Principi basilari delle immagini radiologiche

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Maria Teresa Brunelli
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1 Principi basilari delle immagini radiologiche sorgente immagine raggi-x radiologica Fascio esterno di raggi-x x attenuati dalle diverse strutture in base alla loro diversa densità

2 Principi basilari delle immagini medico-nucleari tracciante immagine mediconucleare Il radiofarmaco si accumula nei diversi organi in base a processi biochimici specifici per ogni organo; il paziente diventa così la fonte di radiazione rilevata dall esterno mediante idonea strumentazione (gamma-camera o PET)

Lo spettro elettromagnetico Le onde elettromagnetiche sono la manifestazione di un unico fenomeno fisico: un campo elettrico (E) ed un campo magnetico (H) oscillano sfasati di 90 su due piani

3 Lo spettro elettromagnetico Le onde elettromagnetiche sono la manifestazione di un unico fenomeno fisico: un campo elettrico (E) ed un campo magnetico (H) oscillano sfasati di 90 su due piani perpendicolari alla direzione di propagazione e fra a loro. La divisione dello spettro in varie regioni è una convenzione. Nello spettro ad alte frequenze, i raggi X derivano da transizioni ni fra stati della nube elettronica dell'atomo, i raggi γ da transizioni fra stati energetici del nucleo.

4 La radioattività Gli elementi stabili in natura sono caratterizzati da nuclei atomici con un egual numero di neutroni e protoni. Aumentando progressivamente il numero atomico Z, l'atomo rimane stabile quando ogni protone è accoppiato nel nucleo a più neutroni. Gli atomi con numero atomico medio-alto (Z>40) presentano comunque un instabilità nucleare; il sistema può allora tendere ad una configurazione stabile emettendo energia, sotto forma di fotoni, X o γ, o di materia, come particelle α, β -, β +, o frammenti di nucleo (frammenti di fissione). L'insieme di tali emissioni di stabilizzazione costituisce il fenomeno della radioattività.

5 La legge del decadimento radioattivo La radioattività di una popolazione di atomi instabili è regolata dalla legge del decadimento esponenziale: N = N 0 e -λt dove N 0 e N rappresentano il numero di nuclei al tempo di riferimento (t = 0) e all istante t (t > 0), rispettivamente, mentre λ è la costante di decadimento del radioisotopo. Il numero di disintegrazioni al secondo è l attività A della sorgente ed è data da: A = -λ N = dn / dt Il tempo necessario a dimezzare il numero iniziale di nuclei radioattivi è detto tempo di dimezzamento o emivita, si indica con T ½ ed è dato da T ½ = λ -1 ln2= λ -1 0,693

6 N = N 0 e -λt Il decadimento radioattivo segue una legge esponenziale (o di primo ordine): significa che in intervalli di tempo uguali non decade lo stesso numero di atomi radioattivi, bensì la stessa frazione del numero di atomi radioattivi presenti.

7 Il decadimento gamma L emissione γ si ha quando un nucleo compie una transizione fra livelli energetici: tra due livelli eccitati di energia oppure tra un livello eccitato e quello fondamentale. Pertanto, il decadimento γ avviene in seguito a precedenti fenomeni radioattivi (decadimento α, β,, fissioni) che producono un nucleo figlio in uno stato eccitato.

8 Z = numero di protoni (numero atomico) N = numero di neutroni A = numero di nucleoni (Z + N) [numero di massa]

9 I-MdC 0,50 Mol

10 Gd-EDTA 0,15 Mol

11 µmol (effetto BOLD)

12 tracciante nanomol - picomol Per vedere questa immagine occorre QuickTime e un decompressore.

13 rec. peptidi diversi ( 123 I/ 99m Tc-VIP...) rec.. ormoni steroidei (*I-Estr./ Estr./Prog.) precursori metabolici (*I;; *I-Colest.) recettori transferrina ( 67 Ga) TAA (*R-MoAb) Na/K Tl) ( Tl) rec.. fattori crescita ( 111 In-Octreotide) substrati energetici (*I-Ac. grassi) mediatori (*I-MIBG) farmaci Tc-MIBI) ( 99m 99m Tc

14 precursori metabolici ([ 11 C]Aden./Tim Tim.) rec.. ormoni steroidei 18 F-Estr./ Estr./Prog.) ( 18 precursori metabolici ([ 11 C]Col./Met Met.) recettori transferrina TAA 124 I-MoAb) ( 124 Na/K rec.. fattori crescita substrati energetici ([ 18 F]FDG; [ 11 C]Ac Ac.. grassi) farmaci ([ 18 F]5FU; [ 11 C]BCNU; 64m Cu-MIBI)

15 Captazione e ritenzione di FDG GLUT I e GLUT III Glicogeno 18 FDG K 1 K 2 Esochinasi K 3 K 4 18 FDG-1-P FDG 18 FDG-6P 18 FDG Glucosio-6- fosfatasi 18 F-fru-6-P 18 FDG-6- fosfo- glucono- lattone Shunt HMP Glicolisi sangue

16 Radioisotopi più utilizzati in Medicina Nucleare diagnostica Fotone singolo (γ) Positrone (e + ) Tecnezio-99m ( Tc) Fluoro-18 ( F) Iodio-123 ( I) Azoto-13 ( N) Iodio-131 ( I) Carbonio-11 ( C) Tallio-201 ( Tl) Ossigeno-15 ( O) Indio-111 ( In) Iodio-124 ( I) Gallio-67 ( Ga) Gallio-68 ( Ga)

18 Radioisotopi utilizzabili in Medicina Nucleare con intenti terapeutici Particelle β (e - ) Iodio-131 ( 131 I) - Ittrio-90 ( 90 Y) - Stronzio-89 ( 89 St) - Samario-153 ( 153 Sm) Renio-189 ( 189 Re) Lutezio-177 ( 177 Lu) Iodio-123 ( 123 I) [Auger[ Auger] Indio-111 ( 111 In) [Auger[ Auger] Particelle α Fosforo-32 ( 32 P) Oro-198 ( 198 Au)

20 Emissione beta (606 kev) Emissione alfa (5,87 MeV)

21 Effetto radiobiologico modesto (localizzazione mitocondriale) Emissione di elettroni Auger Effetto radiobiologico pressoché assente (legame di membrana) Effetto radiobiologico potente (localizzazione intranucleare)

22 Elemento base di rivelazione (cristallo e tubo fotomoltiplicatore) Differenza di potenziale complessiva fra primo e ultimo dinodo: V. Fattore di moltiplicazione degli e - : ~10 9

24 131 I-Ioduro

25 La gamma-camera

26 Schema base del sistema di posizionamento della interazione fotone gamma/cristallo

28 Geometria base dei collimatori per gamma-amera A fori paralleli Pin-hole

31 Tomografia Computerizzata Rx planare TC Separa gli oggetti su piani Differenti Images courtesy of Robert McGee, Ford Motor Company

32 Tomografia Computerizzata Oggetto bidimensionale proiezione verticale mono- dimensionale proiezione orizzontale mono- dimensionale Misurando tutte le le proiezioni mono-dimensionali di di un un oggetto bi-dimensionale, è possibile ricostruire l oggetto

34 99m Tc-ECD 123 I-FP-CIT QuickTime and a decompressor are needed to see this picture. QuickTime and a decompressor are needed to see this picture.

38 ANNICHILAZIONE DEL POSITRONE e + 511keV gamma e + + e - = 180º P N + e + + n + energy Emissione del Positrone 511keV gamma Annichilazione del Positrone

40 RIVELAZIONE IN COINCIDENZA Due eventi definiscono una coincidenza se vengono rivelati da due cristalli opposti entro un intervallo di tempo non superiore alla finestra temporale di coincidenza. CFD CFD AND

41 EVENTI DI COINCIDENZA IN PET In PET il rumore è generato da due componenti: La radiazione Diffusa e le Coincidenze casuali. La radiazione diffusa deriva da una coppia di fotoni in cui uno dei due è stato deviato per urto rispetto alla direzione originale. Le concidenze casuali sono coppie di fotoni rivelate in coincidenza ma in realtà relative a due eventi di annichilazione distinti.

44 IL TOMOGRAFO PET

fotomoltiplicatori per la localizzazione dell evento

45 IL SISTEMA DI RIVELAZIONE PET Blocco di cristalli di ridotte dimensioni collegato ad un sistema di fotomoltiplicatori per la localizzazione dell evento di coincidenza Risposta isotropa Ottima risoluzione spaziale

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