Diagnostica per Immagini

Transcript

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 Schema della lezione Definizione e campi di applicazioni Richiami sulla radioattività Cenni storici Le apparecchiature: gamma camera Indagini scintigrafiche (studi statici e dinamici) La SPECT 1

2 MEDICINA NUCLEARE Utilizzazione di radionuclidi a scopo diagnostico e terapeutico NUCLIDI E RADIONUCLIDI Radioattività: conseguenza di un non equilibrato rapporto tra neutroni e protoni 2

3 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 3

4 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 CORPUSCOLATE 4

5 RADIOATTIVITA' EMISSIONE DI RADIAZIONI IONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI raggi α + + raggi β - raggi γ Decadimento radioattivo: andamento esponenziale dn (t) dt = - kn(t) N t = N 0 e -λt 5

6 EMIVITA = tempo di dimezzamento Tempo in cui una certa quantità di radioattività si riduce a metà del valore iniziale λ = 0.693/T1/2 Principali radionuclidi utilizzati in medicina nucleare 6

7 RADIOATTIVITA' Vecchia unità Curie (Ci) x 10 dis/sec Nuova unità (SI) Bequerel 1 dis/sec 1 Ci = 37 GBq MEDICINA NUCLEARE DIAGNOSTICA in vitro in vivo TERAPIA Radioterapia metabolica 7

8 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 Principi generali di uso (radioprotezione) GIUSTIFICAZIONE VALIDI MOTIVI CLINICI OTTIMIZZAZIONE USO DELLA MIGLIORE TECNICA E METODICA DISPONIBILE DEFINIZIONE DEI RISCHI INDIVIDUALI ACCETTABILI 8

9 L imaging medico-nucleare raggi gamma si somministra una piccola quantità di una sostanza radioattiva (radiofarmaco) raggi gamma Collimatore Cristallo scintillatore raggi gamma Tubi fotomoltiplicatori il radiofarmaco si distribuisce e viene captato da vari organi e tessuti si ottiene una mappa della distribuzione regionale di radioattività mediante una gamma camera o altre apparecchiature per individuare variazioni regionali di radioattività indice della presenza/assenza di determinate attività funzionali I dati vengono elaborati Convertitore analogico-digitale Imaging FUNZIONALE Computer 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 9

10 MEDICINA NUCLEARE Diagnostica "in vivo" SCINTIGRAFIA Mappa della distribuzione corporea di una molecola radioattiva (radiofarmaco, tracciante, indicatore) MEDICINA NUCLEARE Diagnostica "in vivo" SCINTIGRAFIA La mappa scintigrafica è sempre espressione di processi funzionali-metabolici 10

11 Historical remarks Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics 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 Historical remarks Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics 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

12 Historical remarks Nuclear Medicine The Nobel Prize in Chemistry 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 Historical remarks Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics 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 AB Naples

13 TECNEZIO-99m 99m Tc T 1/2 = 6 ore Emissione γ 140KeV ottenuto da generatori (colonne a scambio ionico) con Molibdeno 99 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) 13

14 I cavalli di battaglia della medicina nucleare a partire, all incirca dal 1970 Il radionuclide: il Tecnezio-99m L apparecchio: la gamma camera 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 bassa efficienza e risposta lenta Detettori a semiconduttori (diodi): elevata risoluzione di energia, risposta veloce ma dimensioni piccole e costo elevato 14

15 Medicina Nucleare: strumentazione elettronica tubo catodico fotomoltiplicatori cristallo collimatore calcolatore sorgente MEDICINA NUCLEARE Apparecchi per diagnostica "in vivo" Fino al 1970 (e oltre) Sonda Scanner rettolineare OGGI Gamma camera 15

16 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. Lawrence Radiation Laboratory. Schema costruttivo di gamma camera (da Wikipedia) Tubi fotomoltiplicatori collimatore cristallo 16

17 Medicina Nucleare strumentazione attuale per imaging gamma camera fissa gamma camera rotanti a testa singola o multipla gamma camere dedicate per la SPECT (tomografia emissione di fotone singolo) PET (tomografia emissione di positroni) apparecchi ibridi PET-TC, SPECT-TC Gamma camera a testa singola 17

18 Gamma camera a testa doppia 18

19 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 13/11/2004. 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 19

20 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) Medicina Nucleare: strumentazione elettronica tubo catodico fotomoltiplicatori cristallo collimatore calcolatore sorgente 20

21 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 riproduce la distribuzione di attività dell oggetto In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi raggiunge il fototubo 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 21

22 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 22

23 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) 23

24 Scintigrafia planare (2D) Immagine di un singolo distretto corporeo Immagini whole body : 99m Tc-fosfonati 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 24

25 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 ESAME DINAMICO scintigrafia renale sequenziale 25

26 Renogramma Scintigrafia renale dinamica "sequenziale" 99m Tc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) GFR 99m Tc-MAG3 RPF 26

27 Renogramma GFR sn =18 ml/min GFR dx = 57 ml/min 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 27

28 PRIMO PASSAGGIO (FIRST PASS) EQUILIBRIO (BLOOD POOL) ANGIOCARDIOSINTIGRAFIA ESAME NECESSARIAMENTE DINAMICO PER LO STUDIO DELLA FUNZIONE CONTRATTILE CARDIACA Curva radioattività tempo da un angiocardioscintigrafia all equiloibrio DIASTOLE SISTOLE 28

29 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 post-processing é possibile ricostruire immagini che rappresentano parametri temporali, spaziali e funzionali (immagini parametriche) 29

30 Analisi angiocardioscintigrafica riferita ad un ciclo cardiaco medio e immagini parametriche 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 30

31 Medicina Nucleare Sistemi tomografici SPET = Single Photon Emission Tomography PET = Positron Emission Tomography Single photon emission CT (SPECT) Conteggio dei fotoni singoli: Finestra (riduce lo scatter e il background) La statistica di conteggio è limitata essenzialmente dalla dose somministrabile esame ~ 30 min Prima SPECT nel 1963 (Mark IV) con array di detettori Rotazione, Traslazione Alto rate di conteggio Molti componenti In genere strati singoli Gamma camere rotanti: Strati multipli testate multiple 31

32 Applicazioni della SPECT Encefalo: Flusso, recettori Tumors Cuore: CAD Infarto... PET (Positron Emission Tomography) VEDI ALTRA LEZIONE 32

33 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) 33

34 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 34

35 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 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 35

36 Medicina Nucleare: INDICATORI 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") 36

37 AREA FREDDA Scintigrafia polmonare CT scan interpretation: Benign cyst or Haemangioma Tc-99m RBC Study: Rules out Haemangioma 37

38 AREA CALDA melanoma della mano destra con elevata attività metabolica metastasi linfonodale 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 38

39 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 99m Tc-DTPA misura del filtrato glomerulare renale 18 F-deossiglucosio misura del consumo tessutale di glucosio 39

40 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 40