновской камеры. Принцип работы такого устройства заключается в регистрации комптоновского рассеяния гамма-квантов на свободных электронах. Взаимодействуя с веществом, фотоны в этом случае не интерферируют, при этом их частота, за счет передачи части энергии электронам, уменьшается. Этот метод менее зависим от состава излучения и позволяет использовать радионуклиды с широким диапазоном энергий — от 300 килоэлектронвольт до двух мегаэлектронвольт. Однако до сих пор прототипы комптоновской камеры были громоздкими и, из-за низкой чувствительности, требовали длительного времени на обследование. Кроме того, они не предполагали возможности для трехмерной визуализации живого организма.

 

Двухмерная визуализация всех гамма-квантов (d), только иода-131 (a), стронция-85 (b), цинка-65 (c) и проекция всех снимков на трехмерное пространство (e) / ©Aya Kishimoto et al., Scientific Reports, 2017

 

В 2011 году ученые представили прототип комптоновской камеры размером 4,9×5,6×10,6 сантиметра. Система состоит из сцинтиллятора (вещества, излучающего свет при поглощении гамма-квантов) — монокристалла Gd3Al2Ga3O12, легированного церием, — и счетчика фотонов со множеством ячеек (multi-pixel photon counter) на рассеивателе и поглотителе. В тестах с фантомами (шприцами) пространственное разрешение устройства превысило три миллиметра, а характеристическая эффективность достигла 0,06 процента для гамма-квантов с энергией 662 килоэлектронвольта. Теперь авторы испытали разработку на мыши. Самцу вводили три изотопа — редко (иод-131, стронций-85) или вовсе не используемых (цинк-65) в ПЭТ и ОФЭКТ, — после чего обследовали его под 12 углами с шагом в 30 градусов.

 

Трехмерные изображения животного восстанавливались с помощью EM-алгоритма. Анализ показал, что мишенью каждого изотопа выступали разные внутренние органы, например щитовидная железа — иода-131, печень, сердце, легкие — цинка-65. Регистрация гамма-квантов соответствовала выбросам энергии в широком диапазоне — 364, 514 и 1116 килоэлектронвольт. При этом измерение с одной позиции занимало у ученых примерно 10 минут, а на полное обследование ушло около двух часов (несколько камер могут сократить время до 10 минут). Пробные измерения с натрием-22 и цезием-137 также подтвердили, что система обладает разрешением 2,76–3,51 миллиметра в одномерной проекции и позволяет фиксировать 1,12×105 события с разрешением 5,33–6,31 миллиметра в двухмерной.

 

По словам авторов, несмотря на успешную визуализацию, пространственное разрешение новой камеры по-прежнему несколько ниже показателя ПЭТ. Причиной тому служит неспецифичность детектора гамма-квантов: в отличие от традиционных томографов, он работает не с определенной величиной, но с диапазоном энергий (особенно сильно разрешение ухудшалось при энергиях свыше мегаэлектронвольта). В то же время прототип уже обладает сопоставимой с ОФЭКТ эффективностью регистрации и позволяет одновременно использовать несколько радионуклидов.

 

Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

 

Ранее международная группа ученых испытала новую технику медицинской визуализации с использованием квантовых точек в качестве флуоресцентных меток.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

10 часов назад
Мария Азарова

Проект назвали в честь Галилео Галилея — итальянского ученого эпохи Возрождения, который задействовал разработанный им телескоп для наблюдения за астрономическими объектами, такими как луны Юпитера, кратеры спутника Земли и кольца Сатурна. Пока программа получила финансирование в 1,75 миллиона долларов, но возглавляющий ее профессор Ави Леб надеется на большее.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: