التصوير بالانبعاث البوزيتروني
| English | العربية |
|---|---|
| tracer/ˈtreɪsə/ | المسار |
| metabolism/məˈtæbəlɪzəm/ | الأيض |
| positron emission tomography/ˈpɒzɪtrɒn ɪˈmɪʃn təˈmɒɡrəfi/ | التصوير بالإصدار البوزيتروني |
| positron/ˈpɒzɪtrɒn/ | بوزيترون |
| antiparticle/ˌæntɪˈpɑːtɪkl/ | الجسيم المضاد |
| annihilate/əˈnaɪəleɪt/ | تفجير (إزالة المادة) |
| energy/ˈenədʒi/ | طاقة |
| momentum/məʊˈmentəm/ | العزم |
| electron/ɪˈlektrɒn/ | الإلكترون |
فوتونان، خلف بعضهما مباشرةً تمامًا
- ماسح PET لا يراقب المسار. يراقب وصول فوتوني جاما اثنين إلى جانبي الحلقة في نفس اللحظة.
- يجب أن يأتي هذا الزوج من نقطة واحدة في مكان ما على الخط المستقيم الواصل بين الكاشفين. تطابق واحد، خط واحد.
- اجمع بضعة ملايين من تلك الخطوط من كل زاوية وتكون التقاطع خريطة ثلاثية الأبعاد لمكان ذهاب المسار.
- rests الطريقة بأكملها على قانون حفظ واحد يفرض أن تكون الفوتونات خلف بعضها مباشرة. هذه الدرس هو السبب.
المسار
- المُتتبع هو مادة تحتوي على نوى مشعة يتم إدخالها إلى الجسم، عادة ما تكون مرتبطة بجزيء مثل الجلوكوز، وتتم امتصاصها بواسطة النسيج قيد الدراسة.
- الورم لديه تمثيل غذائي مرتفع، لذا يمتص أكثر من علامة التتبع المرتبطة بالجلوكوز مقارنةً بالنسيج المحيط به، ويظهر مضيئًا.
- في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، يجب أن يكون المُتتبع منبعًا للبوزيترونات (بيتا-بلاس)، حتى يطلق بوزيترونًا. يُعد فلورين-18 المرتبط ببدائل الجلوكوز هو المعيار الشائع.
- عمر النصف يمثل توازنًا: قصيرًا بما يكفي ليكون النشاط عاليًا أثناء المسح وجرعة المريض afterward منخفضة، لكن ليس قصيرًا جدًا لدرجة أنه يتحلل قبل الوصول إلى النسيج. فلورين-18 لديه $110$ دقيقة، وأكسجين-15 لديه فقط $2$، لذا يتم تصنيع أكسجين-15 في الموقع.
متتبع PET هو:
هو مانح β$^{+}$ على جزيء (مثل الجلوكوز) يمتصه النسيج النشط أكثر.
لماذا يُختار عمر نصف المتتبع كتوازن؟ حدد كل الخيارات الصحيحة.
فلورين-18 له عمر نصفي 110 دقائق؛ أكسجين-15 له عمر نصفي فقط 2 ويجب تحضيره في الموقع. بقايا النشاط الإشعاعي في المريض لاحقاً أمر يجب تجنبه، وليس استهدافه.
الإخماد
- عندما يلتقي الجسيم مع جسيم مضاد، فإنهما يُخمدان: تتحول كتلتهما إلى طاقة كهرومغناطيسية. كل من الكتلة-الطاقة والزخم محفوظان.
- شرح النقاط الأربع: البوزيترون يسافر عدة مليمترات ويلتقي بإلكترون في النسيج؛ الزوج يُخمد، حيث تتحول الكتلة إلى طاقة؛ يظهر هذا على شكل فوتونين من أشعة جاما؛ نظرًا لأن زخم النظام يجب أن يُحفظ وأن الزوج كان يمتلك زخمًا شبه معدوم، فإن الفوتونات تسير في اتجاهين متعاكسين بزخم متساوٍ.
- لا يمكن لفوتون واحد حفظ الزخم. هذه الجملة هي السبب في منح الدرجة الرابعة، وهي السبب الذي يجعل التقنية بأكملها تعمل.
حدث واحد، خط مستقيم واحد
مسار تصوير PET
تابع انبعاث البوزيترون إلى حلقة من الفوتونات المُكتشفة.
عندما يلتقي البوزيترون المنبعث بإلكترون، فإنهما:
المادة والمادة المضادة تتلاشان: تتحول كتلتهما إلى فوتونين.
يُسافر فوتونا التلاشي في اتجاهين متعاكسين.
كان الزوج تقريبًا في حالة سكون، لذا لحفظ الزخم يسافر الفوتونان متقابلين.
رتب شرح التلاشي في PET المكون من أربع علامات بشكل صحيح.
الخطوة الأخيرة هي التي تكسب العلامة الرابعة: لا يمكن لفوتون واحد حفظ الزخم، وهذا بالضبط لماذا تعمل التقنية.
طاقة كل فوتون
- يحافظ حفظ الطاقة على تقسيم طاقة السكون للزوج بين فوتونين متطابقين:
- لذا يحمل كل فوتون $m_e c^2 = 8.2\times10^{-14}\ \text{J} = 0.51\ \text{MeV} = 511\ \text{keV}$.
- لكل فوتون PET نفس هذه الطاقة، وهو ما يسمح للماسح بالرفض لأي شيء لا يساوي $511\ \text{keV}$ باعتباره تناثرًا أو خلفية.
لكل فوتون ناتج عن تلاشي الإلكترون والبوزيترون طاقة تساوي (بالكيلو إلكترونت فولت):
يحمل كل منهما $m_e c^{2} \approx 0.511\ \text{MeV} = 511\ \text{keV}$.
يحمل كل فوتون تلاشي طاقة قدرها ____ كيلو إلكترونت فولت.
هذا هو m_e c^2، وهي طاقة السكون لجسيم واحد. المجموع الكلي للزوج هو 1.02 MeV. كتابة 2 m_e c^2 لكل فوتون هو الخطأ القياسي.
مثال محلول: فوتونات الإخماد
- أوجد الطاقة الكلية المنطلقة عند إخماد بوزيترون وإلكترون بطيء الحركة، وطول موجة كل فوتون.
- الكلية: $E = 2m_e c^2 = 2(9.11\times10^{-31})(3.00\times10^{8})^2 = 1.64\times10^{-13}\ \text{J} = 1.02\ \text{MeV}$.
- مقسومة بالتساوي: $8.2\times10^{-14}\ \text{J}$ لكل منهما.
- $\lambda = \dfrac{hc}{E} = \dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^{8})}{8.2\times10^{-14}} = 2.4\times10^{-12}\ \text{m}$، وهو أشعة جاما.
- إذا كانت الجسيمات تتحرك بسرعة $4.9\times10^{7}\ \text{m/s}$، فإن كل منها سيضيف فقط $1.1\times10^{-15}\ \text{J}$، أي حوالي $1\%$ من طاقته السكونية. طاقة السكون تهيمن، وهذا هو سبب إعطاء كل إخماد طاقة تساوي تقريبًا $511\ \text{keV}$.
فوتون التلاشي يمتلك طاقة 8.2e-14 جول. ما هو طوله الموجي، بوحدات 1e-12 متر؟
lambda = hc/E = 2.4e-12 م، وهو بالتأكيد في نطاق أشعة غاما. لكل فوتون PET نفس هذه الطاقة، مما يسمح للجهاز برفض أي شيء آخر باعتباره تشتتًا.
اكتشاف التزامن
- يغادر الفوتونان الجسم في اتجاهين متعاكسين ويصطدمان بـحلقة من الكاشفات المحيطة بالمريض.
- تسجيل وصولين متزامنين، وهو تزامن، يحدد الخط الذي يقع عليه الإخماد. الكشف المفرد وحده لا يخبرك شيئًا عن الموقع.
- مقارنة أوقات الوصول بدقة أكبر تضيق تحديد الموقع على طول ذلك الخط. هذا هو التصوير المقطعي بتوقيت الطيران (Time-of-flight PET).
- يجب أن تخرج الفوتونات من الجسم لتتم مكنتها بالكشف، ولهذا السبب تُستخدم أشعة جاما بدلاً من البوزيترون نفسه: البوزيترون يسافر بضعة مليمترات فقط قبل أن يُخمد.
اكتشاف فوتونين في نفس اللحظة — وهو ____ — يحدد الخط الذي حدث عليه التلاشي.
العديد من خطوط التوافق هذه، من زوايا متعددة، يسمح للحاسوب ببناء خريطة ثلاثية الأبعاد 3-D للمُتتبع.
فوتون غاما مفرد مُكتشف كافٍ لتحديد حدث التلاشي.
الكشف الواحد لا يعطي موقعًا على الإطلاق. يتطلب وصولان متزامنان من جانبي الجهاز، أي تزامن، لتحديد الخط الذي يقع عليه الحدث.
بناء الصورة
- العديد من أحداث التزامن، من زوايا متعددة، تعطي خطوطًا عديدة. يحدد الكمبيوتر أين تركز تلك الخطوط، وهناك يوجد المُتتبع.
- النتيجة هي خريطة ثلاثية الأبعاد، وليست تشريحية بل لـتركيز المُتتبع، مما يعني النشاط الاستقلابي.
- هذا هو الفرق عن الأشعة المقطعية الحاسوبية (CT) يستحق الذكر: CT يُظهر البنية، بينما PET يُظهر الوظيفة. غالبًا ما تقوم الماسحات الحديثة بكلاهما وتتراكبهما.
طابق كل مسح مع ما يظهره.
يعطي التوافق خطًا، وليس نقطة؛ تأتي النقطة من حيث تتقاطع العديد من الخطوط. غالبًا ما تقوم أجهزة المسح الحديثة بطبقتي الصورتين فوق بعضهما.
علامات ضائعة
- يذهب الفوتونان في اتجاهين متعاكسين لأن زخم النظام يجب أن يُحفظ. صيغ قانون حفظ الزخم، لا مجرد الاتجاه.
- كل فوتون هو $511\ \text{keV}$، وهو $m_e c^2$، ليس $2m_e c^2$. المجموع الكلي للزوج هو $1.02\ \text{MeV}$.
- المُتتبع هو منبع بيتا-بلاس. سيكون منبع جاما غير قادر على الإخماد ولن يتمكن من التحديد بالتزامن.
- عمر النصف هو توازن: قصير لجرعة منخفضة، لكن طويل بما يكفي للوصول إلى النسيج.
- يعطي التزامن خطًا، وليس نقطة. تأتي النقطة من حيث تتقاطع خطوط متعددة.
لقد فهمت الأمر
- الـ مُتتبع هو نوى مشعة تُدخل إلى الجسم وتُمتص بواسطة النسيج المدروس؛ يحتاج PET إلى منبع بيتا-بلاس مثل فلورين-18
- يُخمد البوزيترون مع الإلكترون، وحفظ الزخم يفرض فوتونين من أشعة جاما في اتجاهين متعاكسين
- يحمل كل فوتون $m_e c^2 = 0.51\ \text{MeV}$، وطول موجة حوالي $2.4\times10^{-12}\ \text{m}$
- التزامن عند حلقة الكاشف يحدد خط الحدث، والعديد من الخطوط من زوايا متعددة يبني خريطة 3-D لـ تركيز التتبع