Pozitronska emisiona tomografija u istraživanjima moždanih funkcija jedna je od najsavremenijih metoda nuklearne medicine koja omogućava vizualizaciju promena u mozgu na osnovu različite aktivnosti pojedinih njegovih delova. Naime nakon unošenje radioobeleživača (radiomarkera) u krvotok ispitanika, iz tragova radioaktivnih jedinjenja dospelih do mozga dobijanju se dijagnostičke informacija o različitim stadijumima bolesti u različitim regijama mozga. Ova tehnika odlikuje se visokom prostornom rezolucijom reda 1–3 milimetra, ali malom vremenskom rezolucijom od oko 1 sekunde, što onemogućava registrovanje brzih promena moždane aktivnosti.Clarke DD, Sokoloff L: Circulation and energy metabolism in the brain. In: Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, SK Fisher, Uhler MD, editors. Basic Neurochemistry. 6 ed. New York: Lippincot-Raven. Za registraciju ovih brzih promena u mozgu koristi se kompjuter, koji prikupljene podatke od strane detektora pretvara u multi-dimenzionalne (obično 3-dimenzionalne ili 4-dimenzionalne) slike koje prikazuju distribuciju radioobeleživača u mozgu. Posebno su koristi širok spektar liganada, koji se koriste za mapiranje različitih oblika delovanja neurotransmitera, a daleko najčešće i PET tragači za obekežene oblike glukoze.
Kod pozitronske emisione tomografija u istraživanjima moždanih funkcija primjenjuje se radiomarker, obeležen pozitronski emiter kratkog života u nanomolarnim ili pikomolarnim koncentracijama; ugljenik 11C (T1/2 = 20,4 min), fluor 18F (T1/2 = 110 min), kiseonik 15O (T1/2 = 2,03 min), azot 13N (T1/2 = 9,97 min). Kako su radiomarkeri kratkoživeći izotopi, uz uređaj za pozitronsku emisionu tomografiju mora biti i ciklotron (u kojem se oni proizvode).
Upotreba C, O, F, i N, koji se nalaze u velikom broju molekula u živom organizmu, pruža mogućnost njihovog vezivanja za ciljni molekul što može biti; enzim od značaja za metabolizam neurotransmitera, ćelijski receptor, transporter, itd., što nakon njihovog vezivanja omogućava praćenje biohemijskih procesa u mozgu „in vivo“.(1–2): 42–68 Istorija Istraživanja moždanih funkcija u korelaciji sa građom mozga više vekova unazad bila su povezana za poslesmrtna klinička ili neuropatološka istraživanja. Eksperimenti na životinjama pomogli su u prikupljanju informacije o moždanim funkcijama, ali kod animalnih modela postojala su brojna ograničenja u istraživanjima viših nervnih funkcija.
Ove viševekovne istorijske probleme počeo je da rešava razvoj nuklearne medicine koji se neprestano kretao uzlaznom putanjom zahvaljujući, pre svega, doprinosu velikog broja naučnika, inžinjera i fizičara. Počeci ove grane medicine vezani su za kraj devetnaestog veka i otkrića radioaktivnosti (Antoan Anri Bekerel, 1896) , radijuma (Marija Kiri, 1898) i x-zraka (Wilhelm Roentgen, 1895).Simon R. Cherry, James A. Sorenson, Michael E. Phelps, Physics in Nuclear Medicine, 4th Edition, Copyright © 2012, 2003, 1987, 1980 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc.
Ubrzo po ovim otkrićima počela je primena izvora X-zračenje i radijuma u medicini u cilju dobijanju slika, uz pomoć jonizujućeg zračenja transmitovanog kroz telo pacijenta na fotografsku ploču. Ova metoda omogućavala je fizičarima, da po prvi put, neinvazivno vide „unutar“ ljudskog tela i bila naročito korisna za imidžing kostiju. X-zračenje je ubrzo postalo glavno sredstvo za dobijanje radiografskih slika zbog brzine i boljeg kontrasta u odnosu na metode koje su uključivale korišćenje radijuma i drugih radionuklida dostupnih u tom istorijskom razdoblju.
мини|Đerđ de Heveš (1885–1966) mađarski radiokemičar koji je za svoj rad na radioaktivnim označivačima kemijskih procesa u metabolizmu životinja dobio Nobelovu nagradu za hemiju. Temelje za biološki razvoj nuklearne medicine postavili su između 1910. i 1945. godine;Fred A. Mettler jr., Milton J. Guibertau, Essentials Of Nuclear Medicine Imaging, 6th Edition, Copyright © 2012, 2006, 1998, 1991, 1985, 1983 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc Đerđ de Heveš (1913) koji je razvio principe korišćenja radioaktivnih markera i prvi ih primenio u biološkom sistemu 1923. godine, izučavajući apsorpciju i transport radioaktivnognitrata u biljkama. Prvi biološki eksperimenti sa prirodnim radionuklidom ThB (212Pb) Đerđ de Heveš objavio je 1920. godine, u kojima je rastvoru u kome je gajen bob dodavao radioaktivno olovo. Elektroskopom je pratio raspodelu radioaktivnosti u pojedinim delovima biljke čime je otkrio naćin praćenja metabolizma.@ J.Vučina, Proizvodnja radionuklida za primenu u medicini, u: N.Vanlić-Razumenić, Radiofarmaceutici sinteza, osobine i primena, Velarta, Beograd. стр. 26-44 (1998). Blumgart i Weiss, koji su (najverovatnije 1927. godine), objavili rezultate prvog istraživanje u kojem je marker unet u ljudski organizam. Tada je vodeni rastvor radona unet intravenozno u organizam, a zatim je mereno vreme prolaska krvi od jedne do druge ruke, korišćenjem Wilson-ove komore kao detektora zračenja. Lorens je 1930. godine, nakon pronalaska ciklotrona, omogućio veštačku proizvodnju radionuklide, i time povećao opseg bioloških procesa koji su kasnije izučavani. Nakon što je E. Fermi, otkrio neutrone 1932. godine osim teškog i toksičnog olova, korišćeni su i drugi prirodni radionuklidi (210Bi, 226Ra). Ovo otkriće pomoglo je de Hevešu, da napravi prvi neutronski izvor, i za svoja ispitivanja koristi 32P koji nastaje (D,n) reakcijom na lakim elementima kao štoje berilijum.
Veliki pomak u odnosu na dotadašnje brojanje signala u nekoliko izabranih tačaka merenja, nastao je u pedesetim godinama 20. veka kada je došlo do razvoja tehnologije koja je omogućavala dobijanje slika distribucijom radionuklida u ljudskom telu Konačno, na kraju Drugog svetskog rata, nuklearni reaktori koji su bili razvijeni kao deo Menhetn Projekta počeli su da se koriste za proizvodnju radioaktivnih izotopa ukoličinama koje su mogle da zadovolje potrebe za primenu u medicini.
Prekretnica u daljem razvoju nuklearne medicine nastala je primenom rektilinearnog skenera (Benedict Cassen, 1951.) i anger-kamere (Hal Anger, 1958.) kao preteče svih modernih nuklearno-medicinskih sistema za imidžing pojedinačnim fotonom.
Tokom 1964. godine (Paul Harper) je u imidžing prvi put primenio tehnecijum što je predstavljalo prekretnicu u daljem razvoju nuklearne medicine, jer se do tada uglavnom koristio jod za proučavanje i postavljanje dijagnoze kod tiroidnih poremećaja, kao i neki drugi radionuklidi koji su mogli da se koriste samo za mali broj organa.
Poslednji bitna faza u istorijskom razvoju nuklearne medicine bio je razvoj matematike za rekonstrukciju tomografskih slika. Ovo je revolucioniralo izmenilo nabolje čitavo polje medicinskog imidžinga zato što je zamenilo dvodimenzionalni prikaz trodimenzionalne distribucije radioaktivnosti sa stvarnim trodimenzionalnim prikazom. Ovo otkriće tako je omogućilo razvoj pozitronske emisione tomografije (PET) i jednofotonske emisione kompjuterizovane tomografije (SPECT) tokom sedamdesetih godina prošlog veka, čime je započeto moderno doba nuklearne medicine.. Dale L Bailey, David W Townsend, Peter E Valk, Michael N Maisey, Positron Emission Tomography - Basic Sciences, Springer Science+Business Media, London, 2005
Konvencionalna radiologija, kompjuterska tomografija (CT) i vizualizacija magnetnom rezonancom (MRI) pružaju prvenstveno morfološke informacije. Poslednje dve decenije razvijene su tehnike koje neinvazivnim putem omogućavaju specifičan prikaz moždanih struktura tokom različitih aktivnosti. Ove tehnike se nazivaju funkcionalna vizualizacija () mozga (tzv „slike mozga u akciji“). Osnovu funkcionalne vizualizacije mozga čine sledeće tehnike koje mere regionalni protok krvi: jednofotonska emisiona kompjuterska tomografija (SPECT), pozitronska emisiona tomografija (PET) i funkcijska MRI mozga (fMRI).(1):
Današnji PET skeneri koriste širok dijapazon markera, koji pokrivajući sve glavne organske sisteme u telu, pružaju mogućnost različitih merenja biološke funkcije (metabolizam kostiju, metabolizam glukoze, tiroidna funkcija itd).Peter Hogg, Giorgio Testanera, Principles and Practice of PET/CT Part 1 - A Technologist‘s Guide, European Association of Nuclear Medicine, Austria, 2010.
U prvim decenijama 21. veku započeo je razvoj multimodalne instrumentacije. Gotovo svi PET skeneri i rastući broj SPECT sistema su danas integrisani sa skenerima za kompjuterizovanu tomografiju (CT), formirajući PET/CT i SPECT/CT konfiguracije. Ovi sistemi omogućavaju lako povezivanje strukture (CT) i funkcije (PET ili SPECT) dajući bolji dijagnostički uvid u mnogim kliničkim situacijama.Miloš Radulović 1.2.Istorijski razvoj U: Fizičke osnove PET/CT dijagnostičkog uređaja, Master rad, Prirodno matematički falultet Univerziteta u Novom Sadu, Drepartment za fiziku, Novi Sad.
Osnovni principi PET imidžinga мини|Shematizovani prikaz detekciji pozitronske anihilacije U pozitronskoj emisionoj tomografiji koriste se samo radionuklidi koji emituju pozitrone. Za PET se koriste pozitronski (β+) emiteri. Detekcija pozitronske anihilacije Tehnika PET zasniva se na detekciji pozitronske anihilacije ili anihilacionoj koincidentnoj detekciji (AKD). Naime gotovo simultane detekcije dva anihilaciona fotona omogućuju PET-u da, duž linije između dva detektora, locira mesto njihovog nastanka. Emiter β+ doživljava anihilaciju na razdaljini manjoj od 1 milimetar od mesta nastanka. Kada dolazi do anihilacije emituju se dva fotona, svaki od 511 keV pod uglom od 180° jedan od drugog. Signal se registruje samo kada se konstatuju dva 511 keV fotona na dva detektora PET kamere postavljene poduglom od 180° u suprotnim smerovima, obično sa udaljenosti od nekoliko desetih delova milimetra do nekoliko milimetara od mesta gde je pozitron bio emitovan.Clarke DD, Sokoloff L: Circulation and energy metabolism in the brain. In: Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, SK Fisher, Uhler MD, editors. Basic Neurochemistry. 6 ed. New York: Lippincot-Raven. Detekciju fotonskog para u detektorima obično definiše zapreminu iz koje su oni emitovani. Većina anihilacionih koincidentnih detektora imaju kvadratne, ili pravougaone poprečne preseke, tako da i zapremina ima takav poprečni presek, sa dimenzijama jednakim dimenzijama detektora.
Detektori vremenskog žiga Mnogi PET skeneri imaju elektronske uređaje koji prilepe neku vrstu digitalnog vremenskog žiga na snimak svakog događaja. Ovo se izvršava sa preciznošću od približno jedne do dve nanosekunde. Koincidentni procesor poredi vremenski žig za svaki događaj sa jednog detektora sa vremenskim žigom na događaju iz naspramnog detektora. Ako su su se dva događaja desila unutar unapred definisanog koincidentnog vremenskog prozora (koji je obično 6 do 12 nanosekundi), nastaje koincidentni događaj. Iako se anihilacioni fotoni emituju istovremeno, potrebno je ostaviti mali vremenski prozor kako bi se tolerisale razlike u trajanju prenosa signala kroz kablove i elektroniku, kao i razlike u distancama koje prelaze dva fotona od mesta anihilacije do detektora. Ubacivanjem više parova naspramih detektora i njihovo prostorno uređenje u obliku kruga, ili nekog drugog geometrijskog oblika oko pacijenta, mogu se istovremeno dobiti informacije iz više različitih projekcionih uglova. Ovo omogućuje izvođenje relativno brzih, dinamičkih studija, kao i redukciju artefakta izazvanih pomeranjem pacijenta.
Radioemiteri ili radiofarmci u PET Radioemiter ili radiofarmak se različito nakuplja u pojedinim delovima mozga, što zavisi od njihovih aktivnosti: Samim tim različit je i intenzit anihilacije detektovan PET kamerom u krugu od 360° oko spoljašnje konture glave. tako nastaje rekonstruisana slika koja daje podatke o mestu i koncentraciji izotopa u mozgu. Pri čemu treba navesti da ne postoji razlike u rezoluciji i osetljivosti pri skeniranju bilo kojeg dela mozga. Ovako rekonstruisana slika može otkriti promena aktivnosti sa tačnošću od 6 milimetara.(5):