Исследователи из Университета Васэда и Университета Осаки впервые провели полноцветную трехмерную визуализацию живого организма с помощью комптоновской камеры весом всего 580 граммов.

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 позитронами и гамма-квантами низких энергий — менее 511 и 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. Поскольку фотоны в этом случае не интерферируют, их частота изменяется, а часть энергии передается электронам. Таким образом, метод, теоретически, позволяет использовать радионуклиды с широким диапазоном энергий — от сотен килоэлектронвольт до 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 (ПЭТ и ОФЭКТ на это способны).

Двухмерная визуализация всех гамма-квантов (d), только иода-131 (a), стронция-85 (b), цинка-65 © и проекция всех снимков на трехмерное пространство (e) / ©Aya Kishimoto et al., Scientific Reports, 2017 В 2011 году японские 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. Пространственное разрешение устройства превышает три миллиметра, а характеристическая эффективность достигает 0,06 процента для гамма-квантов с энергией в 662 килоэлектронвольта. Теперь авторы испытали разработку на мыши. В эксперименте in vivo животному вводили три изотопа — иод-131, стронций-85 и цинк-65, — после чего обследовали его под 12 углами с шагом в 30 градусов.

Анализ показал, что мишенью каждого изотопа, в зависимости от радиофармпрепарата, выступали разные внутренние органы, например щитовидная железа для иода-131, печень, сердце, легкие и кишечник для 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.

Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Ранее международная группа ученых испытала новую технику медицинской визуализации с использованием квантовых точек в качестве флуоресцентных меток.