FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE

Anno Accademico 2012-2013
Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica
per Immagini e Radioterapia
FISICA delle APPARECCHIATURE per
MEDICINA NUCLEARE
(lezione V,22.05.13)
Marta Ruspa
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Esercizio 9: 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 10:lo iodio 131 è usato nel trattamento delle
disfunzioni tiroidee. Il suo tempo di dimezzamento è di 8,1
giorni. Se un paziente ingerisce 50 mg di 131I che non vengono
escreti dal corpo, quanti mg rimangono nel corpo del paziente
dopo 60 giorni?
Esercizio 11: 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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Interazione neutroni-materia
Massa pari a quella del protone, no carica elettrica
 particelle molto penetranti, difficili da schermare e da rivelare
(spesso rivelati indirettamente conteggiando i fotoni o le particella
cariche emesse per cattura neutronica)
< 1 KeV: neutroni termici
1- 100 KeV: neutroni epitermici o di risonanza
100 KeV – 10 MeV: neutroni veloci
10 MeV: neutroni relativistici
Interazione nucleare con i nuclei del mezzo attraversato
•  diffusione del neutrone incidente
•  cattura del neutrone incidente con eventuale riemissione di
neutroni, di fotoni gamma (n, ϒ) o di particelle cariche (n,p),
(n,d), (n,α)
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Fissione
Energia di legama/nucleone bassa
Il nucleo assorbe energia  se viene superata un’energia critica le
forze repulsive possono sovrastare quelle attrattive e portare alla
fissione in due frammenti
 spontanea solo per pochi radionuclidi molto pesanti (235U)
 attivata da cattura neutronica
neutroni termici
neutroni veloci: energia cinetica contribuisce al superamento
del livello critico
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Produzione di radioisotopi
7
Produzione di radioisotopi
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Reattori
Radionuclidi di fissione
Prodotti di attivazione (n,γ), (n,p) del materiale di contenimento o di
target appositamente predisposti
Per uso medico
99Mo per fissione
51Cr, 75Se, 125I, 131I per attivazione
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Attivita’ specifica
10
Attivita’ specifica “Carrier Free”
Cioe’ quella che finora abbiamo chiamato attività
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Esercizio 11: quanto vale l’attivita’ specifica Carrier Free di un
radioisotopo con T1/2 di 24 h e numero di massa 50?
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Attivita’ specifica “No Carrier Added”
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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 cosiddetti generatori. E’ questo il caso della produzione di due
radioisotopi di largo impiego
99mTc
131I
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Decadimenti a cascata
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Decadimenti a cascata – equilibrio secolare
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.
16
Generatore di 99mTc
17
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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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 o deutoni o, soprattutto
ultimamente, ioni negativi di idrogeno che solo al momento della estrazione
vengono fatti passare attraverso sottili spessori di carbonio e trasformati
in una corrente di ioni positivi
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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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Produzione di isotopi β+ emittenti
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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
 
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 
 
 
Alta attivita’ specifica
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 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)
  Modalita’ di decadimento
indicati radioisotopi che decadono senza emettere particelle cariche, per
ridurre la dose rilasciata; l’emissione associata preferibile e’ l’emissione γ di
alta intensita’, poco convertita internamente, possibilmente singola
  Energia delle emissioni associate
tra 100 e 300 KeV per sfruttare le piu’ alte efficienze di rivelazione che si
ottengono in questo intervallo energetico
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(123I, 159 KeV, 83%; 99mTc, 140 KeV, 90%; 81mKr, 190 KeV, 65%)
Radiafarmaci in diagnostica
β+ emettitori
Isotopi di bio-elementi!
Non esistono isotopi
dell’idrogeno emittenti
positroni ma il 18F puo’
esserne un sostituto
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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 (C6H12O6) 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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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)
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Esercizio 12: dopo 24 ore la radioattivita’ di un radionuclide e’
1/8 del suo valore iniziale. Quanto vale il suo tempo di
dimezzamento?
Esercizio 13: si determini l’attivita’ di 10 grammi di
dimezzamento 8.1 giorni)
131I
(tempo di
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Testi consigliati
  “Medicina nucleare nella pratica clinica”
Patron Editore, Bologna
  “La fisica in medicina nucleare”
Patron Editore, Bologna
  “Borsa Scannicchio, Fisica con applicazioni in biologia e medicina”
Edizioni Unicopli
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