Diagnostica per Immagini

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1 UNIVERSITA! DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica Anno accademico Diagnostica per Immagini Argomento 5A Medicina Nucleare Arturo Brunetti Tel Fax Schema della lezione Definizione e campi di applicazioni (3-9) Richiami sulla radioattività (10-22) Cenni storici (23-26) Procedure scintigrafia, radiofarmaci - tecnezio (27-33) Apparecchi gamma camera, acquisizione (34-52) Indagini scintigrafiche studi statici e dinamici (53-65) Tomografia - SPECT (66-fine) 2

2 MEDICINA NUCLEARE Disciplina che si occupa dell!utilizzazione di radionuclidi a scopo diagnostico e terapeutico 3 MEDICINA NUCLEARE campi di applicazione TERAPIA Radioterapia metabolica DIAGNOSTICA in vivo in vitro 4

3 MEDICINA NUCLEARE campi di applicazione applicazioni che ci interessano in questo corso TERAPIA Radioterapia metabolica DIAGNOSTICA in vivo in vitro 5 MEDICINA NUCLEARE diagnostica per immagini - in vivo strumenti di lavoro RADIOFARMACI (molecole marcate con radionuclidi somministrate al paziente che diventa emettitore di segnali) Apparecchiature per rilevazione delle radiazioni (gamma camera, sistemi tomografici PET e SPECT) 6

4 Medicina Nucleare strumentazione attuale per imaging! gamma camera! gamma camere rotanti a testa singola o multipla che permettono di eseguire esami SPECT (tomografia emissione di fotone singolo)! tomografi SPECT dedicati! tomografi PET (tomografia emissione di positroni)! apparecchi ibridi PET-TC, SPECT-TC 7 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 individuazione di alterazioni di funzioni biologiche determinate dalla/e lesione/i utilizzare meccanismi biologici elettivi per caratterizzare la natura di una lesione o realizzare un effetto radiobiologico locale, utile ai fini terapeutici 8

5 Principi generali di radioprotezione GIUSTIFICAZIONE NECESSITA! DI VALIDI MOTIVI CLINICI OTTIMIZZAZIONE USO DELLA MIGLIORE TECNICA E METODICA DISPONIBILE DEFINIZIONE DEI RISCHI INDIVIDUALI ACCETTABILI LIMITI DEFINITI DALLA LEGGE 9 NUCLIDI E RADIONUCLIDI Radioattività: conseguenza di un non equilibrato rapporto tra neutroni e protoni 10

6 NUCLIDI E RADIONUCLIDI Peso atomico A Z Numero atomico N ± x Stato di ossidazione X Rapporti nelle molecole 11 NUCLIDI E RADIONUCLIDI ISOTOPI ISOBARI ISOTONI nuclidi dello stesso elemento (Z= A ") nuclidi di elementi diversi con massa uguale nuclidi con uguale numero di neutroni 12

7 NUCLIDI E RADIONUCLIDI ISOMERI nuclei con uguale massa e numero atomico, dei quali uno o più possono trovarsi in uno stato di "eccitazione"* * questa definizione si applica al Tecnezio-99m, isomero metastabile del Tecnezio-99 (vedi dopo) 13 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE CORPUSCOLATE 14

8 RADIOATTIVITA' EMISSIONE DI RADIAZIONI IONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI raggi! + + raggi " - + elettroni e positroni raggi # 15 Medicina Nucleare in vivo radiazioni utilizzabili " sono utilizzabili per le indagini in vivo solo radiazioni gamma #per preparare i radiofarmaci per le indagini mediconucleari di diagnostica per immagini si possono utilizzare 1. radionuclidi emettitori di raggi gamma 2. radionuclidi emettitori di positroni dalla cui annichilazione si producono raggi gamma 16

9 Decadimento radioattivo: andamento esponenziale ATTIVITA' y = 1e+06 * e^(-0,01x) R= 1 y = 1e+06 * e^(-0,005x) R= 1 y = 1e+06 * e^(-0,001x) R= 1 dn (t) = - kn(t) dt N t = N 0 e - $t TEMPO (min) 17 EMIVITA = tempo di dimezzamento!tempo in cui una certa quantità di radioattività si riduce a metà del valore iniziale # = 0.693/T1/2 # è la costante di decadimento 18

10 Radionuclidi più utilizzati in diagnostica medico-nucleare in vivo Radionuclide Sigla T1/2 decadimento Azoto N 10 min positroni Carbonio C 20,3 min positroni Cobalto Co 270 giorni cattura elettronica Cromo Cr 27,8 giorni cattura elettronica Ferro Fe 45 giorni beta Fluoro F 109 min positroni Gallio Ga 78,1 ore cattura elettronica Gallio Ga 68 min positroni Indio In 67 ore cattura elettronica Iodio I 13 ore cattura elettronica Iodio I 8,06 giorni beta Ossigeno O 2 min positroni Selenio Se 120 giorni cattura elettronica Rubidio Rb 1,3 min positroni Tecnezio-99m 99m Tc 6 ore gamma Tallio Tl 73 ore cattura elettronica Xenon Xe 5,3 giorni beta 19 Radionuclidi più utilizzati in diagnostica medico-nucleare in vivo Radionuclide Sigla T1/2 decadimento Azoto N 10 min positroni Carbonio C 20,3 min positroni Cobalto Co 270 giorni cattura elettronica Cromo Cr 27,8 giorni cattura elettronica Ferro Fe 45 giorni beta Fluoro F 109 min positroni Gallio Ga 78,1 ore cattura elettronica Gallio Ga 68 min positroni Indio In 67 ore cattura elettronica Iodio I 13 ore cattura elettronica Iodio I 8,06 giorni beta Ossigeno O 2 min positroni Selenio Se 120 giorni cattura elettronica Rubidio Rb 1,3 min positroni Tecnezio-99m 99m Tc 6 ore gamma Tallio Tl 73 ore cattura elettronica Xenon Xe 5,3 giorni beta 20

11 Radionuclidi più utilizzati in Medicina Nucleare! 99m Tc (Tecnezio) gamma emettitore! 18 F (Fluoro) - positrone emettitore 21 RADIOATTIVITA' Vecchia unità Curie (Ci) x 10 dis/sec Nuova unità (SI) Bequerel 1 dis/sec 1 Ci = 37 GBq 22

12 Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics Historical remarks 1903 "in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity" 1903 "in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henry Becquerel" Antoine Henry Becquerel Pierre Curie Marie Curie Slodowska Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics Historical remarks 1939 for the invention and development of the cyclotron and for results obtained with it, especially with regard to artificial radioactive elements" Ernest Orlando Lawrence

13 Nuclear Medicine The Nobel Prize in Chemistry Historical remarks 1935 "in recognition of their synthesis of new radioactive elements" 1943 "for his work on the use of isotopes as tracers in the study of chemical processes Frédéric Joliot Irène Joliot-Curie George de Hevesy Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics Historical remarks 1959 for the discovery of the antiproton" Emilio Segré Segrè scoprì il Tecnezio-99: il primo elemento artificiale non presente in natura, proprio per questo definito TECNEZIO 26

14 L imaging medico-nucleare (immagini da emissione ) raggi gamma Collimatore Cristallo scintillatore raggi gamma Tubi fotomoltiplicatori raggi gamma Convertitore analogico-digitale si somministra una piccola quantità di una sostanza radioattiva (radiofarmaco) il radiofarmaco si distribuisce e viene captato dai vari organi e tessuti a seconda delle sue caratteristiche chimico-fisiche e biologiche si ottiene una mappa della distribuzione regionale di radioattività mediante una gamma camera o altre apparecchi per individuare variazioni regionali di radioattività indice della presenza/ assenza di determinate attività funzionali Computer 27 MEDICINA NUCLEARE scintigrafia SCINTIGRAFIA Mappa della distribuzione corporea di una molecola radioattiva (radiofarmaco)* * la mappa può essere presentata in scala di grigio (fondo bianco o nero) o in scala di colore scintigrafia ossea 28

15 MEDICINA NUCLEARE Radiofarmaco preparati "radioattivi" con caratteristiche chimico-fisico-biologiche che rispettano tutte le normative della farmacopea ufficiale per la somministrazione nell'uomo si parla anche di traccianti, cioè di preparati che permettono di tracciare in vivo processi funzionali e metabolici N.B.: con l!uso di modelli matematici gli studi medico nucleari possono dare informazioni quantitative oltre che qualitative 29 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 99m Tc-DTPA misura del filtrato glomerulare renale 18 F-deossiglucosio misura del consumo tessutale di glucosio 30

16 MEDICINA NUCLEARE Diagnostica "in vivo" SCINTIGRAFIA La mappa scintigrafica è sempre espressione di processi funzionali-metabolici 31 TECNEZIO-99m il radionuclide più utilizzato in medicina nucleare tradizionale e nella SPECT 99m Tc T 1/2 = 6 ore Emissione #$ 140KeV ottenuto da generatori (colonne a scambio ionico) con Molibdeno 99 32

17 Il generatore di Tecnezio-99m soluzione fisiologica soluzione fisiologica + Na 99m TcO4 99 Mo schermatura in piombo! 99m Tc è radionuclide più utilizzato negli studi di medicina nucleare in vivo! si ottiene dal radionuclide padre ( 99 Mo) da un generatore/colonna a scambio ionico che si compra periodicamente (in genere settimanalmente), produrre la radioattività necessaria a gestire il carico di lavoro previsto! con il 99m Tc si possono marcare radiofarmaci che permettono lo studio di diversi organi e apparati (le marcature si fanno utilizzando in genere kit con prodotti liofilizzati) 33 Rivelazione dei raggi gamma In genere rivelatori a scintillazione (cristallo + tubo fotomoltiplicatore) Cristalli: NaI(Tl), BGO, CsF, BaF 2 Criteri: Stopping power, Tempo di risposta, efficienza, risoluzione energetica Rivelatori a raccolta di ioni (camere di ionizzazione) non utilizzabili per la diagnostica in vivo per la bassa efficienza e risposta lenta Detettori a semiconduttori (diodi): elevata risoluzione di energia, risposta veloce ma dimensioni piccole e costo elevato 34

18 Medicina Nucleare: strumentazione schema costruttivo classico elettronica display fotomoltiplicatori cristallo collimatore sorgente di radiazioni calcolatore 35 MEDICINA NUCLEARE Apparecchi per diagnostica "in vivo" Vecchi apparecchi Sonda e Scanner rettolineare OGGI Gamma camera Scintigrafia tiroidea con scanner rettolineare 36

19 Gamma camera - camera a scintillazione (di Anger) Imaging bidimensionale della distribuzione di radionuclidi Dagli anni 70 ha sostituito lo scanner rettolineare, per la maggiore efficienza e velocità di acquisizione che consente acquisizioni dinamiche Può essere utilizzata per acquisizioni tomografiche SPECT se ha un supporto che le consente di ruotare attorno al corpo Rivelatore a ampio cristallo singolo (38-50 cm-dia.) accoppiato a un array di tubi fotomoltiplicatori 1. Rivestimento 2. Schermatura in piombo 3. Collimatore 4. Cristallo di NaI(Tl) 5. Tubi fotomultiplicatori 37 L!INVENTORE DELLA GAMMA CAMERA Hal Oscar Anger ( ) 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. Lawrence Radiation Laboratory. 38

20 Gamma camera: i componenti principali sensori convertono la luce in segnale elettrico i raggi producono lampi di luce verde nel cristallo passano solo i raggi gamma allineati ai fori del collimatore tubi fotomoltiplicatori cristallo collimatore 39 Gamma camera: i componenti ELETTRONICA E COMPUTER immagine su monitor GAMMA CAMERA ASSEMBLATA schermatura in piombo 40

21 Gamma camera a testa singola 41 Gamma camera a testa doppia 42

22 43 Collimatori Sono fatti di piombo forato. Servono per selezionare i raggi gamma che hanno una specifica direzione (quasi una lente ) Il collimatore più usato è quello a fori paralleli Risoluzione A open Efficienza geometrica d L Tradeoff: Risoluzione % Efficienza A unit 44

23 Collimatori Sono fatti di piombo forato. Servono per selezionare i raggi gamma che hanno una specifica direzione (quasi una lente ) Il collimatore più usato è quello a fori paralleli Risoluzione Efficienza geometrica Tradeoff: Risoluzione % Efficienza Basic diagram of how a lead collimator works. Made by Pete Verdon 13/11/ Tipi di collimatori Tradeoff tra risoluzione e field-of view (FOV) per diversi tipi: Convergenti: & risoluzione, ' FOV Divergenti: ' risoluzione, &FOV Pinhole (~ mm): Alta risoluzione su organi piccoli a breve distanza tipo tiroide Risoluzione (HR, MR) Sensibilità (HS, MS) 46

24 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 47 Cristallo di scintillazione per la gamma camera Materiale: Ioduro di sodio (NaI) con delle impurità di tallio Scintillazione: l!interazione di un fotone produce un piccolo lampo di luce la cui intensità é proporzionale all!energia rilasciata dal fotone x o # nel mezzo Se ogni fotone che interagisce nel cristallo da luogo ad una scintillazione avremo una distribuzione di scintillazioni nel cristallo che riproduce la distribuzione di attività dell!oggetto In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi raggiunge il fototubo 48

25 Fotomoltiplicatori Numero: in genere da 37 a 91 Scopo: conversione del quanto luminoso in un proporzionale numero di elettroni Azione: per ogni interazione che avviene nel cristallo, si determina un impulso elettrico proporzionale all energia rilasciata nel cristallo Gli impulsi vengono amplificati linearmente, selezionati in base alla loro ampiezza e memorizzati Fotocatodo Elettroni Raggio luminoso Raggio gamma Scintillatore Elettrodo di focalizzazione Dinodo 49 Circuiti elettronici posizione e energia: Confronto tra le ampiezze degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori e uscita di tre nuovi segnali (x, y, z) X e Y! coordinate del punto in cui é avvenuta la scintillazione Z! somma degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori, proporzionale all energia rilasciata nel cristallo 50

26 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 51 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

27 Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche Modalità di acquisizione: planare (statica e dinamica) tomografica emissione di fotone singolo (SPECT) emissione di positroni (PET) 53 Scintigrafia planare (2D) Immagine di un singolo distretto corporeo (in questo caso tiroide) Immagini whole body : 99m Tc-fosfonati

28 Esame tomografico Immagini di strati (SPECT - tomoscintigrafia) Esempi: tomoscintigrafia del miocardio tomoscintigrafia cerebrale 55 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 56

29 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 scintigrafia tiroidea STUDIO DINAMICO Acquisizione di più immagini in sequenza temporale allo scopo di seguire nel tempo la distribuzione spaziale del radiofarmaco somministrato al paziente scintigrafia renale dinamica 57 Studio dinamico Curve attività-tempo le variazioni temporali della concentrazione del tracciante sono determinate mediante le regioni di interesse (ROI, regions of interest) che delimitano le aree da studiare la concentrazione del tracciante viene quindi espressa come curva attività-tempo attività tempo 58

30 ESAME DINAMICO scintigrafia renale sequenziale Immagini Tracciato attività/ tempo 59 Scintigrafia renale dinamica (un rene che non funziona bene) 99m Tc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) GFR 99m Tc-MAG3$ $ $ $ $ RPF 60

31 Tracciato attività-tempo (il rene dx non funziona bene) GFR sn =18 ml/min GFR dx = 57 ml/min 61 Curva radioattività tempo da un!angiocardioscintigrafia all!equiloibrio DIASTOLE SISTOLE 62

32 Analisi della curva Velocità di eiezione e riempimento EDV/sec Parametri poco usati se non in contesto sperimentale 63 IMMAGINI PARAMETRICHE le immagini scintigrafiche ottenute rappresentano la distribuzione della radioattività nello spazio mediante post-processing é possibile ricostruire immagini che rappresentano parametri temporali, spaziali e funzionali (immagini parametriche) 64

33 Analisi angiocardioscintigrafica riferita ad un ciclo cardiaco medio e immagini parametriche Mappa di fase Mappa di ampiezza 65 Tomografia per emissione Tecnica capace di fornire una rappresentazione della distribuzione dei radiofarmaci in sezioni di organo di spessore definito Superano la rappresentazione 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 66

34 Medicina Nucleare - Tomogrfaia SPE(C)T = Single Photon Emission (Computed) Tomography PET = Positron Emission Tomography 67 SPECT = Single Photon Emission Computed Tomography PET = Positron Emission Tomography Anello di rivelatori Gamma Camera * # # " + * e - # SPECT individua i raggi gamma emessi singolarmente da radionuclidi come 99m Tc, 123 I, e 111 In. richiede collimazione fisica ab radionuclidi positrone-emettitori come 11 C, 13 N, 15 O, e 18 F con positroni che si annichilano producendo coppie di raggi gamma che si muovono con verso opposto sulla stessa retta Collimazione elettronica con circuiti di coincidenza. 68

35 Gamma camere SPECT multitesta Due o tre teste aumentano la sensibilità e pertanto permettono di ridurre il tempo di acquisizione l aumento della sensibilità permette anche di utilizzare collimatori ad alta risoluzione le gamma camere a due teste sono oggi l apparecchio più diffuso in medicina nucleare; permettono di eseguire anche esami total body in doppia proiezione oltre che SPECT ab SPECT: apparecchi Gamma camere a tripla testa Apparecchio tomografico dedicato per l encefalo con anello di rivelatori permette studi dinamici ab02008movdis 70

36 SPECT Vantaggi ampia diffusione costo relativemente contenuto dell apparecchio e dei radiofarmaci (in particolare rispetto alla PET) uso facile permette la valutazione quantitativa della concentrazione tessutale locale dei radiofarmaci e quindi analisi funzionali quantitative Limiti minima invasività (somministrazione ev, radiazioni) risoluzione spaziale limitata effetti dello scatter e della attenuazione da correggere 71 Acquisizione dei dati SPECT I dati grezzi sono acquisiti durante la rotazione della camera acquisendo una serie di proiezioni* in modalità acquisizione continua step and shoot le proiezioni SPECT di solito sono acquisite in matrice 64 x 64 (60 or 64 projections) a 128 x 128 (120 or 128 projections) * Gli apparecchi moderni possono realizzare orbite di rotazioni non circolari in modo da avere l apparecchio quanto più vicino al corpo durante l acquisizione (per aumentare la sensibilità) 72

37 Collimatori per SPECT Scelta del collimatore: risoluzione vs. sensibilità Il collimatore più usato è quello a fori paralleli i collimatori fan-beam possono essere usati per l encefalo fan beam fori paralleli da Wikipedia ab02008movdis 73 Metodi di ricostruzione delle immagini SPECT analitici 2DFourier Transform Filtered back projection (più usata in passato) iterativi ART, SIRT, LST (vecchi) MLEM (maximum likelihood expectation maximization), CG (conjugate gradient) Vedi anche: Journal of Nuclear Medicine Vol. 43 No Analytic and Iterative Reconstruction Algorithms in SPECT Philippe P. Bruyant, PhD 1 ab

38 Attenuazione dei fotoni in SPECT Immagine di una sezione di un fantoccio cilindrico riempito con 99mTc, senza correzione per l attenuazione Un effetto inevitabile I raggi gamma che attraversano il corpo vengono attenuati in misura proporzionale alla distanza che devono percorrere (quindi di più se vengono da maggiore profondità) Nelle immagini non corrette per l attenuazione si ha l effetto che si vede nella figura a sinistra gli effetti dell attenuazione sono maggiori nelle strutture più grandi (esempio addome, rispetto al cranio) ab Correzione dell attenuazione Immagine di una sezione di un fantoccio cilindrico riempito con 99mTc, senza correzione per l attenuazione ab Immagine dopo correzione per l attenuazione 76

39 metodi per la correzione dell attenuazione in SPECT Metodi analitici prericostruzione Intrinseci Post-ricostruzione Metodi empirici Misurazione dell attenuazione con sorgenti radioattive o con TC* Oggi il metodo della correzione misurata con TC si avvia a prevalere con la diffusione degli apparecchi ibridi SPECT-TC 77 ab SPECT performance Controlli di qualità Risoluzione spaziale Fattori di ingrandimento X- e Y e controllo delle finestre di energia Allineamento delle immagini di proiezione al centro di rotazione Uniformità Inclinazione della testa ab

40 Risoluzione spaziale in SPECT Varia dal centro alla periferia (7-8 fino a mm, FWHM) Csi misura con una sorgente lineare (capillare riempito di una soluzione con 99m Tc, parallelo all asse di rotazione) La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) raccomanda di utilizzare un cilindro omogeneo di 22 cm sdi diameter, contanente 3 sorgenti lineari Le FWHM sono calcolate dalle ricostruzioni trasversali ottenute con un filtro a rampa Naturalmente la risoluzione in vivo non potrà mai uguagliare quella misurata su fantoccio in condizioni ideali (anche per durata dello studio e conteggi acquisiti) ab Progressi nella SPECT Nuovi rivelatori Aparecchi ibridi SPECT-TC (già disponibili) SPECT-MRI (forse in futuro) Analisi dei dati filtri di ricostruzione - correzione dell attenuazione e dello scatter e degli effetti di volume parziale 80 ab

41 Apparecchi ibridi SPECT-TC possono fornire contemporaneamente informazioni strutturali e funzionali permettono quindi la localizzazione precisa delle eventuali alterazioni funzionali evidenziate nelle immagini SPECT migliorano la ricostruzione delle immagini (per quanto riguarda non solo la correzione dell attenuazione ma anche dello scatter e degli effetti di volume parziale) ab NB per i possibili apparecchi SPECT-MRI è indispensabile lo sviluppo di rivelatori RM compatibili 81 PET (Positron Emission Tomography) VEDI LEZIONE SUCCESSIVA 82