Medicina Nucleare - Ingegneria Biomedica

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II”
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
Anno accademico 2005-2006
Diagnostica per Immagini
Argomento 5A
Medicina Nucleare
Arturo Brunetti
Tel 0817463102 Fax 0812296117
e-mail: [email protected]
ab/10/2005
MEDICINA NUCLEARE
Utilizzazione di radionuclidi
a scopo diagnostico
e terapeutico
1
MEDICINA NUCLEARE
DIAGNOSTICA
in vitro
in vivo
TERAPIA
Radioterapia
metabolica
MEDICINA NUCLEARE
•Le applicazioni medico nucleari in vivo hanno i
seguenti scopi:
•esplorare e misurare particolari funzioni organiche e
misurarle per verificare se siano normali od alterate e stabilire
l’entità dell’alterazione
•evidenziare lesioni localizzate in organi o apparati attraverso
l'alterazione di funzioni biologiche che la lesione determina
•utilizzare meccanismi biologici elettivi per caratterizzare la
natura di una lesione o realizzare un effetto radiobiologico
locale, utile ai fini terapeutici
2
MEDICINA NUCLEARE
• Somministrazione del tracciante
• Acquisizione delle immagini scintigrafiche
• Elaborazione dei dati
Medicina Nucleare
“immagini da emissione ”
• Somministrazione di nuclidi radioattivi e molecole
radiomarcate (radiofarmaci, traccianti)
• seguita dalla rilevazione della mappa di distribuzione
della radioattività
Image
reconstruction
3
Nuclear Medicine
“emission tomography”
Sviluppo della Medicina Nucleare
Milestones: Strumenti
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cyclotron (1929)
Nuclear reactor (1945)
Rectilinear scanner (1951)
Anger camera (1958)
Computer (1969)
PET (1977)
SPECT (1978)
Internet (2000)
PET/CT (2001)
Milestones: Radionuclidi e radiofarmaci
• Irradiation by a low neutron source
(Fermi E, Hevesy G, 1934)
• Radionuclides from cyclotron technology (Lawrence
J, 1933)
• 99Mo/99mTc generator
(Richard P, 1960)
• Monoclonal antibodies (Kohler G, Millestein C, 1975)
• FDG radiolabeled with 18F (Ido T, 1979)
4
Medicina Nucleare:
strumentazione
★gamma
camera stazionaria
★gamma
camera rotanti a testa singola o multipla
★gamma
camere dedicate per la SPECT (tomografia
emissione di fotone singolo)
★PET (tomografia emissione di positroni)
ab/10/2005
Medicina Nucleare:
strumentazione
★Gamma
Camera:
★ collimatore
★ cristallo
★ fotomoltiplicatori
★ componenti
elettroniche
★ Consente
l’acquisizione di scintigrafie statiche, dinamiche
e/o tomografiche. Il collegamento ad un calcolatore
permette poi lo studio qualitativo e quantitativo dei diversi
parametri funzionali
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5
L’INVENTORE DELLA GAMMA CAMERA
�
Hal Oscar Anger (born May 20, 1920 in Denver,
Colorado, USA - died October 31, 2005 in
Berkeley, California) was an electrical engineer
and
�
biophysicist at Donner Laboratory, UCB.
�
In 1957, he invented the scintillation camera,
known also as the gamma camera or Anger
camera.
�
Anger also developed the well counter, widely
used in laboratory tests.
�
In all, Anger held 15 patents, many of them for
work at the Ernest O. Laurence Radiation
Laboratory.
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Gamma camera a testa singola
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Gamma camera a testa doppia
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Medicina Nucleare: strumentazione
elettronica
tubo
catodico
fotomoltiplicatori
cristallo
calcolatore
collimatore
sorgente
7
Collimatori
oggetto
rilevato
sorgente
foro singolo
(pin hole)
fori paralleli
fori divergenti
fori convergenti
fori paralleli: solo i fotoni incidenti perpendicolarmente alla testa della gamma camera
possono raggiungere il cristallo
Cristallo di scintillazione
• Materiale: Ioduro di sodio (NaI) con delle
impurità di tallio
Scintigrafia tiroidea
• Scintillazione: l’interazione di un fotone
produce un piccolo lampo di luce la cui
intensità é proporzionale all’energia
rilasciata dal fotone x o γ nel mezzo
• Se ogni fotone che interagisce nel
cristallo da luogo ad una scintillazione
avremo una distribuzione di scintillazioni
nel cristallo che “copia” la distribuzione
di attività dell’oggetto
Proiezione laterale
8
In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi
raggiunge il fototubo
Medicina Nucleare: strumentazione
elettronica
tubo
catodico
fotomoltiplicatori
cristallo
calcolatore
collimatore
sorgente
9
Fotomoltiplicatori
• Numero: da 37 a 91
• Utilizzazione: conversione del quanto luminoso in un proporzionale
numero di elettroni
• Azione: un impulso, per ogni interazione che avviene nel cristallo,
proporzionale all’energia rilasciata nel cristallo
• Gli impulsi vengono amplificati linearmente, selezionati in base alla
loro ampiezza e memorizzati
FOTOTUBO
10
Circuiti elettronici
posizione e energia:
Confronto tra le ampiezze degli impulsi
di tutti i fotomoltiplicatori e fornisce
in uscita tre nuovi segnali (x, y, z),
• coordinate X e Y
coordinate del punto in cui é avvenuta la
scintillazione
• coordinata Z
somma degli impulsi di tutti i
fotomoltiplicatori, risulta proporzionale
all’energia rilasciata nel cristallo
dall’interazine del fotone
Calcolatore
• i segnali acquisiti sono immagazzinati nella memoria del
calcolatore e ricostruiti in matrici numeriche
(64x64,128x128,256x256 elementi o pixel)
• ogni elemento della matrice immagine (pixel) conterrà un
numero corrispondente al conteggio di tutte le interazioni
avvenute durante l’acquisizione tra raggi gamma e cristallo
di ioduro di sodio
11
Digitalizzazione dell’immagine
• acquisizione dei conteggi nei pixels
• conteggi totali nei singoli pixels
registrati
nella memoria del computer
*
*
* * **
*
**
*
*
*** *
* * * **
* * ** *
**
• suddivisione del cristallo in aree discrete -pixels
1
0
0
0
0
4
3
2
1
5
4
0
0
2
4
1
Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche
Tecniche di acquisizione:
• planare (statica e dinamica)
• tomografica ad emissione di fotone singolo (SPECT)
• tomografica ad emissione di positroni (PET)
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STUDIO STATICO
Acquisizione di una o più
immagini nelle varie proiezioni
ad un determinato tempo per
valutare la distribuzione
spaziale del radiofarmaco
somministrato al paziente
STUDIO DINAMICO
Acquisizione di più immagini
in sequenza temporale allo
scopo di seguire nel tempo la
distribuzione spaziale del
radiofarmaco somministrato al
paziente
13
Curve attività-tempo
• le variazioni temporali della concentrazione del
tracciante sono determinate mediante la (ROI) che
delimitano l'area da studiare
• la concentrazione del tracciante viene quindi espressa
come curva attività-tempo
attività
tempo
14
Curva radioattività tempo
DIASTOLE
SISTOLE
Analisi angiocardioscintigrafica
riferita ad un ciclo cardiaco medio
e immagini parametriche
15
Analisi della curva
• Velocità di eiezione e riempimento
• EDV/sec
• Parametri poco usati se non in contesto
sperimentale
IMMAGINI PARAMETRICHE
• le immagini scintigrafiche ottenute rappresentano la
distribuzione dell'attività nello spazio
• mediante calcolatore é possibile ricostruire le immagini
ottenute dall'analisi di parametri temporali, spaziali e
funzionali (immagini parametriche)
16
Tomografia per emissione
Tecnica di acquisizione e di elaborazione dei dati capace di
fornire una rappresentazione della distribuzione dei
radiofarmaci in sezioni di organo di limitato spessore
Eliminano la compattazione bidimensionale di una
distribuzione volumetrica che é caratteristica della scintigrafia
tradizionale, realizzando in misura piu’ o meno completa ed
efficace una ricostruzione tridimensionale della distribuzione
del radiofarmaco
Medicina Nucleare
Tomografia: SPET
Supponiamo di avere un’immagine di una sorgente puntiforme con
una gamma camera da 3 proiezioni.
17
Medicina Nucleare
Tomografia: SPET
Il numero di conteggi in ciascun punto è chiamato il raggio-somma,
Perché rappresenta il numero totale di conteggi visti dalla gamma
Camera lungo una linea (un raggio)
Medicina Nucleare
Tomografia: SPET
Si può assumere che i
conteggi
in ciascun raggio somma
siano distribuiti equamente
nei pixels che si trovano
lungo quel raggio.
18
PET (Positron Emission Tomography)
NUCLIDI E RADIONUCLIDI
Radioattività:
conseguenza di un non equilibrato
rapporto tra neutroni e protoni
19
NUCLIDI E RADIONUCLIDI
Peso atomico
A
Z
Numero atomico
N
X
Stato di
ossidazione
A
Rapporti
nelle molecole
NUCLIDI E RADIONUCLIDI
ISOTOPI
forme dello stesso
elemento (Z= A ≠)
ISOBARI
nuclidi di elementi diversi
con massa uguale
ISOTONI
nuclidi con uguale
numero di neutroni
20
NUCLIDI E RADIONUCLIDI
ISOMERI
nuclei con uguale massa
e numero atomico, dei quali
uno o più possono trovarsi
in uno stato di "eccitazione"
RADIAZIONI
ELETTROMAGNETICHE PURE
CORPUSCOLATE
21
RADIOATTIVITA'
EMISSIONE DI RADIAZIONI
IONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI
raggi α
raggi β
+
+
raggi γ
Decadimento radioattivo
• Raggi γ
• Particelle β + β • Cattura elettronica
• Particelle α
22
Decadimento radioattivo:
andamento esponenziale
dN (t)
= - kN(t)
d
t
Nt = N0 e -κt
RADIOATTIVITA'
Vecchia unità
Curie (Ci)
10
3.7 x 10
Nuova unità (SI)
Bequerel
dis/sec
1 dis/sec
1 Ci = 37 GBq
23
MEDICINA NUCLEARE
Diagnostica "in vivo"
SCINTIGRAFIA
Mappa della distribuzione corporea
di una molecola radioattiva
(radiofarmaco, tracciante, indicatore)
MEDICINA NUCLEARE
SCINTIGRAFIA
La mappa scintigrafica è sempre
espressione di
processi funzionali-metabolici
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MEDICINA NUCLEARE
Apparecchi per diagnostica "in vivo"
Sonda
Scanner rettolineare
Gamma camera
Apparecchi per diagnostica "in vivo"
Sistemi tomografici
SPET = Single Photon Emission Tomography
PET = Positron Emission Tomography
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MEDICINA NUCLEARE
Diagnostica "in vitro"
RIA = RadioImmuno Assay
IRMA = ImmunoRadioMetric Assay
INDICAZIONI
Diagnostica "in vitro"
Dosaggi accurati di molecole
(ormoni, metaboliti, farmaci,
allergeni, marcatori tumorali ...)
presenti in fluidi biologici
in concentrazioni minime
(µM, nM, pM)
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MEDICINA NUCLEARE
Apparecchi per diagnostica "in vitro"
Contatori gamma
Contatori beta
Radiofarmaci
• Molecole marcate con radionuclidi γemettitori per eseguire indagini di
medicina nucleare in vivo
• Indicatori
• Traccianti
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Medicina Nucleare: traccianti
• Traccianti omogenei:
differiscono dalla sostanza tracciata escusivamente per
le caratteristiche isotopiche (es. Iodio-131)
• Traccianti ad equivalenza eterogena:
affinità biochimica, metabolica o distributiva con la
sostanza tracciata es. Tallio-201 (isotopo) analogo del potassio,
111In
octreotide (molecola marcata con un isotopo) analogo della
somatostatina
Gli indicatori permettono di:
• definire i confini, la sede le dimensioni di una
struttura anatomica normale o di un tessuto
normale/patologico
• rilevare strutture in sedi diverse da quelle
“standard”
• valutare la distribuzione di un’ attività
funzionale in una struttura anatomica
28
TRACCIANTE:
la definizione classica
• un elemento o sostanza che,
• introdotto in un sistema chimico o biologico
• si mescoli rapidamente ed uniformemente con i
costituenti di questo
• e, pur essendo sempre identificabile e
differenziabile da essi,
• ne riproduca fedelmente il comportamento senza
influenzarlo
TRACCIANTE
Sostanza "marcata", in grado di distribuirsi
in un "pool" di analoghe sostanze presenti
nel corpo consentendo lo studio
di processi metabolici e di attività funzionale
con l'aiuto di appositi modelli matematici
Esempi
99
m
Tc-DTPA
misura del filtrato glomerulare renale
1
8
F-deossiglucosio
misura del consumo tessutale di glucosio
29
INDICATORI
• NEGATIVI:
– colloidi per il fegato
– microsfere per il polmone
– dimercaptosuccinato per il rene
• POSITIVI:
– MDP per lo scheletro (anche neg!)
– FDG per i tumori (anche neg!)
– Gallio-citrato per infiammazione e linfomi
RADIOFARMACI
INDICATORE NEGATIVO
si concentra selettivamente nel tessuto normale:
le aree patologiche si evidenziano come
difetti di captazione (aree "fredde")
INDICATORE POSITIVO
si concentra selettivamente nel tessuto malato:
le aree patologiche si evidenziano come
aree di ipercaptazione (aree "calde")
30
AREA CALDA
AREA FREDDA
Scintigrafia polmonare
31
Traccianti e indicatori:
una distinzione classica della scuola medico-nucleare
italiana
• il tracciante è l’ elemento o sostanza che
consente di valutare un’ attività funzionale,
un processo metabolico
• l’ indicatore è l’ elemento o sostanza che ci
permette di individuare selettivamente una
struttura, un tessuto, un organo ...
• un tracciante può essere anche indicatore e
viceversa
INDICATORE:
la definizione classica
• un elemento o sostanza che abbia la
proprietà di assumere,
• in una struttura biologica anatomicamente e,
in genere, spazialmente definita
• una concentrazione significativamente
diversa da quella che esso assume nelle
strutture spazialmente contigue
• e di poter essere in esse identificato
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Principali radionuclidi utilizzati in
medicina nucleare
TECNEZIO-99m
• 99mTc
• T1/2 = 6 ore
• Emissione γ 140KeV
• ottenuto da generatori (colonne a
scambio ionico) con Molibdeno 99
33
Medicina Nucleare
• Esami statici: valutazione della distribuzione
di un radiofarmaco a un tempo predefinito
• Esami dinamici: valutazione sequenziale
della distribuzione di un radiofarmaco, in
genere a partire dalla somministrazione, per
un periodo di tempo variabile
Scintigrafia ossea
• 99mTc - metilendifosfonato (MDP)
34
Scintigrafia ossea
Scintigrafia renale statica
• 99mTc -DMSA (Dimercaptosuccinato)
35
Scintigrafia renale statica
pielonefrite
Scintigrafia renale dinamica
"sequenziale"
• 99mTc-DTPA
(dietilentriaminopentacetato)
• 99mTc-MAG3
GFR
RPF
36
Scintigrafia renale dinamica
"sequenziale"
• 99mTc-DTPA
(dietilentriaminopentacetato)
• 99mTc-MAG3
GFR
RPF
Renogramma
37
Renogramma
GFR sn =18 ml/min
GFR dx = 57 ml/min
Scintigrafia renale dinamica
"sequenziale"
• 99mTc-DTPA
(dietilentriaminopentacetato)
• 99mTc-MAG3
GFR
RPF
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Ricerca di tumori
traccianti oncotropi
• 201Tl
• 67Ga-citrato
• 99mTc-MIBI
• 99mTc-peptidi
• 99mTc-anticorpi monoclonali
• 18F-deossiglucosio
Tecniche tomografiche
• Tomografia a emissione di fotone singolo
SPET (Single Photon Emission Tomography)
• Tomografia a emissione di positroni
PET (Positron Emission Tomography)
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glucosio
CH2OH
HO
O
H
OH
H
HO
OH
H
H
Fluoro-deossi-glucosio
40
PET-FDG
PET-FDG
41