Schema della lezione MEDICINA NUCLEARE. Diagnostica per Immagini e RXT. MEDICINA NUCLEARE campi di applicazione DIAGNOSTICA.

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica Anno accademico Diagnostica per Immagini e RXT Argomento 5A Medicina Nucleare Arturo Brunetti brunetti@unina.it Schema della lezione Definizione e campi di applicazioni Richiami sulla radioattività Cenni storici Procedure scintigrafia, radiofarmaci - Tecnezio Apparecchi gamma camera, acquisizione Indagini scintigrafiche studi statici e dinamici Tomografia - SPECT 1 2 MEDICINA NUCLEARE MEDICINA NUCLEARE campi di applicazione Disciplina che si occupa dellʼutilizzazione di radionuclidi a scopo diagnostico e terapeutico DIAGNOSTICA in vivo TERAPIA Radioterapia metabolica in vitro 3 4

2 MEDICINA NUCLEARE campi di applicazione MEDICINA NUCLEARE diagnostica per immagini - in vivo gli strumenti di lavoro applicazioni che ci interessano in questo corso DIAGNOSTICA in vivo TERAPIA Radioterapia metabolica RADIOFARMACI (molecole marcate con radionuclidi somministrate al paziente che diventa emettitore di segnali) Apparecchiature per rilevazione delle radiazioni (gamma camera, sistemi tomografici PET e SPECT) in vitro 5 6 Medicina Nucleare apparecchi per imaging MEDICINA NUCLEARE gamma camera gamma camere rotanti a testa singola o multipla che permettono di eseguire esami SPECT (tomografia emissione di fotone singolo) tomografi SPECT dedicati tomografi PET (tomografia emissione di positroni) apparecchi ibridi PET-TC, SPECT-TC Le applicazioni medico nucleari in vivo hanno i seguenti scopi: esplorare e misurare particolari funzioni organiche e misurarle per verificare se siano normali od alterate e stabilire l entità dell alterazione evidenziare lesioni localizzate in organi o apparati attraverso l individuazione di alterazioni di funzioni biologiche determinate dalla/ e lesione/i utilizzare meccanismi biologici elettivi per caratterizzare la natura di una lesione o realizzare un effetto radiobiologico locale, utile ai fini terapeutici 7 8

3 Principi generali di radioprotezione NUCLIDI E RADIONUCLIDI GIUSTIFICAZIONE NECESSITA DI VALIDI MOTIVI CLINICI OTTIMIZZAZIONE USO DELLA MIGLIORE TECNICA E METODICA DISPONIBILE DEFINIZIONE DEI RISCHI INDIVIDUALI ACCETTABILI LIMITI DEFINITI DALLA LEGGE Radioattività: conseguenza di un non equilibrato rapporto tra neutroni e protoni 9 ab/01/2013 NUCLIDI E RADIONUCLIDI NUCLIDI E RADIONUCLIDI Peso atomico A Z Numero atomico N ± x Stato di ossidazione X Rapporti nelle molecole ISOTOPI ISOBARI ISOTONI nuclidi dello stesso elemento (Z= A ) nuclidi di elementi diversi con massa uguale nuclidi con uguale numero di neutroni ab/01/2013 ab/01/2013

4 NUCLIDI E RADIONUCLIDI RADIAZIONI ISOMERI nuclei con uguale massa e numero atomico, dei quali uno o più possono trovarsi in uno stato di "eccitazione"* ELETTROMAGNETICHE CORPUSCOLATE * questa definizione si applica al Tecnezio-99m, isomero metastabile del Tecnezio-99 (vedi dopo) ab/01/2013 ab/01/2013 RADIOATTIVITA' EMISSIONE DI RADIAZIONI IONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI raggi " elettroni e positroni raggi! raggi # Medicina Nucleare in vivo radionuclidi utilizzabili sono utilizzati per le indagini in vivo radionuclidi emettitori diretti di radiazioni gamma radionuclidi emettitori di positroni dalla cui annichilazione si producono raggi gamma ab/01/

5 Decadimento radioattivo: andamento esponenziale EMIVITA = tempo di dimezzamento dn (t) dt = - kn(t)! Tempo in cui una certa quantità di radioattività si riduce a metà del valore iniziale N t = N 0 e - $t λ = 0.693/T1/2 λ è la costante di decadimento Radionuclidi più utilizzati in diagnostica medico-nucleare in vivo Radionuclide Sigla T1/2 decadimento Azoto N 10 min positroni Carbonio C 20,3 min positroni p Cobalto Co 270 giorni cattura elettronica Cromo Cr 27,8 giorni cattura elettronica Ferro Fe 45 giorni beta Fluoro F 109 min positroni Gallio Ga 78,1 ore cattura elettronica Gallio Ga 68 min positroni Indio In 67 ore cattura elettronica Iodio I 13 ore cattura elettronica Iodio I 8,06 giorni beta Ossigeno O 2 min positroni Selenio Se 120 giorni cattura elettronica Rubidio Rb 1,3 min positroni Tecnezio-99m 99m Tc 6 ore gamma Tallio Tl 73 ore cattura elettronica Xenon Xe 5,3 giorni beta Radionuclidi più utilizzati in diagnostica medico-nucleare in vivo Radionuclide Sigla T1/2 decadimento Azoto N 10 min positroni Carbonio C 20,3 min positroni p Cobalto Co 270 giorni cattura elettronica Cromo Cr 27,8 giorni cattura elettronica Ferro Fe 45 giorni beta Fluoro F 109 min positroni Gallio Ga 78,1 ore cattura elettronica Gallio Ga 68 min positroni Indio In 67 ore cattura elettronica Iodio I 13 ore cattura elettronica Iodio I 8,06 giorni beta Ossigeno O 2 min positroni Selenio Se 120 giorni cattura elettronica Rubidio Rb 1,3 min positroni Tecnezio-99m 99m Tc 6 ore gamma Tallio Tl 73 ore cattura elettronica Xenon Xe 5,3 giorni beta

6 Radionuclidi più utilizzati in Medicina Nucleare RADIOATTIVITA' 99m Tc (Tecnezio) gamma emettitore Vecchia unità Curie (Ci) x 10 dis/sec Nuova unità (SI) Bequerel 1 dis/sec 18 F (Fluoro) - positrone emettitore 1 Ci = 37 GBq ab ab "in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity" Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics Historical remarks 1903 "in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henry Becquerel" 1939 for the invention and development of the cyclotron and for results obtained with it, especially with regard to artificial radioactive elements" Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics Historical remarks Antoine Henry Becquerel Pierre Curie Marie Curie Slodowska Ernest Orlando Lawrence

7 Nuclear Medicine The Nobel Prize in Chemistry Historical remarks Nuclear Medicine The Nobel Prize in Physics Historical remarks 1935 "in recognition of their synthesis of new radioactive elements" 1943 "for his work on the use of isotopes as tracers in the study of chemical processes 1959 for the discovery of the antiproton" Frédéric Joliot Irène Joliot-Curie George de Hevesy Emilio Segré Segrè scoprì il Tecnezio-99: il primo elemento artificiale non presente in natura, proprio per questo definito TECNEZIO L imaging medico-nucleare (immagini da emissione ) raggi gamma MEDICINA NUCLEARE Collimatore raggi gamma si somministra una piccola quantità di una sostanza radioattiva (radiofarmaco) SCINTIGRAFIA a Cristallo scintillatore Tubi fotomoltiplicatori Convertitore analogico-digitale Computer il radiofarmaco si distribuisce e viene captato dai vari organi e tessuti a seconda delle sue caratteristiche chimico-fisiche e biologiche si ottiene una mappa della distribuzione regionale di radioattività mediante una gamma camera o altre apparecchi per individuare variazioni regionali di radioattività indice della presenza/assenza di determinate attività funzionali 27 Mappa della distribuzione corporea di una molecola radioattiva (radiofarmaco)* la mappa può essere presentata in scala di grigio (fondo bianco o nero) o in scala di colore scintigrafia ossea 28

8 MEDICINA NUCLEARE Radiofarmaci Radiofarmaci preparati "radioattivi" per applicazione diagnostica con caratteristiche chimico-fisico-biologiche che rispettano le norme della farmacopea ufficiale per la somministrazione nell'uomo i radiofarmaci sono in genere traccianti, cioè permettono di tracciare in vivo processi funzionali e metabolici N.B.: con lʼuso di modelli matematici gli studi medico nucleari possono dare informazioni quantitative oltre che qualitative Molecole marcate con radionuclidi #- emettitori per eseguire indagini di medicina nucleare in vivo; sono anche definiti Indicatori Traccianti INDICATORE: la definizione classica TRACCIANTE un elemento o sostanza che abbia la proprietà di assumere, in una struttura biologica anatomicamente e, in genere, spazialmente definita una concentrazione significativamente diversa da quella che esso assume nelle strutture spazialmente contigue e di poter essere in esse identificato Sostanza "marcata", in grado di distribuirsi in un "pool" di analoghe sostanze presenti nel corpo consentendo lo studio di processi metabolici e di attività funzionale con l'aiuto di appositi modelli matematici Esempi 99m Tc-DTPA misura del filtrato glomerulare renale 18 F-deossiglucosio misura del consumo tessutale di glucosio 31 32

9 MEDICINA NUCLEARE Diagnostica "in vivo" TECNEZIO-99m il radionuclide più utilizzato in medicina nucleare tradizionale e nella SPECT SCINTIGRAFIA La mappa scintigrafica è sempre espressione di processi funzionali-metabolici 99m Tc T 1/2 = 6 ore Emissione # 140KeV ottenuto da generatori (colonne a scambio ionico) con Molibdeno soluzione fisiologica Il generatore di Tecnezio-99m soluzione fisiologica + Na 99m TcO4 Rivelazione dei raggi gamma 99 Mo In genere rivelatori a scintillazione (cristallo + tubo fotomoltiplicatore) Cristalli: NaI(Tl), BGO, CsF, BaF 2 schermatura in piombo Criteri: Stopping power, Tempo di risposta, efficienza, risoluzione energetica 99m Tc è radionuclide più utilizzato negli studi di medicina nucleare in vivo si ottiene dal nuclide padre ( 99 Mo) da un generatore/colonna a scambio ionico che si compra periodicamente (in genere su base settimanale), con il 99m Tc si possono marcare radiofarmaci che permettono lo studio di diversi organi e apparati (le marcature si fanno utilizzando in genere kit con prodotti liofilizzati) 35 Rivelatori a raccolta di ioni (camere di ionizzazione) non utilizzabili per la diagnostica in vivo per la bassa efficienza e risposta lenta Detettori a semiconduttori (diodi): elevata risoluzione di energia, risposta veloce ma dimensioni piccole e costo elevato 36

10 Medicina Nucleare: strumentazione schema costruttivo classico MEDICINA NUCLEARE Apparecchi per diagnostica "in vivo" elettronica display Vecchi apparecchi fotomoltiplicatori cristallo collimatore sorgente di radiazioni calcolatore Sonda e Scanner rettolineare 38 MEDICINA NUCLEARE Apparecchi per diagnostica "in vivo" Oggi Gamma camera Gamma camera - camera a scintillazione (di Anger) Imaging bidimensionale della distribuzione di radionuclidi Dagli anni 70 ha sostituito lo scanner rettolineare, per la maggiore efficienza e velocità di acquisizione che consente acquisizioni dinamiche Può essere utilizzata per acquisizioni tomografiche SPECT se ha un supporto che le consente di ruotare attorno al corpo Rivelatore a ampio cristallo singolo (38-50 cm-dia.) accoppiato a un array di tubi fotomoltiplicatori 1. Rivestimento 2. Schermatura in piombo 3. Collimatore 4. Cristallo di NaI(Tl) 5. Tubi fotomoltiplicatori 39 40

11 Gamma camera: i componenti principali L INVENTORE DELLA GAMMA CAMERA Hal Oscar Anger ( ) was an electrical engineer and biophysicist at Donner Laboratory, UCB. sensori convertono la luce in segnale elettrico i raggi producono lampi di luce verde nel cristallo In 1957, he invented the scintillation camera, known also as the gamma camera or Anger camera. passano solo i raggi gamma allineati ai fori del collimatore Anger also developed the well counter, widely used in laboratory tests. tubi fotomoltiplicatori cristallo collimatore In all, Anger held 15 patents, many of them for work at the Ernest O. Lawrence Radiation Laboratory. 41 ab ab/01/2013 Gamma camera a testa singola Gamma camera: i componenti ELETTRONICA E COMPUTER GAMMA CAMERA ASSEMBLATA ab/01/2013 immagine su monitor schermatura in piombo ab/01/2014

12 Gamma camera a testa doppia 46 ab/01/2014 Collimatori Collimatori Sono fatti di piombo forato. Servono per selezionare i raggi gamma che hanno una specifica direzione (quasi una lente ) campo rilevato Il collimatore più usato è quello a fori paralleli sorgente Risoluzione Efficienza geometrica Tradeoff: Risoluzione % Efficienza foro singolo (pin hole) Basic diagram of how a lead collimator works. fori paralleli fori divergenti fori convergenti Made by Pete Verdon 13/11/2004. fori paralleli: solo i fotoni incidenti perpendicolarmente alla testa della gamma camera possono raggiungere il cristallo 47 48

13 Tipi di collimatori Tradeoff tra risoluzione e field-of view (FOV) per diversi tipi: Convergenti: & risoluzione, ' FOV Divergenti: ' risoluzione, &FOV Pinhole (~ mm): Alta risoluzione su organi piccoli a breve distanza tipo tiroide Cristallo di scintillazione per la gamma camera Materiale: Ioduro di sodio (NaI) con delle impurità di tallio Scintillazione: l interazione di un fotone produce un piccolo lampo di luce la cui intensità é proporzionale all energia rilasciata dal fotone x o # nel mezzo Se ogni fotone che interagisce nel cristallo da luogo ad una scintillazione avremo una distribuzione di scintillazioni nel cristallo che riproduce la distribuzione di attività dell oggetto Risoluzione (HR, MR) Sensibilità (HS, MS) 49 In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi raggiunge il fototubo 50 Fotomoltiplicatori Circuiti elettronici posizione e energia: Numero: in genere da 37 a 91 Scopo: conversione del quanto luminoso in un proporzionale numero di elettroni Azione: per ogni interazione che avviene nel cristallo, si determina un impulso elettrico proporzionale all energia rilasciata nel cristallo Gli impulsi vengono amplificati linearmente, selezionati in base alla loro ampiezza e memorizzati Confronto tra le ampiezze degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori e uscita di tre nuovi segnali (x, y, z) X e Y Raggio luminoso Fotocatodo Elettroni! coordinate del punto in cui é avvenuta la scintillazione Z Raggio gamma Scintillatore! somma degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori, proporzionale all energia rilasciata nel cristallo ab/01/2013 Elettrodo di focalizzazione Dinodo

14 Calcolatore Digitalizzazione dell immagine i segnali acquisiti sono immagazzinati nella memoria del calcolatore e ricostruiti in matrici numeriche (64x64,128x128,256x256 elementi o pixel) ogni elemento della matrice immagine (pixel) conterrà un numero corrispondente al conteggio di tutte le interazioni avvenute durante lʼacquisizione tra raggi gamma e cristallo di ioduro di sodio acquisizione dei conteggi nei pixels suddivisione del cristallo in aree discrete - pixels conteggi totali nei singoli pixels registrati nella memoria del computer * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ab/01/2013 Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche Scintigrafia planare (2D) Immagine di un singolo distretto corporeo (in questo caso tiroide) Modalità di acquisizione: planare (statica e dinamica) tomografica emissione di fotone singolo (SPECT) emissione di positroni (PET) Immagini whole body : 99m Tc-fosfonati ab

15 Esame tomografico Medicina Nucleare Immagini di strati (SPECT tomoscintigrafia) Esami statici: valutazione della distribuzione di un radiofarmaco a un tempo predefinito Esempi: tomoscintigrafia del miocardio tomoscintigrafia cerebrale Esami dinamici: valutazione sequenziale della distribuzione di un radiofarmaco, in genere a partire dalla somministrazione, per un periodo di tempo variabile 57 ab Studio dinamico Curve attività-tempo STUDIO STATICO " Acquisizione di una o più immagini nelle varie proiezioni ad un determinato tempo per valutare la distribuzione spaziale del radiofarmaco somministrato al paziente 58 scintigrafia tiroidea le variazioni temporali della concentrazione del tracciante sono determinate mediante le regioni di interesse (ROI, regions of interest) che delimitano le aree da studiare la concentrazione del tracciante viene quindi espressa come curva attività-tempo STUDIO DINAMICO Acquisizione di più immagini in sequenza temporale allo scopo di seguire nel tempo la distribuzione spaziale del radiofarmaco somministrato al paziente attività tempo scintigrafia renale dinamica ab/01/

16 ESAME DINAMICO scintigrafia renale sequenziale Scintigrafia renale dinamica (un rene che non funziona bene) Immagini 99m Tc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) GFR 99m Tc-MAG3 RPF Tracciato attività/ tempo Tracciato attività-tempo Curva radioattività tempo da un angiocardioscintigrafia all equilibrio GFR sn =18 ml/min GFR dx = 57 ml/min DIASTOL E SISTO LE 63 64

17 Analisi della curva Velocità di eiezione e riempimento EDV/sec Parametri poco usati se non in contesto sperimentale IMMAGINI PARAMETRICHE le immagini scintigrafiche ottenute rappresentano la distribuzione della radioattività nello spazio mediante post-processing é possibile ricostruire immagini che rappresentano parametri temporali, spaziali e funzionali (immagini parametriche) Analisi angiocardioscintigrafica riferita ad un ciclo cardiaco medio e immagini parametriche Tomografia per emissione Tecnica che fornisce mappe della distribuzione dei radiofarmaci in sezioni di organo di spessore definito Supera la rappresentazione bidimensionale di un volume caratteristica della scintigrafia tradizionale, e permettono una ricostruzione tridimensionale della distribuzione spaziale del radiofarmaco Mappa di fase Mappa di ampiezza 67 68

18 Medicina Nucleare - Tomografia SPECT = Single Photon Emission Computed Tomography PET = Positron Emission Tomography Anello di rivelatori SPE(C)T = Single Photon Emission (Computed) Tomography Gamma Camera # * # " + * e - # PET = Positron Emission Tomography 69 SPECT individua i raggi gamma emessi singolarmente da radionuclidi come 99m Tc, 123 I, e 111 In. richiede collimazione fisica radionuclidi positrone-emettitori come 11 C, 13 N, 15 O, e 18 F con positroni che si annichilano producendo coppie di raggi gamma che si muovono con verso opposto sulla stessa retta Collimazione elettronica con circuiti di coincidenza. Gamma camere SPECT multitesta Due o tre teste aumentano la sensibilità e pertanto permettono di ridurre il tempo di acquisizione l aumento della sensibilità permette anche di utilizzare collimatori ad alta risoluzione le gamma camere a due teste sono oggi l apparecchio più diffuso in medicina nucleare; permettono di eseguire anche esami total body in doppia proiezione oltre che SPECT SPECT: apparecchi non più utilizzati Gamma camere a tripla testa Apparecchio tomografico dedicato per l encefalo con anello di rivelatori permette studi dinamici ab ab012009

19 Vantaggi ampia diffusione SPECT costo relativemente contenuto dell apparecchio e dei radiofarmaci (in particolare rispetto alla PET) uso facile permette la valutazione quantitativa della concentrazione tessutale locale dei radiofarmaci e quindi analisi funzionali quantitative Limiti minima invasività (somministrazione ev, radiazioni) risoluzione spaziale limitata effetti dello scatter e della attenuazione da correggere Acquisizione dei dati SPECT I dati grezzi sono acquisiti durante la rotazione della camera acquisendo una serie di proiezioni* in modalità acquisizione continua step and shoot le proiezioni SPECT di solito sono acquisite in matrice 64 x 64 (60 or 64 projections) a 128 x 128 (120 or 128 projections) * Gli apparecchi moderni possono realizzare orbite di rotazioni non circolari in modo da avere l apparecchio quanto più vicino al corpo durante l acquisizione (per aumentare la sensibilità) Collimatori per SPECT Scelta del collimatore: risoluzione vs. sensibilità Il collimatore più usato è quello a fori paralleli i collimatori fan-beam possono essere usati per l encefalo fan beam fori paralleli da Wikipedia Metodi di ricostruzione delle immagini SPECT analitici 2DFourier Transform Filtered back projection (più usata in passato) iterativi ART, SIRT, LST (vecchi) MLEM (maximum likelihood expectation maximization), CG (conjugate gradient) Vedi anche: Journal of Nuclear Medicine Vol. 43 No Analytic and Iterative Reconstruction Algorithms in SPECT Philippe P. Bruyant, PhD 1

20 Attenuazione dei fotoni in SPECT Correzione dell attenuazione Un effetto inevitabile I raggi gamma che attraversano il corpo vengono attenuati in misura proporzionale alla distanza che devono percorrere (quindi di più se vengono da maggiore profondità) Nelle immagini non corrette per l attenuazione si ha l effetto che si vede nella figura a sinistra Immagine di una sezione di un fantoccio cilindrico riempito con 99mTc, senza correzione per l attenuazione gli effetti dell attenuazione sono maggiori nelle strutture più grandi (esempio addome, rispetto al cranio) Immagine di una sezione di un fantoccio cilindrico riempito con 99mTc, senza correzione per l attenuazione Immagine dopo correzione per l attenuazione metodi per la correzione dell attenuazione in SPECT Metodi analitici prericostruzione Intrinseci Post-ricostruzione Metodi empirici Misurazione dell attenuazione con sorgenti radioattive o con TC* Oggi il metodo della correzione misurata con TC tende a prevalere con la diffusione degli apparecchi ibridi SPECT-TC SPECT performance Controlli di qualità Risoluzione spaziale Fattori di ingrandimento X- e Y e controllo delle finestre di energia Allineamento delle immagini di proiezione al centro di rotazione Uniformità Inclinazione della testa 79

21 Risoluzione spaziale in SPECT Progressi nella SPECT Varia dal centro alla periferia (7-8 fino a mm, FWHM) Si misura con una sorgente lineare (capillare riempito di una soluzione con 99m Tc, parallelo all asse di rotazione) La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) raccomanda di utilizzare un cilindro omogeneo di 22 cm sdi diameter, contanente 3 sorgenti lineari Le FWHM sono calcolate dalle ricostruzioni trasversali ottenute con un filtro a rampa Naturalmente la risoluzione in vivo non potrà mai uguagliare quella misurata su fantoccio in condizioni ideali (anche per durata dello studio e conteggi acquisiti) Nuovi rivelatori Aparecchi ibridi SPECT-TC (già disponibili) SPECT-MRI (forse in futuro) Analisi dei dati filtri di ricostruzione - correzione dell attenuazione e dello scatter e degli effetti di volume parziale 82 Apparecchi ibridi SPECT-TC PET (Positron Emission Tomography) VEDI LEZIONE SUCCESSIVA possono fornire contemporaneamente informazioni strutturali e funzionali permettono quindi la localizzazione precisa delle eventuali alterazioni funzionali evidenziate nelle immagini SPECT migliorano la ricostruzione delle immagini (per quanto riguarda non solo la correzione dell attenuazione ma anche dello scatter e degli effetti di volume parziale) NB per i possibili apparecchi SPECT-MRI è indispensabile lo sviluppo di rivelatori RM compatibili