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L’imaging PET ultraveloce potrebbe far luce su malattie cardiache e neurologiche
L’Imaging Physics Group del National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) in Giappone ha sviluppato uno scanner PET ultrasensibile per piccoli animali che consente l’imaging dinamico di un ratto in meno di secondo.
L’imaging PET dinamico è un importante strumento di ricerca preclinica utilizzato per visualizzare informazioni funzionali in tempo reale in un animale vivente.
Attualmente, tuttavia, la risoluzione temporale degli scanner PET per piccoli animali è dell’ordine dei secondi, che è troppo lenta per visualizzare il flusso sanguigno nel cuore o tracciare l’attività neuronale del cervello.
Per rimediare a questo, l’Imaging Physics Group del National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) in Giappone ha sviluppato uno scanner PET ultrasensibile per piccoli animali che consente l’imaging dinamico di un ratto in meno di secondo.
La limitata risoluzione temporale degli scanner PET preclinici convenzionali deriva dalla loro bassa sensibilità (circa il 10%), causata da cristalli di rilevamento relativamente sottili (10 mm) e da un campo visivo assiale (FOV) corto.
Così il team QST ha costruito un sistema basato su rivelatori a quattro strati con codifica di profondità con uno spessore totale di 30 mm.
Lo scanner ha un FOV assiale lungo 325,6 mm, che fornisce una copertura totale del corpo senza alcun movimento del letto, mentre un piccolo diametro interno di 155 mm aumenta ulteriormente l’efficienza di rilevamento.
“L’applicazione principale dello scanner PET per piccoli animali (TBS-PET) sarà la valutazione di nuovi radiofarmaci, in particolare per le malattie cardiovascolari e neurodegenerative, fornendo immagini PET di roditori con risoluzione temporale inferiore al secondo”, dice il primo autore Han Gyu Kang a Physics World.
“Inoltre, lo scanner sarà utilizzato per l’imaging PET in-beam e il tracciamento di singole cellule, dove è richiesta un’altissima sensibilità”.
Valutazione delle prestazioni
Lo scanner TBS-PET contiene sei anelli di rivelazione, ciascuno dei quali incorpora 10 rilevatori di profondità di interazione (DOI). Ogni rivelatore DOI comprende un array di cristalli di ossiortosilicato di gadolinio drogato con zirconio (GSOZ) a quattro strati (16×16 cristalli per strato) e una serie di tubi fotomoltiplicatori multi-anodo.
Il team ha selezionato i cristalli GSOZ perché non hanno alcun segnale di radiazione intrinseco, consentendo così l’imaging PET a bassa attività.
La sorgente puntiforme di Na ha rivelato una sensibilità di picco del 45,0% nella finestra di energia di 250-750 keV, più di quattro volte quella degli scanner PET commerciali o da laboratorio per piccoli animali.
Il sistema ha mostrato una risoluzione spaziale uniforme di circa 2,6 mm attraverso il FOV, grazie alle informazioni DOI a quattro strati, che hanno ridotto efficacemente l’errore di parallasse.
Imaging in vivo
Kang e colleghi hanno poi ottenuto immagini PET total body in vivo di ratti sani utilizzando una posizione a letto singolo.
I traccianti F-FDG hanno visualizzato chiaramente le strutture ossee e il metabolismo del glucosio, rispettivamente, dell’intero corpo del ratto.
Passando all’imaging dinamico, i ricercatori hanno iniettato un Bolo di F-FDG nella vena caudale di un ratto anestetizzato per 15 s, seguito da un’iniezione di soluzione salina 15 s dopo l’iniezione.
Hanno acquisito dati PET dinamici in fase iniziale ogni secondo fino a 27 secondi dopo l’iniezione
. Per abilitare l’imaging PET in frazioni di secondo, hanno utilizzato un software personalizzato per suddividere i dati in modalità elenco (intervallo di tempo di 1 s) in intervalli di tempo di 0,5 s, 0,25 s e 0,1 s.
Le immagini PET dinamiche con un intervallo di tempo di 0,5 s hanno visualizzato chiaramente il flusso sanguigno dalla coda al cuore attraverso la vena iliaca e la vena cava inferiore per i primi 2 s, dopodiché il tracciante ha raggiunto l’atrio destro e il ventricolo destro.
A 4,0 s dopo l’iniezione, il sangue scorreva dal ventricolo sinistro al cervello attraverso le arterie carotidi.
La corteccia e i reni sono stati identificati 5,5 secondi dopo l’iniezione. Dopo circa 17,5 s, il picco salino poteva essere identificato nelle curve tempo-attività (TAC).
Le TAC visualizzavano chiaramente la dispersione temporale tra i ventricoli destro e sinistro (1,25 s).
Questo valore può cambiare per gli animali con malattie cardiache e il team prevede di esplorare i benefici della PET a rapida risoluzione temporale per la diagnosi di malattie cardiovascolari e neurodegenerative.
I ricercatori concludono che lo scanner TBS-PET consente l’imaging dinamico con un frame rate quasi in tempo reale, visualizzando la funzione cardiaca e la circolazione polmonare di un ratto con una risoluzione temporale di 0,25 s, un’impresa che non è possibile con i tradizionali scanner PET per piccoli animali.
“Uno svantaggio dello scanner TBS-PET è la risoluzione spaziale relativamente bassa di circa 2,6 mm, che è limitata dal passo dei cristalli relativamente grande di 2,85 mm”, afferma Kang.
“Per risolvere questo problema, stiamo sviluppando un nuovo scanner PET per piccoli animali che impiega rilevatori di codifica della profondità a tre strati con passo cristallino di 0,8 mm, verso il nostro obiettivo finale di imaging PET con risoluzione temporale inferiore al millimetro e al secondo nei modelli di roditori”.
Lo scanner TBS-PET è descritto in Physics in Medicine & Biology.
Immagine: Han Gyu Kang
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