PET. Radionuclidi più utilizzati nella PET. Elemento prodotto T 1/2 in minuti primi B5 20 C6 10 N7 2 F 9 O8 110

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1 PET L acronimo PET sta per Positron Emission Tomography. Come per la SPECT, anche in questo caso si ha a che fare con una tecnica tomografica d indagine di tipo emissivo in quanto la sorgente di radiazione ionizzante si trova all interno dell organo da esaminare. OBIETTIVI L indagine tomografica di tipo PET ha per scopo la determinazione della concentrazione in un determinato organo di un radionuclide emettente positroni (β + emitter), il quale, quando non interviene autonomamente nei naturali processi fisiologici, viene veicolato da una sostanza biologicamente attiva. Il radiofarmaco viene somministrato al paziente per via i.v. ed è designato a monitorare i processi fisiologici o patofisiologici di qualche organo. Si tratta di indagini di carattere funzionale, le quali vengono spesso designate con il nome di imaging molecolare. Requisiti di un buon tracciante per la PET In linea di principio le caratteristiche richieste sono le stesse delle sorgenti SPECT, ma va aggiunto il non banale requisito che deve trattarsi di un emettitore di positroni. Un emettitore di radiazione particolata sarebbe inadatto ad indagini tomografiche, se non fosse che i positroni sono antimateria. I positroni entro un range dell ordine del mm incontrano un elettrone e con esso si annichilano, dando origine ad una coppia di fotoni γ (radiazione penetrante). È questa radiazione penetrante a fornire il segnale richiesto dalla tecnica tomografica in questione. Infatti l indagine PET rivela i fotoni γ prodotti dall annichilazione dei positroni prodotti da nuclei radioattivi che decadono emettendo radiazione β+ (positroni). Il positrone emesso nel decadimento si lega ad un elettrone creando una particella neutra: il positronio. Tuttavia, in tempi molto brevi ( 10-9 s) l elettrone e il positrone del positronio si annichilano vicendevolmente generando due fotoni γ simultanei di energia esattamente eguale a 510 kev (corrispondente alla massa annichilata). I due fotoni hanno direzioni opposte, esattamente a 180 uno rispetto all altro. La tecnica tomografica PET si presta ad effettuare determinazioni di distribuzione di attività, molto precise, con ottima risoluzione spaziale e assolute. Radionuclidi più utilizzati nella PET Elemento prodotto T 1/2 in minuti primi 11 C6 11 B N7 15 O8 18 F 9 13 C N O

2 Il decadimento β + Ha luogo in un nucleo ricco di protoni, cioè avente un numero di neutroni in difetto rispetto al valore stabile. In questi nuclei un protone può trasformarsi in neutrone tramite il processo p n + e + + ν e (Z,A) (Z-1,A) + e + + ν e A seguito di un decadimento β + un elemento si trasforma in un nuovo elemento avente Z inferiore di un unità, collocato nella tabella del sistema periodico a sinistra rispetto all elemento di partenza. La rivelazione dei γ in coincidenza nella PET La ricostruzione della distribuzione dell attività radioattiva avviene ancora a partire dall acquisizione di un elevato numero di proiezioni. Come nella SPECT gli elementi di proiezione sono costituiti dal numero dei conteggi dei decadimenti che provenienti da diverse strisce rettilinee di tessuto costituite da successioni di voxels. A differenza della SPECT l individuazione della direzione della linea su cui è avvenuto il decadimento non avviene tramite un collimatore, ma utilizzando la simultaneità dell emissione di due γ. Se i due detectors della figura rivelano ciascuno un fotone γ simultaneamente uno all altro significa che il decadimento è avvenuto sulla linea che li congiunge (LOR da Line Of Response). La simultaneità dell evento (coincidenza) pertanto permette di identificare la direzione lungo la quale il decadimento ha avuto luogo. Acquisizione dei dati Il soggetto sottoposto ad indagine è circondato da un rivelatore di fotoni γ costituito da una corona circolare di detectors disposti su un intera circonferenza (vedi figura b). Consideriamo due detectors opposti (figura a) e chiamiamo LOR la striscia di tessuto compresa tra di essi. Non esistendo collimazione entrambi i contatori sono colpiti da i 2

3 γ provenienti da varie direzioni, ma quelli provenienti dalla loro LOR sono chiaramente distinguibili in quanto simultanei. Ad ogni evento rivelato in coincidenza andrà ad incrementarsi il conteggio relativo alla LOR e verrà di conseguenza aggiornato il valore del corrispondente elemento del sinogramma. Figura a Figura b Caratteristiche della rivelazione in coincidenza Efficienza di rivelazione Non essendo presente il collimatore nessuno dei fotoni emergenti dal tessuto verrà assorbito, per cui (quasi) tutti contribuiranno alla formazione delle proiezioni. Discriminazione del fotoni Compton Se uno dei due γ ha subito effetto Compton, la direzione dei due γ all impatto sul detector non sarà più a 180. Questo comporterebbe un errore. Tuttavia in una certa misura è possibile individuare i fotoni che hanno subito tale effetto in quanto la loro energia è inferiore a 510keV. Poiché il rivelatore è in grado di effettuare la misura dell energia, può provvedere a scartare l evento indesiderato (vedere evento 3 della figura a). False coincidenze Può accadere che casualmente possano aversi due decadimenti quasi contemporanei. In questo caso è possibile avere la coincidenza di un fotone proveniente da un decadimento con un fotone proveniente dall altro (falsa coincidenza). Due eventi si considerano coincidenti se avvengono in una certa finestra temporale. Un valore tipico è 10 ns.quanto più piccola è questa finestra temporale, tanto minore sarà la probabilità di queste coincidenze false (o spurie). Effetto dell attenuazione Anche il numero dei conteggi dei decadimenti effettuati nella PET è affetto da errore a causa dell attenuazione dei tessuti attraversati dai γ. Anche in questo caso però la PET è superiore alla SPECT in quanto consente di tenere conto dell effetto e quindi di pervenire alla determinazione di valori assoluti di attività. Si considerino i detector a e b ed un voxel V appartenente alla LOR congiungente a con b. In V viene emessa una coppia di γ diretti lungo la LOR in questione. La probabilità che il γ emesso in V e diretto verso a raggiunga il detector a è 3

4 p a = e -µx mentre p b = e -µ(l x) è la probabilità che l altro γ raggiunga il detector b (x = spessore del materiale interposto tra V e il detector a, L = spessore complessivo del materiale presente nella LOR tra a e b, µ = il valor medio del coefficiente di assorbimento del γ). Pertanto, indicato con Nab il numero di conteggi in coincidenza rivelati, si avrà Nab = Nab o p a p b = Nab o e -µx e -µ(l x) = Nab o e -µl dove Nab o è il numero di coincidenze che si sarebbero ottenute in assenza di attenuazione. Pertanto nel sinogramma va inserito il dato corretto Nab o. Tale valore è facilmente ottenibile usando la relazione precedente Nab o = Nab e µl se si conosce l attenuazione e -µl di tutta la lunghezza del materiale compreso nella LOR. Tale termine è indipendente dalla posizione del voxel V e può essere misurato con tecniche di tomografia trasmissiva mediante sorgenti esterne quali la sorgente di annichilazione 68 Ge/ 68 Ga che emette fotoni di energia vicina a quella dei γ di annichilazione (510 kev). Alternativamente, esiste lo scanner doppio CT-PET dove la mappa 3D di attenuazione viene misurata con la TAC. Con la correzione dell attenuazione uno scanner PET può produrre immagini quantitative dell attività voxel per voxel (Bq/voxel). I rivelatori Il sistema di rivelazione è costituito da un certo numero di moduli disposti su una circonferenza all interno della quale si mette il paziente sotto indagine. Ogni modulo ha una struttura simile a quello di una gamma camera senza collimatore, cioè è costituito da una lastra di scintillatore su cui si affaccia una matrice di PMT. Caratteristiche dello scintillatore A differenza di quanto accade nella SPECT, la qualità del risultato dell analisi dipende dalle caratteristiche fisiche dello scintillatore. Efficienza di rivelazione I fotoni non assorbiti dallo scintillatore sfuggono al conteggio. Per minimizzare il loro numero e, quindi migliorare l efficienza di rivelazione, occorre che la lunghezza di attenuazione λ del materiale dello scintillatore sia maggiore dello spessore della lastra di scintillatore. Per questo occorre che lo Z (e quindi il peso atomico A) e la densità dello scintillatore siano il più alti possibile. 4

5 Efficienza di conversione Uno scintillatore converte l energia dei fotoni γ in fotoni visibili. L efficienza di conversione è il rapporto tra l energia del γ assorbito e l energia complessiva dei fotoni visibili. Quanto maggiore è la efficienza di conversione tanto maggiore risulta il numero di fotoni visibili ottenuti e tanto migliore la risoluzione. Per questo occorre che la resa di conversione da energia γ a energia nel visibile sia quanto più prossima al 100%. Tempo di decadimento della luce La produzione di fotoni visibile a seguito dell assorbimento di un γ ha una certa durata. Questa durata si chiama tempo di decadimento. La finestra temporale per l eliminazione delle coincidenze false non può essere più breve del tempo di decadimento della luce. Per questo occorre che il tempo di decadimento della luce nello scintillatore sia minimo. Risoluzione in energia Si tratta della capacità di distinguere fotoni aventi energia diversa. Per discriminare ed escludere dal conteggio i fotoni che hanno subito effetto Compton è conveniente che la risoluzione in energia sia la migliore possibile. Qui sotto sono elencati i materiali più comumente impiegati come scintillatori nella PET. Nella tabella successiva sono riportate le proprietà di alcuni di essi. NaI ioduro di sodio BaF2 fluoruro di bario BGO Bismutogermanato GSO ortosilicato di gadolinio LSO ortosilicato di lutezio Comparazione SPECT-PET Le due tipologie presentate hanno un efficienza ed una risoluzione molto differenti: nella SPECT si riescono a rivelare da 1 a 10 fotoni su emessi, nella PET si ha un efficienza circa 100 volte superiore. 5

6 La risoluzione è peggiore rispetto a quella della TAC: nella PET è di circa 2 mm mentre nella SPECT è intorno ai 10 mm. L unico svantaggio della PET è che i radioisotopi utilizzati hanno un tempo di dimezzamento estremamente breve e quindi devono essere preparati ogni volta subito prima dell indagine. Per la preparazione non è sufficiente un laboratorio di radiochimica, ma occorre un acceleratore di particelle (il ciclotrone) molto più complesso, costoso ed esigente dal punto di vista dei locali. Inoltre la PET, per poter raggiungere buoni risultati richiede un detector più complesso e costoso della SPECT. In conclusione una macchina PET costa circa 10 volte più di una SPECT ( M ) ed è per questo che sono gli scanner SPECT sono molto più diffusi sul territorio. 6