FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione IV) Anno Accademico 2005-2006 Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica per Immagini e Radioterapia Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione IV) Marta Ruspa

Differenze tra SPECT e TAC rivelatore rivelatore + collimatori sorgente x X γ I0 I Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV x I0 Tubo raggi X TAC () (Io) SPECT direzione del fotone:congiungente la sorgente X e il rivelatore informazione strutturale determinata dall’assorbimento dei fotoni () risoluzione spaziale  1 mm direzione del fotone: definita dai collimatori informazione funzionale determinata dall’attività della sorgente I o (necessario correggere per attenuazione) risoluzione spaziale ~ 5 mm

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

Positron Emission Computer Tomography Tomografia Computerizzata ad Emissione di Positroni Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV

Che cos’e’ il positrone? E’ l’antiparticella dell’elettrone. Stessa massa dell’elettrone, carica opposta. Puo’ essere prodotta solo in associazione con un e- o un neutrino. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV Si annichila con l’elettrone, producendo due fotoni Se l’annichilazione avviene a riposo: i due  sono emessi in direzioni opposte E = me·c2 = 511 keV E=m·c2

Positron Emission Computer Tomography Nella PET il positrone viene emesso in un decadimento β+ nucleare. Percorre quindi uno spazio proporzionale alla sua energia cinetica prima di annichilare con un elettrone della materia circostante e generare due fotoni da 511 KeV emessi contemporaneamente a 180o tra di loro. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV I due fotoni attraversano percorsi diversi nel tessuto e vengono rivelati in concidenza: dalle due misure di diversa attenuazione si riesce a risalire al punto in cui i fotoni sono stati emessi. N.B.: non si rivela il punto di emissione ma il punto di annichilazione  limite intrinseco della risoluzione spaziale

Radioisotopi emettitori di positroni Isotopi di bio-elementi! Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV Non esistono isotopi dell’idrogeno emittenti positroni ma il 18F puo’ esserne un sostituto 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.

Radioisotopi emettitori di positroni: FDG Il radiofarmaco piu’ utilizzato in assoluto e’ il fluoro deossiglucosio (FDG) che e’ un analogo del glucosio avente il gruppo ossidrilico sul C2 sostituito da un 18F. L’FDG viene incorporato nelle cellule utilizzando i medesimi sistemi di trasporto del glucosio. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV 18F T1/2=109,8 min Studio del metabolismo dello zucchero. Aumentato utilizzo in cellule tumorali.

5 6 4 7 3 Rivelatore 8 2 P 9 Rivelatore 1 10 11 14 13 12 UN ESEMPIO: bisogna rivelare contemporaneamente i due fotoni che, emessi in P, giungono ai rivelatori 1 e 8 eliminando tutti i segnali spuri non coincidenti. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV 5 6 4 7 3 Rivelatore 8 2 P 9 Rivelatore 1 10 11 14 13 12

Ricostruzione dell’immagine PET Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV

Disposizione dei rivelatori Struttura esagonale Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV Ogni rivelatore può essere in coincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto. Per avere un campionamento spaziale e angolare completo si ruota l’intera struttura di 60o in passi di 5o . Struttura circolare Anello circolare di rivelatori.

Vista frontale (a) e dell’alto (b) di un dispositivo PET 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. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV

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

Requisiti del rivelatore per PET Numero atomico effettivo alto Elevata emissione luminosa Alta velocita’ di emissione Energia superiore alla SPECT Rivelazione in coincidenza  Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV Ioduro di sodio Germanato di bismuto Silicato di gadolinio Silicato di lutezio

Tipologie di rivelatore per PET Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV Anche: gammacamere a due teste 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 dell’emissione luminosa.

Disposizione dei rivelatori Struttura esagonale (tipica di rivelatori NaI) Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV Ogni rivelatore può essere in coincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto. Per avere un campionamento spaziale e angolare completo si ruota l’intera struttura di 60o in passi di 5o . Struttura circolare (tipica di rivelatori BGO) Anello circolare di rivelatori.

Rivelatori a blocchi Anelli di blocchi Blocco di rivelatori (1 PM) Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV Blocco di rivelatori (1 PM) Singolo rivelatore N.B.: acquisizioni entro una finestra energetica come nella gammacamera

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

Setti interplanari Riduzione degli eventi Compton entro il campo di vista (scatter) e degli eventi random provenienti da sorgenti fuori dal campo di vista Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV MA penalizzano l’efficienza

Acquisizioni 3D 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? SCATTER setti interplanari 3D cuore: 14-15% 60-70% cervello: 8-9% 35-40% Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV

Eventi di scatter Gli eventi di scatter si possono contenere riducendo la finestra energetica, a spese pero’ dell’efficienza (a causa della cattiva risoluzione energetica del BGO). Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV

Coincidenze random Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV 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 10-15 ns usuali e’ adeguato). In tali finestre sono quindi registrate solo le coincidenze casuali, che vengono poi adeguatemente sottratte.

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

Rivelatore NaI Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV

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

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

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 all’energia di 500 KeV Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV