PET: caratteristiche tecniche e funzionamento

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

2 Il nostro viaggio Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell attenuazione della radiazione all interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive

3 +

4 Isotopi + Sintesi Radiofarmaco Acquisizione e ricostruzione dei dati

5 Cervello sano

6 P.F. 70 aa, m, c.a. polmonare

7 Il nostro viaggio Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell attenuazione della radiazione all interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive

8 COS E UN POSITRONE? L emissione di positroni è una forma di radioattività, in cui un protone all interno di un nucleo atomico è trasformato in un neutrone. p n Il positrone è una particella che ha stessa massa e spin dell elettrone ma carica opposta: viene emesso dal nucleo con energie variabili da zero fino all energia massima (E max ) caratteristica di ciascun nucleo.

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10 PROCESSO DI ANNICHILAZIONE

11 Tomografo PET Un tomografo ad emissione di positroni si bassa sulla rivelazione in coincidenza della radiazione di annichilazione generata dall interazione tra il positrone emesso da un nucleo radioattivo ed un elettrone della materia circostante.

12 Principali radioisotopi utilizzati per studi PET e loro caratteristiche Energia cinetica Radioisotopo Emivita (min) Emissione β + massima di (%) emissione (MeV) 18 F C N O Breve emivita Riduzione della dose assorbita Isotopi dei principali elementi costituenti la materia biologica Vengono assorbiti e consumati senza essere riconosciuti come estranei

13 Il nostro viaggio Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell attenuazione della radiazione all interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive

14 Una premessa fondamentale TIPI DI EVENTI IN PET Coincidenze vere Coincidenze casuali Coincidenze da radiazione diffusa

15 Quali sono le caratteristiche di un rivelatore IDEALE per sistemi PET? - elevato numero atomico ed elevata densità, per garantire un elevato potere di frenamento alle radiazione di 511 kev - elevata efficienza di scintillazione, ossia alto fattore di conversione in luce dell energia dissipata in esso dalla radiazione ionizzante, per una elevata discriminazione energetica ed una stretta finestra temporale - tempo di decadimento della luce emessa sufficientemente breve, per un basso tempo morto del sistema e quindi buone prestazioni in termini di frequenza di conteggio; - elevato potere di trasmissione della luce; - buona facilità di produzione, conservazione e di impiego.

16 UN PASSO INDIETRO Il principio fisico di funzionamento di un cristallo scintillatore può essere schematizzato dal grafico seguente:

17 Segnale elettrico FOTOMOLTIPLICATORE

18 Rivelatori utilizzati nei sistemi PET NaI(Tl) BGO GSO LSO Densità (gr/cm 3 ) Numero atomico effettivo Coeff. di attenuaz. lineare (cm -1 ) Eff. di scintillazione (% del NaI) Costante di decadimento (nsec)

19 EFFICIENZA DI RIVELAZIONE 511KeV (%) NaI 25.4 mm BGO 20 mm LSO 20 mm GSO 20 mm

20 Rivelatori utilizzati nei sistemi PET NaI(Tl) BGO GSO LSO Densità (gr/cm 3 ) Numero atomico effettivo Coeff. di attenuaz. lineare (cm -1 ) Eff. di scintillazione (% del NaI) Costante di decadimento (nsec)

21 RISOLUZIONE ENERGETICA 25 mm NaI 3D 20 mm BGO 3D cts. cts. Finestra Energetica utilizzata Finestra Energetica utilizzata 12 % 20 % kev kev

22 RISOLUZIONE ENERGETICA 511KeV (%) NaI BGO LSO GSO

23 Rivelatori utilizzati nei sistemi PET NaI(Tl) BGO GSO LSO Densità (gr/cm 3 ) Numero atomico effettivo Coeff. di attenuaz. lineare (cm -1 ) Eff. di scintillazione (% del NaI) Costante di decadimento (nsec) Maggior capacità di conteggio del sistema, quando accoppiati ad una veloce elettronica di acquisizione

24 Il nostro viaggio Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell attenuazione della radiazione all interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive

25 AUMENTO DEL CAMPO DI VISTA ASSIALE Fine anni 70 Inizio anni 80 Inizio anni 90

26 Sistemi per Tomografia ad Emissione di Positroni Multi-ring BGO Blocchi rotanti Full-ring NaI Dual-head PET multi-ring PET full-ring PET dual-head Cristalli BGO NaI(Tl) NaI(Tl) Dimensioni 4,0 x 8,1 x 30 mm 500 x 300 x 25 mm 508 x 39,1 x 15,9 mm 672 per anello 18 anelli Campo di vista (FOV) 55,0 x 15,2 cm 56 x 25.6 cm 50,8 x 38,1 cm

27 MODALITA DI ACQUISIZIONE IN PET 2D 3D SETTI DI PIOMBO Z Sensibilità 3D = 5*Sensibilità 2D

28 2D 3D scatter sensibilità: : % Risoluzione energetica Sottrazione della Radiazione diffusa mediante algoritmi matematici

29 FRAZIONE DI RADIAZIONE DIFFUSA IN MODALITA 3D Cervello FS: 30% Torace FS: 50%

30 NaI(Tl) Wide Area Detector C-Pet (Philips) BSO e LSO Multi-ring Block CTI, Siemens e GE GSO Detector Array Allegro (Philips)

31 Il nostro viaggio Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell attenuazione della radiazione all interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive

32 ATTENUAZIONE IN PET IMMAGINE NON CORRETTA PER L ATTENUAZIONEL IMMAGINE CORRETTA

33 VANTAGGI DELLA CORREZIONE PER L ATTENUAZIONE -Miglioramento della localizzazione anatomica e della definizione spaziale del tumore; -compensazione delle distorsioni geometriche osservate negli studi non corretti; -possibilità di quantificare la captazione del tracciante

34 ATTENUAZIONE D 1 X 1 X 2 Coincidenza p 1 = exp( μx 1) p 2 = exp( μx 2) p = exp( μ (x 1 + x 2)) D 2 Probab. che entrambi i fotoni vengano rivelati

35 CORREZIONE PER L ATTENUAZIONE L CALCOLATA Ipotesi: COSTANTE

36 CORREZIONE PER L ATTENUAZIONE L MISURATA Sorgente puntiforme 137 Cs 662 kev Sorgente lineare 68 Ge + emittente

37 CORREZIONE PER L ATTENUAZIONE L MISURATA Ricordando la legge di attenuazione I=I 0 exp(- x) BLANK Niente all interno del campo di vista [I 0 ] TRASMISSIVA Paziente nel campo di vista [I 0 exp(- x)] BLANK I 0 ACF = = = exp( x) TRASMISSIVA I 0 exp(- x) Coefficienti di correzione per l attenuazione

38 PET CORREZIONE PER L ATTENUAZIONE L MISURATA BLANK TRASMISSIVA

39 Immagine corretta per l attenuazione Immagine NON corretta per l attenuazione

40 Il nostro viaggio Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell attenuazione della radiazione all interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive

41 CARATTERIZZAZIONE FISICA DI UN SISTEMA PET In principali parametri che caratterizzano un sistema PET sono: * Risoluzione Spaziale * Linearità di conteggio * Efficienza di rivelazione * Frazione di radiazione diffusa

42 Risoluzione Spaziale La risoluzione spaziale è definita dalla FWHM e FWTM dei profili di attività della sorgente a 1, 5, 10 e 15 cm dal centro nel piano transassiale

43 La Risoluzione Spaziale dipende da: Range del positrone Deviazione da 180 della direzione di emissione dei fotoni di annichilazione Dimensione dei rivelatori Inaccuratezza della posizione dovuta all elettronica Metodo di ricostruzione

44 L Efficienza di rivelazione dipende da: L efficienza del materiale rivelatore, basata sulla densità e sullo spessore del cristallo di rivelazione. La geometria del tomografo, ossia l area attiva del tomografo

45 SISTEMA PET CPET GE Advance ECAT HR+ ECAT ACCEL ALLE GRO CRISTALLO Na(I) BGO BGO LSO GSO DIMENSIONI RISOLUZIONE 500x300x x8.2x x4.4x x6.8x x6.0x EFFICIENZA (Kcps/mCi/cc) > 800 FRAZIONE DI RADIAZIONE DIFFUSA (%) 50% TEMPO MORTO (Kcps/mCi) > 0.6

46 Il nostro viaggio Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell attenuazione della radiazione all interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive

47 TAC 18 F]FDG PET [ 18

48 FUSIONE DI IMMAGINE MEDIANTE MARKERS ESTERNI

49 Una nuova era I SISTEMI CT-PET

50 CT PET CT/PET Ruolo nella diagnosi oncologica precoce e stadiazione Punti di forza Immagini anatomiche Visualizzazione di fini dettagli, eccellente nella localizzazione del tumore Immagini funzionali Eccellente nella rivelazione e stadiazione di tumori Combina i punti di forza di PET e CT Punti di debolezza Non molto sensibile e specifica nella rivelazione e stadiazione di tumori. Una volta rivelato il tumore, la localizzazione per il trattamento è difficile Aspetti tecnici e protocolli da ottimizzare Cosa vedi Anatomia Attività metabolica Attività metabolic + anatom

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52 TAC-PET

53 VANTAGGI Tempi ridotti di esame Migliore qualità delle immagini PET (correzione per attenuazione, ricostruzione) Accurata interpretazione delle immagini funzionali PET sulla base delle immagini anatomiche TAC (correlazione anatomo-funzionale) Diagnosi integrata PET-TAC

54 AMBITI DI STUDIO ASPETTI TECNICI Interferenza tra i due tomografi (es. temperatura) Contaminazione 511 kev su immagini CT PROTOCOLLO DI ACQUISIZIONE Condizioni di respiro Posizione delle braccia ELABORAZIONE DELLE IMMAGINI Correzione per attenuazione con CT (calibrazione a 511 kev)

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56 Grazie per l attenzione!