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

Esercizio 10: quanto vale l’attivita’ specifica Carrier Free di un radioisotopo con T1/2 di 24 h e numero di massa 50? Esercizio 11: il 60Co decade emettendo radiazione beta, con un tempo di dimezzamento di 5.27 y, nel 60Ni che a sua volta emette raggi gamma pronti (cioe’ dopo un tempo quasi nullo). La somministrazione di un 1000 Ci comporta l’introduzione di quanti g di 60Co (o detto in altre parole quanto vale la massa di una sorgente di 60Co da 1000 Ci)? Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

Ciclotroni per uso medico 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 un’orbita 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 l’azione del campo elettrico aumenta progressivamente l’energia 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. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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 nell’assorbimento del fascio (problema rilevante soprattutto per i target liquidi che possono bollire). Nel caso della produzione di 18F- il bersaglio e’ acqua arricchita con l’isotopo stabile 18 dell’ossigeno. I materiali piu’ usati per i corpi target sono l’argento e il titanio. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

Applicazioni cliniche della diagnostica nucleare Monitoraggio attività tiroidea Monitoraggio attività cerebrale e funzioni fisiologiche dell’encefalo (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, dell’esofago, linfomi, encefalo, pancreas, mammella, sistema scheletrico, ecc...) Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

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

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 dall’organo di cui si vuole ricavare l’immagine. I fotoni in un certo punto si attenuano attraverso i tessuti circostanti e vengono rivelati. Attraverso misure di attenuazione si ricostruisce l’organo sorgente. Tipo di strumentazione: - produzione di immagini planari - produzione di immagini tomografiche Semplice localizzazione della sorgente: immagine statica Analisi dell’andamento temporale: immagine dinamica Analisi 2D e segnale fisiologico: immagine sincronizzata Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Tecniche con fotone singolo La gammacamera e’ a tutt’oggi l’apparecchiatura di base per la diagnostica in Medicina Nucleare Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Immagini planari Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Come e’ fatta una gammacamera Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 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 un’immagine sul monitor, che rappresenta la mappa della distribuzione dei radionuclidi gamma-emittenti nell’organo in esame. L’apparato e’ provvisto di schermatura ottica e radiante.

Come e’ fatta una gammacamera Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Gammacamera: sistema di collimazione Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Gammacamera: sistema di collimazione Per poter ricavare immagini della distribuzione del radiofarmaco l’evento di scintillazione deve essere univocamente correlato con il punto di rivelazione. Nell’imaging di emissione non e’ possibile focalizzare i fotoni gamma come si fa con quelli luminosi (nella comune macchina fotografica tale compito e’ svolto dall’obiettivo). 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 sull’assorbimento: sono assorbiti e quindi eliminati i fotoni che si propagano in direzioni diverse da quella desiderata. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

Gammacamera: rivelatore Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III 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 all’energia dissipata dai fotoni. Mantenendo la proporzionalita’ nelle successive fasi di trasformazione dell’impulso luminoso in impulso elettrico e d’amplificazione e trattamento di quest’ultimo e’ poi possibile discriminare gli impulsi stessi sulla base della loro energia, selezionando solo quelli in un intervallo di interesse.

Gammacamera: ricostruzione x-y L’originale 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. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Gammacamera: rivelatore Requisiti 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 (99Tc e 201Tl). 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 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

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

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 nell’impatto. E cosi’ via ogni elettrone sara’ in grado di produrre n nuovi elettroni ciascuno dei quali potra’ a sua volta produrne n nell’impatto sullo stadio successivo. - Fattore di moltiplicazione totale nell’ordine di 109. - Una decina di stadi - Differenza di potenziale tra il primo e l’ultimo dinodo di centinaia di V Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Gammacamera: sistema di posizionamento 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 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

Gammacamera: nuove tecnologie Collimatori a fuoco variabile per compensare l’attenuazione e migliorare la risoluzione e l’efficienza nella regione di interesse dell’immagine. Cristalli “curved plate”, circa 1 mm di guadagno in risoluzione attraverso l’ottimizzazione della minima distanza dal corpo del paziente. Dispositivi a semiconduttore (Si, Ge,…) eccellente risoluzione spaziale dimensioni di interesse per l’imaging MA necessita’ di un sistema di raffreddamento e costi elevati Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

Contributi dell’attivita’ sopra e sotto il piano rappresentato Immagini planari Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Contributi dell’attivita’ sopra e sotto il piano rappresentato Limite intrinseco dell’imaging planare

Immagini tomografiche: SPECT Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

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

Caratteristiche dei sistemi SPECT Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera 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 l’obiettivo 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 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

Caratteristiche dei sistemi SPECT Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera 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 l’obiettivo 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 dell’immagine e correzione - regolazione della durata dell’esame (accumulo di statistica verso effetti cinetici indesiderati) Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III

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

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Tecniche correttive nei sistemi SPECT L’algoritmo 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 … Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III