elementi instabili energeticamente stabili radiazione corpuscolare (alfa o beta) radiazione elettromagnetica (raggi gamma) instabili radioattivi

Transcript

1 Radioattività o Numerosi elementi esistenti in natura, o prodotti artificialmente in laboratorio mediante reazioni nucleari, sono costituiti da atomi i cui nuclei sono energeticamente instabili. o Essi tendono a mutare la propria natura trasformandosi in specie atomiche energeticamente stabili. o Il ritorno alla stabilità avviene con emissione di radiazione corpuscolare (alfa o beta), spesso accompagnata da radiazione elettromagnetica (raggi gamma). o I nuclei instabili si dicono radioattivi e il processo di emissione di radiazione viene detta decadimento radioattivo o radioattività.

2 Le particelle beta (β) emesse nei decadimenti radioattivi sono o elettroni o positroni, questi ultimi del tutto simili agli elettroni, ma dotati di carica elettrica positiva. Le radiazioni alfa e gamma emesse nei decadimenti radioattivi hanno una energia ben definita

3 1 Tomografie a emissione di fotone singolo Single Photon Emission Computer Tomography (SPECT) Esse si basano sulla rivelazione in vivo, e sulla formazione delle relative immagini, di radiazioni (costituite fotoni g) emesse da particolari radioisotopi, introdotti come elementi traccianti nel sistema fisiologico sotto indagine si tratta di produrre una mappa di distribuzione di radioisotopi, i quali, a differenza della PET trattata nel paragrafo seguente, emettono singoli fotoni g Esiste una grande varietà di radioisotopi di questo tipo, correntemente utilizzati nella Medicina nucleare: è questo attualmente il solo vantaggio pratico che la SPECT possiede nei confronti dei dispositivi PET

4 Le varie proiezioni Fi(xi) nel caso delle SPECT e PET corrispondono alla proiezione dell emissione di radiazione (fotoni gamma) da radionuclidi. Le proiezioni permettono la ricostruzione della funzione densità d di radionuclide d = d (x,y). Si supponga, ad esempio, che l immagine mostrata in figura sia costituita da sferette di radionuclide. Le curve proiettate sono curve di intensità di radiazione emessa (proporzionale alla densità di radionuclidi) in varie direzioni

5 o Vi sono essenzialmente due tipi di SPECT, a seconda dell orientamento del bersaglio rispetto al rivelatore che produce le immagini tomografiche: longitudinale e assiale.

6 o Vi sono essenzialmente due tipi di SPECT, a seconda dell orientamento del bersaglio rispetto al rivelatore che produce le immagini tomografiche: longitudinale e assiale. Principio di funzionamento della SPECT longitudinale: il collimatore convergente a pin hole è accoppiato a uno scintillatore solido di grande area a sua volta accoppiato a dei fotomoltiplicatori Le immagini delle tre sorgenti vengono viste come mostrato nella figura (a) e la loro posizione reciproca è ricostruita dal calcolatore. Regioni esterne alla linea chiusa in (b) forniscono immagini confuse.

7 o Vi sono essenzialmente due tipi di SPECT, a seconda dell orientamento del bersaglio rispetto al rivelatore che produce le immagini tomografiche: longitudinale e assiale. Principio di funzionamento della SPECT trasversale. La distribuzione dei radionuclidi nella sezione trasversale del corpo (piano della figura) viene ricavata dalle proiezioni digitalizzate della gamma-camera riprese a molti angoli intorno al soggetto

8 o Svantaggi: 1. i collimatori di piombo limitano la risoluzione spaziale dell immagine a 7 10 mm; 2. l attenuazione dei fotoni dipende dalla posizione del radioisotopo nell organo sotto indagine e non può essere valutata a priori: vi possono essere differenze dal 30% al 50%. Questo produce notevoli artefatti nell immagine, la cui rimozione (parziale) richiede l impiego di complicati algoritmi di ricostruzione; 3. i fotoni g emessi dai radionuclidi possono dare luogo a processi con le particelle (nuclei ed elettroni), costituenti il tessuto attraversato, aventi nello stato finale fotoni g di energia differente e diversa direzione di propagazione (diffusione per effetto Compton). Il contributo della diffusione è notevole per l intervallo di energia coperto dai radionuclidi utilizzati in Medicina nucleare ( kev), per cui devono essere adottate opportune tecniche di correzione.

9 2 Tomografie a emissione di positrone Positron Emission Tomography (PET) La Tomografia a emissione di positroni, o PET (Positron Emission Tomography), utilizza radioisotopi che emettono positroni (radiazione b + ) e fornisce immagini della distribuzione della densità di questi radioisotopi in una sezione del corpo umano. Un positrone non è altro che un elettrone di carica positiva e +, chiamato anche particella beta positiva (b + ), che percorre nel tessuto non più di 1 2 mm prima di essere catturato per attrazione coulombiana da un elettrone atomico (negativo) e annichilirsi con questo emettendo due fotoni g, ciascuno dell energia di 511 kev (energia corrispondente alla massa dell elettrone), in direzioni opposte.

10 2 Tomografie a emissione di positrone Positron Emission Tomography (PET) I due fotoni g, emessi dall annichilazione del positrone, possono essere rivelati singolarmente oppure in coincidenza temporale, in un intervallo di tempo ns. La rivelazione in coincidenza temporale possiede alcuni vantaggi, tra cui, soprattutto, quello di fornire una migliore risoluzione spaziale.

11 2 Tomografie a emissione di positrone Positron Emission Tomography (PET) L uso di contatori a scintillazione a stato solido comporta attualmente una risoluzione dell ordine di circa 3-4 mm, a seconda del tipo di materiale scintillante utilizzato. Una risoluzione spaziale di circa 2-3 mm è considerata il limite pratico per i dispositivi PET, a causa della non perfetta collinearità dei due fotoni e della distanza media che i positroni percorrono prima di annichilire, pari a circa 1.3 mm.

12 2 Tomografie a emissione di positrone Positron Emission Tomography (PET)

13 2 Tomografie a emissione di positrone Positron Emission Tomography (PET)

14 2 Tomografie a emissione di positrone Positron Emission Tomography (PET) Attualmente le immagini PET sono di grande aiuto nella chirurgia dei tumori, poiché permettono di conoscere lo stato di avanzamento del tumore, i linfonodi sentinella e la presenza di metastasi difficilmente visibili con altri tipi di immagine

15 2 Tomografie a emissione di positrone Positron Emission Tomography (PET) Per finire è opportuno osservare che, sia per la PET, che per la SPECT, le immagini, tramite le loro differenti tonalità di grigio, forniscono anche informazioni quantitative sulla concentrazione del particolare tracciante nell organismo, rendendo possibili studi in vivo di farmacocinetica e delle funzioni metaboliche degli organi sotto indagine (in particolare del cuore e dell encefalo).

16 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance 1. si possono sia ottenere immagini bi- e tridimensionali di sezioni del corpo umano, sia studiare, in situ, la struttura chimica e fisica dei tessuti, nonché le reazioni metaboliche. 2. Aspetto non invasivo e la totale assenza di danni da radiazioni di questa tecnica. 3. La RM è un importante tipo di spettroscopia, in cui le onde elettromagnetiche che interagiscono con la materia sono onde radio di bassa frequenza ( MHz) e quindi di energia ridotta. 4. Alla base della RM c è un processo microscopico di assorbimento e di emissione di fotoni di energia hn da parte di livelli energetici quantizzati presenti nella materia.

17 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance 1. si possono sia ottenere immagini bi- e tridimensionali di sezioni del corpo umano, sia studiare, in situ, la struttura chimica e fisica dei tessuti, nonché le reazioni metaboliche. 2. Aspetto non invasivo e la totale assenza di danni da radiazioni di questa tecnica. 3. La RM è un importante tipo di spettroscopia, in cui le onde elettromagnetiche che interagiscono con la materia sono onde radio di bassa frequenza ( MHz) e quindi di energia ridotta. 4. Alla base della RM c è un processo microscopico di assorbimento e di emissione di fotoni di energia hn da parte di livelli energetici quantizzati presenti nella materia.

18 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance La maggior parte dei nuclei atomici possiede Momento magnetico Momento della quantità di moto Rapporto giromagnetico Costante di Planck Elettroni, protoni e neutroni possiedono un momento angolare intrinseco di spin con relativo numero quantico di spin ½

19 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance In assenza di campo magnetico esterno, la direzione di m è completamente casuale Se però applichiamo un campo magnetico costante i dipoli magnetici si orientano secondo le possibili 2I+1 orientazioni di m rispetto al campo esterno I numero quantico di spin I=1/2

20 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance Quando i nuclei appartenenti agli atomi o alle molecole di un certo materiale si trovano in un campo magnetico esterno B, si crea una piccola differenza di energia tra i nuclei che hanno orientazione diversa rispetto al campo B.

21 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance Quando l energia del fotone è uguale alla differenza di energia tra i livelli energetici magnetici nucleari, si può avere un assorbimento in risonanza alla frequenza:

22 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance La frequenza di risonanza è chiamata anche frequenza di precessione di Larmor. I nuclei di maggior interesse nella tomografia RM sono i protoni contenuti negli atomi di idrogeno, presenti in tutti i composti chimici costituenti i tessuti molli e i liquidi del corpo umano. Per i protoni la frequenza di risonanza è 42.6 MHz per ogni tesla di campo magnetico applicato B (1 tesla= 10 4 gauss). Un momento magnetico m in un campo magnetico B precede intorno alla direzione di B con la frequenza di Larmor wl = 2 π nl= g B. Se il campo magnetico dell onda a radiofrequenza ha la stessa frequenza nl, esso esercita coerentemente una coppia meccanica che può far variare l angolo tra m e B

23 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance In presenza di B il numero medio di nuclei nella direzione di B è poco maggiore di quello diretto nel verso opposto. Questo fatto origina la magnetizzazione macroscopica longitudinale M. Si osservi che, viceversa, la magnetizzazione trasversale è nulla poiché i diversi momenti magnetici procedono in modo casuale.

24 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance Il principio fondamentale su cui si basa la possibilità di ottenere immagini da spettri di RM e di eseguire misure spettroscopiche in situ è il seguente: se il materiale da esaminare viene posto in una regione dello spazio in cui il campo magnetico varia, in modo noto, da punto a punto, si ha cioè un gradiente non nullo di B, la frequenza di risonanza è diversa da punto a punto. In questo modo, quindi, nello spettro RM è codificata l informazione della distribuzione nello spazio dei nuclei risonanti.

25 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance La figura mostra schematicamente il segnale di RM che si origina da una particolare distribuzione di sfere contenenti nuclei di idrogeno. Nel caso (a) il campo magnetico B è uniforme su tutta la distribuzione, originando un segnale a una singola frequenza. Nel caso (b) al campo magnetico è stato aggiunto un gradiente di campo G nella stessa direzione di B. In questo caso il campo magnetico sulle sferette diminuisce andando da sinistra a destra e a ciò corrisponde una diminuzione della frequenza di risonanza, originando segnali di ampiezza diversa a seconda del numero di sferette. Le sferette di idrogeno in posizione 4 sono soggette al campo magnetico B4 cui corrisponde la frequenza n4 e un segnale più intenso

26 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance Risoluzione 1 mm

27 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance

28 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance Il risultato di questa tecnica strumentale consiste nell acquisire dei segnali che permettano di ricostruire una mappa della densità dei protoni presenti nelle varie regioni di un tessuto o di un organo. Poiché la RM vede soltanto i protoni, le immagini rappresentano la densità dell idrogeno, che, come sappiamo, è presente negli esseri viventi soprattutto nelle molecole d acqua

29 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance Uno dei grandi vantaggi delle immagini di RM consiste nel fatto che è possibile non solo rappresentare la distribuzione di densità di protoni nei tessuti, ma anche discriminare tra i protoni presenti in atomi e molecole aventi diverso grado di mobilità. Questo può essere fatto sfruttando il fatto che un particolare parametro del fenomeno RM, chiamato tempo di rilassamento nucleare o longitudinale, dipende in larga misura dal moto della molecola in cui il nucleo è contenuto. Il tempo di rilassamento nucleare o longitudinale è la costante di tempo T1 relativa al ritorno del momento magnetico del nucleo all equilibrio termico, dopo essere stato irraggiato con un campo a radiofrequenza nelle condizioni di risonanza. Il ritorno all equilibrio, che avviene esponenzialmente nel tempo, è favorito dagli scambi di energia tra il sistema magnetico nucleare e il reticolo, cioè il complesso di atomi e molecole che costituiscono il materiale. A parità di altri fattori, il rilassamento nucleare in un sistema fluido è tanto più breve quanto più lenti sono i moti molecolari.

30 3 Immagini da risonanza magnetica nucleare Magnetic Resonance Uno dei grandi vantaggi delle immagini di RM consiste nel fatto che è possibile non solo rappresentare la distribuzione di densità di protoni nei tessuti, ma anche discriminare tra i protoni presenti in atomi e molecole aventi diverso grado di mobilità. Questo può essere fatto sfruttando il fatto che un particolare parametro del fenomeno RM, chiamato tempo di rilassamento nucleare o longitudinale, dipende in larga misura dal moto della molecola in cui il nucleo è contenuto. Il tempo di rilassamento nucleare o longitudinale è la costante di tempo T1 relativa al ritorno del momento magnetico del nucleo all equilibrio termico, dopo essere stato irraggiato con un campo a radiofrequenza nelle condizioni di risonanza. Il ritorno all equilibrio, che avviene esponenzialmente nel tempo, è favorito dagli scambi di energia tra il sistema magnetico nucleare e il reticolo, cioè il complesso di atomi e molecole che costituiscono il materiale. A parità di altri fattori, il rilassamento nucleare in un sistema fluido è tanto più breve quanto più lenti sono i moti molecolari.

31

32

33

34

35 Eccellente risoluzione di contrasto per i tessuti molli. Encefalo, midollo spinale, dischi intervertebrali. Muscoli, Tendini e legamenti. Non-invasiva. Nessuna radiazione ionizzante. Permette di ottenere scansioni dirette multiplanari orientabili secondo piani diversi, senza dover riposizionare il paziente. Permette una visione panoramica di ampi distretti (ad es. rachide). Possibilità di ottenere immagini diverse (sequenze diverse), ognuna con informazioni aggiuntive, per ciascuna struttura anatomica

36 Il parenchima polmonare e la compatta ossea (perché poveri di protoni di idrogeno) sono di difficile valutazione. La presenza di oggetti metallici crea artefatti con perdita di informazioni. Portatori di protesi metalliche, pace-maker, ecc. non possono eseguire questo tipo di esame*. Costi di acquisto e di gestione e, quindi, degli esami, elevati. Ridotta disponibilità in Medicina Veterinaria. Valutazione diagnostica più complessa rispetto alla TC. Tempi di acquisizione molto lunghi (30-60 minuti). Risoluzione spaziale e temporale più bassa rispetto alla TC.