Experter i Japan har tagit fram ett enkelt sätt att ta fram mer detaljerad information från vanliga medicinska bildskanningar. Ett forskargrupp bestående av atomfysiker och kärnmedicinsexperter vid University of Tokyo och National Institute of Radiological Sciences (NIRS) har utformat en timer som kan göra det möjligt för positronemissionstomografi (PET) -skannrar att upptäcka syrekoncentrationen av vävnader genom patienterna 'kroppar. Denna uppgradering till PET -skannrar kan leda till en framtid med bättre cancerbehandling genom att snabbt identifiera delar av tumörer med mer aggressiv celltillväxt.

"Patienternas erfarenhet av denna framtida PET -skanning kommer att vara densamma som nu. Medicinska teams erfarenhet av att genomföra skanningen kommer också att vara densamma, bara med mer användbar information i slutet, "sa kärnmedicinläkaren Dr Miwako Takahashi från NIRS, medförfattare till forskningspublikationen i Kommunikationsfysik .

"Detta var ett snabbt projekt för oss, och jag tror att det också borde bli ett mycket snabbt medicinskt framsteg för riktiga patienter inom det närmaste decenniet. Företag inom medicintekniska produkter kan tillämpa denna metod mycket ekonomiskt, Jag hoppas, "säger biträdande professor Kengo Shibuya från University of Tokyo Graduate School of Arts and Sciences, publikationens första författare.

PET -skanningar

Positronerna som PET -skanningar är uppkallade efter är de positivt laddade antimateriaformerna av elektroner. På grund av deras lilla storlek och extremt låga massa, positroner utgör ingen fara i medicinska tillämpningar. Positroner producerar gammastrålar, som är elektromagnetiska vågor som liknar röntgenstrålar, men med kortare våglängder.

När du får en PET -skanning, en patient får en liten mängd mycket svagt radioaktiv vätska, ofta sammansatt av modifierade sockermolekyler, injiceras vanligtvis i blodet. Vätskan cirkulerar under en kort tid. Skillnader i blodflöde eller metabolism påverkar hur radioaktiviteten fördelas. Patienten ligger sedan i en stor, rörformad PET-skanner. När den radioaktiva vätskan avger positroner som sedan förfaller till gammastrålning, ringar av gammastråldetektorer kartlägger platserna för gammastrålningar som avges från patientens kropp.

Läkare begär PET -skanningar när de behöver information om inte bara strukturen, men också den metaboliska funktionen hos vävnader inuti kroppen. Att upptäcka syrekoncentration med samma PET -skanning skulle lägga till ytterligare ett lager av användbar information om kroppens funktion.

Syrekoncentration mätt i nanosekunder

Positrons liv är ett val av två mycket korta vägar, båda börjar när en positron "föds" när den släpps ut från den radioaktiva PET -skanningsvätskan. På den kortare vägen, positronen kolliderar omedelbart med en elektron och producerar gammastrålar. På den lite längre vägen, positronen omvandlas initialt till en annan typ av partikel som kallas ett positronium, som sedan förfaller till gammastrålning. Hur som helst, livslängden för ett positron inuti en människokropp är inte längre än 20 nanosekunder, eller en femtiomiljondelsekund.

"Resultatet är detsamma, men livet är inte det. Vårt förslag är att särskilja livslängden för positroner med en PET -skanning med en timer så att vi kan kartlägga syrekoncentrationer inuti patienternas kroppar, sa Shibuya.

Shibuya och hans kollegor utvecklade ett livslängdstabell för positroner med hjälp av en miniatyriserad PET -skanner för att ta tid på bildning och sönderfall av positroner i vätskor med kända koncentrationer av syre.

Forskargruppens nya resultat visar att när syrekoncentrationen är hög, den kortare vägen är mer sannolik. Forskare förutspår att deras teknik kommer att kunna detektera den absoluta syrekoncentrationen i vilken vävnad som helst i en patients kropp baserat på positrons livstid under en PET -skanning.

Det är möjligt att upptäcka positrons livstid med samma gammastrålningsdetektorer som PET-skanningar redan använder. Forskargruppen förutspår att majoriteten av arbetet med att överföra denna forskning från labbet till sängen kommer att gå på uppgradering av gammastrålningsdetektorer och programvara så att gammastrålningsdetektorerna inte bara kan spela in, men också exakta tidsdata.

"Det borde inte vara någon större kostnadsökning för utveckling av instrument, "sade professor Taiga Yamaya, medförfattare till forskningspublikationen och ledare för Imaging Physics Group vid NIRS.

Förbättrad PET -skanning för effektivare cancerbehandling

Medicinska experter har länge förstått att låga syrekoncentrationer i tumörer kan hindra cancerbehandling av två skäl:För det första en låg syrehalt i en tumör orsakas ofta av otillräckligt blodflöde, vilket är vanligare i snabbväxande, aggressiva tumörer som är svårare att behandla. Andra, låga syrenivåer gör strålningen mindre effektiv eftersom de önskade cancercellsdödande effekterna av strålbehandling uppnås delvis genom att strålningsenergin omvandlar syre som finns i cellerna till DNA-skadliga fria radikaler.

Således, upptäcka syrekoncentrationen i kroppsvävnader skulle informera medicinska experter om hur man effektivare attackerar tumörer inuti patienter.

"Vi föreställer oss att rikta mer intensiv strålbehandling till aggressiva, låga syrekoncentrationsområden i en tumör och inriktad på lägre intensitetsbehandling mot andra områden av samma tumör för att ge patienter bättre resultat och mindre biverkningar, "sa Takahashi.

Shibuya säger att forskargruppen inspirerades att genomföra en teoretisk modell om positrons förmåga att avslöja syrekoncentration som publicerades förra året av forskare i Polen. Projektet gick från idé till publicering på bara några månader även med COVID-19 pandemirelaterade restriktioner.

Shibuya och kollegor siktar nu på att utöka sitt arbete för att hitta andra medicinska detaljer som kan avslöjas av en positrons livstid.