Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Anno Accademico 2012-2013
Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica
per Immagini e Radioterapia
FISICA delle APPARECCHIATURE per
MEDICINA NUCLEARE
(lezione II, 08.05.13)
Marta Ruspa
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
In MEDICINA NUCLEARE
Radiofarmaci
in sorgente non sigillata sono somministrati a scopo
DIAGNOSTICO
scintigrafia
SPECT, PET
TERAPEUTICO
terapia radiometabolica
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Fisica nella medicina nucleare
diagnostica
- tecniche con fotone singolo
- tecniche con emettitori β+
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Fisica nella medicina nucleare
diagnostica
tecniche con fotone singolo
- tecniche con emettitori β+
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Tecniche con fotone singolo
Si utilizzano famiglie di radionuclidi che decadono per emissione di 1
o piu’ raggi γ di energia definita.
Il radioisotopo viene somministrato al paziente e captato in modo
selettivo dall’organo di cui si vuole ricavare l’immagine. I fotoni in un
certo punto si attenuano attraverso i tessuti circostanti e vengono
rivelati.
Tipo di strumentazione:
- produzione di immagini planari
- produzione di immagini tomografiche
Semplice localizzazione della sorgente: immagine statica
Analisi dell’andamento temporale: immagine dinamica
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Differenze tra SPECT e TAC
X
x
Tubo
raggi X
I0
TAC
rivelatore
I
rivelatore
+ collimatori
I
I0 γ
x
sorgente
SPECT
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Differenze tra SPECT e TAC
X
x
Tubo
raggi X
I0
TAC
rivelatore
I
rivelatore
+ collimatori
I
I0 γ
x
sorgente
SPECT
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Differenze tra SPECT e TAC
X
rivelatore
I
I0 γ
x
x
Tubo
raggi X
sorgente
I0
TAC
rivelatore
+ collimatori
I
(µ)
(Io)
SPECT
• direzione del fotone?
• direzione del fotone?
• informazione di che tipo?
• informazione di che tipo?
• determinata da?
• determinata da?
• risoluzione spaziale
• risoluzione spaziale
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Differenze tra SPECT e TAC
X
rivelatore
I
I0 γ
x
x
Tubo
raggi X
sorgente
I0
TAC
rivelatore
+ collimatori
I
(µ)
• direzione del fotone? congiungente la
sorgente di X e il rivelatore
• informazione di che tipo? strutturale
• determinata da? assorbimento fotoni (µ)
• risoluzione spaziale ∼ 1 mm
(Io)
SPECT
• direzione del fotone? collimatore
• informazione di che tipo?
morfologica e funzionale
• determinata da? attivita’
sorgente (Io)
• risoluzione spaziale ~ 5 mm
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Tecniche con fotone singolo
La gammacamera e’ a tutt’oggi
l’apparecchiatura di base per la
diagnostica in Medicina Nucleare
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Come e’ fatta una gammacamera
I fotoni, emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore
e vengono rivelati da uno scintillatore solido (NaI).
La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide
su una griglia di fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali
elettrici. Mediante circuiti di calcolo delle coordinate e sistemi di
correzione i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per
ricostruire un’immagine sul monitor, che rappresenta la mappa dell’
attività dell’organo sotto esame. L’apparato e’ provvisto di
schermatura ottica e radiante.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Come e’ fatta una gammacamera
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: che cosa misura?
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: che cosa misura
L’immagine che risulta da una gammacamera e’ la mappa in due
dimensioni dell’attivita’ nell’organo sotto esame, essenzialmente
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: che cosa misura
L’immagine che risulta da una gammacamera e’ la mappa in due
dimensioni dell’attivita’ nell’organo sotto esame, essenzialmente
- QUANTI fotoni sono emessi
- DOVE sono emessi
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: che cosa misura
L’immagine che risulta da una gammacamera e’ la mappa in due
dimensioni dell’attivita’ nell’organo sotto esame, essenzialmente
- QUANTI fotoni sono emessi efficienza di conteggio
- DOVE sono emessi risoluzione spaziale
Requisiti essenziali per una buona misura sono dunque l’efficienza di
conteggio e la risoluzione spaziale
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Gammacamera: che cosa misura
L’immagine che risulta da una gammacamera e’ la mappa in due
dimensioni dell’attivita’ nell’organo sotto esame, essenzialmente
- QUANTI fotoni sono emessi efficienza di conteggio
- DOVE sono emessi risoluzione spaziale
Requisiti essenziali per una buona misura sono dunque l’efficienza di
conteggio e la risoluzione spaziale
La misura idealmente dovrebbe riguardare TUTTI E SOLI i fotoni che
arrivano dal punto di emissione; in realta’:
- L’ATTENUAZIONE impedisce che arrivino tutti quelli emessi
- LA DIFFUSIONE fa si’ che arrivino allo scintillatore non solo i fotoni
provenienti dal punto di emissione ma anche fotoni provenienti da altri
punti e diffusi durante il loro percorso
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: sistema di collimazione
BISOGNA CERCARE DI OTTENERE UNA CORRISPONDENZA
BIUNIVOCA TRA IL PUNTO DI EMISSIONE E IL PUNTO DI
SCINTILLAZIONE
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: sistema di collimazione
La relazione univoca tra il punto di emissione e il punto di
scintillazione, ovvero il punto di misura nel piano immagine, viene
garantita dal sistema di collimazione.
Il collimatore e’ un sistema di setti di piombo intervallati da fori.
La collimazione e’ basata sull’assorbimento: sono assorbiti nei setti
e quindi eliminati i fotoni che si propagano in direzioni diverse da
quella desiderata.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: collimatore
Tuttavia….il collimatore non e’ perfetto:
1.
i setti hanno spessore ridotto ma non nullo superficie di rivelazione del cristallo
schermata anche per fotoni con la direzione giusta (componente assorbita)
2.
i fori hanno un’apertura finita: sono trasmessi anche fotoni approssimativamente
allineati all’asse dei fori, ma non provenienti dal punto di emissione bensi’ diffusi nel
corpo del paziente (componente diffusa)
3.
fotoni provenienti dal punto di emissione ma diffusi entro il corpo del paziente o nelle
strutture esterne del rivelatore non sono riconosciuti dal sistema di collimazione
meccanico e quindi o assorbiti o regolarmente trasmessi come componente diffusa
4.
non c’e’ garanzia di assorbimento totale di tutti i fotoni indesiderati, una parte di
fotoni che si vorrebbero assorbiti riesce a passare
1. , 3. vanno a scapito dell’efficienza di conteggio, 2. e 4. arrichiscono la componente
diffusa e impoveriscono la risoluzione spaziale
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: sistema di collimazione
Caratteristiche
Numero fori
Forma fori
Lunghezza fori
Materiale
Geometria di collimazione
(parallela, convergente,
divergente, pin hole)
Parametri di risposta
Risoluzione geometrica*
(capacita’ di discriminare
due sorgenti vicine)
Efficienza geometrica*
*Per risoluzione e efficienza geometrica si
intendono risoluzione e efficienza del
collimatore
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: sistema di collimazione
Caratteristiche
Numero fori
Forma fori
Lunghezza fori
Materiale
Geometria di collimazione
(parallela, convergente,
divergente, pin hole)
Parametri di risposta
Risoluzione geometrica*
(capacita’ di discriminare
due sorgenti vicine)
Efficienza geometrica*
*Per risoluzione e efficienza geometrica si
intendono risoluzione e efficienza del
collimatore
L’ efficienza geometrica non varia con la distanza dalla sorgente,
ma la risoluzione geometrica si degrada con l’allontanarsi del
paziente dal piano del collimatore
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Gammacamera: rivelatore
Tra i numerosi tipi di scintillatori vi sono cristalli inorganici, cristalli
organici, scintillatori plastici e soluzioni. I più diffusi sono i cristalli
di ioduro di sodio attivato al tallio NaI(Tl).
La molecola del materiale cristallino può essere vista come
organizzata su diversi livelli o bande, entro i quali sono distribuiti
gli elettroni.
Tra le bande vi e’ un livello proibito: gli elettroni non possono
assumere livelli energetici in esso compresi; il livello proibito si trova
tra la banda di valenza e la banda di conduzione.
Gli elettroni normalmente si distribuiscono nella banda di valenza. Se
ricevono un’energia sufficiente possono lasciare la banda di valenza,
scavalcare il livello proibito e raggiungere la banda di conduzione;
tale energia può essere aquisita nel corso dell’interazione con
radiazioni ionizzanti.
Dalla banda di conduzione gli elettroni tenderanno a ritornare a
quella di valenza cedendo l’eccesso di energia sotto forma di fotone
luminoso (il salto quantico tra le bande corrisponde alla frequenza
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della luce visibile).
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: rivelatore
Problema: se gli elettroni restituiscono ritornando nella banda di
valenza la stessa energia che li aveva fatti transire alla banda di
conduzione, tale energia puo’ essere utilizzata dal cristallo per
provocare un’ulteriore transizione di elettroni dalla banda di valenza
alla banda di conduzione. In pratica la luce non viene emessa ma
riassorbita (‘trasparenza’ del cristallo alla propria luce di scintillazione).
Soluzione: si ‘droga’ il cristallo con impurita’ (tallio) che alterano la
struttura a bande introducendo saltuariamente un nuovo livello di
valenza leggermente distaccato da quello tipico del cristallo
alcuni elettroni ritorneranno nella banda di valenza alterata
emettendo un’energia che, dato il salto quantico leggermente diverso,
sara’ leggermente diversa dal gap banda di valenza-banda di conduzione
la corrispondente luce non viene assorbita dal cristallo e viene
emessa ed e’ quindi visibile.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Come fa la gammacamera a distinguere i
fotoni provenienti dal punto di emissione?
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Come fa la gammacamera a distinguere i
fotoni provenienti dal punto di emissione?
Selezionando i fotoni di 140 KeV che
depositano tutta la loro energia nello
scintillatore
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: spettro gamma
Che cosa misura uno scintillatore?
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: spettro gamma
Che cosa misura uno scintillatore?
Frequenza di conteggio in funzione dell’energia delle radiazioni
incidenti.
- segnale: assorbimento totale dell’energia dei fotoni gamma (140 KeV)
- fondo: conteggi dovuti alla radiazione cosmica, ai radionuclidi
presenti nei materiali costituenti il rivelatore; si ripete
constantemente in ogni misura.
- radiazioni diffuse per effetto Compton.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: spettro gamma
Che cosa misura uno scintillatore?
Frequenza di conteggio in funzione dell’energia delle radiazioni
incidenti.
- segnale: assorbimento totale dell’energia dei fotoni gamma (140 KeV)
- fondo: conteggi dovuti alla radiazione cosmica, ai radionuclidi
presenti nei materiali costituenti il rivelatore; si ripete
constantemente in ogni misura.
- radiazioni diffuse per effetto Compton.
Un fotone di 140 KeV viene completamente assorbito nello
scintillatore quando va incontro a effetto fotoelettrico
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: spettro gamma
Che cosa misura uno scintillatore?
Frequenza di conteggio in funzione dell’energia delle radiazioni
incidenti.
- segnale: assorbimento totale dell’energia dei fotoni gamma (140 KeV)
- fondo: conteggi dovuti alla radiazione cosmica, ai radionuclidi
presenti nei materiali costituenti il rivelatore; si ripete
constantemente in ogni misura.
- radiazioni diffuse per effetto Compton.
Un fotone di 140 KeV viene completamente assorbito nello
scintillatore quando va incontro a effetto fotoelettrico
ATTENZIONE: affinche’ tutta l’energia venga rilasciata
all’interno del materiale scintillante e’ necessario che il
cristallo sia sufficientemente spesso (vedi piu’ avanti)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: spettro gamma
Poca energia ceduta
all’elettrone Compton,
fotone poco deflesso
Massima energia
ceduta all’elettrone
Compton, fotone
diffuso all’indietro
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. II
Gammacamera: componente diffusa
Poca energia ceduta
all’elettrone, fotone
poco deflesso
Massima energia
ceduta
all’elettrone,
fotone diffuso
all’indietro
Oppure il fotone proveniente dal punto di emissione era gia’ stato
diffuso prima dello scintillatore. In questo caso, anche se assorbito
per effetto fotoelettrico, rilascia comunque energia inferiore a
quella di emissione.
Complessivamente la radiazione diffusa viene quindi
- dal paziente (se lasciata passare dal collimatore)
- dallo scintillatore
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Gammacamera: componente attenuata
Ricordiamo che:
La misura idealmente dovrebbe riguardare TUTTI E SOLI i fotoni che
arrivano dal punto di emissione; in realta’:
- L’ATTENUAZIONE impedisce che arrivino tutti quelli emessi
- LA DIFFUSIONE fa si’ che arrivino allo scintillatore non sono i fotoni
provenienti dal punto di emissione ma anche fotoni diffusi
L’autoassorbimento dei fotoni nel volume sorgente e’ un fenomeno di
rilevante importanza nell’intervallo di energie di interesse: per ridurre
del 50% l’intensita’ di un fascio collimato di fotoni di 140 KeV e’
sufficiente uno spessore di acqua inferiore a 5 cm dotazione di
sistemi trasmissivi per l’acquisizione simultanea a quella emissiva
(vedi tecniche multimodali nella tomografia SPECT)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Supponendo di aver selezionato un evento
al fotopicco come fa la gammacamera a
localizzare spazialmente il punto di
emissione?
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Gammacamera: ricostruzione spaziale
Come puo’ lo scintillatore mantenere l’informazione spaziale?
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Gammacamera: ricostruzione spaziale
Come puo’ lo scintillatore mantenere l’informazione spaziale?
La luce di scintillazione e’ emessa in modo isotropo. Viene raccolta
dai PM affacciati al cristallo in misura tanto maggiore quanto piu’ un
PM e’ vicino al punto di scintillazione.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Gammacamera: ricostruzione spaziale
Come puo’ lo scintillatore mantenere l’informazione spaziale?
La luce di scintillazione e’ emessa in modo isotropo. Viene raccolta
dai PM affacciati al cristallo in misura tanto maggiore quanto piu’ un
PM e’ vicino al punto di scintillazione.
La quantita’ di luce emessa dal cristallo scintillante e’ proporzionale
all’energia dissipata dai fotoni. Mantenendo la proporzionalita’ nelle
successive fasi di trasformazione dell’impulso luminoso in impulso
elettrico e d’amplificazione e trattamento di quest’ultimo e’ poi
possibile discriminare gli impulsi stessi sulla base della loro energia,
selezionando per il conteggio solo quelli in un intervallo di interesse.
IN QUESTO MODO, NEI LIMITI DELLA RISOLUZIONE
ENERGETICA DELLO SCINTILLATORE, SI ELIMINA LA
RADIAZIONE DIFFUSA (COMPTON)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez.
III
Gammacamera: ricostruzione x-y
L’originale ottica di Anger per il posizionamento degli impulsi era
essenzialmente una sorta di calcolatore analogico che permetteva di
eseguire una media pesata della quantita’ di luce raccolta da ogni
PM, in modo da ricavare con buona approssimazione la posizione dell’
evento scintillante.
Nelle moderne gamma-camere tutte queste operazioni sono svolte in
modo digitale: segnali provenienti dai PM sono prontamente
digitalizzati dai convertitori analogico-digitali, associati in ragione
di uno per ogni PM o gruppo di PM, in modo che le operazioni di
somma algebrica dei segnali, pesatura e normalizzazione sono
effettuate numericamente da un sistema digitale di elaborazione.
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