Diagnostica per Immagini

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica Anno accademico Diagnostica per Immagini Argomento 5A Medicina Nucleare Arturo Brunetti Tel Fax ab/10/2005 MEDICINA NUCLEARE Utilizzazione di radionuclidi a scopo diagnostico e terapeutico 1

2 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

3 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

4 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) 99 Mo/ 99m Tc generator (Richard P, 1960) Monoclonal antibodies (Kohler G, Millestein C, 1975) FDG radiolabeled with 18 F (Ido T, 1979) 4

5 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 ab/10/2005 5

6 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. ab/10/2005 Gamma camera a testa singola ab/10/2005 6

7 Gamma camera a testa doppia ab/10/2005 Medicina Nucleare: strumentazione elettronica tubo catodico fotomoltiplicatori cristallo collimatore calcolatore sorgente 7

8 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 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 Scintigrafia tiroidea Proiezione laterale 8

9 In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi raggiunge il fototubo Medicina Nucleare: strumentazione elettronica tubo catodico fotomoltiplicatori cristallo collimatore calcolatore sorgente 9

10 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

11 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

12 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 Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche Tecniche di acquisizione: planare (statica e dinamica) tomografica ad emissione di fotone singolo (SPECT) tomografica ad emissione di positroni (PET) 12

13 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

14 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

15 Curva radioattività tempo DIASTOLE SISTOLE Analisi angiocardioscintigrafica riferita ad un ciclo cardiaco medio e immagini parametriche 15

16 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

17 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

18 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

19 PET (Positron Emission Tomography) NUCLIDI E RADIONUCLIDI Radioattività: conseguenza di un non equilibrato rapporto tra neutroni e protoni 19

20 NUCLIDI E RADIONUCLIDI Peso atomico A Z Numero atomico N X A Stato di ossidazione Rapporti nelle molecole NUCLIDI E RADIONUCLIDI ISOTOPI ISOBARI ISOTONI forme dello stesso elemento (Z= A ) nuclidi di elementi diversi con massa uguale nuclidi con uguale numero di neutroni 20

21 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

22 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

23 Decadimento radioattivo: andamento esponenziale dn (t) d t = - kn(t) N t = N 0 e -κt RADIOATTIVITA' Vecchia unità Curie (Ci) x 10 dis/sec Nuova unità (SI) Bequerel 1 dis/sec 1 Ci = 37 GBq 23

24 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 24

25 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 25

26 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) 26

27 MEDICINA NUCLEARE Apparecchi per diagnostica "in vitro" Contatori gamma Contatori beta Radiofarmaci Molecole marcate con radionuclidi γ- emettitori per eseguire indagini di medicina nucleare in vivo Indicatori Traccianti 27

28 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

29 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

30 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

31 AREA CALDA AREA FREDDA Scintigrafia polmonare 31

32 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 32

33 Principali radionuclidi utilizzati in medicina nucleare TECNEZIO-99m 99m Tc T 1/2 = 6 ore Emissione γ 140KeV ottenuto da generatori (colonne a scambio ionico) con Molibdeno 99 33

34 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 99m Tc - metilendifosfonato (MDP) 34

35 Scintigrafia ossea Scintigrafia renale statica 99m Tc -DMSA (Dimercaptosuccinato) 35

36 Scintigrafia renale statica pielonefrite Scintigrafia renale dinamica "sequenziale" 99m Tc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) GFR 99m Tc-MAG3 RPF 36

37 Scintigrafia renale dinamica "sequenziale" 99m Tc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) GFR 99m Tc-MAG3 RPF Renogramma 37

38 Renogramma GFR sn =18 ml/min GFR dx = 57 ml/min Scintigrafia renale dinamica "sequenziale" 99m Tc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) GFR 99m Tc-MAG3 RPF 38

39 Ricerca di tumori traccianti oncotropi 201 Tl 67 Ga-citrato 99m Tc-MIBI 99m Tc-peptidi 99m Tc-anticorpi monoclonali 18 F-deossiglucosio Tecniche tomografiche Tomografia a emissione di fotone singolo SPET (Single Photon Emission Tomography) Tomografia a emissione di positroni PET (Positron Emission Tomography) 39

40 glucosio HO HO CH 2 OH H H O H OH OH H Fluoro-deossi-glucosio 40

41 PET-FDG PET-FDG 41