Medicina nucleare 1.1 Introduzione

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1 Medicina nucleare 1.1 Introduzione La medicina nucleare è una disciplina, la cui attuazione è completamente diversa dalla radiologia, che si basa sull utilizzo di sostanze radioattive che vengono tipicamente prodotte in maniera artificiale, anche se ne esistono in natura, impiegati in forma non sigillata, cioè che si disperdono all interno del corpo a scopo diagnostico o terapeutico e di ricerca biomedica. Le immagini che si ottengono attraverso questa strumentazione rivelano la radiazione che viene emessa dal radionuclide che è attaccato alla molecola che si distribuisce nell organismo. Queste immagini, soprattutto quelle statiche vengono chiamate scintigrafia perchè in realtà ciò che viene misurato è una scintilla di luce, esse esprimono, infatti la distribuzione spaziale oppure se con certe caratteristiche si riescono a ottenere informazioni dinamiche anche la distribuzione spaziotemporale di questo radio farmaco. La cosa interessante è che queste immagini non sono alternative alle altre tipologie di esami(radiografia, tac, ecografia,rmn) ma in realtà forniscono informazioni diverse e sono quindi complementari. Le prime acquisiscono informazioni di tipo anatomomorfologico-strutturale con elevata risoluzione spaziale, ad esempio attraverso una rmn abbiamo una risoluzione spaziale del mm. Viceversa la medicina nucleare fornisce informazioni di tipo funzionale-metabolico quindi non come è fatto l organismo ma come sta funzionanto, con particolare attenzione all utilizzo di specifiche sostanza, tuttavia la risoluzione spaziale è molto più scadente, qualche mm 8 10mm, esempio full body risoluzione scadente rispetto analogo tac, però il concetto è che consentono di ricavare informazioni di come sta funzionando, immagini della sezione del cervello i colori indicano attività metabolica. Quello che si vede è che nella patologia del parkinson avete una distribuzione di funzionamento ridotta rispetto alle normali condizioni. Parkinson dopo trattamento. Se si fa una stessa immagine con tac o rmn prima e dopo trattamento non è percepibile nessuna differenza, perche la differenza non è nella forma ma nel modo in cui funziona immagini un paziente con lesioni celebrali, rmn non mostra alcuna lesione..viceversa le immagini pet evidenziano la disfunzione. 2.1 Storia Dagli anni 40 esempi di strumentazioni che forniscono informazioni sulla distribuzione di questi radionuclidi nel cervello negli anni 50 gamma camera, inventata da hunger,che consente di ricavare queste informazioni anni 60/70 spet, si cominciano a fare esami di tomografia, va sottolineato che le tecniche tomografiche sono nate prima in medicina nucleare. Negli anni 70 si trova la pet che utilizza radionuclidi diversi,a emissione di positroni, e che consente di visualizzare il funzionamento del metabolismo ad esempio delglucosio e di rivelarne anomalie nella funzionalità. 3.1Concetti di base: diversità rispetto alla radiologia In primo luogo la radiazione non è emessa da un tubo radiogeno, ma proviene da un radiofarmaco somministrato al paziente risultando quindi interna all'organismo stesso. Nella medicina nucleare si riconosce solo la posizione del sensore e non della sorgente, infatti uno degli obiettivi e quello di localizzare la sorgente, per trovare tale distribuzione, si utilizzano i collimatori, che esistono anche in radiologia, ma che in essa hanno uno scopo di miglioramento dell'immagine evitando la misurazione di quegli elettroni originati da fenomeni di scattering, che falsificano l'immagine,; invece in questo caso, il collimatore è necessario per determinare la posizione esatta della sorgente. L'irraggiamento dei composti radiofarmaci dipende dalla emivita degli stessi, mentre in radiologia è

2 funzione esclusivamente di quanto tengo acceso il tubo radiogeno. Le misure vengono fatte su piccoli flussi di fotoni, a volte si conteggiano i proprio i singoli fotoni che giungono al sensore, viceversa nella radiologia ho flussi molto più intensi di fotoni. La medicina nucleare può essere utilizzata anche sotto l'aspetto terapeutico, il tessuto viene irraggiato e distrutto da parte del radiofarmaco in modo mirato, cercando di distruggere la regione malata, ad esempio nel cancro alla prostata si pongono delle microcapsule di materiale radiogeno che emettono gradualmente una radiazione che riduce la massa tumorale. 4.1apparecchiature L'apparecchiatura principale è la gamma camera, strumento che attraverso una testata(rilevatore) rivela la posizione e la intensità delle radiazioni gamma che vengono emessi dai radionuclidi interni al pazienti. Nel tempo si è passati da esami semplicemente planari, a esami tridimensionali statici e dinamici e anche a indagini tomografiche facendo ruotare la testata lungo il copro del paziente. Le testate possono essere singole o in numero maggiore 2 3. Le tecniche planari consentono di rappresentare una distribuzione che in realtà è una distribuzione volumetrica. Si pone il problema perciò, già evidenziato anche in radiologia, della sovrapposizione di strutture rispetto al sensore e quindi il mascheramento del rispettivo funzionamento. Se la macchina possiede determinate caratteristiche, si possono ottenere immagini dinamiche, cioè una successione di immagini che rappresenta vari stati della funzione analizzata(esempio renale e tiroidea). Il problema del tempo è legato alla macchina, in particolare al basso flusso di fotoni. Per ottenere un immagine significativa è necessario raccogliere un certo numero di fotoni, ciò significa che devo rimanere fermo sopra la sezione per un certo intervallo di tempo, dell'ordine dei minuti, quindi se il fenomeno dinamico di interesse è un fenomeno veloce, difficilmente riesco a vederlo. Immagini di tipo tomo-scintigrafico si dividono in due famiglie: spet e pet. Queste tecniche richiedono strumentazioni sofisticate nella produzione di radionuclidi infatti si evidenzia la necessità di un sincrotrone. 5.1 Richiami di fisica chimica L'atomo è composto da un nucleo e elettroni, ed ha al suo interno delle particelle che sono detti nucleoni : protoni e neutroni. Gli Isotopi sono forme di uno stesso elemento, ed hanno quindi stesso numero atomico z, ma hanno diverso numero di massa A(a=n+z), e quindi differiscono nel numero di neutroni, l'idrogeno ha tre

3 isotopi idrogeno deuterio e trizio, hanno le stesse caratteristiche chimiche però essi possono essere stabili o instabili ed emettono radioattività. Gli isomeri invece sono elementi che hanno lo stesso z e lo stesso a ma differiscono per il fatto di essere in uno stato metastabile, ad esempio il tecnezio 99m, e divengono stabili attraverso una reazione isomerica che emette la radiazione necessaria per essere rilevata. Il tecnezio è l'elemento più utilizzato in medicina nucleare. Gli isotopi e gli isomeri sono dunque elementi instabili che per tornare allo stato di stabilità emettono una radiazione per disintegrazione nucleare alfa gamma o beta. Questo processo si definisce decadimento radioattivo e può essere definito attraverso il numero di disintegrazione che si misura in Bequerel(un decadimento al secondo), inoltre un secondo parametro di interesse è l'emivita, definita come il tempo necessario perché la metà dei nuclei di partenza del radionuclide decada. Possiamo descrivere il processo di decadimento attraverso la legge esponenziale decrescente. I decadimenti radioattivi possono essere di vari tipi: alfa, beta (+,-), raggi gamma. Nel decadimento beta+ alcuni isotopi dell'elemento ricchi di protoni decadono attraverso l'emissione di positroni in particolare un protone si trasforma in neutrone più un positrone e un neutrino. Questa si riduce perché perdo un protone, mentre A resta invariato.questo processo si definisce transizione isobarica. Il positrone che viene generato dal decadimento, dopo un tempo breve incontra un elettrone e i due si annichilano emettendo energia attraverso fotoni gamma in particolare questo processo provoca l'emissione di 2 fotoni gamma nella sessa direzione ma con verso opposto esattamente all'energia di 511 Kev. Questo tipo di emissione viene utilizzata nella pet. Dai radionucledi, elementi instabili che decadendo possono emettere energia o direttamente o attraverso l'emissione di positroni, posso ottenere i cosi detti radiofarmaci, legando gli isotopi ad una molecola di interesse biologico che interviene nel processo. Il radio farmaco ad esempio il glucosio tracciato si comporta in maniera analoga alla sostanza pura, poiché dunque l'organismo non distingue le due specie analizzando il glucosio radioattivo dall'esterno, attraverso la sua emissione di radioattività, posso farmi un idea di come si comporta il glucosio normale. Si utilizzano quantità modeste, dell'ordine dei nano grammi di sostanze, da una parte sufficienti a evidenziare la radioattività e tali da non perturbare il sistema. Sottolineando la nomenclatura dei radiofarmaci, si definisce indicatore un radiofarmaco trasportato nelle vie meccaniche dell'organismo(sangue), e tracciante un radiofarmaco trasferito attravesro processi metabolici(iodio,glucosio). I radiofarmaci più importanti utilizzati in clinica sono :lo iodio che emette raggi gamma utilizzato negli esami per la tiroide, il tallio, per tracciare sostanze del miocardio, il tecnezio 140 kev si lega a molte sostanze,di gran lunga il più utilizzato: rappresenta il 90 per cento della diagnostica ad emissione nucleare. Inoltre è un radiofarmaco ecologico, nel senso che emette solo raggi gamma, non contami eccessivamente l'ambiente, ha un tempo di emivita di 6 ore che rende inesistente la radioattività dopo poche ore, è economico nella produzione e molto versatile. 6.1 la gamma camera La strumentazione principale è la gamma camera, la gamma camera è stata inventata da hunger nel 58 è utilizzata in tutte le tipologie di acquisizione, ha sostituito lo scanner lineare che però funzionava solo su acquisizioni planari. Lo scanner aveva le stesse componenti della gamma camera, però più piccole e veniva posizionato sopra il paziente mosso in varie posizioni.

4 Chiaramente per analizzare una regione si impiegava molto tempo. Viceversa con la gamma camera c'e un'unica testata che acquisisce tutta la regione. Nel tempo è stata perfezionata per funzionare al meglio con le energie di emissione del tecnezio 140 kev. Lo schema a blocchi della gamma camera è costituito da: la sorgente,cioè il corpo del paziente che emette raggi gamma, il collimatore,il fotomoltiplicatore, l elettronica di posizione. Il collimatore ha lo scopo di far passare solo quei fotoni che provengono dalla direzione frontale,cioè quelli che si muovono in senso parallelo alla direzione dei collimatori, ciò mi consente di ottenere le informazioni spaziali della sorgente. I fotoni gamma che passano all'interno del collimatore, arrivano, al cristallo scintillatore, che rileva la radiazione e la trasforma in fotoni di luce. I fotoni di luce giungono poi ad un trasduttore fotoelettrico, ad esempio un fotomoltiplicatore, che trasduce il segnale luminoso in una tensione ad esso proporzionale. I segnali elettrici arrivano a una elettronica di posizione che definisce la posizione della scintilla emessa. Successivamente si trova un amplificatore che ha lo scopo di valutare l'energia incidente e seleziona solo quegli impulsi che hanno un'energia utile cioè all'incirca 140 kev, elimina quindi tutti quei fotoni che derivano da fenomeni di scattering. Infine si hanno dei convertitori analogico/digitali I collimatori :paralleli, convergenti, divergenti, pin-hole; risoluzione ed efficienza Analizzando in dettaglio i singoli componenti, i primi sono i collimatori: sono strutture metalliche, tipicamente piombo o tungsteno, con elevato numero atomico, in grado cioè di assorbire i fotoni gamma che arrivano. Fisicamente sono costituiti da una griglia metallica con dei fori disposti a nido d ape, se la radiazione è parallela a quella dei collimatori il fascio di luce passa altrimenti viene assorbito. La loro funzione è quella di focalizzare il raggio e di farlo arrivare al cristallo scintillatore. La focalizzazione è problematica poiché i fotoni gamma non sono né fotoni di luce che possono essere deviati ad esempio con delle lenti, né dei fotoni carichi che quindi possono essere deviati con dei campi elettromagnetici, l unico modo per indirizzarli è quello di eliminare quelli nelle direzioni trasversali. Questo determina una notevole riduzione del numero di fotoni che arrivano al sensore e quindi di conseguenza tutte le problematiche nell analisi dinamica..i parametri che caratterizzano i collimatori sono le dimensioni(profondità e diametro) e l orientamento dei fori (paralleli,convergenti,divergenti,pin-hole). La griglia a fori paralleli fra loro e perpendicolari alla

5 direzione del cristallo è quella maggiormente usata perché garantisce un buon compromesso tra risoluzione spaziale e l efficienza di rilevazione. L orientazione dei fori consente di proiettare un immagine delle stesse dimensioni della struttura esplorata, perché la focalizzazione è infinita, a differenza delle altre tipologia di collimatori che cono convergenti o divergenti e modificano quindi le dimensioni. Risoluzione ed efficienza, sono due parametri altamente caratteristici del collimatore, che tuttavia sono in profondo contrasto. Per risoluzione si intende la distanza minima percepibile tra due punti nel piano immagine, è legata in maniera proporzionale agli angoli dei fori, e inversamente proporzionale alla profondità dei fori e alla distanza dalla sorgente. Ciò significa che, ad esempio, tanto più grande è il piano dei fori tanto peggiore è la risoluzione, viceversa quanto più la griglia è vicino alla sorgente, tanto più evito il passaggio di raggi obliqui e quindi riesco a percepire anche le distanze più piccole tra gli oggetti, inoltre, allo stesso modo, tanto più la griglia è spessa tanto più elimino i raggi obliqui. L efficienza invece mi dice quanti fotoni arrivano al cristallo, essa è legata ad una costante che dipende dalla forma dei fori, al diametro e alla profondità dei fori, è evidente che i due parametri sono in conflitto. Tuttavia, dato che l obiettivo principale della gamma camera è quello di determinare la posizione della sorgente, l aspetto che interessa maggiormente è la risoluzione e la si raggiunge a scapito dell efficienza, ecco perché in medicina nucleare le immagini non sono mai di qualità elevate l efficienza arriva a livelli dell 1/1000. Altri tipi di collimatori, sono, come detto in precedenza, convergenti, divergenti, e a pin-hole; tali caratteristiche vanno interpretate dal punto di vista ella sorgente, quelli convergenti hanno le direzioni dei collimatori che convergono sull organo, questi funzionano come ingrandimento, vengono perciò utilizzati per organi di piccole dimensioni. Quelli divergenti si comportano in modo opposto riducendo l immagine e vengono utilizzati per ottenere immagini total body, attualmente sono stati sostituiti da gamma camera che hanno cristalli più grandi e quindi hanno un campo di visione già grande. I collimatori pin-hole sono di fatto dei coni metallici con un foro, questo focalizza regioni molto piccole in una regione estremamente vicina alla punta del cono il cristallo scintillatore Il secondo elemento della catena di misura è il cristallo scintillatore, esso riceve i fotoni collimati e ne fa una traduzione in fotoni di luci. Solitamente sono cristalli in ioduro di sodio che contengono impurità di tallio che agiscono trappole per gli elettroni che poi vengono attivati dai fotoni e diventano quindi fonti di luminescenza. Il tallio ha anche la proprietà di far decrescere la luminosità velocemente, e questo mi consente di avere libero il cristallo scintillatore per un altra misurazione.

6 Sono cristalli molto grandi, fino a 50 cm di diametro, le dimensioni del cristallo influiscono sul campo di visione,inoltre hanno spessori che vanno da 1 a10 mm. Lo spessore è un compromesso tra sensibilità e risoluzione, quanto più il cristallo è sottile, tanto migliore è la risoluzione spaziale, per contro, quanti più fotoni gamma vengono assorbiti dal cristallo, tanti più fotoni di luce vengono emessi, quindi tanto più spesso è il cristallo tanto più efficiente è la conversione. In termini numerici a 150 kev (approssimativamente l energia del tecnezio) il coefficiente di attenuazione del cristallo è 2,22 1/cm cioè circa il 90% di radiazione viene rivelata in uno spessore di 10 mm. Posso anche determinare il tasso di selezione di energia del cristallo, cioè capire quanto il mio cristallo è selettivo, io voglio che vengano rilevati quei fotoni di una certa lunghezza d onda il fotomoltiplicatore Dopo il cristallo scintillatore si trova il foto moltiplicatore, esso converte i fotoni di luce in tensioni elettriche. E costituito da un tubo a vuoto che contiene un fotocatodo e dei diodi intermedi e un anodo che raccoglie gli elettroni emessi. Il fotocatodo è una sostanza che emette elettroni se stimolata da una sorgente luminosa. Vi sono una serie di differenze di potenziale determinate dai diodi, che determinano la moltiplicazione dell elettrone, ogni volte che esso colpisce il diodo a seconda della differenza di potenziale ho una moltiplicazione di elettroni. Tutti questi elettroni vengono raccolti poi dall anodo, e in uscita ho un segnale proporzionale alla luce incidente.l intensità di ogni fotono è inversamente proporzionale alla distanza dalla sorgente, in questo modo posso avere delle informazioni sulla localizzazione della sorgente. Normalmente i fotomoltiplicatori vengono posti in un pattern esagonale sopra il cristallo. Il segnale elettrico in uscita a ciascun fotomoltiplicatore passa attraverso una rete di impedenze che effettua una pesatura opportuna pesatura del segnale rispetto alla posizione del fotomoltiplicatore, questo mi da la deviazione dei singoli fotoni dal centro.e quindi la stima del punto in cui è avvenuta

7 la scintilla. 7.1 Prestazioni Una gamma camera ha un funzionamento che dipende dall energia e dal tipo di collimatore, dallo spessore del cristallo, dall omogenità e linearità di comportamento e dalla frequenza massima del conteggio. Questi parametri possono essere espressi in alcuni concetti : risoluzione temporale è il tempo che trascorre tra una lettura e quella successiva(micro secondi); la risoluzione spaziale dipende dalla risoluzione dei collimatori e da quella intrinseca della macchina(10mm) ; la linearità è la capacità di rivelare correttamente le coordinate spaziali, la si rileva con un reticolo gamma emittente; l uniformità è la capacità di misurare in maniera corretta in ogni punto l intensità luminosa infine sensibilità ed efficienza dipendono dal collimatore e dall energia che hanno i fotoni.