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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 1 FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione III) Anno Accademico 2005-2006 Corso.

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1 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 1 FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione III) Anno Accademico Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica per Immagini e Radioterapia Marta Ruspa

2 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 2 Esercizio 10: quanto vale lattivita specifica Carrier Free di un radioisotopo con T 1/2 di 24 h e numero di massa 50? Esercizio 11: il 60 Co decade emettendo radiazione beta, con un tempo di dimezzamento di 5.27 y, nel 60 Ni che a sua volta emette raggi gamma pronti (cioe dopo un tempo quasi nullo). La somministrazione di un 1000 Ci comporta lintroduzione di quanti g di 60 Co (o detto in altre parole quanto vale la massa di una sorgente di 60 Co da 1000 Ci)?

3 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 3 Produzione di isotopi β + emittenti

4 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 4 Nei primi ciclotroni: due elettrodi cavi detti dees (dalla forma di D maiuscola), posti in una camera ad elevato grado di vuoto, tra i quali esiste una differenza di potenziale alternata, accelerano progressivamente particelle cariche. Una particella percorre unorbita di raggio r = m v/q B, essendo m la massa, v la velocita, q la carica e B il campo magnetico. Ad ogni rotazione lazione del campo elettrico aumenta progressivamente lenergia cinetica, ovvero la velocita v, e quindi il raggio di rotazione aumenta corrispondentemente. Una volta raggiunto il raggio di rotazione massimo il fascio di particelle viene estratto e diretto sul bersaglio. Per vincere la repulsione elettrostatica dei nuclei degli atomi del bersaglio e penetrarvi occorrono particelle di dimensioni contenute, ovvero ioni leggeri; solitamente si usano protoni. Ciclotroni per uso medico

5 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 5 Ciclotroni per uso medico Per quanto riguarda i radionuclidi emettitori di positroni i principali tipi di materiale bersaglio sono gas e soluzioni acquose. I target sono composti di un corpo metallico, che contiene il vero e proprio materiale bersaglio ed ha la funzione di dissipare il calore prodotto nellassorbimento del fascio (problema rilevante soprattutto per i target liquidi che possono bollire). Nel caso della produzione di 18 F - il bersaglio e acqua arricchita con lisotopo stabile 18 dellossigeno. I materiali piu usati per i corpi target sono largento e il titanio.

6 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 6 In MEDICINA NUCLEARE radiofarmaci in sorgente non sigillata sono somministrati a scopo DIAGNOSTICO scintigrafia SPECT, PET TERAPEUTICO terapia radiometabolica

7 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 7 Monitoraggio attività tiroidea Monitoraggio attività cerebrale e funzioni fisiologiche dellencefalo (flussi e volumi sanguigni) Identificazione di malattie neurologiche Studio funzionalità cardiaca (flussi ventricolari, immagini del miocardio) Studio funzionalità renale Identificazioni di molti tumori con radiofarmaci specifici (tumori del polmone, del retto, dellesofago, linfomi, encefalo, pancreas, mammella, sistema scheletrico, ecc...) Applicazioni cliniche della diagnostica nucleare

8 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 8 Fisica nella medicina nucleare diagnostica - tecniche con fotone singolo - tecniche con emettitori β +

9 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 9 Fisica nella medicina nucleare diagnostica tecniche con fotone singolo - tecniche con emettitori β +

10 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 10 Tecniche con fotone singolo Si utilizzano famiglie di radionuclidi che decadono per emissione di 1 o piu raggi γ di energia definita. Il radioisotopo viene somministrato al paziente e captato in modo selettivo dallorgano di cui si vuole ricavare limmagine. I fotoni in un certo punto si attenuano attraverso i tessuti circostanti e vengono rivelati. Attraverso misure di attenuazione si ricostruisce lorgano sorgente. Tipo di strumentazione: - produzione di immagini planari - produzione di immagini tomografiche Semplice localizzazione della sorgente: immagine statica Analisi dellandamento temporale: immagine dinamica Analisi 2D e segnale fisiologico: immagine sincronizzata

11 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 11 Tecniche con fotone singolo La gammacamera e a tuttoggi lapparecchiatura di base per la diagnostica in Medicina Nucleare

12 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 12 Immagini planari

13 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 13 I fotoni, emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore e vengono rivelati da uno scintillatore solido (NaI). La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide su una griglia di fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali elettrici. Mediante circuiti di calcolo delle coordinate e sistemi di correzione i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per ricostruire unimmagine sul monitor, che rappresenta la mappa della distribuzione dei radionuclidi gamma-emittenti nellorgano in esame. Lapparato e provvisto di schermatura ottica e radiante. Come e fatta una gammacamera

14 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 14 Come e fatta una gammacamera

15 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 15 Gammacamera: sistema di collimazione

16 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 16 Gammacamera: sistema di collimazione Per poter ricavare immagini della distribuzione del radiofarmaco levento di scintillazione deve essere univocamente correlato con il punto di rivelazione. Nellimaging di emissione non e possibile focalizzare i fotoni gamma come si fa con quelli luminosi (nella comune macchina fotografica tale compito e svolto dallobiettivo). La relazione univoca tra il punto di emissione e il punto di scintillazione, ovvero il punto di misura nel piano immagine, viene garantita dal sistema di collimazione. La collimazione e basata sullassorbimento: sono assorbiti e quindi eliminati i fotoni che si propagano in direzioni diverse da quella desiderata.

17 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 17 Numero fori Forma fori Lunghezza fori Materiale Geometria di collimazione (parallela, convergente, divergente, pin hole) Risoluzione (capacita di discriminare due sorgenti vicine) Efficienza Gammacamera: sistema di collimazione Caratteristiche Parametri di risposta L efficienza geometrica non varia con la distanza dalla sorgente, ma la risoluzione si degrada con lallontanarsi del paziente dal piano del collimatore

18 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 18 Gammacamera: rivelatore La luce di scintillazione e emessa in modo isotropo. Viene raccolta dai PM affacciati al cristallo in misura tanto maggiore quanto piu un PM e vicino al punto di interazione. La quantita di luce emessa dal cristallo scintillante e proporzionale allenergia dissipata dai fotoni. Mantenendo la proporzionalita nelle successive fasi di trasformazione dellimpulso luminoso in impulso elettrico e damplificazione e trattamento di questultimo e poi possibile discriminare gli impulsi stessi sulla base della loro energia, selezionando solo quelli in un intervallo di interesse.

19 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 19 Gammacamera: ricostruzione x-y Loriginale ottica di Anger per il posizionamento degli impulsi era essenzialmente una sorta di calcolatore analogico che permetteva di eseguire una media pesata della quantita di luce raccolta da ogni PM, in modo da ricavare con buona approssimazione la posizione dell evento scintillante. Nelle moderne gamma-camere tutte queste operazioni sono svolte in modo digitale: segnali provenienti dai PM sono prontamente digitalizzati dai convertitori analogico-digitali, associati in ragione di uno per ogni PM o gruppo di PM, in modo che le operazioni di somma algebrica dei segnali, pesatura e normalizzazione sono effettuate numericamente da un sistema digitale di elaborazione.

20 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 20 Buona risoluzione spaziale (la larghezza a meta altezza della distribuzione dei conteggi di una sorgente elementare). Risoluzione tipica di 3.5 mm. Elevata efficienza di conteggio Cristalli rettangolari, con dimensioni fino a 50x40cm. Spessore tipico di 3/8 di pollice, pari a circa 9.5 mm, che garantisce una efficienza ottimale per energie dei fotoni fino a 150 Kev ( 99 Tc e 201 Tl). Per indagini con In e I ricorso a cristalli con spessore di 5/8 di pollice. Spessore del cristallo Energie del nuclide Ampie dimensioni Adeguata velocita di risposta Costo contenuto Gammacamera: rivelatore Requisiti

21 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 21 Gammacamera: spessore del cristallo Con lo spessore aumenta lefficienza (aumenta la quantita di fotoni misurabili) e diminuisce la risoluzione (aumenta lassorbimento della luce di scintillazione)

22 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 22 Gammacamera: spessore del cristallo NaI 3/8 pollice + 1 pollice NaI 3/8 pollice

23 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 23 Gammacamera: fotomoltiplicatore Il fotomoltiplicatore e una valvola di vetro, ad elevato grado di vuoto, entro il quale si trova una serie di elettrodi detti dinodi. Tra le successive coppie di dinodi e applicata una differenza di potenziale. I fotocatodo e ricoperto di materiale fotoemittente ed emette elettroni quando viene colpito dalla luce di scintillazione. Gli elettroni vengono attirati verso il secondo dinodo, ad un superiore livello di potenziale. Anche il secondo dinodo e ricoperto di materiale emittente: gli elettroni si moltiplicano nellimpatto. E cosi via ogni elettrone sara in grado di produrre n nuovi elettroni ciascuno dei quali potra a sua volta produrne n nellimpatto sullo stadio successivo. - Fattore di moltiplicazione totale nellordine di Una decina di stadi - Differenza di potenziale tra il primo e lultimo dinodo di centinaia di V

24 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 24 Lettino porta paziente: - basso coefficiente di attenuazione - gradi di liberta di movimentazione - posizionamento semiautomatico Stativo di posizionamento del rivelatore: - necessita di proiezione da angoli differenti - minimizzazione della distanza paziente-collimatore Gammacamera: sistema di posizionamento

25 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 25 Rappresentazione dellimmagine in formato digitale Tecniche di visualizzazione Tecniche di processing Correzione degli artefatti Archiviazione In passato oscilloscopio interfacciato con camera a lastra Gammacamera: elaboratore

26 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 26 Collimatori a fuoco variabile per compensare lattenuazione e migliorare la risoluzione e lefficienza nella regione di interesse dellimmagine. Cristalli curved plate, circa 1 mm di guadagno in risoluzione attraverso lottimizzazione della minima distanza dal corpo del paziente. Dispositivi a semiconduttore (Si, Ge,…) - eccellente risoluzione spaziale - dimensioni di interesse per limaging - MA necessita di un sistema di raffreddamento e costi elevati Gammacamera: nuove tecnologie

27 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 27 Immagini planari Contributi dellattivita sopra e sotto il piano rappresentato Limite intrinseco dellimaging planare

28 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 28 Immagini tomografiche: SPECT

29 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 29

30 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 30 Gantry NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI - numero e geometria delle testate singole, doppie, triple Caratteristiche dei sistemi SPECT Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera

31 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 31 Caratteristiche dei sistemi SPECT Numero e geometria delle testate

32 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 32 Gantry NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI - numero e geometria delle testate singole, doppie, triple - orbita e modi di rotazione circolare, ellittica body contourning (si tenga presente che lobiettivo e sempre quello di minizzare la distanza tra il paziente e il collimatore per migliorare la risoluzione); inseguimento automatico del contorno del paziente con sensori infrarossi o premorizzazione - rapida sostituibilita dei collimatori Caratteristiche dei sistemi SPECT Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera

33 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 33 Caratteristiche dei sistemi SPECT Orbita del gantry e modi di rotazione

34 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 34 Gantry NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI - numero e geometria delle testate singole, doppie, triple - orbita e modi di rotazione circolare, ellittica body contourning (si tenga presente che lobiettivo e sempre quello di minizzare la distanza tra il paziente e il collimatore per migliorare la risoluzione); inseguimento automatico del contorno del paziente con sensori infrarossi o premorizzazione - rapida sostituibilita dei collimatori Sistema di acquisizione e processo - algoritmi di ricostruzione dellimmagine e correzione - regolazione della durata dellesame (accumulo di statistica verso effetti cinetici indesiderati) Caratteristiche dei sistemi SPECT Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera

35 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 35 Attivita condensata in un bin Retroproiettata ad ogni angolo Ricostruzione nei sistemi SPECT

36 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 36

37 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. I II 37 Lalgoritmo di ricostruzione dovrebbe modellizzare gli effetti di attenuazione mappatura dei coefficienti di attenuazione per mezzo di sistemi trasmissivi e fusione di immagini emissive e trasmissive diffusione risposta geometrica del collimatore risposta non omogena del cristallo … Tecniche correttive nei sistemi SPECT


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