Dipartimento di Fisica a.a. 2004/2005 Fisica Medica 2 PET e SPECT 18/3/2005

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Prospero Agostini
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1 Dipartimento di Fisica a.a. 2004/2005 Fisica Medica 2 PET e SPECT 18/3/2005

2 Tomografie PET-SPECT Positron Emission Tomography Single Photon Emission Computer Tomography Tecniche non invasive utilizzate in ricerca clinica in fisiologia, biochimica dei tessuti, farmacologia.. Rivelazione in vivo e formazione di immagini da radiazioni (positroni o γ) emesse da radioisotopi introdotti come traccianti nel tessuto in esame Tecniche di ricostruzione di immagine simili alla TAC

mm con un elettrone del materiale emettendo due

3 Tomografia ad emissione di positroni Radionuclide iniettato emette un positrone che si annichila in 1-2 mm con un elettrone del materiale emettendo due fotoni collimati di energia 511 kev che possono essere rivelati

4 Annichilazione I positroni emessi dai radionuclidi si annichilano in due fotoni che sarebbero perfettamente collineari se la quantità di moto totale delle due particelle fosse nulla La rivelazione deve essere effettuata da un sistema di coincidenza che rilevi i due fotoni emessi a 180

Radionuclidi I radionuclidi emettenti e + prodotti da ciclotroni Si utilizzano isotopi di elementi biologici 11 C con t 1/2 = 20.

5 Radionuclidi I radionuclidi emettenti e + prodotti da ciclotroni Si utilizzano isotopi di elementi biologici 11 C con t 1/2 = N con t 1/2 = O con t 1/2 = F con t 1/2 = 110 fluorodisossiglucosio in cui è stato inserito del 18 F (beta emittente) che viene metabolizzato

6 Rivelazione Rivelatori a scintillazione (risoluzione: 5-10 mm) I due gamma di annichilazione possono essere rilevati singolarmente oppure in coincidenza finestra temporale ns La rivelazione in coincidenza permette una miglior risoluzione spaziale: 3-4 mm (range) occorre però assicurare la collinearità! Si utilizzano opportuni collimatori di piombo di notevole spessore (15 centimetri!)

può osservare un elemento coincidente con gli 11 rivelatori

7 I fotoni non collineari non sono in coincidenza e vengono assorbiti Total body Nel caso dell esempio ciascun rivelatore può osservare un elemento coincidente con gli 11 rivelatori opposti Si hanno così ossia 363 coppie di linee coincidenti

8 Rivelatore Per avere proiezioni tomografiche il rivelatore è fatto ruotare attorno al paziente ottenendo una mappa della distribuzione dei radionuclidi che evidenzia l anatomia della loro localizzazione

9 Immagine Visualizzazione dell attività cerebrale nelle differenti zone del cervello elaborazione a calcolatore con falsi colori di evidenziazione

10 Aree attivate Compito di memorizzazione verbale a breve termine Confronto del flusso cerebrale rispetto ad un flusso di controllo (sistema di riferimento) diagnosi precoce dell Alzheimer

11 Tessuto attraversato Nella PET è possibile eseguire una precisa correzione dell attenuazione dei fotoni nei tessuti I due fotoni in coincidenza attraversano complessivamente l intero spessore dell oggetto

12 Attenuazione Fattore di trasmissione : P γ1 e P γ2 P γ1 e µx P γ2 e µ(l x) Fattore di trasmissione delle coppie di fotoni γ 1 γ 2 P γ1 γ2 = P γ2 P γ2 e µx e µ(l x) P γ1 γ2 e µl coefficiente attenuazione lineare µ diametro del bersaglio L

13 Calibrazione Il numero di particelle emesse dal radioisotopo distribuito nei tessuti può essere calcolato da quello rivelato conoscendo µ ed L La risoluzione spaziale dei dispositivi PET dipende dal numero di fotoni collimati rivelati tanto maggiore è questo numero tanto migliore è l immagine ricostruita Per motivi dosimetrici vi è una dose limite che può essere somministrata al paziente e così viene fissato il limite del flusso dei fotoni rivelati e quindi dell immagine ricostruita

14 Fotoni rivelati I fotoni rivelati sono solo una piccola frazione - radionuclidi si diffondono in tutto il corpo - apertura angolare dei rivelatori consente di accettare solo una piccola frazione dei fotoni - attenuazione dei fotoni in materiale biologico - efficienza di rivelazione del rivelatore Viene visualizzato solo l 1-2% dei decadimenti di radionuclidi concentrati nell organo in esame foto di notte: aprire al massimo l obiettivo e usare lunghi tempi di esposizione (sfuocata!)

15 Materiale biologico Attenuazione dei fotoni in materiale biologico - amplificazione degli errori di ricostruzione - creazione di fantasmi (false ricostruzioni) occorre incrementare - apertura angolare dei rivelatori - efficienza di rivelazione Ottimizzazione: misura del tempo di volo (TOFPET) determinazione esatta posizione del punto di annichilazione

16 Tomografia a emissione computerizzata di singolo fotone SPECT Creare una mappa di distribuzione dei radioisotopi Vantaggio: molti radioisotopi sono emettitori β medicina nucleare: 99 Tc, 123 I, 133 Xe, 201 Te

17 SPECT longitudinale Gamma camera con un collimatore puntiforme (pin-hole) scintillatore solido a grande area accoppiato ad un fotomoltiplicatore solo un piano (distanza focale) offre un immagine netta regioni esterne alla linee chiuse forniscono invece immagini confuse

18 SPECT trasversale Rivelatore costituito da una gamma camera ruotante 64 o 128 distribuzioni a diversi angoli consente di ottenere immagini tomografiche 131 I: e 608 kev (γ 364 kev) t 1/2 = 8.07 giorni

19 Visualizzazione Immagini a differenti tonalità di grigio Informazioni quantitative sulla concentrazione del particolare tracciante nell organismo fegato e milza

20 Vantaggi SPECT verso PET - gamma camere di tipo tradizionale - radioisotopi usati in medicina nucleare Svantaggi - collimatori Pb poco efficienti (risoluzione spaziale mm) - attenuazione fotoni dipende dalla posizione (non valutabile) del radioisotopo ( 30-50%) - fotoni emessi causano processi secondari diffusione Compton ( kev)

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