PET: caratteristiche tecniche
e di funzionamento
Fioroni Federica – Servizio di Fisica Sanitaria
Il nostro viaggio …
Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione
alla metodica
Qual è la sorgente di radiazioni?
Come rivelo gli eventi?
Isotopi PET
Rivelatori utilizzati in PET
Assetto geometrico di un tomografo PET
Il problema dell’attenuazione della radiazione
all’interno del corpo
Caratterizzazione fisica di un tomografo PET
Nuove prospettive
+
Isotopi
+
Sintesi
Radiofarmaco
Acquisizione
e ricostruzione
dei dati
Cervello sano
P.F. 70 aa, m, c.a. polmonare
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Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione
alla metodica
Qual è la sorgente di radiazioni?
Come rivelo gli eventi?
Isotopi PET
Rivelatori utilizzati in PET
Assetto geometrico di un tomografo PET
Il problema dell’attenuazione della radiazione
all’interno del corpo
Caratterizzazione fisica di un tomografo PET
Nuove prospettive
COS’E’ UN POSITRONE?
L’emissione di positroni è una forma di radioattività, in cui
un protone all’interno di un nucleo atomico è trasformato in
un neutrone.
p
n+
++
Il positrone è una particella che ha stessa massa e spin
dell’elettrone ma carica opposta: viene emesso dal nucleo con
energie variabili da zero fino all’energia massima (Emax)
caratteristica di ciascun nucleo.
PROCESSO DI ANNICHILAZIONE
Tomografo PET
Un tomografo ad emissione di positroni si bassa sulla rivelazione in
coincidenza della radiazione di annichilazione generata dall’interazione
tra il positrone emesso da un nucleo radioattivo ed un elettrone della
materia circostante.
Principali radioisotopi utilizzati per studi PET
e loro caratteristiche
Radioisotopo
18
F
C
13
N
15
O
11
Emivita (min)
109.8
20.4
10.0
2.0
Breve emivita
Isotopi dei principali
elementi costituenti
la materia biologica
Emissione β
(%)
96.9
99.8
100
99.9
+
Energia cinetica
massima
di
emissione (MeV)
0.633
0.960
1.198
1.732
Riduzione della dose
assorbita
Vengono assorbiti e
consumati senza
essere riconosciuti
come estranei
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Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione
alla metodica
Qual è la sorgente di radiazioni?
Come rivelo gli eventi?
Isotopi PET
Rivelatori utilizzati in PET
Assetto geometrico di un tomografo PET
Il problema dell’attenuazione della radiazione
all’interno del corpo
Caratterizzazione fisica di un tomografo PET
Nuove prospettive
Una premessa fondamentale…
TIPI DI EVENTI IN PET
Coincidenze vere
Coincidenze casuali
Coincidenze da
radiazione diffusa
Quali sono le caratteristiche di un rivelatore IDEALE
per sistemi PET ?
- elevato numero atomico ed elevata densità, per garantire un elevato
potere di frenamento alle radiazione di 511 keV
- 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
- 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;
- buona facilità di produzione, conservazione e di impiego.
UN PASSO INDIETRO
Il principio fisico di funzionamento di un cristallo scintillatore può essere
schematizzato dal grafico seguente:
FOTOMOLTIPLICATORE
Segnale
elettrico
Rivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl)
BGO
GSO
LSO
3.67
7.13
6.70
7.4
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
Densità (gr/cm 3)
Numero atomico effettivo
EFFICIENZA DI RIVELAZIONE 511KeV (%)
82
80
74
50
NaI
BGO
LSO
GSO
25.4 mm 20 mm
20 mm
20 mm
Rivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl)
BGO
GSO
LSO
3.67
7.13
6.70
7.4
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
Densità (gr/cm 3)
Numero atomico effettivo
RISOLUZIONE ENERGETICA
20 mm BGO 3D
25 mm NaI 3D
cts.
cts.
Finestra
Energetica
utilizzata
Finestra
Energetica
utilizzata
12 %
20 %
100 200 300 400 500 600 700 800
100 200 300 400 500 600 700 800
keV
keV
RISOLUZIONE ENERGETICA 511KeV (%)
30
20
10
NaI
BGO
LSO
GSO
Rivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl)
BGO
GSO
LSO
3.67
7.13
6.70
7.4
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
Densità (gr/cm 3)
Numero atomico effettivo
Maggior capacità di conteggio del sistema,
quando accoppiati ad una veloce elettronica
di acquisizione
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all’interno del corpo
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Nuove prospettive
AUMENTO DEL CAMPO DI VISTA ASSIALE
Fine anni ‘70
Inizio anni ‘80
Inizio anni ‘90
Sistemi per Tomografia ad Emissione di Positroni
Multi-ring
Blocchi
rotanti
Cristalli
Dimensioni
Campo di vista
(FOV)
Full-ring
Dual-head
PET multi-ring
PET full-ring
PET dual-head
BGO
NaI(Tl)
NaI(Tl)
4,0 x 8,1 x 30 mm 500 x 300 x 25 mm
672 per anello
18 anelli
55,0 x 15,2 cm
56 x 25.6 cm
508 x 39,1 x 15,9 mm
50,8 x 38,1 cm
MODALITA’ DI ACQUISIZIONE IN PET
2D
3D
SETTI DI
PIOMBO
Z
Sensibilità 3D = 5*Sensibilità 2D
2D Î 3D
Ï scatter
sensibilità: 1
Î
5
12 %
Risoluzione
energetica
Sottrazione della
Radiazione diffusa
mediante algoritmi
matematici
FRAZIONE DI RADIAZIONE DIFFUSA
IN MODALITA’ 3D
Cervello
FS: 30%
Torace
FS: 50%
NaI(Tl)
Wide Area Detector
C-Pet (Philips)
BSO e LSO
Multi-ring Block
CTI, Siemens e GE
GSO
Detector Array
Allegro (Philips)
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Il problema dell’attenuazione della radiazione
all’interno del corpo
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Nuove prospettive
ATTENUAZIONE IN PET
IMMAGINE NON
CORRETTA
PER L’ATTENUAZIONE
IMMAGINE
CORRETTA
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
ATTENUAZIONE
D1
p = exp(− μ x )
X1
1
Coincidenza
X2
1
p = exp(− μ x )
p = exp(− μ (x + x ))
2
2
1
D2
Probab. che entrambi i fotoni
vengano rivelati
2
CORREZIONE PER L
’ATTENUAZIONE CALCOLATA
L’ATTENUAZIONE
Ipotesi:
COSTANTE
CORREZIONE PER L
’ATTENUAZIONE MISURATA
L’ATTENUAZIONE
Sorgente
puntiforme
137 Cs
662 keV
Sorgente lineare
68Ge
+ emittente
CORREZIONE PER L
’ATTENUAZIONE MISURATA
L’ATTENUAZIONE
Ricordando la legge di attenuazione I=I0exp(- x)
BLANK
Niente all’interno del campo di vista [I0]
TRASMISSIVA Paziente nel campo di vista [I0exp(- x)]
BLANK
I0
ACF = ------------------------- = ----------------- = exp( x)
I0exp(- x)
TRASMISSIVA
Coefficienti di correzione per l’attenuazione
PET
CORREZIONE PER L
’ATTENUAZIONE MISURATA
L’ATTENUAZIONE
BLANK
TRASMISSIVA
Immagine corretta
per l’attenuazione
Immagine NON
corretta per
l’attenuazione
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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 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
La Risoluzione Spaziale dipende da:
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
L’Efficienza di rivelazione dipende da:
L’efficienza del materiale rivelatore, basata sulla densità
e sullo spessore del cristallo di rivelazione.
La geometria del tomografo, ossia l’area attiva del tomografo
SISTEMA
PET
CPET
GE
Advance
ECAT
HR+
ECAT
ACCEL
ALLE
GRO
CRISTALLO
Na(I)
BGO
BGO
LSO
GSO
DIMENSIONI
500x300x2
5
4.0x8.2x3
0
4.0x4.4x3
0
6.8x6.8x2
0
4.0x6.0x2
0
6.4
5.4
5.4
6.7
5.9
450
1060
900
900
> 800
FRAZIONE DI
RADIAZIONE
DIFFUSA (%)
25
35
36
36
25
50% TEMPO
MORTO
(Kcps/mCi)
0.2
0.9
0.6
>
0.6
RISOLUZIONE
SPAZIALE
@10cm
EFFICIENZA
(Kcps/mCi/cc)
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Nuove realtà
TAC
[18F]FDG
PET
Tecniche di registrazione delle immagini
•
Punti corrispondenti (markers)
• Strutture corrispondenti
(superfici)
• Volumi corrispondenti
Una nuova era…
I SISTEMI PET-CT
PET-CT
PET
CT
CT/PET
Ruolo nella
diagnosi
oncologica
precoce e
stadiazione
Punti di
forza
Punti di
debolezza
Immagini anatomiche
Immagini funzionali
Visualizzazione di fini
dettagli, eccellente nella
localizzazione del tumore
Eccellente nella rivelazione e
stadiazione di tumori
Non molto sensibile
especifica nella
rivelazione e stadiazione
di tumori.
Una volta rivelato il
tumore, la localizzazione
per il trattamento è
difficile
Anatomia
Cosa vedi
Combina i punti di forza di
PET e CT
Aspetti tecnici e protocolli
da ottimizzare
Attività
metabolica
Attività
metabolic
+ anatom
VANTAGGI
9 Tempi ridotti di esame
9 Migliore qualità delle immagini PET
(correzione per attenuazione, ricostruzione)
9Accurata interpretazione delle immagini
funzionali PET sulla base delle immagini anatomiche
TAC (correlazione anatomo-funzionale)
9 Diagnosi integrata PET-TAC
PRINCIPALI ARTEFATTI (1)
Impianti metallici
(Pacemaker)
Contrasto orale
(Bario)
PRINCIPALI ARTEFATTI (2)
Artefatti da movimenti
dovuti al respiro
microPET
