Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Anno Accademico 2005-2006
Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica
per Immagini e Radioterapia
FISICA delle APPARECCHIATURE per
MEDICINA NUCLEARE
(lezione IV)
Marta Ruspa
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Differenze tra SPECT e TAC
rivelatore
X
I0
I I oe
I0
TAC
γ
x
x
Tubo
raggi X
rivelatore
+ collimatori
I
()
• direzione del fotone:congiungente
la sorgente X e il rivelatore
• informazione strutturale
determinata dall’assorbimento
dei fotoni ()
• risoluzione spaziale 1 mm
sorgente
μx
(Io)
SPECT
• direzione del fotone: definita
dai collimatori
• informazione funzionale determinata
dall’attività della sorgente I o
(necessario correggere per attenuazione)
• risoluzione spaziale ~ 5 mm
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Fisica nella medicina nucleare
diagnostica
- tecniche con fotone singolo
tecniche con emettitori β+
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Positron Emission Computer Tomography
Tomografia Computerizzata ad Emissione di Positroni
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Che cos’e’ il positrone?
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
e e γ γ
Se l’annichilazione avviene a riposo:
• i due sono emessi in direzioni
opposte
E=m·c2
• E = me·c2 = 511 keV
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Positron Emission Computer Tomography
Nella 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 attraversano
percorsi 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
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della risoluzione spaziale
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Radioisotopi emettitori di positroni
Isotopi di bio-elementi!
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
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processi biochimici.
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Radioisotopi emettitori di positroni: FDG
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.
18F
T1/2=109,8 min
Studio del metabolismo dello
zucchero.
Aumentato utilizzo in
cellule tumorali.
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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.
4
5
6
7
Rivelatore 8
3
2
9
P
Rivelatore 1
14
10
13 12
11
9
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Ricostruzione dell’immagine PET
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Disposizione dei rivelatori
Struttura esagonale
Ogni rivelatore può essere in
coincidenza con ognuno dei
rivelatori del piano opposto.
Per avere un campionamento
spaziale e angolare completo si
ruota l’intera struttura di 60o in
passi di 5o .
Struttura circolare
Anello circolare di rivelatori.
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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.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Requisiti del rivelatore per PET
Energia superiore alla SPECT
Rivelazione in coincidenza
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Requisiti del rivelatore per PET
Energia superiore alla SPECT
Rivelazione in coincidenza
Numero atomico effettivo alto
Elevata emissione luminosa
Alta velocita’ di emissione
Ioduro di
sodio
Germanato
di bismuto
Silicato di
gadolinio
Silicato di
lutezio
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Tipologie di rivelatore per PET
Anche: gammacamere a due teste
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 15
di decadimento dell’emissione luminosa.
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Disposizione dei rivelatori
Struttura esagonale
(tipica di rivelatori NaI)
Ogni rivelatore può essere in
coincidenza con ognuno dei
rivelatori del piano opposto.
Per avere un campionamento
spaziale e angolare completo si
ruota l’intera struttura di 60o in
passi di 5o .
Struttura circolare
(tipica di rivelatori BGO)
Anello circolare di rivelatori.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
Rivelatori a blocchi
Blocco di rivelatori (1 PM)
Anelli di
blocchi
Singolo rivelatore
N.B.: acquisizioni
entro una finestra
energetica come
nella gammacamera
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Eventi di rumore nella PET
(Compton,
perdono la
corretta
informazione
spaziale
originale)
Eventi di scatter (diffusione), coincidenze random o multiple
aumentano il tempo morto e rovinano la qualita’ dell’immagine
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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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Acquisizioni 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
cuore:
cervello:
setti interplanari
14-15%
8-9%
3D
60-70%
35-40%
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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
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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 NaI
Efficienza
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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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. IV
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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