PET: caratteristiche tecniche e di funzionamento · Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive Il nostro viaggio

PET: caratteristiche tecniche e di funzionamento

Fioroni Federica – Servizio di Fisica Sanitaria

Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzionealla metodica

Il problema dell’attenuazione della radiazioneall’interno del corpo

Assetto geometrico di un tomografo PET

Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET

Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET

Caratterizzazione fisica di un tomografo PET

Nuove prospettive

Il nostro viaggio …

+

Isotopi +

SintesiRadiofarmaco

Acquisizionee ricostruzionedei dati

Cervello sano

P.F. 70 aa, m, c.a. polmonare







Nuove prospettive


COS’E’ UN POSITRONE?

Il positrone è una particella che ha stessa massa e spindell’elettrone ma carica opposta: viene emesso dal nucleo con energie variabili da zero fino all’energia massima (Emax) caratteristica di ciascun nucleo.

p n + + +

L’emissione di positroni è una forma di radioattività, in cui un protone all’interno di un nucleo atomico è trasformato in un neutrone.

PROCESSO DI ANNICHILAZIONE

Tomografo PET

Un tomografo ad emissione di positroni si bassa sulla rivelazione incoincidenza della radiazione di annichilazione generata dall’interazione tra il positrone emesso da un nucleo radioattivo ed un elettrone dellamateria circostante.

Radioisotopo Emivita (min) Emissione β+

(%)

Energia cineticamassima diemissione (MeV)

18F 109.8 96.9 0.633

11C 20.4 99.8 0.960

13N 10.0 100 1.198

15O 2.0 99.9 1.732

Principali radioisotopi utilizzati per studi PET Principali radioisotopi utilizzati per studi PET e loro caratteristichee loro caratteristiche

Isotopi dei principali elementi costituentila materia biologica

Breve emivita Riduzione della doseassorbita

Vengono assorbiti econsumati senzaessere riconosciuticome estranei







Nuove prospettive


TIPI DI EVENTI IN PET

Coincidenze vere

Coincidenze casuali

Coincidenze da radiazione diffusa

Una premessa fondamentale…

- elevata efficienza di scintillazione, ossia alto fattore di conversione in

luce dell’energia dissipata in esso dalla radiazione ionizzante, per una

elevata discriminazione energetica ed una stretta finestra temporale

Quali sono le caratteristiche di un rivelatore IDEALEper sistemi PET ?

- buona facilità di produzione, conservazione e di impiego.

- tempo di decadimento della luce emessa sufficientemente breve, per un basso tempo morto del sistema e quindi buone prestazioni in termini di frequenza di conteggio;

- elevato potere di trasmissione della luce;

- elevato numero atomico ed elevata densità, per garantire un elevatopotere di frenamento alle radiazione di 511 keV

Il principio fisico di funzionamento di un cristallo scintillatore può essere schematizzato dal grafico seguente:

UN PASSO INDIETRO

Segnale elettrico

FOTOMOLTIPLICATORE

NaI(Tl) BGO GSO LSO

Densità (gr/cm3) 3.67 7.13 6.70 7.4

Numero atomico effettivo 51 75 59 66

Coeff. di attenuaz. lineare (cm-1) 0.34 0.92 0.62 0.81

Eff. di scintillazione (% del NaI) 100 15 25 65

Costante di decadimento (nsec) 230 300 56 40

Rivelatori utilizzati nei sistemi PETRivelatori utilizzati nei sistemi PET

NaI25.4 mm

BGO20 mm

LSO20 mm

GSO20 mm

50

8280

74

EFFICIENZA DI RIVELAZIONE 511KeV (%)

NaI(Tl) BGO GSO LSO

Densità (gr/cm3) 3.67 7.13 6.70 7.4






keV

cts.

100 200 300 400 500 600 700 800

keV

cts.

100 200 300 400 500 600 700 800

12 %20 %

FinestraEnergeticautilizzata

FinestraEnergeticautilizzata

25 mm NaI 3D 20 mm BGO 3D

RISOLUZIONE ENERGETICA

NaI BGO LSO GSO

10

20

30

RISOLUZIONE ENERGETICA 511KeV (%)


NaI(Tl) BGO GSO LSO

Densità (gr/cm3) 3.67 7.13 6.70 7.4





Maggior capacità di conteggio del sistema,quando accoppiati ad una veloce elettronica

di acquisizione







Nuove prospettive


AUMENTO DEL CAMPO DI VISTA ASSIALE

Fine anni ‘70 Inizio anni ‘80 Inizio anni ‘90

Sistemi per Tomografia ad Emissione di Positroni

Dual-headFull-ringMulti-ring Blocchirotanti

PET multi-ring PET full-ring PET dual-head

Cristalli BGO NaI(Tl) NaI(Tl)

Dimensioni 4,0 x 8,1 x 30 mm 500 x 300 x 25 mm 508 x 39,1 x 15,9 mm672 per anello

18 anelli

50,8 x 38,1 cmCampo di vista

(FOV) 55,0 x 15,2 cm 56 x 25.6 cm

MODALITA’ DI ACQUISIZIONE IN PET

SETTI DIPIOMBO

2D

Z

3D

Sensibilità 3D = 5*Sensibilità 2D

2D 2D 3D3D

sensibilitsensibilitàà: 1 : 1 55

scatterscatter

12 %12 %RisoluzioneRisoluzioneenergeticaenergetica

Sottrazione dellaRadiazione diffusamediante algoritmi matematici

FRAZIONE DI RADIAZIONE DIFFUSAIN MODALITA’ 3D

CervelloFS: 30%

ToraceFS: 50%

NaI(Tl) Wide Area DetectorC-Pet (Philips)

BSO e LSO Multi-ring BlockCTI, Siemens e GE

GSO Detector ArrayAllegro (Philips)







Nuove prospettive


IMMAGINE IMMAGINE NON NON CORRETTACORRETTA

PER LPER L’’ATTENUAZIONEATTENUAZIONE

IMMAGINE IMMAGINE CORRETTACORRETTA

ATTENUAZIONE IN PETATTENUAZIONE IN PETATTENUAZIONE IN PET

VANTAGGI DELLA CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE

-Miglioramento della localizzazione anatomica e della definizione spaziale del tumore;

-compensazione delle distorsioni geometriche osservate negli studi non corretti;

-possibilità di quantificare la captazione del tracciante

p 1 = exp(−μx 1)p 2 = exp(−μx 2)p = exp(−μ (x 1 + x 2 ))

DD11

DD22

Coincidenza

X1

XX22

ATTENUAZIONEATTENUAZIONEATTENUAZIONE

Probab. che entrambi i fotoni vengano rivelati

CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE CALCOLATACORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE CALCOLATACALCOLATA

Ipotesi: COSTANTE

CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATACORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE MISURATAMISURATA

Sorgentepuntiforme137 Cs662 keV

Sorgente lineare68Ge

+ emittente

BLANK BLANK Niente allNiente all’’interno del campo di vista [Iinterno del campo di vista [I00]]

TRASMISSIVA Paziente nel campo di vista [ITRASMISSIVA Paziente nel campo di vista [I00exp(exp(-- xx)])]

ACF = ACF = -------------------------------------------------- = = ---------------------------------- = exp(= exp( x)x)BLANK BLANK

TRASMISSIVATRASMISSIVA

II00

II00exp(exp(-- x)x)

CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATACORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE MISURATAMISURATA

Ricordando la legge di attenuazione I=I0exp(- x)

Coefficienti di correzione per l’attenuazione

BLANK TRASMISSIVA

PET CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATA

PET PET CORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE MISURATAMISURATA

Immagine correttaper l’attenuazione

Immagine NON corretta per l’attenuazione







Nuove prospettive


CARATTERIZZAZIONE FISICA DI UN SISTEMA PET

In principali parametri che caratterizzano un sistema PET sono:

* Risoluzione Spaziale

* Linearità di conteggio

* Efficienza di rivelazione

* Frazione di radiazione diffusa

Risoluzione SpazialeRisoluzione Spaziale

La risoluzione spaziale è definita dalla FWHM e FWTM dei profili di attività della sorgente a 1, 5, 10 e 15 cm dal centro nel piano transassiale

Range del positrone

Deviazione da 180° della direzione di emissione dei fotoni di annichilazione

Dimensione dei rivelatori

Inaccuratezza della posizione dovuta all’elettronica

Metodo di ricostruzione

La Risoluzione Spaziale dipende da:

L’efficienza del materiale rivelatore, basata sulla densitàe sullo spessore del cristallo di rivelazione.

La geometria del tomografo, ossia l’area attiva del tomografo

L’Efficienza di rivelazione dipende da:

SISTEMAPET

CPET GEAdvance

ECATHR+

ECAT ACCEL

ALLEGRO

CRISTALLO Na(I) BGO BGO LSO GSO

DIMENSIONI 500x300x25

4.0x8.2x30

4.0x4.4x30

6.8x6.8x20

4.0x6.0x20

RISOLUZIONE SPAZIALE

@10cm6.4 5.4 5.4 6.7 5.9

EFFICIENZA (Kcps/mCi/cc) 450 1060 900 900 > 800

FRAZIONE DI RADIAZIONE DIFFUSA (%)

25 35 36 36 25

50% TEMPOMORTO

(Kcps/mCi)0.2 0.9 0.6 > 0.6







Nuove realtà


TACTAC

[[1818F]FDG F]FDG PETPET

• Punti corrispondenti (markers)

• Strutture corrispondenti(superfici)

• Volumi corrispondenti

Tecniche di registrazione delle immagini

Una nuova era…I SISTEMI PET-CT

PET-CT

Punti di

forza

Immagini anatomiche

Visualizzazione di fini dettagli, eccellente nella localizzazione del tumore

Immagini funzionali

Eccellente nella rivelazione e stadiazione di tumori

Combina i punti di forza di PET e CT

Punti di

debolezza

Non molto sensibile especifica nella rivelazione e stadiazione di tumori.

Una volta rivelato il tumore, la localizzazione per il trattamento èdifficile

Aspetti tecnici e protocollida ottimizzare

CT PET CT/PET

Ruolo nella diagnosi oncologica precoce e stadiazione

Cosa vediAnatomia Attività

metabolicaAttività

metabolic

+ anatom

VANTAGGI

Tempi ridotti di esame

Migliore qualità delle immagini PET(correzione per attenuazione, ricostruzione)

Accurata interpretazione delle immagini funzionali PET sulla base delle immagini anatomiche TAC (correlazione anatomo-funzionale)

Diagnosi integrata PET-TAC

PRINCIPALI ARTEFATTI (1)

Impianti metallici(Pacemaker)

Contrasto orale (Bario)

PRINCIPALI ARTEFATTI (2)

Artefatti da movimenti dovuti al respiro

microPET

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