Портативная комптоновская камера сделала томограмму in vivo

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.

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 1,12x10⁵ 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.