В ОИЯИ изобрели томограф для мышей

Специалисты Объединенного института ядерных исследований и кубинских научных центров CENTIS и CEADEN создали технологию, которая увеличит пространственное разрешение ОФЭКТ. Это важная история для разработчиков лекарственных препаратов. Мы поговорили с авторами проекта.

Однофотонная эмиссионная и компьютерная томография (ОФЭКТ и КТ) — наиболее популярные методы визуализации в медицинской диагностике. КТ дает четкие изображения внутренних органов, а ОФЭКТ показывает, где накапливается радиофармпрепарат. Так обнаруживают, например, ткани с активным воспалительным процессом, опухоли. То есть можно не просто выявить патологию на ранней стадии, но и точно определить ее локализацию.

Эти методы применимы не только в клинической диагностике, но и при разработке лекарств. Сочетание ОФЭКТ и КТ позволяет наблюдать движение и химические превращения введенного в организм вещества. На лабораторных животных, мышах и крысах, можно исследовать радиофармпрепараты и любые другие лекарственные средства, меченные радиоактивным изотопом. Допустим, препарат должен концентрироваться в почках. Нужно убедиться, что он так и делает, а не копится в легких. Животное несут на томограф и смотрят, где осел препарат. Иногда для этого используют ПЭТ/КТ, они обладают высоким пространственным разрешением — ​картинка довольно четкая. Но ПЭТ-центры стоят дорого, для них нужен большой циклотрон, своя инфраструктура. Не каждый научно-­исследовательский институт может себе это позволить.

«Часто вместо ПЭТ используют ОФЭКТ. Это удобный и малозатратный способ, но есть проблема: обычная гамма-­камера для ОФЭКТ обладает низким пространственным разрешением — ​около 1 см. Для крупного организма, например человека, это годится, а для лабораторного животного — ​много. Вся мышь размером 5 см. При таком разрешении изображение получается нечетким, а нам ведь важно не только установить, что гамма-­квант попал в детектор, но и определить направление его движения. В идеале нужно разрешение хотя бы 1 мм», — ​объясняет Алексей Жемчугов, заместитель начальника научно-­экспериментального отдела встречных пучков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.

ОФЭКТ/КТ с высоким пространственным разрешением и занялись ученые из Дубны вместе с кубинскими коллегами. Устройство состоит из двух частей: детектора, регистрирующего рентгеновское излучение для КТ, и камеры, фиксирующей гамма-­излучение для ОФЭКТ. За основу взяли полупроводниковый пиксельный детектор Medipix, разработанный международным консорциумом в ЦЕРНе. Medipix позволяет получать рентгеновские томографические изображения с достаточным разрешением — ​около 50 мк. Задачей было создать гамма-­камеру высокого разрешения для ОФЭКТ.

«В классической гамма-­камере к детектору приставляется толстая пластина — ​коллиматор. В ней насверлено много отверстий, через которые на детектор попадают гамма-­кванты, летящие в определенном направлении. Идущие в других направлениях поглощаются коллиматором. Пространственное разрешение гамма-­камеры зависит от отверстий в коллиматоре, и именно поэтому очень трудно сделать разрешение выше 1 см: отверстия нужны маленькие, их нужно много, и такой коллиматор технологически сложно изготовить. Нам помог опыт Курчатовского института. В Дубну с семинаром приехал доктор наук Олег Петрович Иванов и рассказал о гамма-­визорах — ​приборах, которые позволяют в помещении либо на улице увидеть загрязнение радиоактивными веществами. Мы узнали, что достаточного разрешения можно добиться, используя особые коллиматоры — ​кодирующие апертуры, в которых отверстия расположены по определенному закону. Финальное изображение восстанавливается математически, «распутыванием» суммы изображений из разных отверстий, которые накладываются друг на друга», — ​говорит Алексей Жемчугов.

В таком коллиматоре отверстий гораздо меньше, его легче изготовить. Ученые создали из вольфрама кодирующую апертуру толщиной 500 мк, содержащую около 2 тыс. отверстий диаметром 360 мк, разработали программное обеспечение для реконструкции изображения и проверили технологию на фантомах — ​кусочках оргстекла с отверстиями, заполненными радиоактивным изотопом технеция.

«Исследовательская часть по большому счету закончилась. Мы показали, что такую установку сделать можно и что для этого нужно. Дальше уже не столько наука, сколько технология — ​изготовление прибора по чертежам, — ​рассказывает Алексей Жемчугов. — ​Сейчас кубинские коллеги в CENTIS собирают опытный образец ОФЭКТ/КТ. Мы надеялись провести первые эксперименты на установке еще в прошлом году, но из-за коронавируса работа замедлилась — ​мы не могли улететь на Кубу, а кубинцы не могли прилететь к нам».

Антонио Лейва Фабело
Старший научный сотрудник CEADEN (Куба), старший научный сотрудник ОИЯИ

— За свою жизнь я поработал и с мексиканцами, и с немцами, и с перуанцами, но больше всего люблю работать с российскими специалистами. Я учился в России и уже много лет сотрудничаю с ОИЯИ. Во-первых, российские ученые получили хорошее образование, у многих большой опыт. Во-вторых, здесь принято помогать друг другу, что позволяет получать выдающиеся научные результаты. Даже несмотря на то, что в науке может быть много проблем — с финансированием, с ресурсами и т. д., россияне всегда найдут решение. Причем самое экономичное.