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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 1 FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione II) Anno Accademico 2006-2007 Corso di.

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1 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 1 FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione II) 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. V 2 Struttura esagonale Struttura circolare Ogni rivelatore può essere in coincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto. (elevata efficienza dei sistemi PET rispetto allimaging a fotone singolo) Per avere un campionamento spaziale e angolare completo si ruota lintera struttura di 60 o in passi di 5 o. Anello circolare di rivelatori. PET: disposizione dei rivelatori

3 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 3 In (a) i fotoni non collineari, come nelle annichilazioni originate in B e C, non danno luogo a coincidenza e vengono trascurate dal dispositivo. I fotoni originati in A sono invece collineari. PET: vista frontale (a) e dellalto (b) di un dispositivo PET

4 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 4 Requisiti del rivelatore per PET Energia superiore alla SPECT Rivelazione in coincidenza

5 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 5 Requisiti del rivelatore per PET Ioduro di sodio Germanato di bismuto Silicato di gadolinio Silicato di lutezio Energia superiore alla SPECT (511 KeV) Numero atomico effettivo alto Quanta piu intensa luce possibile rivelata Indice di rifrazione e lunghezza donda (accoppiamento con fotocatodo)

6 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 6 Tipologie di rivelatore per PET Rivelazione in coincidenza: entro un prefissato intervallo di tempo, la cui ampiezza e regolata in modo da stabilire i limiti della condizione di contemporaneita, tenuto conto del tempo di decadimento dellemissione luminosa. Rivelazione in coincidenza Velocita di emissione della luce

7 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 7 Tipologie di rivelatore per PET Anche: gammacamere a due teste

8 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 8 Rivelatori a blocchi Anelli di blocchi Cristalli raggruppati in blocchi, per esempio di 6x6 o 8x8. Ogni blocco visto da un gruppo di fotomoltiplicatori Blocchi organizzati in anelli di diametro cm Nei moderni tomografi 3-4 anelli di blocchi Acquisizioni entro una finestra energetica come nella gammacamera Risoluzione spaziale 4-6 mm

9 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 9 Eventi di rumore nella PET Eventi di scatter (diffusione), coincidenze random o multiple aumentano il tempo morto e rovinano la qualita dellimmagine (Compton, perdono la corretta informazione spaziale originale)

10 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 10 Eventi di scatter nella PET In acqua e nei tessuti leggeri i fotoni da 511 KeV hanno interazioni principalmente per effetto Compton: - se a seguito di diverse interazioni si ha assorbimento totale limpulso e correttamente classificato - altrimenti eventi diffusi senza assorbimento totale (eventi di scatter) possono essere registrati poiche la risoluzione energetica del rivelatore non e perfetta aumentano la statistica di conteggio ma comportano un detrimento della risoluzione spaziale delle immagini Come nella diagnostica a fotone singolo gli eventi di scatter si possono contenere riducendo la finestra energetica, a spese pero dellefficienza (a causa della cattiva risoluzione energetica del BGO)

11 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 11 Acquisizioni PET 2D: setti interplanari Riduzione degli eventi Compton entro il campo di vista (scatter) e degli eventi random provenienti da sorgenti fuori dal campo di vista MA penalizzano lefficienza

12 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 12 Nelle acquisizioni 3D i setti interplanari vengono rimossi e si registrano coincidenze tra rivelatori alloggiati in qualsiasi combinazione di anelli Ne risulta un aumento di un fattore 6 in efficienza, ma che cosa succede al rumore di fondo? SCATTERsetti interplanari3D cuore: 14-15%60-70% cervello:8-9%35-40% Acquisizioni PET 3D

13 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 13 Coincidenze random Si usano con successo circuiti di coincidenze ritardate, che utilizzano finestre temporali ritardate in modo tale che non possano essere rivelate in esse delle coincidenze true (un ritardo di 100 ns rispetto ai ns usuali e adeguato). In tali finestre sono quindi registrate solo le coincidenze casuali, che vengono poi adeguatemente sottratte.

14 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 14 Requisiti del rivelatore per PET Numero atomico effettivo alto Quanta piu intensa luce possibile rivelata Indice di rifrazione e lunghezza donda (accoppiamento con fotocatodo) Ioduro di sodio Germanato di bismuto Silicato di gadolinio Silicato di lutezio

15 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 15 Rivelatore NaI

16 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 16 Rivelatore NaI Efficienza Risoluzione spaziale

17 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 17 BGO vs NaI Risoluzione energetica N.B.: gli eventi di scatter si situano nello spettro Compton

18 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 18 BGO vs NaI I rivelatori NaI hanno il vantaggio indubbio di una migliore risoluzione spaziale ed energetica, ma sono altamente penalizzati per la scarsa efficienza allenergia di 500 KeV

19 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 19 Come aumentare la risoluzione spaziale del BGO? MA se le dimensioni sono troppo piccole non contengono piu il range dei positroni….

20 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 20 Range dei positroni

21 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 21 Risoluzione spaziale Tenendo conto di quanto detto e del fatto che i fotoni non sono emessi in modo perfettamente collineare…

22 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 22 Che cosa porta complessivamente alla perdita di efficienza in PET? I radionuclidi diffondono in tutto lorganismo, solo una parte si concentra nella zona sotto indagine L apertura angolare dei rivelatori consente la misura di solo una frazione dei fotoni collineari I fotoni si attenuano nel materiale biologico Il rivelatore non e pienamente efficiente

23 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 23 La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x: Probabilità che il fotone 2 raggiunga il rivelatore: Probabilità di rivelare entrambi i fotoni: La correzione per attenuazione dipende solo dallo spessore del corpo lungo la linea congiungente i due rivelatori, ma non dalla coordinata x -> migliore ricostruzione tomografica Correzione per attenuazione in PET

24 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 24 Differenze tra PET e SPECT PET: due fotoni emessi in direzione opposta SPECT: un solo fotone

25 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 25 La linea di volo dei fotoni è determinata dalla coincidenza di due rivelatori (collimazione elettronica) Rivelatore 1Rivelatore 2 Misura più precisa della direzione dei fotoni rispetto alla SPECT Lassenza di collimatori permette maggiore efficienza (frazione di decadimenti rivelati) e quindi minore esposizione alle radiazioni e misure più veloci Differenze tra PET e SPECT Lattenuazione dei fotoni non dipende dalla posizione x del radioisotopo

26 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 26 Scelta del radiofarmaco

27 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 27 Criteri di scelta Tempo di dimezzamento Modalita di decadimento Energia delle emissioni associate Trasformazione in un nuclide stabile Alta attivita Alta purezza radionuclidica Selettivita rispetto allorgano di interesse Tempo di diffusione Danno da radiazione Pronta disponibilita Basso costo di produzione

28 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 28 Radiafarmaci in diagnostica Tempo di dimezzamento deve essere compatibile con la durata del fenomeno biologico o fisiologico interessato: - valutazione polmonare T 1/2 ~ s ( 81 mKr, T 1/2 = 13 s) - captazione tiroidea T 1/2 ~ qualche ora ( 123 I, T 1/2 = 13 h) - analisi di funzionalita cardiaca T 1/2 ~ qualche minuto (ammoniaca marcata con 13 N, T 1/2 ~ 10 m) Energia delle emissioni associate tra 100 e 300 KeV per sfruttare le piu alte efficienze di rivelazione che si ottengono in questo intervallo energetico ( 123 I, 159 KeV, 83%; 99 mTc, 140 KeV, 90%; 81 mKr, 190 KeV, 65%)

29 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V Ga, 111 In 123 I Si lega facilmente a proteine e farmaci (ma prodotto con ciclotroni) Possibilità di legarsi ad anticorpi 67 Ga usato per localizzare tumori 201 Tl Usato per analisi del muscolo cardiaco 99 Tc m assenza di decadimenti β, prodotto facilmente Il radioisotopo più comunemente usato è Con il 99 Tc m si marcano molti radiofarmaci Radiofarmaci in diagnostica

30 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 30 Per mezzo di immagini della distribuzione dei traccianti sono possibili valutazioni non invasive di svariati processi metabolici, di neurotrasmissione e di binding recettoriale, cosi come misure di processi fisiologici come il flusso sanguigno e studi selettivi e non invasivi della distribuzione regionale e della cinetica di svariati processi biochimici. Isotopi di bio-elementi! Non esistono isotopi dellidrogeno emittenti positroni ma il 18 F puo esserne un sostituto Radiafarmaci in diagnostica β + emettitori

31 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 31 Radiofarmaci in terapia Tempo di dimezzamento piu lungo rispetto alla diagnostica, dellordine dei giorni ( 89 Sr, T 1/2 = 50d; 131 I, T 1/2 = 8d) Modalita di decadimento per particella carica, di idonea energia per il rilascio locale di dose ( 89 Sr, 99.9% β) Energia delle emissioni associate lemissione elettromagnetica associata dovrebbe essere possibilmente assente per ridurre la dose ai tessuti circostanti e al personale ( 89 Sr, no γ)

32 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 32 Fisica nella medicina nucleare terapeutica

33 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 33 Somministrazione di radiofarmaci (diffusibili o non diffusibili) a scopo curativo o palliativo. Radioterapia metabolica Si possono sfruttare la proprieta di alcuni tessuti di metabolizzare particolari elementi per far si che isotopi radioattivi di tali elementi si concentrino in modo selettivo nella zona da trattare. Brachiterapia Impianto di semi radioattivi (ad es. per tumore della prostata) Terapie con irraggiamento interno

34 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 34 Radioterapia metabolica

35 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 35 Ruolo della dosimetria nelle terapie con radionuclidi

36 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 36 Parametri biologici La sostanza radioattiva viene escreta con una legge esponenziale simile a quella del decadimento radioattivo, tempo di dimezzamento biologico

37 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 37 Parametri biologici: clearance del sangue

38 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 38 Esercizio 7: valutare il volume di sangue di un paziente in cui sono stati somministrati 5 cc di albumina marcata con 131 I avente una frequenza di conteggi (emissioni rivelate da un contatore di radiazione) di 10 5 conteggi al secondo. La frequenza di conteggio misurata 15 minuti dopo da un campione di 5 cc di sangue e stata di 10 2 conteggi al secondo. Esercizio 8: il 59 Fe viene somministrato ai pazienti per diagnosticare le anomalie del sangue. Determinare il tempo di dimezzamento effettivo, essendo il periodo di dimezzamento del radionuclide di 46.3 giorni e il periodo di dimezzamento biologico di 65 giorni.

39 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 39 Esercizio 9: tessuti viventi esposti a rad sono completamente distrutti. Valutare laumento di temperatura nei tessuti causato da questa dose assorbita in assenza di dispersione di calore. Esercizio 10: che potenza libera una sorgente di 1 Ci che emetta particelle di energia media pari a 1 MeV?

40 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 40 Fisica della produzione di radionuclidi

41 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 41 Decadimenti a cascata

42 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 42 Decadimenti a cascata E possibile disporre del radionuclide figlio a breve vita per un periodo di tempo che non dipende dal suo tempo di dimezzamento ma da quello piu lungo dellelemento padre.

43 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 43 Produzione di radioisotopi

44 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 44 Produzione di radioisotopi

45 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 45 Attivita specifica

46 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 46 Radioisotopi Carrier Free attivita specifica carrier free Qualsiasi applicazione pratica presenta attivita specifiche inferiori alla condizione carrier free

47 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 47 Generatori Nella produzione con reattori la generazione di elementi della stessa specie chimica del bersaglio irradiato obbliga ad adottare tecniche di separazione particolari. Una tecnica molto diffusa consiste nello sfruttamento di cascate nucleari che possono fornire radioisotopi di interesse con lutilizzo dei cosidetti generatori. E questo il caso della produzione di due radioisotopi di largo impiego 99m Tc 131 I

48 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 48 Generatore di 99 mTc E possibile disporre del radionuclide figlio a breve vita per un periodo di tempo che non dipende dal suo tempo di dimezzamento ma da quello piu lungo dellelemento padre.

49 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 49 Generatore di 99 mTc Il generatore 99 Mo- 99m Tc e costituito da una colonna cromatografica rappresentata da un piccolo cilindro di vetro, sigillato alle estremita e contenente allumina (Al 2 O 3 ) (fase fissa). La colonna e munita allestremita superiore ed inferiore di una via di accesso attraverso la quale e possibile far filtrare una certa quantita di soluzione fisiologica (fase mobile) che permette di asportare il 99m Tc: questultimo infatti e solubile in soluzione salina mentre il 99 Mo e insolubile e rimane pertanto adsorbito sulla colonna. Il 99 Mo, decadendo, da origine ad ulteriori quantita di 99 Tc, che possono essere in seguito nuovamente eluite tramite lo stesso procedimento.

50 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 50 Generatore di 131 I

51 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 51 Produzione di isotopi β + emittenti

52 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 52 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

53 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 53 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.

54 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 54 Esercizio 11: quanto vale lattivita specifica Carrier Free di un radioisotopo con T 1/2 di 24 h e numero atomico 50?


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