Arturo Brunetti PET: TECNICA. NAPOLI 12 settembre 2005 ARGOMENTI

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Arturo Brunetti PET: TECNICA. NAPOLI 12 settembre 2005 ARGOMENTI"

Clemente Coppola
6 anni fa
Visualizzazioni

Istituto di Biostrutture e Bioimmagini CNR Sezione di

Funzionali Facoltà di Medicina e Chirurgia Università degli

NAPOLI 12 settembre 2005 ARGOMENTI PET = Positron Emission

Detettori Tomografi PET Evoluzione delle apparecchiature

1 Istituto di Biostrutture e Bioimmagini CNR Sezione di Bioimmagini Dipartimento di Scienze Biomorfologiche e Funzionali Facoltà di Medicina e Chirurgia Università degli Studi di Napoli Federico II Arturo Brunetti PET: TECNICA NAPOLI 12 settembre 2005 ARGOMENTI PET = Positron Emission Tomography Principi generali Rivelazione dei positroni - Detettori Tomografi PET Evoluzione delle apparecchiature Risoluzione, Sensibilità, Attenuazione Prospettive Detettori, micropet, Imaging integrato 1

marcati con radionuclidi emettitori di positroni permette la

2 DEFINIZIONE PET : tecnica di imaging tomografico funzionale che analizzando la concentrazione tessutale di traccianti radioattivi marcati con radionuclidi emettitori di positroni permette la valutazione qualitativa e quantitativa di processi funzionali e di attività metaboliche. 2

Vantaggi della PET Molti radionuclidi emettitori di positroni decadono rapidamente Radionuclidi emettitori di positroni

come il Fluoro- 18 vi possono essere inseriti senza modificarne significativamente la struttura Con la PET si possono

di segno opposto (+) a quella degli elettroni Sono emessi da atomi radioattivi con eccesso di cariche positive cioè con

3 Vantaggi della PET Molti radionuclidi emettitori di positroni decadono rapidamente Radionuclidi emettitori di positroni sono isotopi di specie atomiche come il Carbonio, l Ossigeno, l Azoto che fanno parte delle molecole biologiche, o che, come il Fluoro- 18 vi possono essere inseriti senza modificarne significativamente la struttura Con la PET si possono utilizzare radiofarmaci pressochè ideali I positroni + antiparticelle degli elettroni con massa uguale, carica uguale e di segno opposto (+) a quella degli elettroni Sono emessi da atomi radioattivi con eccesso di cariche positive cioè con troppi protoni rispetto ai neutroni Emettitori di positroni sono, tra gli altri, : 11 Carbonio, 13 Azoto, 15 Ossigeno, 18 Fluoro 3

La breve vita del positrone X+ -+ I positroni scompaiono (annichilazione) a

incontro-scontro del positrone con un elettrone seguito dalla trasformazione

allontanano dall origine a 180, cioè sulla stessa retta con verso opposto in

4 La breve vita del positrone X+ -+ I positroni scompaiono (annichilazione) a pochi mm dall atomo da cui sono originati L annichilazione consegue a un incontro-scontro del positrone con un elettrone seguito dalla trasformazione delle rispettive masse (E=mc2) in due raggi gamma da 511 KeV I due raggi si allontanano dall origine a 180, cioè sulla stessa retta con verso opposto in realtà rispetto alla perfetta colinearità ci può essere una lieve angolazione (FWHM 0.5 ) La rilevazione dei positroni Indiretta: consiste nell individuazione simultanea delle coppie di fotoni prodotti nell annichilazione (rilevazione in coincidenza)

5 Evoluzione della rivelazione dei positroni (i primi 40 anni) Anni 50-60? Aspetti fondamentali del percorso tecnico evolutivo Epoca pre-tomografia: uso di coppie di rivelatori Primo tomografo: anello singolo di detettori con risoluzione spaziale di mm, Arrangiamento esagonale e ottagonale e, infine, circolare con anelli multipli di rivelatori di minori dimensioni con risoluzione di 4-6 mm. Miglioramento progressivo della risoluzione spaziale con Cristalli più piccoli Uso migliore dei fotomoltiplicatori associato a una logica di lettura posizionale tipo gamma camera 11 5

Detettori Identificazione di fotoni ad alta

potere di frenamento Alta densità e numero

germanato di bismuto Cristalli dopati con

arrangiamento dei cristalli determinano la

Fototubi Detettori e risoluzione NaI BGO { {

6 Detettori Identificazione di fotoni ad alta energia (511keV) Scintillatori con elevato potere di frenamento Alta densità e numero atomico NaI (Tl) Cristallo Fototubo BGO germanato di bismuto Cristalli dopati con Cerio (LSO:lutezio ortosilicato, GSO: gadolinio ortosilicato, LaBr3:lantanio bromuro) Composizione, dimensioni e arrangiamento dei cristalli determinano la performance del tomografo 12 Cristalli Fototubi Detettori e risoluzione NaI BGO { { BGO/LSO/GSO... Testo PETT III 1975 ECAT II 1977 NeuroECAT 1978 ECAT >

7 Detettori Efficienza di assorbimento (Z) GSO<LSO<BGO Luminosità delle scintillazioni BGO<GSO<LSO Tempo di decadimento della scintillazione 14 BGO>GSO>LSO qualità TOMOGRAFO PET/TC Siemens Biograph LSO GE Discovery BGO Philips Gemini GSO 15 7

8 Una storia di coincidenze, segnali (attenuati) e rumori vari Coincidenze totali = Cvere + CScatter + CRandom Noise Equivalent Count Rate = CRtrue 2 CRtrue + CRScatter + α CRRandom Coincidenze Vere Scatter Coincidenza accidentale (random) 8

Segnale e Rumore Penetrazione della schermatura

simultanea di strati multipli Acquisizione di

9 Segnale e Rumore Penetrazione della schermatura Spazio di coincidenza Testo Campo di vista diretto Backscatter da pareti, pavimento 18 Acquisizione multistrato 2D-3D Acquisizione simultanea di strati multipli Acquisizione di piani intermedi Aumento della sensibilità eliminando i setti 3-D PET 9

correzione) 24 Sensibilità È il pezzo forte

angolo solido coperto Doppia testa Anello

10 Aspetti tecnici rilevanti Sensibilità Risoluzione spaziale Attenuazione (e relativa correzione) 24 Sensibilità È il pezzo forte della PET Dipende dalle caratteristiche dei cristalli rivelatori e dalla geometria costruttiva dell apparecchio che determina l angolo solido coperto Doppia testa Anello completo Arrangiamento esagonale Anello incompleto rotante 25 10

I componenti principali della risoluzione spaziale in PET Fattore Forma FWHM spessore

empirica) Fisica dei positroni Campionamento e Algoritmo di ricostruzione non

moltiplicativo (da Budinger 1995, mod) 1.3 mm cranio 2.1 mm cuore 0.5 mm 18 F 4.

0 (assiale) Range positronico Percorsi massimi in aria (mm) Distanza tra il punto di

11 I componenti principali della risoluzione spaziale in PET Fattore Forma FWHM spessore del cristallo d/2 Detettori logica Anger O (acc. individuale) 2.2 mm Anger* (val. empirica) Fisica dei positroni Campionamento e Algoritmo di ricostruzione non colinearità dei fotoni range positronico Algoritmo di ricostruzione Fattore moltiplicativo (da Budinger 1995, mod) 1.3 mm cranio 2.1 mm cuore 0.5 mm 18 F 4.5 mm 82 Rb 1.25 (in plane) 1.0 (assiale) Range positronico Percorsi massimi in aria (mm) Distanza tra il punto di origine e il punto di annichilazione Dipende dall energia e del positrone e dal mezzo attraversato Fluoro-18 2,6 Carbonio-11 3,8 Gallio-68 9,0 Rubidio-82 16,5 Fluoro-18 = 1.4 mm in acqua 27 11

possono penetrare più di un detettore in

del gantry 28 (Kapoor (Budinger et 1995)

12 Radial blurring I fotoni che originano nella parte periferica del gantry possono penetrare più di un detettore in funzione della loro direzione L effetto di blurring è quindi più marcato in periferia e aumenta con le dimensioni del gantry 28 (Kapoor (Budinger et 1995) al 2004) Risoluzione spaziale e dimensioni del gantry Aumentandole si riduce l astigmatismo radiale (radial blurring) Ma si riduce la risoluzione per effetto della non colinearità dei fotoni (angle blurring) 29 12

13 Attenuazione Pre correzione Dopo correzione Correzione misurata Cuore asse corto Pre correzione Post correzione 13

( 137 Cs) Raggi X (TC) {Procedure di segmentazione} 32 Correzione dell attenuazione

14 Correzione dell attenuazione Calcolata assume un profilo corporeo regolare (convesso) e valori costanti di µ Misurata Sorgenti emettitori di positroni ( 68 Ge) o di gamma singoli ( 137 Cs) Raggi X (TC) {Procedure di segmentazione} 32 Correzione dell attenuazione Calcolata Possibile su cranio Misurata Metodo più accurato Sorgenti radioattive Raggi X (CT) 33 14

Ricordiamoci che i raggi X della TC sono meno forti dei

Tradizionale: si ricostruisce con FBP un immagine 2D

correzione dell attenuazione Moderna: più complessa è

15 Ricordiamoci che i raggi X della TC sono meno forti dei γ della PET (da Meikle) Ricostruzione dell immagine Tradizionale: si ricostruisce con FBP un immagine 2D dalle proiezioni relative agli angoli di vista, dopo correzione dell attenuazione Moderna: più complessa è la ricostruzione delle immagini a partire da un acquisizione 3D 15

Algoritmi di ricostruzione Filtered Back Projection (FBP) per 2D FBP modificata per ricostruzione di dati acquisiti

(Ordered Subset Expectation Maximization) Evoluzione successiva AWOSEM (incorpora correzione per l attenuazione)

.. 36 Prospettive Esami sempre più veloci più tollerabili per il paziente meglio per SSN Apparecchi gantry di

16 Algoritmi di ricostruzione Filtered Back Projection (FBP) per 2D FBP modificata per ricostruzione di dati acquisiti in 3D - OK per brain FOurier REbinning (FORE) per conversione 3D- 2D e ricostruzione 2D con un algoritmo tipo OSEM (Ordered Subset Expectation Maximization) Evoluzione successiva AWOSEM (incorpora correzione per l attenuazione) RAMLA (Row Action Maximum Likelihood Algorithm) Prospettive Esami sempre più veloci più tollerabili per il paziente meglio per SSN Apparecchi gantry di dimensioni maggiori Integrazione PET-MRI? Detettori nuovi scintillatori panel detectors Valutazione dei dati Metodi di compensazione di coincidenze false e accidentali Algoritmi di ricostruzione 16

17 (da Townsend) Nuovo hardware Nuovi scintillatori Nuovi fotodetettori (avalanche photodiode array) Nuova elettronica Sistemi integrati in grado di rimpiazzare i fototubi più luce con decadimento più veloce maggior densità migliore risoluzione energetica 17

Nuovi arrangiamenti Blocco detettore con arrangiamento a sandwich

interazione del fotone (depth-of-interaction).

individuare il cristallo dove si è avuta l interazione 40 Imaging

18 Nuovi arrangiamenti Blocco detettore con arrangiamento a sandwich (phoswich) con capacità di determinare la profondità di interazione del fotone (depth-of-interaction). il tempo di decadimento della scintillazione è utilizzato per individuare il cristallo dove si è avuta l interazione 40 Imaging Sperimentale Micro PET/SPECT Centro di Eccellenza di Biotecnologia e Biomedicina c/o CEINGE Napoli 18

19 Imaging sperimentale Imaging Sperimentale Whole-body PET-FDG heart/ brain P< 0.01 heart/ brain liver/ forelimb/ brain brain P< 0.05 P< liver/ forelimb/ brain brain Trasporto del glucosio, recettore dell insulina e HMG Nature Medicine, 05/

DUAL-MODALITY IMAGING INSTRUMENTATION Integrazione di un sistema di

MRI) per acquisire immagini coregistrate utilizzando un unico sistema

apparecchio MRI e PET rispetto a CT e PET.

in modo che il detettore può essere operato all interno di una sistema

20 DUAL-MODALITY IMAGING INSTRUMENTATION Integrazione di un sistema di imaging funzionale (SPECT or PET) con uno di imaging strutturale (CT or MRI) per acquisire immagini coregistrate utilizzando un unico sistema integrato È più difficile ingegneristicamente integrare in un unico apparecchio MRI e PET rispetto a CT e PET. È stato sviluppato un prototipo per piccoli animali con detettori LSO:Ce con 3.8 cm ring diameter accoppiato con fibre ottiche con tre PMT multicanale in modo che il detettore può essere operato all interno di una sistema MRI Shao Y, Cherry SR, Farahani K, et al. Phys. Med. Biol. 10, (1997). Slates RB, Farahani K, Shao Y, et al. Phys. Med. Biol. 44, (1999). 45 PET-MRI Marsden et al BJR,

IMAGING MORFO-FUNZIONALE INTEGRATO COREGISTRAZIONE DI INDAGINI MORFOLOGICHE E FUNZIONALI LOCALIZZAZIONE SPAZIALE ACCURATA DELLE ALTERAZIONI FUNZIONALI MIGLIORAMENTO DELLA ACCURATEZZA DELLE MISURE

principles and technology of clinical PET imaging. Ann Acad Med Singapore. 2004 Mar;33(2):133-45. Townsend DW, Carney JP, Yap JT, Hall NC PET/CT today and tomorrow. J.Nucl Med.

21 IMAGING MORFO-FUNZIONALE INTEGRATO COREGISTRAZIONE DI INDAGINI MORFOLOGICHE E FUNZIONALI LOCALIZZAZIONE SPAZIALE ACCURATA DELLE ALTERAZIONI FUNZIONALI MIGLIORAMENTO DELLA ACCURATEZZA DELLE MISURE CONFRONTO TRA GRUPPI DI PAZIENTI CON PATOLOGIE DIVERSE CONTROLLO DELLA EVOLUZIONE DELLA MALATTIA NEL TEMPO Letture consigliate Il mitico Sorenson e Phelps va sempre bene Townsend DW Physical principles and technology of clinical PET imaging. Ann Acad Med Singapore Mar;33(2): Townsend DW, Carney JP, Yap JT, Hall NC PET/CT today and tomorrow. J.Nucl Med Jan;45 Suppl 1:4S-14S. Alessio AM, Kinahan PE, Cheng PM, Vesselle H, Karp JS. PET/CT scanner instrumentation, challenges, and solutions. Radiol Clin North Am Nov;42(6): ,. Kapoor V, McCook BM, Torok FS An introduction to PET-CT imaging. Radiographics Mar-Apr;24(2):

Documenti analoghi

PET: caratteristiche tecniche e funzionamento

CORSO (TC-) PET - RADIOTERAPIA: METODICHE A CONFRONTO NELLA REALTA DELL AZIENDA PET: caratteristiche tecniche e funzionamento Elisa Grassi Servizio di Fisica Sanitaria ASMN Il nostro viaggio Tomografia