การตรวจ PET
| English | ไทย |
|---|---|
| tracer/ˈtreɪsə/ | ตัวติดตามกัมมันตรังสี |
| metabolism/məˈtæbəlɪzəm/ | การเผาผลาญ |
| positron emission tomography/ˈpɒzɪtrɒn ɪˈmɪʃn təˈmɒɡrəfi/ | PET สแกน (Positron Emission Tomography) |
| positron/ˈpɒzɪtrɒn/ | โพซิตรอน |
| antiparticle/ˌæntɪˈpɑːtɪkl/ | อนุภาคปฏิสสาร |
| annihilate/əˈnaɪəleɪt/ | การทำลายล้างกันและกัน |
| energy/ˈenədʒi/ | พลังงาน |
| momentum/məʊˈmentəm/ | โมเมนตัม |
| electron/ɪˈlektrɒn/ | อิเล็กตรอน |
โฟตอนสองตัว Exactly Back to Back
- เครื่อง PET สแกนไม่ได้ติดตาม tracer โดยตรง มันสังเกตหา โฟตอนแกมมาสองตัวที่เข้ามาถึงด้านตรงข้ามของวงแหวนพร้อมกัน
- คู่นี้ต้องมาจากจุดใดจุดหนึ่งบนเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างเครื่องตรวจจับทั้งสอง จุดจับคู่หนึ่ง เส้นหนึ่ง
- เก็บเส้นเหล่านั้นจำนวนไม่กี่ล้านจากทุกมุม จุดตัดจะเป็นแผนที่สามมิติของเส้นทางที่ tracer เดินทาง
- วิธีทั้งหมดนี้อ้างอิงกฎการอนุรักษ์หนึ่งข้อบังคับให้โฟตอนอยู่ ตรงข้ามกัน นี่คือเหตุผลที่บทเรียนนี้กล่าวถึง
Tracer
- สารติดตาม (tracer) คือสารที่มี นิวเคลียกกัมมันตรังสี ซึ่งถูก นำเข้าสู่ร่างกาย โดยมักผูกกับโมเลกุลเช่นกลูโคส และจะถูก ดูดซึมโดยเนื้อเยื่อที่กำลังศึกษา
- เนื้องอกมี การเผาผลาญสูง จึงดูดซับสารติดตามที่ติดฉลากด้วยกลูโคสมากกว่าเนื้อเยื่อรอบข้าง ทำให้ปรากฏเป็นจุดสว่าง
- สำหรับ โพซิตรอนเอมิชชันโทโมกราฟี (PET) สารติดตามต้องเป็น ตัวปล่อยเบตาบวก (beta-plus emitter) เพื่อที่จะปล่อย โพซิตรอน ออกมา กลูโคสแอนาล็อกที่มีฟลูออรีน-18 เป็นมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไป
- ช่วงครึ่งชีวิตเป็น ค่าประนีประนอม: สั้นพอที่กิจกรรมจะสูงระหว่างทำสแกนและปริมาณรังสีที่ผู้ป่วยได้รับหลังทำสแกนจะน้อย แต่ไม่สั้นจนสลายตัวก่อนถึงเนื้อเยื่อ ฟลูออรีน-18 มี $110$ นาที ออกซิเจน-15 มีเพียง $2$ ดังนั้นออกซิเจน-15 จึงต้องผลิตขึ้นในสถานที่
สารทำเครื่องหมาย (tracer) ของ PET คือ:
มันเป็น β$^{+}$ ตัวปล่อยบนโมเลกุล (เช่น กลูโคส) ที่เนื้อเยื่อที่มีกิจกรรมสูงดูดซึมมากกว่า
ทำไมcret-life ของ tracer ถึงถูกเลือกเป็นการประนีประนอม? เลือก ทุก ข้อที่ถูกต้อง
ฟลูออรีน-18 มีcret-life 110 นาที; ออกซิเจน-15 มีเพียง 2 นาทีและต้องผลิตทันที การทิ้งกิจกรรมไว้ในผู้ป่วย afterwards คือสิ่งที่ควรหลีกเลี่ยง ไม่ใช่เป้าหมาย
การทำลายล้าง (Annihilation)
- เมื่ออนุภาคพบกับ อนุภาคปฏิสสาร (antiparticle) ของมัน จะเกิด การทำลายล้าง: มวลของทั้งสองจะเปลี่ยนเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงาน-มวล และโมเมนตัม ทั้งคู่ถูกอนุรักษ์ไว้
- คำอธิบายสำหรับ 4 คะแนน: โพซิตรอนเคลื่อนที่ไปหลายมิลลิเมตรแล้ว ชนกับอิเล็กตรอน ในเนื้อเยื่อ; คู่นี้发生了 การทำลายล้าง, มวลเปลี่ยนเป็นพลังงาน; สิ่งนี้จะปรากฏเป็น โฟตอนรังสีแกมมาสองตัว; เนื่องจาก โมเมนตัม ต้องถูกอนุรักษ์และคู่นี้มีโมเมนตัมเกือบศูนย์ โฟตอนจึงเคลื่อนที่ไปใน ทิศทางตรงกันข้าม โดยมีโมเมนตัมเท่ากัน
- โฟตอนหนึ่งตัวไม่สามารถรักษาโมเมนตัมได้ ประโยคนี้เป็นสิ่งที่ใช้ตอบคำถามระดับคะแนนที่สี่ และเป็นเหตุผลว่าทำไมเทคนิคนี้ถึงทำงานได้
เหตุการณ์หนึ่ง, เส้นตรงหนึ่งเส้น
เส้นทางตรวจ PET
ติดตามการปล่อยโพซิตรอนไปยังวงแหวนของโฟตอนที่ถูกตรวจจับ
เมื่อโพซิตรอนที่ปล่อยออกมาพบอิเล็กตรอน พวกมัน:
สสารและปฏิสสารทำลายล้างกัน: มวลของพวกมันเปลี่ยนเป็นโฟตอนสองตัว
โฟตอนจากการทำลายล้างทั้งสองเดินทางไปในทิศทางตรงกันข้าม
คู่ tadi แทบหยุดนิ่ง ดังนั้นเพื่อรักษาโมเมนตัม โฟตอนจึงต้องเดินทางย้อนกลับหากัน
เรียงลำดับคำอธิบาย 4 คะแนนของการทำลายล้างใน PET ให้ถูกต้อง
ขั้นตอนสุดท้ายคือสิ่งที่ได้คะแนนที่สี่: โฟตอนตัวเดียวไม่สามารถรักษาโมเมนตัมได้ นี่คือเหตุผลที่เทคนิคนี้ทำงานได้
พลังงานของโฟตอนแต่ละตัว
- การอนุรักษ์พลังงานแบ่ง พลังงานนิ่ง (rest energy) ของคู่ให้เป็นโฟตอนสองตัวที่เหมือนกัน:
- ดังนั้นโฟตอนแต่ละตัวจึงพกพา $m_e c^2 = 8.2\times10^{-14}\ \text{J} = 0.51\ \text{MeV} = 511\ \text{keV}$
- โฟตอน PET ทุกตัวมีพลังงานเดียวกันนี้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้เครื่องสแกนปฏิเสธสัญญาณที่ไม่ใช่ $511\ \text{keV}$ เช่น信号กระจายหรือพื้นหลัง
โฟตอนแต่ละตัวจากการทำลายล้างอิเล็กตรอน–โพซิตรอนมีพลังงานเท่าใด (ใน keV):
แต่ละตัวพกพา $m_e c^{2} \approx 0.511\ \text{MeV} = 511\ \text{keV}$
โฟตอนจากการทำลายล้างแต่ละตัวพกพาพลังงาน ____ keV
นั่นคือ m_e c^2, พลังงานนิ่งของ ONE อนุภาค รวมของคู่คือ 1.02 MeV การเขียน 2 m_e c^2 ต่อ photon เป็นข้อผิดพลาดมาตรฐาน
ตัวอย่างวิธีทำ: โฟตอนจากการทำลายล้าง
- หาพลังงานรวมที่ปล่อยออกมาเมื่อโพซิตรอนและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ช้าทำลายล้างกัน และหาความยาวคลื่นของโฟตอนแต่ละตัว
- รวม: $E = 2m_e c^2 = 2(9.11\times10^{-31})(3.00\times10^{8})^2 = 1.64\times10^{-13}\ \text{J} = 1.02\ \text{MeV}$.
- แบ่งเท่าๆ กัน: $8.2\times10^{-14}\ \text{J}$ ต่อตัว
- $\lambda = \dfrac{hc}{E} = \dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^{8})}{8.2\times10^{-14}} = 2.4\times10^{-12}\ \text{m}$, รังสีแกมมา
- หากอนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $4.9\times10^{7}\ \text{m/s}$ แต่ละตัวจะเพิ่มพลังงานเพียง $1.1\times10^{-15}\ \text{J}$ เท่านั้น ประมาณ $1\%$ ของพลังงานนิ่งของมัน พลังงานนิ่งมีอิทธิพลสูงสุด นี่คือเหตุผลที่ว่าทำไมการทำลายล้างทุกครั้งจึงให้ผลลัพธ์ใกล้เคียงกับ $511\ \text{keV}$ มากที่สุด
โฟตอนจากการทำลายล้างมีพลังงาน 8.2e-14 J ความยาวคลื่นของ它有อยู่ในหน่วยของ 1e-12 m คือเท่าใด?
lambda = hc/E = 2.4e-12 m, อยู่ในช่วง gamma อย่างชัดเจน โฟตอนทุกตัวใน PET มีพลังงานเดียวกันนี้ ซึ่งช่วยให้เครื่องสแกนปฏิเสธสิ่งอื่นที่เป็น scatter ได้
การตรวจจับแบบจับคู่ (Coincidence detection)
- โฟตอนทั้งสองออกจากร่างกายในทิศทางตรงกันข้ามและชนกับ วงแหวนของเครื่องตรวจจับ รอบตัวผู้ป่วย
- การบันทึก การมาถึงพร้อมกันสองครั้ง (coincidence) จะกำหนด เส้น ที่เหตุการณ์ทำลายล้างเกิดขึ้น การตรวจจับเพียงครั้งเดียวโดยไม่มีการจับคู่ บอกตำแหน่งอะไรไม่ได้เลย
- การเปรียบเทียบ เวลา Arrival ที่แม่นยำยิ่งขึ้นจะช่วยจำกัดตำแหน่ง ตามแนวเส้น นั้น นี่คือ Time-of-Flight PET
- โฟตอนต้อง escaped ออกจากร่างกายเพื่อให้เครื่องตรวจจับรับได้ นี่คือเหตุผลที่ใช้รังสีแกมมาแทนโพซิตรอนเอง: โพซิตรอนเคลื่อนที่ได้เพียงไม่กี่มิลลิเมตรก่อนจะ发生การทำลายล้าง
โฟตอนสองตัวถูกตรวจจับในเวลาเดียวกัน —一个 ____ — กำหนดเส้นที่การทำลายล้างเกิดขึ้น
เส้นจับคู่จำนวนมากจากมุมต่างๆ หลายๆ มุม ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถสร้างแผนที่ 3-D ของสารติดตามได้
โฟตอนรังสีแกมมาที่ถูกตรวจจับตัวเดียวก็เพียงพอที่จะระบุตำแหน่งเหตุการณ์การทำลายล้าง
การตรวจจับหนึ่งครั้งไม่ให้ตำแหน่งเลย ต้องมีการมาถึงพร้อมกันสองครั้งจากด้านตรงข้าม ซึ่งเป็น coincidence เพื่อกำหนดเส้นที่เหตุการณ์อยู่บน
การสร้างภาพ
- จับคู่จำนวนมากจากมุมต่างๆ ให้เส้นจำนวนมาก คอมพิวเตอร์จะค้นหาจุดที่เส้น รวมตัวกันหนาแน่น นั่นคือตำแหน่งที่มีสารติดตาม
- ผลลัพธ์คือแผนที่สามมิติ ไม่ใช่ของกายวิภาค แต่เป็นของ ความเข้มข้นของสารติดตาม ซึ่งหมายถึง กิจกรรมทางเมแทบอลิซึม
- นี่คือข้อแตกต่างที่สำคัญเมื่อเทียบกับ CT scan: CT แสดง โครงสร้าง, PET แสดง การทำงาน เครื่องสแกนสมัยใหม่มักทำทั้งสองอย่างและซ้อนทับกัน
จับคู่การตรวจแต่ละชนิดกับสิ่งที่แสดง
Coincidence ให้ LINE, ไม่ใช่จุด; จุดมาจากที่เส้นหลายเส้นตัดกัน เครื่องสแกนสมัยใหม่มักซ้อนทับภาพทั้งสอง
คะแนนที่หลุดหายไป
- โฟตอนทั้งสองเคลื่อนที่ไปใน ทิศทางตรงกันข้าม เพราะ โมเมนตัม ต้องถูกอนุรักษ์ ให้กล่าวกฎการอนุรักษ์นั้น ไม่เพียงแต่บอกทิศทาง
- โฟตอนแต่ละตัวมี $511\ \text{keV}$, ซึ่งเท่ากับ $m_e c^2$, ไม่ใช่ $2m_e c^2$. รวมของคู่คือ $1.02\ \text{MeV}$
- สารติดตามเป็น ตัวปล่อยเบตาบวก ตัวปล่อยรังสีแกมมาจะไม่发生การทำลายล้างและไม่สามารถระบุตำแหน่งด้วยการจับคู่
- ช่วงครึ่งชีวิตเป็นค่าประนีประนอม: สั้น เพื่อลดปริมาณรังสี แต่ยาวนานพอที่จะไปถึงเนื้อเยื่อ
- การจับคู่ (coincidence) ให้เส้น ไม่ใช่จุด จุดมาจากการตัดกันของเส้นจำนวนมาก
คุณเข้าใจแล้ว
- a tracer คือนิวเคลียกกัมมันตรังสีที่ถูกนำเข้าสู่ร่างกายและถูกดูดซึมโดยเนื้อเยื่อที่ศึกษา; PET ต้องการ ตัวปล่อยเบตาบวก เช่น ฟลูออรีน-18
- โพซิตรอน 发生了การทำลายล้าง กับอิเล็กตรอน และ การอนุรักษ์โมเมนตัม บังคับให้เกิด โฟตอนรังสีแกมมาสองตัว ใน ทิศทางตรงกันข้าม
- โฟตอนแต่ละตัวพกพา $m_e c^2 = 0.51\ \text{MeV}$, มีความยาวคลื่นประมาณ $2.4\times10^{-12}\ \text{m}$
- การจับคู่ที่วงแหวนเครื่องตรวจจับกำหนด เส้น ของเหตุการณ์ และเส้นจำนวนมากจากมุมต่างๆ สร้างแผนที่ 3 มิติของ ความเข้มข้นของสารติดตาม