Портативная комптоновская камера сделала томограмму in vivo — Naked Science
23.05.2017
7 минут
Редакция
82

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

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.

Позавчера, 15:12
1 минута
Илья Ведмеденко

В Соединенных Штатах провели церемонию спуска на воду USS Cooperstown (LCS 23) — корабля прибрежной зоны Littoral Combat Ship типа Freedom. В скором времени он пополнит состав ВМС США.

Позавчера, 09:37
7 минут
Сергей Васильев

Магнитосфера Земли была достаточно сильной еще до того, как у планеты появилось внутреннее ядро и заработал механизм «геомагнитного динамо»: похоже, на первых этапах ее подпитывал совершенно другой механизм.

Позавчера, 14:50
34 минуты
Александр Березин

SpaceX рассчитывает к 2050 году создать на Марсе колонию на миллион человек. Звучит абсурдно: осталось всего 30 лет, а до первого полета на Марс еще многие годы. Некоторые ученые, включая российских, считают планы Маска «фантазией» и «пропагандой». Тем не менее сама по себе постройка миллионной колонии на Красной планете вполне реальна. Разберемся, почему и отчего в это так трудно поверить остальному миру.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

17 января
7 минут
ТГУ

Старший научный сотрудник лаборатории «Гербарий» БИ ТГУ Вера Костикова совместно с новосибирскими коллегами выявила ценные лекарственные свойства у спиреи – кустарника, используемого в озеленении городов и дачных участков. Фитохимическое исследование показало, что растение обладает противовирусной и антиоксидантной активностью, что делает его перспективным для использования в медицине.

19 января
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: