FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione IV)

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FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA
NUCLEARE(lezione IV)
Anno Accademico 2005-2006 Corso di Laurea in
Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica per
Immagini e Radioterapia

• Marta Ruspa

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Differenze tra SPECT e TAC
rivelatore
X
?
I0
I
x
I0
Tubo raggi X
TAC
SPECT
(?)
(Io)

• direzione del fotonecongiungente
• la sorgente X e il rivelatore
• informazione strutturale
• determinata dallassorbimento
• dei fotoni (?)
• risoluzione spaziale ? 1 mm

• direzione del fotone definita
• dai collimatori
• informazione funzionale determinata
• dallattività della sorgente I o
• (necessario correggere per attenuazione)
• risoluzione spaziale 5 mm

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Fisica nella medicina nucleare diagnostica -
tecniche con fotone singolo? tecniche con
emettitori ß
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Positron Emission Computer Tomography Tomografia
Computerizzata ad Emissione di Positroni
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Che cose il positrone?
E lantiparticella dellelettrone. Stessa massa
dellelettrone, carica opposta. Puo essere
prodotta solo in associazione con un e- o un
neutrino.
Si annichila con lelettrone, producendo due
fotoni
Se lannichilazione avviene a riposo

• i due ? sono emessi in direzioni
• opposte
• E? mec2 511 keV

Emc2
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Positron Emission Computer Tomography
Nella PET il positrone viene emesso in un
decadimento ß nucleare. Percorre quindi uno
spazio proporzionale alla sua energia cinetica
prima di annichilare con un elettrone della
materia circostante e generare due fotoni da 511
KeV emessi contemporaneamente a 180o tra di loro.

I due fotoni attraversano percorsi diversi nel
tessuto e vengono rivelati in concidenza dalle
due misure di diversa attenuazione si riesce a
risalire al punto in cui i fotoni sono stati
emessi.
N.B. non si rivela il punto di emissione ma il
punto di annichilazione ? limite intrinseco della
risoluzione spaziale
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Radioisotopi emettitori di positroni
Isotopi di bio-elementi!
Non esistono isotopi dellidrogeno emittenti
positroni ma il 18F puo esserne un sostituto
Per mezzo di immagini della distribuzione dei
traccianti sono possibili valutazioni non
invasive di svariati processi metabolici, di
neurotrasmissione e di binding recettoriale,
cosi come misure di processi fisiologici come il
flusso sanguigno e studi selettivi e non invasivi
della distribuzione regionale e della cinetica di
svariati processi biochimici.
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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 avente il gruppo ossidrilico sul C2
sostituito da un 18F. LFDG viene incorporato
nelle cellule utilizzando i medesimi sistemi di
trasporto del glucosio.
18F T1/2109,8 min
Studio del metabolismo dello zucchero. Aumentato
utilizzo in cellule tumorali.
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UN ESEMPIO bisogna rivelare contemporaneamente i
due fotoni che, emessi in P, giungono ai
rivelatori 1 e 8 eliminando tutti i segnali spuri
non coincidenti.
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6
4
7
3
Rivelatore 8
2
P
9
Rivelatore 1
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11
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14
12
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Ricostruzione dellimmagine PET
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Disposizione dei rivelatori
Struttura esagonale
Ogni rivelatore può essere in coincidenza con
ognuno dei rivelatori del piano opposto. Per
avere un campionamento spaziale e angolare
completo si ruota lintera struttura di 60o in
passi di 5o .
Struttura circolare
Anello circolare di rivelatori.
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Vista frontale (a) e dellalto (b) di un
dispositivo PET
In (a) i fotoni non collineari, come nelle
annichilazioni originate in B e C, non danno
luogo a coincidenza e vengono trascurate dal
dispositivo. I fotoni originati in A sono invece
collineari.
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Requisiti del rivelatore per PET
Energia superiore alla SPECT Rivelazione in
coincidenza
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Requisiti del rivelatore per PET

• Numero atomico effettivo alto
• Elevata emissione luminosa
• Alta velocita di emissione

Energia superiore alla SPECT Rivelazione in
coincidenza
?
Ioduro di sodio
Germanato di bismuto
Silicato di gadolinio
Silicato di lutezio
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Tipologie di rivelatore per PET
Anche gammacamere a due teste
Rivelazione in coincidenza entro un prefissato
intervallo di tempo, la cui ampiezza e regolata
in modo da stabilire i limiti della condizione di
contemporaneita, tenuto conto del tempo di
decadimento dellemissione luminosa.
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Disposizione dei rivelatori
Struttura esagonale (tipica di rivelatori NaI)
Ogni rivelatore può essere in coincidenza con
ognuno dei rivelatori del piano opposto. Per
avere un campionamento spaziale e angolare
completo si ruota lintera struttura di 60o in
passi di 5o .
Struttura circolare (tipica di rivelatori BGO)
Anello circolare di rivelatori.
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Rivelatori a blocchi
Anelli di blocchi
Blocco di rivelatori (1 PM)
Singolo rivelatore
N.B. acquisizioni entro una finestra energetica
come nella gammacamera
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Eventi di rumore nella PET
(Compton, perdono la corretta informazione
spaziale originale)
Eventi di scatter (diffusione), coincidenze
random o multiple aumentano il tempo morto e
rovinano la qualita dellimmagine
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Setti interplanari
Riduzione degli eventi Compton entro il campo di
vista (scatter) e degli eventi random
provenienti da sorgenti fuori dal campo di vista
MA penalizzano lefficienza
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Acquisizioni 3D

• Nelle acquisizioni 3D i setti interplanari
  vengono rimossi e si registrano coincidenze tra
  rivelatori alloggiati in qualsiasi combinazione
  di anelli
• Ne risulta un aumento di un fattore 6 in
  efficienza, ma che cosa succede al rumore di
  fondo?
• SCATTER setti interplanari 3D
• cuore 14-15 60-70
• cervello 8-9 35-40

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Eventi di scatter
Gli eventi di scatter si possono contenere
riducendo la finestra energetica, a spese pero
dellefficienza (a causa della cattiva
risoluzione energetica del BGO).
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Coincidenze random
Si usano con successo circuiti di coincidenze
ritardate, che utilizzano finestre temporali
ritardate in modo tale che non possano essere
rivelate in esse delle coincidenze true (un
ritardo di 100 ns rispetto ai 10-15 ns usuali e
adeguato). In tali finestre sono quindi
registrate solo le coincidenze casuali, che
vengono poi adeguatemente sottratte.
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Requisiti del rivelatore per PET

• Numero atomico effettivo alto
• Quanta piu intensa luce possibile rivelata
• Indice di rifrazione e lunghezza donda
  (accoppiamento con fotocatodo)

Ioduro di sodio
Germanato di bismuto
Silicato di gadolinio
Silicato di lutezio
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Rivelatore NaI
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Rivelatore NaI
Efficienza
Risoluzione spaziale
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BGO vs NaI
Risoluzione energetica
N.B. gli eventi di scatter si situano nello
spettro Compton
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BGO vs NaI
I rivelatori NaI hanno il vantaggio indubbio di
una migliore risoluzione spaziale ed energetica,
ma sono altamente penalizzati per la scarsa
efficienza allenergia di 500 KeV