FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE

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1 Anno Accademico Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica per Immagini e Radioterapia FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione II, ) Marta Ruspa 1

2 In MEDICINA NUCLEARE Radiofarmaci in sorgente non sigillata sono somministrati a scopo DIAGNOSTICO scintigrafia SPECT, PET TERAPEUTICO terapia radiometabolica 2

3 Fisica nella medicina nucleare diagnostica - tecniche con fotone singolo - tecniche con emettitori β + 3

4 Fisica nella medicina nucleare diagnostica tecniche con fotone singolo - tecniche con emettitori β + 4

5 Tecniche con fotone singolo Si utilizzano famiglie di radionuclidi che decadono per emissione di 1 o piu raggi γ di energia definita. Il radioisotopo viene somministrato al paziente e captato in modo selettivo dall organo di cui si vuole ricavare l immagine. I fotoni in un certo punto si attenuano attraverso i tessuti circostanti e vengono rivelati. Tipo di strumentazione: - produzione di immagini planari - produzione di immagini tomografiche Semplice localizzazione della sorgente: immagine statica Analisi dell andamento temporale: immagine dinamica 5

6 Tubo raggi X I 0 Differenze tra SPECT e TAC TAC X x rivelatore I I 0 γ x sorgente SPECT rivelatore + collimatori I 6

7 Tubo raggi X I 0 Differenze tra SPECT e TAC TAC X x rivelatore I I 0 γ x sorgente SPECT rivelatore + collimatori I 7

8 Tubo raggi X I 0 Differenze tra SPECT e TAC TAC X x rivelatore I (µ) (I o ) I 0 γ x sorgente SPECT rivelatore + collimatori I direzione del fotone? informazione di che tipo? determinata da? risoluzione spaziale direzione del fotone? informazione di che tipo? determinata da? risoluzione spaziale 8

9 Tubo raggi X I 0 Differenze tra SPECT e TAC TAC X x rivelatore I (µ) (I o ) I 0 γ x sorgente SPECT rivelatore + collimatori I direzione del fotone? congiungente la sorgente di X e il rivelatore informazione di che tipo? strutturale direzione del fotone? collimatore informazione di che tipo? morfologica e funzionale determinata da? assorbimento fotoni (µ) risoluzione spaziale 1 mm determinata da? attivita sorgente (I o) risoluzione spaziale ~ 5 mm 9

10 Tecniche con fotone singolo La gammacamera e a tutt oggi l apparecchiatura di base per la diagnostica in Medicina Nucleare 10

11 Come e fatta una gammacamera I fotoni, emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore e vengono rivelati da uno scintillatore solido (NaI). La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide su una griglia di fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali elettrici. Mediante circuiti di calcolo delle coordinate e sistemi di correzione i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per ricostruire un immagine sul monitor, che rappresenta la mappa dell attività dell organo sotto esame. L apparato e provvisto di schermatura ottica e radiante. 11

12 Come e fatta una gammacamera 12

13 Gammacamera: che cosa misura? 13

14 Gammacamera: che cosa misura L immagine che risulta da una gammacamera e la mappa in due dimensioni dell attivita nell organo sotto esame, essenzialmente 14

15 Gammacamera: che cosa misura L immagine che risulta da una gammacamera e la mappa in due dimensioni dell attivita nell organo sotto esame, essenzialmente - QUANTI fotoni sono emessi - DOVE sono emessi 15

16 Gammacamera: che cosa misura L immagine che risulta da una gammacamera e la mappa in due dimensioni dell attivita nell organo sotto esame, essenzialmente - QUANTI fotoni sono emessi efficienza di conteggio - DOVE sono emessi risoluzione spaziale Requisiti essenziali per una buona misura sono dunque l efficienza di conteggio e la risoluzione spaziale 16

17 Gammacamera: che cosa misura L immagine che risulta da una gammacamera e la mappa in due dimensioni dell attivita nell organo sotto esame, essenzialmente - QUANTI fotoni sono emessi efficienza di conteggio - DOVE sono emessi risoluzione spaziale Requisiti essenziali per una buona misura sono dunque l efficienza di conteggio e la risoluzione spaziale La misura idealmente dovrebbe riguardare TUTTI E SOLI i fotoni che arrivano dal punto di emissione; in realta : - L ATTENUAZIONE impedisce che arrivino tutti quelli emessi - LA DIFFUSIONE fa si che arrivino allo scintillatore non solo i fotoni provenienti dal punto di emissione ma anche fotoni provenienti da altri punti e diffusi durante il loro percorso 17

18 Gammacamera: sistema di collimazione BISOGNA CERCARE DI OTTENERE UNA CORRISPONDENZA BIUNIVOCA TRA IL PUNTO DI EMISSIONE E IL PUNTO DI SCINTILLAZIONE 18

19 Gammacamera: sistema di collimazione La relazione univoca tra il punto di emissione e il punto di scintillazione, ovvero il punto di misura nel piano immagine, viene garantita dal sistema di collimazione. Il collimatore e un sistema di setti di piombo intervallati da fori. La collimazione e basata sull assorbimento: sono assorbiti nei setti e quindi eliminati i fotoni che si propagano in direzioni diverse da quella desiderata. 19

20 Gammacamera: collimatore Tuttavia.il collimatore non e perfetto: 1. i setti hanno spessore ridotto ma non nullo superficie di rivelazione del cristallo schermata anche per fotoni con la direzione giusta (componente assorbita) 2. i fori hanno un apertura finita: sono trasmessi anche fotoni approssimativamente allineati all asse dei fori, ma non provenienti dal punto di emissione bensi diffusi nel corpo del paziente (componente diffusa) 3. fotoni provenienti dal punto di emissione ma diffusi entro il corpo del paziente o nelle strutture esterne del rivelatore non sono riconosciuti dal sistema di collimazione meccanico e quindi o assorbiti o regolarmente trasmessi come componente diffusa 4. non c e garanzia di assorbimento totale di tutti i fotoni indesiderati, una parte di fotoni che si vorrebbero assorbiti riesce a passare 1., 3. vanno a scapito dell efficienza di conteggio, 2. e 4. arrichiscono la componente diffusa e impoveriscono la risoluzione spaziale 20

21 Gammacamera: sistema di collimazione Caratteristiche Numero fori Forma fori Lunghezza fori Materiale Geometria di collimazione (parallela, convergente, divergente, pin hole) Parametri di risposta Risoluzione geometrica* (capacita di discriminare due sorgenti vicine) Efficienza geometrica* *Per risoluzione e efficienza geometrica si intendono risoluzione e efficienza del collimatore 21

22 Gammacamera: sistema di collimazione Caratteristiche Numero fori Forma fori Lunghezza fori Materiale Geometria di collimazione (parallela, convergente, divergente, pin hole) Parametri di risposta Risoluzione geometrica* (capacita di discriminare due sorgenti vicine) Efficienza geometrica* *Per risoluzione e efficienza geometrica si intendono risoluzione e efficienza del collimatore L efficienza geometrica non varia con la distanza dalla sorgente, ma la risoluzione geometrica si degrada con l allontanarsi del paziente dal piano del collimatore 22

23 Gammacamera: rivelatore Tra i numerosi tipi di scintillatori vi sono cristalli inorganici, cristalli organici, scintillatori plastici e soluzioni. I più diffusi sono i cristalli di ioduro di sodio attivato al tallio NaI(Tl). La molecola del materiale cristallino può essere vista come organizzata su diversi livelli o bande, entro i quali sono distribuiti gli elettroni. Tra le bande vi e un livello proibito: gli elettroni non possono assumere livelli energetici in esso compresi; il livello proibito si trova tra la banda di valenza e la banda di conduzione. Gli elettroni normalmente si distribuiscono nella banda di valenza. Se ricevono un energia sufficiente possono lasciare la banda di valenza, scavalcare il livello proibito e raggiungere la banda di conduzione; tale energia può essere aquisita nel corso dell interazione con radiazioni ionizzanti. Dalla banda di conduzione gli elettroni tenderanno a ritornare a quella di valenza cedendo l eccesso di energia sotto forma di fotone luminoso (il salto quantico tra le bande corrisponde alla frequenza della luce visibile). 23

24 Gammacamera: rivelatore Problema: se gli elettroni restituiscono ritornando nella banda di valenza la stessa energia che li aveva fatti transire alla banda di conduzione, tale energia puo essere utilizzata dal cristallo per provocare un ulteriore transizione di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. In pratica la luce non viene emessa ma riassorbita ( trasparenza del cristallo alla propria luce di scintillazione). Soluzione: si droga il cristallo con impurita (tallio) che alterano la struttura a bande introducendo saltuariamente un nuovo livello di valenza leggermente distaccato da quello tipico del cristallo alcuni elettroni ritorneranno nella banda di valenza alterata emettendo un energia che, dato il salto quantico leggermente diverso, sara leggermente diversa dal gap banda di valenza-banda di conduzione la corrispondente luce non viene assorbita dal cristallo e viene emessa ed e quindi visibile. 24

25 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Come fa la gammacamera a distinguere i fotoni provenienti dal punto di emissione? 25

26 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Come fa la gammacamera a distinguere i fotoni provenienti dal punto di emissione? Selezionando i fotoni di 140 KeV che depositano tutta la loro energia nello scintillatore 26

27 Gammacamera: spettro gamma Che cosa misura uno scintillatore? 27

28 Gammacamera: spettro gamma Che cosa misura uno scintillatore? Frequenza di conteggio in funzione dell energia delle radiazioni incidenti. - segnale: assorbimento totale dell energia dei fotoni gamma (140 KeV) - fondo: conteggi dovuti alla radiazione cosmica, ai radionuclidi presenti nei materiali costituenti il rivelatore; si ripete constantemente in ogni misura. - radiazioni diffuse per effetto Compton. 28

29 Gammacamera: spettro gamma Che cosa misura uno scintillatore? Frequenza di conteggio in funzione dell energia delle radiazioni incidenti. - segnale: assorbimento totale dell energia dei fotoni gamma (140 KeV) - fondo: conteggi dovuti alla radiazione cosmica, ai radionuclidi presenti nei materiali costituenti il rivelatore; si ripete constantemente in ogni misura. - radiazioni diffuse per effetto Compton. Un fotone di 140 KeV viene completamente assorbito nello scintillatore quando va incontro a effetto fotoelettrico 29

30 Gammacamera: spettro gamma Che cosa misura uno scintillatore? Frequenza di conteggio in funzione dell energia delle radiazioni incidenti. - segnale: assorbimento totale dell energia dei fotoni gamma (140 KeV) - fondo: conteggi dovuti alla radiazione cosmica, ai radionuclidi presenti nei materiali costituenti il rivelatore; si ripete constantemente in ogni misura. - radiazioni diffuse per effetto Compton. Un fotone di 140 KeV viene completamente assorbito nello scintillatore quando va incontro a effetto fotoelettrico ATTENZIONE: affinche tutta l energia venga rilasciata all interno del materiale scintillante e necessario che il cristallo sia sufficientemente spesso (vedi piu avanti) 30

31 Gammacamera: spettro gamma Poca energia ceduta all elettrone Compton, fotone poco deflesso Massima energia ceduta all elettrone Compton, fotone diffuso all indietro 31

32 Gammacamera: componente diffusa Poca energia ceduta all elettrone, fotone poco deflesso Massima energia ceduta all elettrone, fotone diffuso all indietro Oppure il fotone proveniente dal punto di emissione era gia stato diffuso prima dello scintillatore. In questo caso, anche se assorbito per effetto fotoelettrico, rilascia comunque energia inferiore a quella di emissione. Complessivamente la radiazione diffusa viene quindi - dal paziente (se lasciata passare dal collimatore) - dallo scintillatore 32

33 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Gammacamera: componente attenuata Ricordiamo che: La misura idealmente dovrebbe riguardare TUTTI E SOLI i fotoni che arrivano dal punto di emissione; in realta : - L ATTENUAZIONE impedisce che arrivino tutti quelli emessi - LA DIFFUSIONE fa si che arrivino allo scintillatore non sono i fotoni provenienti dal punto di emissione ma anche fotoni diffusi L autoassorbimento dei fotoni nel volume sorgente e un fenomeno di rilevante importanza nell intervallo di energie di interesse: per ridurre del 50% l intensita di un fascio collimato di fotoni di 140 KeV e sufficiente uno spessore di acqua inferiore a 5 cm dotazione di sistemi trasmissivi per l acquisizione simultanea a quella emissiva (vedi tecniche multimodali nella tomografia SPECT) 33

34 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Supponendo di aver selezionato un evento al fotopicco come fa la gammacamera a localizzare spazialmente il punto di emissione? 34

35 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Gammacamera: ricostruzione spaziale Come puo lo scintillatore mantenere l informazione spaziale? 35

36 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Gammacamera: ricostruzione spaziale Come puo lo scintillatore mantenere l informazione spaziale? La luce di scintillazione e emessa in modo isotropo. Viene raccolta dai PM affacciati al cristallo in misura tanto maggiore quanto piu un PM e vicino al punto di scintillazione. 36

37 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Gammacamera: ricostruzione spaziale Come puo lo scintillatore mantenere l informazione spaziale? La luce di scintillazione e emessa in modo isotropo. Viene raccolta dai PM affacciati al cristallo in misura tanto maggiore quanto piu un PM e vicino al punto di scintillazione. La quantita di luce emessa dal cristallo scintillante e proporzionale all energia dissipata dai fotoni. Mantenendo la proporzionalita nelle successive fasi di trasformazione dell impulso luminoso in impulso elettrico e d amplificazione e trattamento di quest ultimo e poi possibile discriminare gli impulsi stessi sulla base della loro energia, selezionando per il conteggio solo quelli in un intervallo di interesse. IN QUESTO MODO, NEI LIMITI DELLA RISOLUZIONE ENERGETICA DELLO SCINTILLATORE, SI ELIMINA LA RADIAZIONE DIFFUSA (COMPTON) 37

38 Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III Gammacamera: ricostruzione x-y L originale ottica di Anger per il posizionamento degli impulsi era essenzialmente una sorta di calcolatore analogico che permetteva di eseguire una media pesata della quantita di luce raccolta da ogni PM, in modo da ricavare con buona approssimazione la posizione dell evento scintillante. Nelle moderne gamma-camere tutte queste operazioni sono svolte in modo digitale: segnali provenienti dai PM sono prontamente digitalizzati dai convertitori analogico-digitali, associati in ragione di uno per ogni PM o gruppo di PM, in modo che le operazioni di somma algebrica dei segnali, pesatura e normalizzazione sono effettuate numericamente da un sistema digitale di elaborazione. 38