FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione II) Anno Accademico 2006-2007 Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica per Immagini e Radioterapia Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione II) Marta Ruspa

PET: disposizione dei rivelatori Struttura esagonale Ogni rivelatore può essere in coincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto. (elevata efficienza dei sistemi PET rispetto all’imaging a fotone singolo) Per avere un campionamento spaziale e angolare completo si ruota l’intera struttura di 60o in passi di 5o . Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V Struttura circolare Anello circolare di rivelatori.

PET: 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. V

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

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) Energia superiore alla SPECT (511 KeV)  Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V Ioduro di sodio Germanato di bismuto Silicato di gadolinio Silicato di lutezio

Tipologie di rivelatore per PET Rivelazione in coincidenza 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. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V  Velocita’ di emissione della luce

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

Rivelatori a blocchi Anelli di blocchi Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V Cristalli raggruppati in blocchi, per esempio di 6x6 o 8x8. Ogni blocco “visto” da un gruppo di fotomoltiplicatori Blocchi organizzati in anelli di diametro 80-90 cm Nei moderni tomografi 3-4 anelli di blocchi Acquisizioni entro una finestra energetica come nella gammacamera Risoluzione spaziale 4-6 mm

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

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 l’impulso 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 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V Come nella diagnostica a fotone singolo gli eventi di scatter si possono contenere riducendo la finestra energetica, a spese pero’ dell’efficienza (a causa della cattiva risoluzione energetica del BGO)

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 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V MA penalizzano l’efficienza

Acquisizioni PET 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. V

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

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. V Ioduro di sodio Germanato di bismuto Silicato di gadolinio Silicato di lutezio

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

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

BGO vs NaI Risoluzione energetica Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 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. V

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

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

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

Che cosa porta complessivamente alla perdita di efficienza in PET? I radionuclidi diffondono in tutto l’organismo, 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 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

Correzione per attenuazione in PET La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x: Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 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

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

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

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

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 all’organo di interesse Tempo di diffusione Danno da radiazione Pronta disponibilita’ Basso costo di produzione Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

Radiafarmaci in diagnostica Tempo di dimezzamento deve essere compatibile con la durata del fenomeno biologico o fisiologico interessato: - valutazione polmonare  T1/2 ~ s (81mKr, T1/2 = 13 s) - captazione tiroidea  T1/2 ~ qualche ora (123I, T1/2 = 13 h) - analisi di funzionalita’ cardiaca  T1/2 ~ qualche minuto (ammoniaca marcata con 13N, T1/2 ~ 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 (123I, 159 KeV, 83%; 99mTc, 140 KeV, 90%; 81mKr, 190 KeV, 65%) Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

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

Radiafarmaci in diagnostica β+ emettitori Isotopi di bio-elementi! Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 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.

Radiofarmaci in terapia Tempo di dimezzamento piu’ lungo rispetto alla diagnostica, dell’ordine dei giorni (89Sr, T1/2 = 50d; 131I, T1/2 = 8d) Modalita’ di decadimento per particella carica, di idonea energia per il rilascio locale di dose (89Sr, 99.9% β) Energia delle emissioni associate l’emissione elettromagnetica associata dovrebbe essere possibilmente assente per ridurre la dose ai tessuti circostanti e al personale (89Sr, no γ) Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

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

Terapie con irraggiamento interno Somministrazione di radiofarmaci (diffusibili o non diffusibili) a scopo curativo o palliativo. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 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. Radioterapia metabolica Brachiterapia Impianto di semi radioattivi (ad es. per tumore della prostata)

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

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

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

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

Esercizio 7: valutare il volume di sangue di un paziente in cui sono stati somministrati 5 cc di albumina marcata con 131I avente una frequenza di conteggi (emissioni rivelate da un contatore di radiazione) di 105 conteggi al secondo. La frequenza di conteggio misurata 15 minuti dopo da un campione di 5 cc di sangue e’ stata di 102 conteggi al secondo. Esercizio 8: il 59Fe 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. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

Esercizio 9: tessuti viventi esposti a 20000 rad sono completamente distrutti. Valutare l’aumento 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? Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

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

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

Decadimenti a cascata Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 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 dell’elemento padre.

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

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

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

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

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 l’utilizzo dei cosidetti generatori. E’ questo il caso della produzione di due radioisotopi di largo impiego 99mTc 131I Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

Generatore di 99mTc Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V 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 dell’elemento padre.

Generatore di 99mTc Il generatore 99Mo-99mTc e’ costituito da una colonna cromatografica rappresentata da un piccolo cilindro di vetro, sigillato alle estremita’ e contenente allumina (Al2O3) (fase fissa). La colonna e’ munita all’estremita’ 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 99mTc: quest’ultimo infatti e’ solubile in soluzione salina mentre il 99Mo e’ insolubile e rimane pertanto adsorbito sulla colonna. Il 99Mo, decadendo, da origine ad ulteriori quantita’ di 99Tc, che possono essere in seguito nuovamente eluite tramite lo stesso procedimento. Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V

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

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

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. V

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. V

Esercizio 11: quanto vale l’attivita’ specifica Carrier Free di un radioisotopo con T1/2 di 24 h e numero atomico 50? Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V