06/05/2012
Introduzione alla medicina nucleare
Introduzione alla medicina nucleare
Tecniche d’imaging in vivo
Imaging con raggi-X
Prof. Giovanni Lucignani
Dipartimento di Scienze della Salute
Università di Milano
[email protected]
Ecografia
Risonanza Magnetica (MRI)
www.lucignani.it
Medicina Nucleare (Scintigrafia)
Introduzione alla medicina nucleare
Tecniche d’imaging in vivo
Imaging con raggi-X
Cosa differenzia la medicina nucleare dalla
radiologia?
Radiografia
Scintigrafia
Mappa dei coefficienti d’attenuazione dei raggi-X.
Ecografia
Mappa delle variazioni dei coefficienti d’impedenza acustica.
Imaging con Risonanza magnetica
Mappa della densità protonica pesata per i tempi di rilassamento nucleare
associata a differenti ambienti molecolari.
Imaging con radionuclidi
Sorgente di Rx
Rivelatore di Rx
Mappa della distribuzione di un radiofarmaco in relazione a processi funzionali.
Cosa caratterizza la medicina nucleare?
Rivelatori delle emissioni di
radiazioni Gamma
(Gammacamera)
Cosa differenzia tra loro le indagini di
medicina nucleare?
[Tc-99m] Sestamibi
140 keV photon
1
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In cosa consistono
le indagini di
medicina nucleare?
RICHIAMI “DI BASE”
LA RADIOATTIVITÀ
I SISTEMI DI RILEVAZIONE
I RADIOFARMACI
APPLICAZIONI PRINCIPALI DELLA Medicina
Nucleare
La radioattività
La radioattività consiste nella emissione di energia nel corso del
decadimento radioattivo, un insieme di processi tramite i quali
dei nuclei atomici instabili (radionuclidi) tendono a raggiungere
uno stato più stabile attraverso l’emissione di particelle
subatomiche.
Ogni atomo è formato da un nucleo contenente protoni e
neutroni, e da un numero di elettroni che gli orbitano intorno.
Tipi di decadimento radioattivo
Nuclide:
Un nucleo caratterizzato da una struttura atomica definita
dal numero di protoni (p) e di neutroni (n) del nucleo.
Radionuclide:
Un nuclide instabile caratterizzato da trasformazione
nucleare spontanea.
Isotopi:
Nuclidi con lo stesso numero atomico e con le medesime
proprietà chimiche.
Isomeri:
Nuclidi con lo stesso numero di protoni e neutroni ma
diverso stato energetico.
Legge del decadimento radioattivo
Decadimento radioattivo
1
I radionuclidi si
disintegrano perdendo
parte della propria
energia nucleare sotto
forma di particelle
atomiche (alfa e beta)
o fotoni (raggi
gamma)
0,9
0,8
Attività
I Nuclidi
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
10
Esempio: t½ = 6 ore
20
30
40
50
Ore
2
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Principali radionuclidi impiegati per la
diagnostica in vivo
Nuclide
Emivita
Decadimento
Produzione
O-15
2 min
β+
Ciclotrone (*)
N-13
10 min
β+
Ciclotrone (*)
C-11
20 min
β+
Ciclotrone (*)
F-18 (#)
110 min
β+
Ciclotrone
Tc-99m (#)
6 ore
TI
Generatore
I-123
13 ore
CE
Ciclotrone
Mo-99
66 ore
β-
Reattore (Generatore di Tc99m)
In-111
67 ore
CE
Ciclotrone
Tl-201
2 giorni
CE
Ciclotrone
Ga-67
2 giorni
β-
Ciclotrone
I-131
8 giorni
β-
Ciclotrone
(#)
(*)
I radionuclidi maggiormente impiegati in medicina nucleare
Il ciclotrone deve essere disponibile nella sede di impiego dei radiofarmaci prodotti
CARATTERISTICHE OTTIMALI PER L’USO DI UN
RADIONUCLIDE A SCOPO DIAGNOSTICO O TERAPEUTICO
La caratteristica
indispensabile per l’uso di
un radionuclide a scopo
diagnostico, con il fine di
ottenere immagini
mediante tecniche di
medicina nucleare, è di
decadere dando origine
all’emissione di fotoni.
CARATTERISTICHE OTTIMALI DI ENERGIA γ PER
L’USO DI UN RADIONUCLIDE A SCOPO
DIAGNOSTICO
Interazione delle radiazioni con la
materia
Effetto fotoelettrico
un fotone viene assorbito
da un elettrone atomico
con conseguente sua
espulsione dall’atomo
Effetto Compton
un fotone interagisce con
un elettrone e viene
deviato dalla sua
traiettoria, perdendo
parte della sua energia,
che viene trasferita
all’elettrone
CARATTERISTICHE OTTIMALI PER L’USO DI UN
RADIONUCLIDE A SCOPO DIAGNOSTICO O TERAPEUTICO
I fotoni hanno la caratteristica di
essere molto penetranti e di
produrre un basso numero di
ionizzazioni per unità di percorso.
Per contro, le radiazioni
corpuscolate sono poco penetranti
e ad alto LET. Pertanto non
permettono di ottenere immagini e
producono ionizzazioni ed effetti
dannosi sulle molecole degli
organismi direttamente e
indirettamente attraverso la
produzione di radicali liberi.
Radiofarmaco
Subottimale <100 keV
201Tl
Ideale 100-250 keV
99mTc - 123I - 111In
Subottimale >250 keV
67Ga - 131I
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Radiofarmaco
RADIOFARMACO
Un qualsiasi medicinale che, quando è pronto
per l’uso, include uno o più radionuclidi (isotopi
radioattivi) incorporati a scopo sanitario
I radiofarmaci sono impiegati in medicina nucleare a
scopo diagnostico o terapeutico
Hanno tutte le caratteristiche di un medicinale
Medicinale che quando è pronto per l’uso include uno o
più radionuclidi a scopo sanitario
le normative in vigore per l’uso di qualunque medicinale
le norme che regolano l’uso di sorgenti radioattive
Caratteristiche ideali
Facilmente rilevabile e quantificabile
Localizzarsi solo in organi di interesse
Stabile dal punto di vista chimico e biochimico
Adeguata emissione energetica
Devono essere preparati e somministrati seguendo
Definizione:
Proprietà dei farmaci iniettabili
Sterile
Apirogeno
Isotonico
pH fisiologico
Costo contenuto
RADIOFARMACI: produzione galenica
RADIOFARMACI: produzione
industriale
Diagnosi (emissioni gamma)
Terapia (emissioni beta-)
Principi per l’impiego dei
radiofarmaci
L'uso di un radiofarmaco richiede che si conosca quali
sono i parametri fisiologici e biochimici che ne
determinano la biodistribuzione, captazione ed
eliminazione sistemica e regionale
La descrizione dei comportamenti dei radiofarmaci si basa
sulle correnti metodiche di farmacocinetica
I radiofarmaci sono somministrati in quantità traccianti, in
dosi sufficienti a seguire il processo in esame, ma
irrilevanti dal punto di vista biologico e farmacologico
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Tipi di radiofarmaci
Caratteristiche ottimali di un
radiofarmaco per uso diagnostico
Disponibilità costante
Facile sintesi
Breve emivita
Emissione γ
Localizzazione esclusiva nell'organo in esame
Bassa dosimetria
Tipo
Esempi
Singoli elementi radioattivi
Ioni semplici
Xe-133
I-131, Tc-99m
Piccole molecole
Macromolecole
Tc-99m-DTPA
Tc-99m-HSA, In-111-MoAb
Particolati
Tc-99m-SC, Tc-99m-MAA
Cellule
In-111-WBC, Tc99m-RBC
Sostituzione isotopica
C-11-metionina
Forme farmaceutiche dei radiofarmaci
Forma
Solida
Liquida
Gassosa
CRITERI DI SELEZIONE DEI
RADIOFARMACI
Farmacocinetica
Somministrati secondo la formulazione per via
Orale
Inalatoria,
Intravascolare
Intratecale
Intraperitoneale
Funzionale
Meccanico
Diffusione passiva
Blocco capillare
Filtrazione glomerulare
Trasporto attivo
Tiroide, fegato
Trapping metabolico
F-18-FDG
Legame recettoriale
Tipo di emissione radioattiva
Meccanismi di localizzazione dei RF
Apparato, organo e processo in esame
Meccanismo di localizzazione
Emivita biologica
Energia
Tipo di decadimento
Emivita fisica
PROPRIETA’ DEI RADIOFARMACI
Tc-99m-MAA
Fagocitosi
I radiofarmaci NON HANNO:
Effetto farmacologico
Meccanismo d’azione
Azione terapeutica radiante se diagnostici
Tc-99m-SC
Sequestro
Milza
Compartimentalizzazione
Analoghi della
somatostatina
Funzione cardiaca
Legame Ag/Ab
Stravasi patologici
I radiofarmaci HANNO
Funzione diagnostica
Funzione terapeutica
Meccanismo di localizzazione
Energia fisica liberata significativa se terapeutici
sanguinamenti
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Strumenti per la rilevazione della
radioattività
Sistemi a scintillazione
Rilevazione di radioattività
Produzione di immagini
L’ACQUISIZIONE DEI DATI E LA
FORMAZIONE DELLE IMMAGINI: la
gamma-camera e il tomografo PET
Sonde (chirurgia radioguidata)
Gamma camera
SPECT
PET
La gamma camera
E’ la più “convenzionale”
apparecchiatura impiegata in
Medicina Nucleare
Permette di ottenere immagini
bidimensionali della distribuzione di
un radionuclide
Gamma Camera
Testata
Rotazione
disponibile per
SPET
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La gamma camera
Gamma Camera
Elettronica
Fotomoltiplicatori
Cristallo
Serie di PMTs connessi ad amplificatori,
e circuiti elettronici.
Collimatore
NaI (Tl) (Cristallo di scintillazione).
Radiazione
penetrante
γ
Collimatore – Pb con setti e fori.
Radiazione γ
arrestata
Paziente
Codifica l’informazione spaziale.
La radiazione γ penetrante causa una ionizzazione
Fotoelettrica nel cristallo di NaI.
L’elettrone secondario derivante da quest’evento
Produce fotoni visibili mediante SCINTILLAZIONE.
Scintillatori e fotomoltiplicatori
Sistemi a scintillazione
Scintillatori e fotomoltiplicatori
COLLIMATORI
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Imaging con radionuclidi
La gamma camera
Ricostruzione delle immagini
Circuiti di posizionamento.
Ciascun PMT ha un output pesato dipendente dalla sua posizione
X e Y.
X e Y dell’evento fotoelettrico determinati dalla somma pesata da
tutti i PMTs.
Analizzatore di ampiezza dell’impulso.
Permette di discriminare tra fotoni primari e secondari (deviati)
IMMAGINI PLANARI
DINAMICHE: stesso
campo di vista
IMMAGINI PLANARI
STATICHE:
diversi campi di vista
Tempo = 0
Tempo = 20 min.
Tempo = 0
Tempo = 20 min.
Single Photon Emission Tomography
(SPET)
KBC
Concentrazione in B Concentrazione in A
KAB
Concentrazione in C
1
0,8
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1 0
25
0,8
50
Tempo
75
100
La Gamma camera ruota attorno al paziente
(Tipicamente per “steps” di 3o) acquisendo immagini
in differenti proiezioni.
0,6
Immagini ricostruite in modo simile alla TC.
0,4
0,2
0
1 0
25
50
Tempo
75
100
25
50
Tempo
75
100
Risoluzione spaziale ~ 8-10 mm – molto inferiore alla
TC.
0,6
0,4
Ma permette di ottenere immagini FUNZIONALI 3D.
0,2
0
0
8
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SPECT
Single
Photon
Emission
Computed
Tomography
Vantaggi:
• ↑ contrasto tra le
strutture
• ↑ localizzazione
anatomica
Svantaggi
• ↑ tempi di acquisizione
SPECT
INTERPRETAZIONE DELLE IMMAGINI:
modalità di distribuzione della radioattività
rispetto al quadro normale
SPECT
INTERPRETAZIONE DELLE IMMAGINI:
simmetria di distribuzione della
radioattività
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INTERPRETAZIONE DELLE IMMAGINI:
distribuzione «anatomica e funzionale»
INTERPRETAZIONE DELLE IMMAGINI:
anamnesi e follow-up
(A) On the initial bone scan,
increased radiotracer uptake can be
observed in the ninth right rib, and
lesser uptake in two other ribs and
both feet, that are attributable to
metastasis or trauma. (B) On the
bone scan taken 3 months later,
additional rib lesions can be
observed, which were shown on
plain film to be rib fractures, and
new intense uptake in both
sacroiliac joints that represents
sacral insufficiency fractures as
confirmed by pelvic MRI.
Halperin F et al. (2007) Tumorinduced osteomalacia: the
importance of measuring serum
phosphorus levels Nat Clin Pract
Endocrinol Metab 3: 721–725
INTERPRETAZIONE DELLE IMMAGINI:
alterazioni globali
INTERPRETAZIONE DELLE IMMAGINI:
alterazioni focali e globali
Positron Emission Tomography (PET)
Decadimento β+
Centro PET
Radionuclidi con abbondanza di protoni e.g. 15O, 11C,
18F, 13N.
Prodotti mediante bombardamento in CICLOTRONE.
Decadimento:
p → n e+ ν
Ciclotrone
e+ = positrone. ANTI-MATERIA.
18F
11C
15O
– T½ ~ 110 min.
– T½ ~ 20 min.
– T½ ~ 2 min.
Scanner
Radiofarmacia
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L’emissione di positroni
Annichilazione del positrone
β+
p
n
p+
~105
Nuclide
β+
18F
18O
15O
15N
13N
13C
11C
11B
511keV
β−
511keV
Emivita
18F
109.7 min
11C
20.4 min
13N
9.96 min
15O
2.04 min
82Rb
76 sec
Positron Emission Tomography (PET)
PET
Positron
Emission
Tomography
Vantaggi:
• quantitativa
• ↑ risoluzione spaziale
~ 1mm
Anelli di cristalli di scintillazione (BGO, LSO, GSO) accoppiati a PMTs
circondano il paziente.
Svantaggi
• costo elevato
• rapido decadimento
2 Fotoni x 511 keV emessi nella stessa direzione e verso opposto
Rivelazione del decadimento PET:
la localizzazione
Linea di
risposta
Positron Emission Tomography (PET)
Determinazione della
LINE OF RESPONSE (LOR) :
POSIZIONE Rivelata dai cristalli.
Interazione
Annichilazione
γ
COINCIDENZA Della rivelazione
da parte
Di due cristalli opposti
same event (within ~ 2ns).
γ
ENERGIA Del fotone.
Eliminazione dei raggi attenuati.
Interazione
Immagine ⇒ ricostruzione
simile alla TC
lungo multiple LOR.
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PET/CT
PET
PET study: 4min x 6 FOV =24min
CT
MS-CT study: 40-50sec
IMMAGINI TOMOGRAFICHE PET STATICHE:
diversi campi di vista
INDAGINI TOMOGRAFICHE PET
DINAMICHE:
stesso campo di vista
PET/TC e SPECT/TC
CT
PET
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Rivelazione del decadimento PET:
la localizzazione
CT
PET-CT
PET
PRINCIPALI INDICAZIONI ALLE
PROCEDURE DI MEDICINA NUCLEARE IN
NEUROLOGIA
•Diagnosi di ictus e valutazione
preoperatoria in pazienti con stenosi
carotidea
•Diagnosi differenziale di demenze
(Multi-infartuale, Alzheimer, AIDS)
•Localizzazione delle aree di partenza di
crisi epilettiche
•Valutazione dei traumi cerebrali
•Diagnosi differenziale nei disturbi
motori (Parkinsonismi)
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DEMENZE
Fluoro DOPA
Nigrostriatal
Presynaptic
Synthesis
Cocaine analogs
Nigrostriatal
Presynaptic
Reuptake
Synthesis
Perfusion patterns in dementias
Binding
Fronto-temporal
AD
Multi-infarct
Benzamides
Post-synaptic receptors
DATSCAN
Funzionalità tiroidea
Morbo di Basedow
Soggetto normale
Morbo di Parkinson
Osteomielite (111Indio)
LA STADIAZIONE DI N
Esiti di pregresso trauma stradale
Si noti il differente numero di lesioni e la maggiore intensità di captazione osservabili nelle immagini
eseguite a 48 ore rispetto a quelle più precoci
Linfonodi ascellari e
mediastinici ingranditi
Piccolo linfonodo
mediastinico
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Filtrazione glomerulare
PRINCIPALI INDICAZIONI ALLE PROCEDURE DI
MEDICINA NUCLEARE IN NEFROLOGIA
•Valutazione delle ostruzioni
ureterali
•Diagnosi di ipertensione nefrovascolare
•Misura della funzione renale
separata
L’esame consiste in una serie di immagini
dinamiche di un tracciante che viene rimosso
dal plasma, transita attraverso i reni e gli
ureteri fino a raggiungere la vescica.
•Identificazione precoce del
rigetto di trapianto renale
•Identificazione delle pielonefriti
•Visualizzazione delle cicatrici
renali
PRINCIPALI NUCLEARE IN CARDIOLOGIA (I)
INDICAZIONI ALLE PROCEDURE DI MEDICINA
PRINCIPALI NUCLEARE IN CARDIOLOGIA (Ii)
INDICAZIONI ALLE PROCEDURE DI MEDICINA
•Diagnosi di coronaropatia
•Valutazione dell’efficacia di baypass coronarici
Difetto di
perfusione
“reversibile”:
ischemia inducibile
•Valutazione dell’efficacia della terapia per l’insufficienza
cardiaca
•Valutazione del rigetto di trapianto
•Selezione di pazienti candidati ad angioplastica o bypass
PRINCIPALI INDICAZIONI ALLE PROCEDURE DI
MEDICINA NUCLEARE IN CARDIOLOGIA (III)
•Identificazione di pazienti a rischio di
infarto durante procedure chirurgiche non
cardiache
•Identificazione dell’insufficienza del cuore
destro
•Misura della tossicità cardiaca di farmaci
•Valutazione della patologia vavolare
•Identificazione e quantificazione degli
shunt cardiaci
•Diagnosi e localizzazione precoce di
infarti cardiaci
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PRINCIPALI INDICAZIONI ALLE
PROCEDURE DI MEDICINA
NUCLEARE: ALTRE INDICAZIONI
PRINCIPALI INDICAZIONI ALLE PROCEDURE DI
MEDICINA NUCLEARE IN PNEUMOLOGIA
•Diagnosi e trattamento
dell’ipertiroidismo (Morbo di Graves)
•Diagnosi di embolia
polmonare
•Identificazione di sanguinamenti
gastrointestinali
•Quantificazione della
ventilazione e
perfusione polmonari
•Identificazione di processi
infiammatori/infettivi
•Identificazione del
rigetto di trapianto di
polmone
•Diagnosi e trattamento di patologie
del sangue
•Identificazione di
alterazioni polmonari in
grandi ustionati
PRINCIPALI INDICAZIONI ALLE
PROCEDURE DI MEDICINA NUCLEARE IN
ONCOLOGIA
Metastasi ossee
Localizzazione
•Stadiazione
Carcinoma gastrico
•Identificazione di
metastasi
•Valutazione di efficacia
della terapia
•Riduzione del dolore
osseo
PET/TC
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IMPIEGHI TERAPEUTICI DELLA
MEDICINA NUCLEARE
Sebbene la Medicina Nucleare
sia impiegata principalmente a
fini diagnostici, alcune
applicazioni terapeutiche sono
particolarmente efficaci nel
trattamento degli ipertiroidismi,
tumori della tiroide e del sangue
e nel trattamento palliativo del
dolore osseo di origine
neoplastica
TERAPIA RADIOMETABOLICA
Indicazioni cliniche
– Trattamento di metastasi da carcinoma differenziato della tiroide (I-131)
– Ablazione di residuo tiroideo postchirurgico (I-131)
– Trattamento degli stati iperfunzionanti della tiroide (I-131)
– Trattamento di neoplasie derivate dalla cresta neurale- (I-131 MIBG)
– Trattamento del dolore da metastasi ossee (Sr-89)
– Trattamento di versamenti pleurici con radiocolloidi (Y-90)
– Radioimmunoterapia di varie neoplasie; in modo particolare tumori
ovarici e gliomi (Anticorpi monoclonali marcati con I-131, Y-90, Re188/186)
– Trattamento di epatocarcinomi (I-131-lipiodol).
Esposizione alle
radiazioni naturali
Le radiazioni di origine
naturale, provenienti
dallo spazio (radiazioni
cosmiche), dal suolo
(elementi naturali
radioattivi), dal
carbonio e potassio
naturalmente presenti
negli alimenti ed acque
e sono responsabili
dell’85% della dose di
radiazioni assorbita da
ciascun individuo
TERAPIA RADIOMETABOLICA
Somministrazione per via sistemica o loco-regionale di un
radionuclide emittente radiazioni corpuscolate in forma
chimica semplice o legato a molecole complesse.
Il “radiofarmaco” si concentra per vari e diversi
meccanismi più o meno selettivamente a livello della
neoplasia o resta confinato nello spazio anatomico di
introduzione, ottenendosi così l’irradiazione voluta del
volume bersaglio.
LE METODICHE DI MEDICINA NUCLEARE
SONO SICURE
Ai pazienti vengono
somministrate quantità di
radiofarmaci confrontabili, o
inferiori, a quelle assorbite nel
corso di esami di radiologia
diagnostica (TAC)
In caso di gravidanza, vengono
evitate le procedure diagnostiche
che impiegano radiazioni
ionizzanti
Esposizione alle radiazioni artificiali
non mediche e mediche
Ulteriori esposizioni a radiazioni di
diversa natura derivano da strumenti
domestici (rivelatori di fumo,
televisori e indicatori fosforescenti)
All’ultimo posto tra le cause di
irradiazione si trova l’esposizione ai
raggi X e γ per diagnosi o terapia
In Medicina Nucleare, il paziente
riceve in genere una dose equivalente
a pochi mesi di esposizione al fondo
naturale.
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Radioprotezione
RESPONSABILITÀ DEL MEDICO A TUTELA
DEL PAZIENTE
Tipo di
radiazione
Modalità
In virtù della specifica formazione
professionale, di linee guida
professionali e delle normative di
legge, il Medico Nucleare seleziona
la procedura diagnostica più
appropriata per il problema del
paziente, e quindi deve essere in
grado di evitare esposizioni non
necessarie alle radiazioni
Imaging con raggi-X
Scintigrafia
Ultrasuoni
MRI
}
}
Commento
Radiazioni
inonizzanti
Effetti noti.
Danno probabilistico.
Legislazione.
Radiazioni
Non-ionizzanti
Non producono effetti
biologici.
Strumenti per la rilevazione della
radioattività
Sistemi a ionizzazione
Contatore di Geiger-Müller
Dosimetri personali
Calibratori di dose
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Sommario:
A cosa servono?
Tecnica
d’immagine
Vantaggi
Svantaggi
Radiografia
Raggi-X
Interfaccia osso-tessuti molli.
Elevata risoluzione spaziale.
Rapidità ed economicità.
Scarso contrasto tra tessuti molli.
Planare – eccetto CT.
Ultrasuoni
Buon contrasto tra tessuti molli.
Rapidità ed economicità.
Principalmente studi anatomici.
Risoluzione spaziale modesta.
‘Planare’.
Medicina
Nucleare
Imaging funzionale più che
anatomico.
3D.
PET – strumento molto sensibile e
specifico.
Imaging funzionale più che
anatomico.
Scadente risoluzione spaziale.
PET molto costoso.
Scansioni prolungate.
Risonanza
magnetica
Contrasto ottimo nei tessuti molli
Possibile l’imaging funzionale e la
spettroscopia.
3D.
Raggionevole risoluzione spaziale.
Scansioni di lunga durata.
19
