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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

Marta Ruspa

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TAC 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

rivelatore+ collimatori

sorgente

x

Tuboraggi X

X

rivelatore

I0

I

x

x oeII μ

() (Io)

I0

Differenze tra SPECT e TAC

γ

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Fisica nella medicina nucleare diagnostica

- tecniche con fotone singolo tecniche con emettitori β+

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Positron Emission Computer TomographyTomografia Computerizzata ad Emissione di Positroni

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E’ l’antiparticella dell’elettrone.Stessa massa dell’elettrone, carica opposta.Puo’ essere prodotta solo in associazione con un e- o un neutrino.

Si annichila con l’elettrone, producendo due fotoni

γγ ee

Se l’annichilazione avviene a riposo:

• i due sono emessi in direzioni opposte

• E = me·c2 = 511 keV

E=m·c2

Che cos’e’ il positrone?

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Positron Emission Computer TomographyNella 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.

I due fotoni attraversanopercorsi 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

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Radioisotopi emettitori di positroni

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

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18F T1/2=109,8 min

Studio del metabolismo dello zucchero.

Aumentato utilizzo incellule tumorali.

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.

Radioisotopi emettitori di positroni: FDG

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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.

P

Rivelatore 1

2

3

45 6

7

Rivelatore 8

9

10

11121314

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Ricostruzione dell’immagine PET

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Struttura esagonale

Struttura circolare

Ogni rivelatore può essere incoincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto.

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

Anello circolare di rivelatori.

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.

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

Numero atomico effettivo alto Elevata emissione luminosa Alta velocita’ di emissione

Ioduro di sodio

Germanato di bismuto

Silicato di gadolinio

Silicato di lutezio

Energia superiore alla SPECTRivelazione in coincidenza

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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.

Anche: gammacamere a due teste

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Struttura esagonale(tipica di rivelatori NaI)

Struttura circolare (tipica di rivelatori BGO)

Ogni rivelatore può essere incoincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto.

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

Anello circolare di rivelatori.

Disposizione dei rivelatori

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Rivelatori a blocchi

Blocco di rivelatori (1 PM)

Singolo rivelatore

N.B.: acquisizioni entro una finestra energetica come nella gammacamera

Anelli di blocchi

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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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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 3D

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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).

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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