FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE

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Gennara Rita Serafini
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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, ) Marta Ruspa 1

2 Requisiti Gammacamera: rivelatore 2

3 Requisiti Gammacamera: rivelatore Buona risoluzione spaziale buona risoluzione energetica (la larghezza a meta altezza della distribuzione dei conteggi di una sorgente elementare). Risoluzione tipica di 3.5 mm. 3

4 Requisiti Gammacamera: rivelatore Buona risoluzione spaziale buona risoluzione energetica (la larghezza a meta altezza della distribuzione dei conteggi di una sorgente elementare). Risoluzione tipica di 3.5 mm. Elevata efficienza di conteggio Si ricordi che si vuole che tutta l energia del fotone venga rilasciata all interno del materiale scintillante. Cristalli rettangolari, con dimensioni fino a 50x40cm. Spessore tipico di 3/8 di pollice, pari a circa 9.5 mm, che garantisce una efficienza ottimale per energie dei fotoni fino a 150 Kev ( 99 Tc e 201 Tl). Per indagini con In e I ricorso a cristalli con spessore di 5/8 di pollice. 4

5 Requisiti Gammacamera: rivelatore Buona risoluzione spaziale buona risoluzione energetica (la larghezza a meta altezza della distribuzione dei conteggi di una sorgente elementare). Risoluzione tipica di 3.5 mm. Elevata efficienza di conteggio Si ricordi che si vuole che tutta l energia del fotone venga rilasciata all interno del materiale scintillante. Cristalli rettangolari, con dimensioni fino a 50x40cm. Spessore tipico di 3/8 di pollice, pari a circa 9.5 mm, che garantisce una efficienza ottimale per energie dei fotoni fino a 150 Kev ( 99 Tc e 201 Tl). Per indagini con In e I ricorso a cristalli con spessore di 5/8 di pollice. Ampie dimensioni Adeguata velocita di risposta Costo contenuto 5

6 Gammacamera: spessore del cristallo, efficienza di conteggio Con lo spessore aumenta la quantita di fotoni misurabili aumenta l efficienza 6

7 Gammacamera: risoluzione spaziale La risoluzione spaziale della gammacamera dipende complessivamente - La dalla risoluzione risoluzione spazial geometrica del collimatore - dalla risoluzione energetica intrinseca del rivelatore - dal numero di fotomoltiplicatori - dall ottimizzazione degli algoritmi di ricostruzione delle posizioni 7

8 Gammacamera: fotomoltiplicatore Il fotomoltiplicatore e una valvola di vetro, ad elevato grado di vuoto, entro il quale si trova una serie di elettrodi detti dinodi. Tra le successive coppie di dinodi e applicata una differenza di potenziale. I fotocatodo e ricoperto di materiale fotoemittente ed emette elettroni quando viene colpito dalla luce di scintillazione. Gli elettroni vengono attirati verso il secondo dinodo, ad un superiore livello di potenziale. Anche il secondo dinodo e ricoperto di materiale emittente: gli elettroni si moltiplicano nell impatto. E cosi via ogni elettrone sara in grado di produrre n nuovi elettroni ciascuno dei quali potra a sua volta produrne n nell impatto sullo stadio successivo. - Fattore di moltiplicazione totale nell ordine di Una decina di stadi - Differenza di potenziale tra il primo e l ultimo dinodo di centinaia di V 8

9 Gammacamera: sistema di posizionamento Lettino porta paziente: - basso coefficiente di attenuazione - gradi di liberta di movimentazione - posizionamento semiautomatico Stativo di posizionamento del rivelatore: - necessita di proiezione da angoli differenti - minimizzazione della distanza paziente-collimatore 9

10 Gammacamera: elaboratore Rappresentazione dell immagine in formato digitale Tecniche di visualizzazione Tecniche di processing Correzione degli artefatti Archiviazione In passato oscilloscopio interfacciato con camera a lastra 10

11 Gammacamera: nuove tecnologie Collimatori a fuoco variabile per compensare l attenuazione e migliorare la risoluzione e l efficienza nella regione di interesse dell immagine. Cristalli curved plate, circa 1 mm di guadagno in risoluzione attraverso l ottimizzazione della minima distanza dal corpo del paziente. Dispositivi a semiconduttore (Si, Ge, ) - eccellente risoluzione spaziale - dimensioni di interesse per l imaging - MA necessita di un sistema di raffreddamento e costi elevati 11

12 Immagini planari Contributi dell attivita sopra e sotto il piano rappresentato Limite intrinseco dell imaging planare 12

13 Ricostruzione nei sistemi SPECT Attivita condensata in un bin Retroproiettata ad ogni angolo 13

14 Immagini tomografiche: SPECT 14

15 15

16 Caratteristiche dei sistemi SPECT Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera Gantry NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI - numero e geometria delle testate singole, doppie, triple 16

17 Caratteristiche dei sistemi SPECT Numero e geometria delle testate 17

18 Caratteristiche dei sistemi SPECT Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera Gantry NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI - numero e geometria delle testate singole, doppie, triple - orbita e modi di rotazione circolare, ellittica body contourning (si tenga presente che l obiettivo e sempre quello di minizzare la distanza tra il paziente e il collimatore per migliorare la risoluzione); inseguimento automatico del contorno del paziente con sensori infrarossi o premorizzazione - rapida sostituibilita dei collimatori 18

19 Caratteristiche dei sistemi SPECT Orbita del gantry e modi di rotazione 19

20 L algoritmo di ricostruzione dovrebbe modellizzare gli effetti di attenuazione (si ricordi che per ridurre del 50% l intensita di un fascio collimato di fotoni di 140 KeV e sufficiente uno spessore di acqua pari a 5 cm ) mappatura dei coefficienti di attenuazione per mezzo di sistemi trasmissivi e fusione di immagini emissive e trasmissive diffusione risposta geometrica del collimatore risposta non omogena del cristallo Tecniche correttive nei sistemi SPECT 20

21 II Esercizio 7: l emivita del radon è 3.8 giorni. Dopo quanti giorni un campione di radon si è ridotto ad un ventesimo della quantità iniziale? Esercizio 8: In un campione vi sono nuclei di uranio 238. Calcolare il numero di nuclei rimanente nel campione e la massa corrispondente dopo 10 8 anni se la vita media è 6.45 x 10 9 anni. 21

22 Fisica nella medicina nucleare diagnostica - tecniche con fotone singolo tecniche con emettitori β + 22

23 Positron Emission Computer Tomography Tomografia Computerizzata ad Emissione di Positroni 23

24 Che cos e il positrone? E l antiparticella dell elettrone. Stessa massa dell elettrone, carica opposta. Puo essere prodotta solo in associazione con un e - o un neutrino. Si annichila con l elettrone, producendo due fotoni Se l annichilazione avviene a riposo: i due γ sono emessi in direzioni opposte E=m c 2 E γ = m e c 2 = 511 kev 24

511 KeV emessi contemporaneamente a 180 o tra di loro.

25 Positron Emission Computer Tomography Nella PET il positrone viene emesso in un decadimento β + nucleare. Percorre quindi uno spazio proporzionale alla sua energia cinetica prima di annichilare con un elettrone della materia circostante e generare due fotoni da 511 KeV emessi contemporaneamente a 180 o tra di loro. I due fotoni attraversano percorsi diversi nel tessuto e vengono rivelati in concidenza: dalle due misure di diversa attenuazione si riesce a risalire al punto in cui i fotoni sono stati emessi. N.B.: non si rivela il punto di emissione ma il punto di annichilazione limite intrinseco della risoluzione spaziale 25

26 Differenze tra PET e SPECT PET: SPECT: due fotoni emessi in direzione opposta un solo fotone 26

27 Differenze tra PET e SPECT In PET la linea di volo dei fotoni è determinata dalla coincidenza di due rivelatori (collimazione elettronica) Misura più precisa della direzione dei fotoni rispetto alla SPECT Rivelatore 1 Rivelatore 2 L assenza di collimatori permette maggiore efficienza (frazione di decadimenti rivelati) e quindi minore esposizione alle radiazioni e misure più veloci 27

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