اصول تصویربرداری پزشکی هسته ای و تجزیه و تحلیل تصویر

اصول تصویربرداری پزشکی هسته ای و تجزیه و تحلیل تصویر

علاوه بر تصویربرداری سنتی گاما گاما، دو تکنیک اصلی تصویربرداری هسته ای توسعه یافته، توموگرافی انتشار پوزیترون (PET) و توموگرافی کامپیوتری تکثیر شده فوتون (SCECT) است. هر دو روش تصویربرداری در حال حاضر استاندارد در خدمات پزشکی هسته ای هستند.

تکنیک های تصویربرداری و رادیواکتیوالتیکی در تحقیقات بین رشته ای

معرفی

تفاوت اصلی بین تصویربرداری هسته ای و سایر آزمایشات رادیولوژیک این است که تصویربرداری هسته ای چگونه عملکرد ارگان ها را ارزیابی می کند، در حالیکه سایر روش های تصویربرداری آناتومی را ارزیابی می کنند یا اینکه چگونه اندامها را بررسی می کنند. مزیت ارزیابی عملکرد یک عضو این است که به پزشکان کمک می کند تا تشخیص و برنامه ریزی درمان های موجود یا آینده را برای بخشی از بدن ارزیابی کنند. پیشرفت های سریع در فن آوری های مهندسی و محاسبات امکان پذیر است که تصاویر هسته ای چند بعدی چند بعدی از اندام های پیچیده را برای تجزیه و تحلیل اطلاعات ساختاری و کاربردی فیزیولوژی انسانی برای تشخیص کامپیوتری، ارزیابی درمان و مداخله ای بدست آورند. اختراعات و تحولات تکنولوژیکی فرصت های جدید و پیشرفت های جدید را در تشخیص پزشکی هسته ای ایجاد کرده اند. برنامه کاربردی و موفقیت تجاری روش های جدید تصویربرداری هسته ای عمدتا به سه عامل اصلی بستگی دارد: حساسیت، ویژگی و اثربخشی هزینه. دو نفر اول ارزش افزوده بالینی را در مقایسه با روش های تصویربرداری پزشکی موجود تعیین می کنند. امروزه اهمیت بسیار بیشتری به اثربخشی هزینه ای نسبت به گذشته متصل می شود. این نیز برای تجهیزات تشخیصی درست است که به عنوان مثال یکی از عواقب آن این است که فرسایش قیمت رخ می دهد که در آن عملکرد یک ابزار برای توسعه بیشتر باز نیست. اثربخشی هزینه با مدیریت اطلاعات کارآمدتر در بیمارستان ها افزایش می یابد که از طریق دیجیتالی اطلاعات تشخیصی امکان پذیر است. ادغام اجتناب ناپذیر داده های پزشکی همچنین امکانات جدیدی را ارائه می دهد، مانند استفاده از تصاویر پیش از عمل به دست آمده در طی مراحل جراحی.

این فصل اصول روش های تصویربرداری هسته ای را ارائه می دهد و برخی موارد مطالعات و روند آینده تصویربرداری هسته ای را ارائه می دهد. این بحث بیش از حد تحولات اخیر در تجزیه و تحلیل تصویر و تاثیر احتمالی برخی از پیشرفت های تکنولوژیکی فعلی در تصویربرداری پزشکی هسته ای را مورد بحث قرار می دهد. این نظرسنجی محدود به تحولات بیمارستان ها است، عمدتا در محدوده محصولی از برخی از شرکت های معروف و در حال ظهور بین المللی است.

تصویربرداری پزشکی

تصویربرداری پزشکی تکنیک و فرآیند تصویربرداری از داخل بدن برای تجزیه و تحلیل بالینی و مداخله پزشکی و همچنین نمایش بصری عملکرد برخی از اندام ها یا بافت ها (فیزیولوژی) است. تصویربرداری پزشکی به دنبال آشکارسازی ساختارهای داخلی پنهان شده توسط پوست و استخوان و همچنین تشخیص و درمان بیماری است. تصویربرداری پزشکی همچنین پایگاه داده ای از آناتومی و فیزیولوژی طبیعی ایجاد می کند تا امکان شناسایی ناهنجاری ها را فراهم کند. اگرچه تصویربرداری از اندام ها و بافت های برداشته شده را می توان به دلایل پزشکی انجام داد، چنین روش هایی معمولاً به جای تصویربرداری پزشکی بخشی از آسیب شناسی در نظر گرفته می شوند.

به عنوان یک رشته و در گسترده ترین معنای آن، بخشی از تصویربرداری بیولوژیکی است و شامل رادیولوژی است که از فناوری های تصویربرداری رادیوگرافی اشعه ایکس، تصویربرداری تشدید مغناطیسی، سونوگرافی، آندوسکوپی، الاستوگرافی، تصویربرداری لمسی، ترموگرافی، عکاسی پزشکی و هسته ای استفاده می کند. تکنیک‌های تصویربرداری عملکردی پزشکی مانند توموگرافی گسیل پوزیترون (PET) و توموگرافی کامپیوتری انتشار تک فوتون (SPECT).

روش‌های اندازه‌گیری و ضبط که اساساً برای تولید تصاویر طراحی نشده‌اند، مانند الکتروانسفالوگرافی (EEG)، مغناطیسی مغزی (MEG)، الکتروکاردیوگرافی (ECG) و سایر روش‌ها، نشان‌دهنده فناوری‌های دیگری هستند که داده‌های حساس به نمایش را به عنوان نمودار پارامتر در مقابل زمان یا نقشه‌ها تولید می‌کنند. که حاوی داده های مربوط به مکان های اندازه گیری است. در یک مقایسه محدود، این فناوری ها را می توان اشکال تصویربرداری پزشکی در رشته دیگری در نظر گرفت.

تا سال 2010، 5 میلیارد مطالعه تصویربرداری پزشکی در سراسر جهان انجام شده است.[1] قرار گرفتن در معرض تشعشع از تصویربرداری پزشکی در سال 2006 حدود 50٪ از کل قرار گرفتن در معرض پرتوهای یونیزان در ایالات متحده را تشکیل می داد.[2] تجهیزات تصویربرداری پزشکی با استفاده از فناوری صنعت نیمه هادی، از جمله تراشه های مدار مجتمع CMOS، دستگاه های نیمه هادی قدرت، حسگرهایی مانند حسگرهای تصویر (به ویژه سنسورهای CMOS) و حسگرهای زیستی، و پردازنده هایی مانند میکروکنترلرها، ریزپردازنده ها، پردازنده های سیگنال دیجیتال، پردازنده های رسانه و ... تولید می شوند. دستگاه های سیستم روی تراشه تا سال 2015، محموله های سالانه تراشه های تصویربرداری پزشکی بالغ بر 46 میلیون واحد و 1.1 میلیارد دلار بوده است.[3]

اغلب تصور می شود که تصویربرداری پزشکی مجموعه ای از تکنیک ها را تعیین می کند که به صورت غیرتهاجمی تصاویری از جنبه داخلی بدن تولید می کنند. در این مفهوم محدود، تصویربرداری پزشکی را می توان به عنوان راه حل مسائل معکوس ریاضی در نظر گرفت. این بدان معنی است که علت (خواص بافت زنده) از اثر (سیگنال مشاهده شده) استنتاج می شود. در مورد سونوگرافی پزشکی، پروب شامل امواج فشار اولتراسونیک و پژواک است که برای نشان دادن ساختار داخلی به داخل بافت می رود. در مورد رادیوگرافی پروجکشنال، کاوشگر از تابش اشعه ایکس استفاده می کند که با سرعت های مختلف توسط انواع مختلف بافت مانند استخوان، ماهیچه و چربی جذب می شود.

اصطلاح "غیر تهاجمی" برای اشاره به روشی استفاده می شود که در آن هیچ ابزاری به بدن بیمار وارد نمی شود، که در مورد اکثر تکنیک های تصویربرداری استفاده می شود.

فهرست

1 انواع

1.1 رادیوگرافی

1.2 تصویربرداری رزونانس مغناطیسی

1.3 پزشکی هسته ای

1.4 سونوگرافی

1.5 الاستوگرافی

1.6 تصویربرداری فوتوآکوستیک

1.7 توموگرافی

1.8 اکوکاردیوگرافی

1.9 طیف سنجی نزدیک به مادون قرمز عملکردی

1.10 تصویربرداری ذرات مغناطیسی

2 در بارداری

3 به حداکثر رساندن استفاده از روش تصویربرداری

4 ایجاد تصاویر سه بعدی

5 تصویربرداری غیر تشخیصی

6 آرشیو و ضبط

6.1 DICOM

6.2 فشرده سازی تصاویر پزشکی

6.3 تصویربرداری پزشکی 

7 استفاده در آزمایشات بالینی دارویی

8 محافظ

9 حفاظت از حریم خصوصی

10 صنعت

پزشکی هسته ای و فیزیک تصویربرداری مولکولی با مهندس شکوفه ساتری

T: پزشکی هسته ای و فیزیک تصویربرداری مولکولی با مهندس شکوفه ساتری

ابزار دقیق پزشکی هسته ای – طرح های حال و آینده

توموگرافی کامپیوتری در پزشکی هسته ای

رزونانس مغناطیسی در پزشکی هسته ای

تصویربرداری SPECT، SPECT/CT

تصویربرداری PET/CT

تصویربرداری PET/MR

استراتژی های بازسازی و تصحیح تصویر

ثبت و تقسیم بندی تصویر

کمی سازی تصویر

رادیونوکلئید درمانی

مدل سازی جنبشی ردیاب

دزیمتری پزشکی هسته ای

مدل سازی مونت کارلو در پزشکی هسته ای

دزیمتری در پزشکی هسته ای (آزمایش ها، محاسبات)

تصویربرداری مولکولی

تضمین کیفیت

نوآوری در فیزیک پزشکی

ب: نوآوری در فیزیک پزشکی با مهندس شکوفه ساتری

نوآوری و فناوری جدید/در حال ظهور در رادیولوژی تشخیصی و مداخله ای

نوآوری و فناوری جدید/در حال ظهور در پرتو انکولوژی

نوآوری و فناوری جدید/در حال ظهور در پزشکی هسته ای

با استفاده از فرکانس رادیویی، اولتراسوند، کرایوتراپی و غیره ابلیشن را هدف قرار دهید

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

درس فیزیک پزشکی با مهندس شکوفه ساتری

مضامین و موضوعات کلیدی

الف: اعتبار و گواهینامه

ب: نوآوری در فیزیک پزشکی

ج: تصویربرداری زیستی و سیگنال‌های زیستی

د: زیست میکرو/نانو فناوری

E: بیوالکترونیک و الکترونیک

ف: رادیوبیولوژی

ز: مواد زیستی و پزشکی احیا کننده

H: بیومکانیک و مکانوبیولوژی

I: BioRobotics بیورباتیک و تجهیزات پزشکی

ج: مهندسی بالینی

ک: مدلسازی محاسباتی و شبیه سازی

ل: فیزیک رادیولوژی تشخیصی و مداخله ای

M: مهندسی / زیست شناسی مصنوعی

N: تجزیه و تحلیل مراقبت های بهداشتی، داده های بزرگ و هوش مصنوعی

O: ارزیابی فناوری سلامت

P: نوآوری ها در برابر COVID-19 و سایر بیماری های انسانی

س: آموزش، آموزش و توسعه حرفه ای فیزیک پزشکی و مهندسی زیست پزشکی

R: فیزیک پزشکی چند رشته ای

S: مهندسی اعصاب / نوروتکنولوژی

T: پزشکی هسته ای و فیزیک تصویربرداری مولکولی

U: اپتیک برای پزشکی و زیست شناسی

V: ایمنی بیمار و حفاظت در برابر اشعه (عمومی)

W: دزیمتری تشعشع

X: فیزیک پرتو درمانی

تصویربرداری توموگرافی گسیل پوزیترون

توموگرافی گسیل پوزیترون

تصویربرداری عملکردی پزشکی هسته ای

روش های جایگزین اسکن

کاربردهای توموگرافی گسیل پوزیترون

انکولوژی، تصویربرداری عصبی، قلب و عروق، بیماری های عفونی و فارماکوکینتیک

تصویربرداری از حیوانات کوچک

تصویربرداری اسکلتی- عضلانی

ایمنی

عملیات

رادیونوکلئیدها و رادیو ردیاب ها

انتشار

محلی سازی رویداد نابودی پوزیترون

بازسازی تصویر

ترکیب PET با CT یا MRI

محدودیت های PET

تولید رادیونوکلئیدهای ساطع کننده پوزیترون، سنتز و کنترل کیفی رادیو ردیاب‌ها و توسعه رادیو ردیاب‌های جدید

مدیریت رادیو ردیاب ها و استراتژی های آماده سازی بیمار

استفاده در ارزیابی سلامت انسان و در تشخیص و نظارت بر بیماری ها از جمله سرطان ها و تومورهای غیر بدخیم، اختلالات عصبی، بیماری های قلبی عروقی و شرایط زمینه ای و اثرات دیابت و سایر شرایط بر روی تصویربرداری PET

تصویربرداری اسکلتی عضلانی

نظارت بر اثرات درمان های دارویی و استفاده در آزمایشات بالینی داروهای جدید و در مطالعات حیوانی

ارزیابی عملکرد و عفونت دستگاه های کاشتنی و پروتز

نقش و مشخصات ناقل‌های غشایی مرتبط و/یا گیرنده‌های هدف، توصیف متابولیسم زمینه‌ای و مسیرهای کنترل و تغییرات در بیان و/یا فعالیت نشانگرهای بیولوژیکی مرتبط.

متابولیسم و ​​سرنوشت رادیو ردیاب ها

اهداف مولکولی و بیماری های جدید برای تصویربرداری PET

طراحی آشکارساز و ساخت تصویر PET، پیشرفت در پردازش و محاسبه ریاضی داده ها، بهبود حساسیت و وضوح تصویر

PET چند بعدی، پویا و با زمان تفکیک و جفت شدن PET با سایر روش های تصویربرداری برای تولید تصاویر ترکیبی

پزشکی هسته ای

پزشکی هسته ای

تصویربرداری مولکولی و انکولوژی هسته ای

بیوپسی غدد لنفاوی نگهبان

دستگاه تناسلی

تحولات رادیو داروسازی

ابزار دقیق و تصویربرداری

حفاظت در برابر تشعشع و رادیوبیولوژی

انکولوژی بالینی

تشعشع انکولوژی

انفورماتیک پزشکی

فیزیک پزشکی

غدد درون ریز

قلب و عروق

عصب شناسی

حفاظت در برابر اشعه و دزیمتری

تولید رادیوداروها

رادیوداروها و حفاظت رادیویی

فیزیک / سیکلوترون

رادیوفیزیک

رادیوبیولوژی

حفاظت در برابر اشعه

پزشکی هسته ای و زیست شناسی

پزشکی هسته ای

اندازه‌گیری حجم تنفسی ریه‌ها برای ارزیابی وضعیت بیمار و تشخیص تعدادی از بیماری‌هایی که راه‌های هوایی را مسدود می‌کنند، مهم است. با این حال، رویکردهای فعلی برای اندازه‌گیری حجم ریه، اطلاعاتی در مورد تغییرات حجمی موضعی در ریه ارائه نمی‌دهند و نمی‌توان آن را برای نوزادان تازه متولد شده یا بیماران تحت بیهوشی استفاده کرد.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، دانشمندان در ایرلند یک روش نوری به نام گاز را در طیف‌سنجی جذبی پراکنده رسانه (GASMAS) آزمایش کرده‌اند که نه از یک ریه واقعی، بلکه از یک مدل بافت ریه یا "فانتوم" استفاده می‌کند (J. Biomed. Opt., doi: 10.1117). /1.JBO.27.7.074707). فانتوم مصنوعی به دانشمندان این امکان را داد که تغییرات حجمی را در طول یک فرآیند تنفسی اندازه‌گیری کنند و به گفته نویسندگان مطالعه، پتانسیل GASMAS را در کلینیک نشان دهند.

از تابش نور تا غلظت گاز

سیستم تنفسی انسان که ساختار پیچیده ای از ماهیچه ها و سایر بافت هاست، نقش های اساسی بسیاری از جمله استنشاق هوای حاوی اکسیژن و بازدم دی اکسید کربن و رساندن اکسیژن به سلول ها ایفا می کند. تشخیص به موقع هرگونه نقص سیستم مهم است.

با این حال، تشخیص همیشه آسان نیست. روش‌های توسعه‌یافته قبلی، مانند اسپیرومتری و پلتیسموگرافی، مستلزم آن است که بیماران به طور فعال در طول آزمایش تنفس و تنفس کنند. این باعث می شود که آزمایش ها برای نوزادان تازه متولد شده یا برای بیمارانی (مانند کسانی که تحت بیهوشی عمومی هستند) که بیهوش هستند نامناسب باشد.

آندریا پاچکو از مؤسسه ملی تیندال و دانشگاه کالج کورک، ایرلند و همکارانش می‌خواستند با اندازه‌گیری تغییرات حجم گاز در ریه‌ها به طور غیرمستقیم بر اساس ویژگی‌های پراکندگی نوری و جذب، ببینند که آیا تکنیک GASMAS می‌تواند این مشکلات را پشت سر بگذارد. GASMAS نه تنها غیر تهاجمی است، بلکه می تواند سیگنال های جذب گازها را در پس زمینه سیگنال های ارگان های اطراف ریه ها تشخیص دهد.

این تیم از دو منبع نوری مختلف برای آزمایش استفاده کردند: 760 نانومتر برای باند جذب O2 و 820 یا 935 نانومتر برای H2O. از آنجایی که غلظت H2O شناخته شده است (به عنوان رطوبت نسبی در داخل سیستم تنفسی انسان در 100٪ نگه داشته می شود)، با اندازه گیری شدت نور پراکنده، تیم می تواند طول مسیر نور را با استفاده از معادله Beer-Lambert محاسبه کند. و با متصل کردن طول مسیر محاسبه شده به معادله شدت سیگنال های نور برای O2، تیم می تواند غلظت O2 را نیز دریابد.

یک فانتوم بهتر

اما قبل از اینکه GASMAS بر روی بیماران واقعی استفاده شود، این روش باید روی افراد غیر انسانی آزمایش می شد. این همان جایی است که فانتوم بافت وارد می شود. پاچکو و همکارانش قبلاً یک ناحیه کامل قفسه سینه یک نوزاد تازه متولد شده را با استفاده از فانتوم های نوری مختلف ساخته بودند تا امکان سنجی GASMAS را بر روی بدن انسان آزمایش کنند. اما این مدل آناتومی ریه را در مقیاس آلوئول ها - کیسه های هوایی کوچکی که در آنها تبادل اکسیژن و دی اکسید کربن در خون انجام می شود - در نظر نمی گرفت - و بنابراین، نمی توانست میزان دقیق GASMAS را مشخص کند. قادر به تشخیص تغییرات حجم تنفس در ریه ها باشد.

برای مطالعه جدید، تیم یک فانتوم با ساختار مویرگی ساخته شد که با اندازه آلوئول های ریه انسان مطابقت دارد. آنها همچنین از یک فانتوم نوری به اصطلاح مایع - مخلوطی از مایع چرب، جوهر و آب - استفاده کردند که با خاصیت جذب و پراکندگی بافت ریه مطابقت دارد.

تست کردن سیستم

برای تقلید بازدم، دانشمندان 20 مویرگ از 229 مویرگ را در هر مرحله با فانتوم مایع پر کردند و سیگنال نور پراکنده را در هر مرحله اندازه گرفتند. مویرگ های خالی بدون مایع پاسخ آلوئول های پر از هوا را تقلید کردند. پس از یازده اندازه‌گیری، از جمله اندازه‌گیری سیستم مویرگی کاملاً خالی، دانشمندان روند را معکوس کردند و در حین انجام همان اندازه‌گیری‌ها، از استنشاق کپی کردند. در طول آزمایش، کل ساختار در محفظه ای قرار داشت که دما و رطوبت فیزیولوژیکی مربوطه را حفظ می کرد.

تیم سپس سیگنال جذب GASMAS را با نسبت مویرگ‌های پر از هوا در مقابل مویرگ‌های پر از فانتوم مقایسه کرد و دریافت که با کاهش نسبت مویرگ‌های پر از هوا، سیگنال به طور پیوسته کاهش می‌یابد. وقتی پاچکو و همکارانش داده‌ها را تجزیه و تحلیل کردند، متوجه شدند که با موفقیت نشان داده‌اند که GASMAS واقعاً می‌تواند برای اندازه‌گیری تغییر حجم سیستم فانتوم و بنابراین، ریه‌های انسان استفاده شود.

پاچکو می گوید که مقالات قبلی در مورد GASMAS "بیشتر بر روی اندازه گیری غلظت گاز متمرکز شده اند." ما نشان می دهیم که GASMAS می تواند برای حس کردن تغییرات کوچک حجم در فانتوم استفاده شود. ... از آنجا، [ما می توانیم] سعی کنیم ... آزمایش هایی را طراحی کنیم تا ببینیم آیا می توانیم به نحوی از این نتایج استفاده کنیم و مجموعه جدیدی از اندازه گیری ها را در بیماران واقعی برنامه ریزی کنیم.

فانتوم برای انسان

استفاده از GASMAS روی بیماران انسانی فقط یک رویا نیست. پاچکو با همکاری مرکز تحقیقات INFANT در کورک، ایرلند، و GPX Medical، یک شرکت تجهیزات پزشکی مستقر در سوئد، می گوید که او و همکارانش با استفاده از یک سیستم در 1 نوامبر با موفقیت استفاده از آن را بر روی اولین بیمار انسانی خود - یک نوزاد - نشان دادند. توسعه یافته توسط GPX. و آنها به انجام آزمایشات بالینی مشاهده ای ادامه می دهند.

پاچکو می گوید: «تکنیک بسیار تکامل یافته است. او می افزاید که هنوز راه های بیشتری وجود دارد که GASMAS می تواند مورد استفاده قرار گیرد، مانند در بیماران بزرگسال و با آندوسکوپ ریوی. همچنین ممکن است برای تشخیص عفونت سینوس و گوش استفاده شود. او می‌گوید: «من پتانسیل‌های زیادی از فناوری می‌بینم، اما هنوز راه زیادی در پیش است. "اما دیدن این که می توان ... تغییرات در حجم [گاز] را اندازه گیری کرد، بسیار هیجان انگیز است."

تصویربرداری توموگرافی انتشار پوزیترون

توموگرافی گسیل پوزیترون

تصویربرداری عملکردی پزشکی هسته ای

روشهای جایگزین اسکن

کاربردهای توموگرافی گسیل پوزیترون

انکولوژی ، تصویربرداری عصبی ، قلب ، بیماریهای عفونی و فارماکوکینتیک

تصویربرداری از حیوانات کوچک

تصویربرداری اسکلتی عضلانی

ایمنی

عملیات

رادیونوکلئیدها و رادیو ردیابها

انتشار

محلی سازی رویداد نابودی پوزیترون

بازسازی تصویر

ترکیبی از PET با CT یا MRI

محدودیت های PET

تولید رادیونوکلئیدهای ساطع کننده پوزیترون ، سنتز و کنترل کیفیت رادیو ردیابها و توسعه رادیو ردیابهای جدید

تجویز رادیو ردیاب ها و استراتژی های آماده سازی بیمار

استفاده در ارزیابی سلامت انسان و تشخیص و نظارت بر بیماریها شامل سرطانها و تومورهای غیر بدخیم ، اختلالات عصبی ، بیماریهای قلبی عروقی و بیماریهای زمینه ای و اثرات دیابت و سایر شرایط در تصویربرداری PET

تصویربرداری اسکلتی عضلانی

نظارت بر اثرات درمان دارویی و استفاده در آزمایشات بالینی داروهای جدید و در مطالعات روی حیوانات

ارزیابی عملکرد و عفونت دستگاههای کاشتنی و پروتزها

نقش ها و خصوصیات انتقال دهنده های غشایی و/یا گیرنده های هدف ، مشخصه متابولیسم زمینه ای و مسیرهای کنترل و تغییرات در بیان و/یا فعالیت نشانگرهای بیولوژیکی مرتبط

متابولیسم و ​​سرنوشت ردیابهای رادیویی

اهداف جدید مولکولی و بیماری برای تصویربرداری PET

طراحی آشکارساز و ساخت تصویر PET ، پیشرفت در مدیریت ریاضی و محاسبه داده ها ، بهبود حساسیت و وضوح تصویر

PET چند بعدی ، پویا و با زمان حل شده و پیوند PET با سایر روشهای تصویربرداری برای تولید تصاویر ادغام شده