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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

Marta Ruspa

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Struttura esagonale

Struttura circolare

Ogni rivelatore può essere incoincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto.(elevata efficienza dei sistemi PET rispetto all’imaging a fotone singolo)

Per avere un campionamentospaziale e angolare completo siruota l’intera struttura di 60o in passi di 5o .

Anello circolare di rivelatori.

PET: disposizione dei rivelatori

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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 dell’alto (b) di un dispositivo PET

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Requisiti del rivelatore per PET

Energia superiore alla SPECTRivelazione in coincidenza

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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 d’onda (accoppiamento con fotocatodo)

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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 dell’emissione luminosa.

Rivelazione in coincidenza

Velocita’ di emissione della luce

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Tipologie di rivelatore per PET

Anche: gammacamere a due teste

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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 80-90 cm

Nei moderni tomografi 3-4 anelli di blocchi

Acquisizioni entro una finestra energetica come nella gammacamera

Risoluzione spaziale 4-6 mm

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Eventi di rumore nella PET

Eventi di scatter (diffusione), coincidenze random o multiple aumentano il tempo morto e rovinano la qualita’ dell’immagine

(Compton, perdono la corretta informazione spaziale originale)

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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

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)

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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 l’efficienza

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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%

Acquisizioni PET 3D

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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.

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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)

Ioduro di sodio

Germanato di bismuto

Silicato di gadolinio

Silicato di lutezio

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Rivelatore NaI

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Rivelatore NaIEfficienza

Risoluzione spaziale

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BGO vs NaI

Risoluzione energetica

N.B.: gli eventi di scatter si situano nello spettro Compton

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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

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Come aumentare la risoluzione spaziale del BGO?

MA se le dimensioni sono troppo piccole non contengono piu’ il range dei positroni….

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Range dei positroni

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Risoluzione spaziale

Tenendo conto di quanto detto e del fatto che i fotoni non sono emessi in modo perfettamente collineare…

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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

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La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x:

x μ γ1 exP )(

Probabilità che il fotone 2 raggiunga il rivelatore:

))( x-(L μ γ2 exLP

Probabilità di rivelare entrambi i fotoni:

Lμx-(L μ xμγ2γ1γ2γ2 eeePP P

)

La correzione per attenuazione dipende solo dallo spessore delcorpo lungo la linea congiungente i due rivelatori, ma non dallacoordinata x -> migliore ricostruzione tomografica

Correzione per attenuazione in PET

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Differenze tra PET e SPECT

PET:

due fotoni emessi in direzione opposta

SPECT:

un solo fotone

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• La linea di volo dei fotoni è determinata dalla coincidenza di due rivelatori (collimazione elettronica)

Rivelatore 1 Rivelatore 2

Misura più precisa della direzione dei fotoni rispetto alla SPECT

L’assenza di collimatori permette maggiore efficienza (frazione di decadimenti rivelati) e quindi minore esposizione alle radiazioni e misure più veloci

Differenze tra PET e SPECT

L’attenuazione dei fotoni non dipende dalla posizione x del radioisotopo

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Scelta del radiofarmaco

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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

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Radiafarmaci in diagnostica

Tempo di dimezzamentodeve 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 associatetra 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%)

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67Ga, 111In

123ISi lega facilmente a proteine e farmaci (ma prodotto con ciclotroni)

Possibilità di legarsi ad anticorpi67Ga usato per localizzare tumori

201Tl Usato per analisi del muscolo cardiaco

99Tcm assenza di decadimenti β, prodotto facilmente

Il radioisotopo più comunemente usato è

Con il 99Tcm si marcano molti radiofarmaci

Radiofarmaci in diagnostica

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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 dell’idrogeno emittenti positroni ma il 18F puo’ esserne un sostituto

Radiafarmaci in diagnosticaβ+ emettitori

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Radiofarmaci in terapia

Tempo di dimezzamentopiu’ lungo rispetto alla diagnostica, dell’ordine dei giorni

(89Sr, T1/2 = 50d; 131I, T1/2 = 8d)

Modalita’ di decadimentoper particella carica, di idonea energia per il rilascio locale di dose

(89Sr, 99.9% β)

Energia delle emissioni associatel’emissione elettromagnetica associata dovrebbe essere possibilmente assente per ridurre la dose ai tessuti circostanti e al personale(89Sr, no γ)

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Fisica nella medicina nucleare terapeutica

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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

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Radioterapia metabolica

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Ruolo della dosimetria nelle terapie con radionuclidi

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Parametri biologici

La sostanza radioattiva viene escreta con una legge esponenziale simile a quella del decadimento radioattivo, tempo di dimezzamento biologico

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Parametri biologici: clearance del sangue

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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.

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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?

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Fisica della produzione di radionuclidi

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Decadimenti a cascata

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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 dell’elemento padre.

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Produzione di radioisotopi

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Produzione di radioisotopi

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Attivita’ specifica

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Radioisotopi “Carrier Free”

attivita’ specifica

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Qualsiasi applicazione pratica presenta attivita’ specifiche inferiori alla condizione carrier free

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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

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Generatore di 99mTc

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.

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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.

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Generatore di 131I

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Produzione di isotopi β+ emittenti

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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.

Ciclotroni per uso medico

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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.

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Esercizio 11: quanto vale l’attivita’ specifica Carrier Free di un radioisotopo con T1/2 di 24 h e numero atomico 50?