OTTIMIZZAZIONE PET-CT SPECT-CT

OTTIMIZZAZIONE PET-CT SPECT-CT Principi Fisici, Tecnologia e Radioprotezione del Paziente Corsi di aggiornamento ai sensi D. lgs. 187/2000 Edizione 2011 Dott. Fabio Tanzi Esperto in Fisica Medica S.C. Fisica Sanitaria Ospedale di Circolo e Fondazione Macchi VARESE Schema 1.Richiami di radioprotezione in Medicina Nucleare 2.Nuove apparecchiature PET: Principi Fisici 3.Tecnologia: PET Extended Axial FOV 4.Ottimizzazione in CT

Possibili impostazioni 1. Presentazione classica dei principi di ottimizazione in NM 2. Presentazione scientifica in cui si presentano alcuni esempi di CALCOLO in cui si evidenziano rispparmi di dose agli organi critici in alcuni esempi (risparmio di dose alla vescica in caso di diuretico e di frequenza delle minzioni, Risparmio di dose all intestino in caso di somministrazione di lassativi, ecc.) => richiede TEMPO e presuppone una trattazione rigorosa (dà materiale per fare un articolo) 3. Presentare come gli avanzamenti della Tecnologia possono essere utilizzati ai fini dell ottimizzazione Dosimetrica Richiami di radioprotezione in Medicina Nucleare Schema concettuale ICRP: GIUSTIFICAZIONE OTTIMIZZAZIONE LIMITAZIONE DELLE DOSI INDIVIDUALI

Richiami di radioprotezione in Medicina Nucleare Ottimizzazione (della radioprotezione): Scopo: diminuzione della Dose Efficace al paziente a parità di contenuto diagnostico dell indagine medico-nucleare Si ottimizza mediante: Scelta del radioisotopo Scelta della molecola da marcare (radiofarmaco) Controllo di qualità del radiofarmaco Scelta dell apparecchiatura più adatta Scelta della tecnica di acquisizione più opportuna Scelta della tecnica di ricostruzione più opportuna Controllo di qualità dell apparecchiatura Richiami di radioprotezione in Medicina Nucleare Metodi per ridurre la dose al Paziente 1) idratazione e frequenti minzioni per radiofarmaci escreti per via urinaria (organo bersaglio = vescica) esempio: 99m Tc MDP nella scintigrafia ossea 2) lassativi per radiofarmaci escreti per via biliare e intestinale (organo bersaglio = intestino) esempio: 67Ga citrato nella scintigrafia per la ricerca dei foci flogistici 3) iodio stabile (soluzione di Lugol) ) o perclorato di potassio per radiofarmaci marcati con 123 I o 131 I esempio: 123 I-MIBG per scintigrafia adrenomidollare o 131 I- colesterolo per scintigrafia corticosurrenalica

Nuove apparecchiature PET: Principi Fisici Cosa ha introdotto, di nuovo, l industria negli ultimi 5 anni (2005-2010) nel campo della Medicina Nucleare? La PET con correzione TOF può essere considerata l innovazione più importante dal punto di vista fisico (cambia il concetto di rivelazione in coincidenza). La PET con Extended Axial FOV può essere considerata la più importante innovazione dal punto di vista tecnologico. La PET con correzione TOF Time Of Fly: correzione per il Tempo Di Volo. Introdotta sul mercato da diverse ditte verso il 2006-2009

T.O.F. : principi fisici Si tratta della possibilità di discriminare gli istanti di tempo in corrispondenza dei quali avvengono le scintillazioni entro il picco a 511 kev nei due cristalli posti in coincidenza. Richiede una risoluzione temporale molto elevata (ritardi dell ordine di 1 ns). La risoluzione temporale ( t) elevata richiesta si traduce, dal punto di vista tecnologico nella ricerca di cristalli con tempi di produzione della luce più ridotti. T.O.F. : principi fisici Ottimo riferimento bibliografico con una trattazione semplice: State of the art and challenges of Time of Flight PET : Maurizio Conti, Physica Medica (2009) 25, 1-11.

T.O.F. : principi fisici T.O.F. : i cristalli

T.O.F. : principi fisici Si tratta, quindi, della possibilità di tradurre il ritardo relativo tra un segnale in un detector, ed il segnale nel detector con esso in coincidenza, in una misura (stima) della posizione, lungo la LOR, alla quale è avvenuta l annichilazione! Viene superato il concetto di LOR!!!

585x10-12 s Si rivela una distanza di annichilazione dell ordine dei 17 cm!!

Disegni della LOR e della zona delimitata dal TOF : T.O.F. : principi fisici x t c 2 = C=2.99x10 8 m/s T.O.F. : principi fisici La risoluzione temporale finita ( t) si traduce in una (piccola) incertezza (deviazione standard) nella determinazione della posizione dell annichilazione lungo la LOR Questo si traduce nell introduzione di una distribuzione di probabilità (Gaussiana) che descrive la probabilità di trovare la posizione (esatta) dell evento di annichilazione lungo la vecchia LOR (figura) f x, σ x ( x) = σ x 1 ( 2 π ) e ( x x ) 2 2σ x 2

T.O.F. : principi fisici

SNR = SNR k n = T.O.F. : Vantaggi PER DISTRIBUZIONE CILINDRICA DI ATTIVITA NEL FOV, DI DIAMETRO D, IL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE IN UN ELEMENTO DI IMMAGINE DI DIAMETRO d T= TRUE 2 T T + S + R D x TOF SNR NON TOF 2 T NECR = T + S + R => NECR R=RANDOM S=SCATTER n= NUMERO DI ELEMENTI DI VOLUME CHE INFLUENZANO IL RUMORE IN d t x = c 2 D = x TOF NECR NON TOF

T.O.F. : Vantaggi QUESTO SIGNIFICA CHE IL GUADAGNO DI NECR, NEL CASO DELLA CORREZIONE TOF: è DIRETTAMENTE PROPORZIONALE AL DIAMETRO DEL PAZIENTE é INVERSAMENTE PROPORZIONALE ALL INCERTEZZA DI POSIZIONAMENTO DELL EVENTO OSSIA è DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALLA RISOLUZIONE TEMPORALE DEL SISTEMA (CRISTALLI+ELETTRONICA) => I VANTAGGI MAGGIORI SI AVRANNO SU PAZIENTI OBESI T.O.F. : Vantaggi

T.O.F. : Vantaggi QUESTO SIGNIFICA CHE IL GUADAGNO DI NECR, NEL CASO DELLA CORREZIONE TOF: SI AVRA MIGLIOR RAPPORTO SEGNALE/RUMORE PER PAZIENTI DI GRANDE DIAMETRO!! SI AVRA IN OGNI CASO MIGLIOR RAPPORTO SEGNALE/RUMORE PER PAZIENTI DI GRANDE DIAMETRO!! Se D 1 NECR TOF = NECR NON x TOF Dato che Dx è fissato dalla macchina => l unica variabile è D Del paziente!!! => Il guadagno in NECR è dipendente dal singolo paziente!!

EXTENDED AXIAL FOV PET Si tratta della possibilità di aumentare il numero di anelli di rivelatori. Attualmente i tomografi PET presentano un numero di anelli di rivelatori pari a circa 32, i rivelatori hanno tipicamente dimensioni pari a 4-5 mm in senso assiale Il FOV assiale risulta pertanto pari a circa 16 cm Il FOV assiale di dimensioni così ridotte implica che i rivelatori vedono solo una piccola porzione del paziente (dell attività presente nel paziente) EXTENDED AXIAL FOV PET Articolo molto semplice ed esplicativo: Se la PET si allunga, Gianni Borasi, Federica Fioroni, U.O. Fisica Sanitaria, Arcispedale S. Maria Nuova, Reggio Emilia, Fisica in Medicina 3, 2009, 209-213.

EXTENDED AXIAL FOV PET EXTENDED AXIAL FOV PET

EXTENDED AXIAL FOV PET EXTENDED AXIAL FOV PET I limiti attuali della PET Quale è stato il trend PET/CT degli ultimi anni? Oltre a giovarsi, come era del tutto prevedibile, del miglioramento della TC ha compiuto anch essa progressi rilevanti. Principalmente con l introduzione di nuovi cristalli rivelatori (LSO, GSO, LYSO) e di nuovi algoritmi di ricostruzione di tipo iterativo, mediante l impiego di componenti elettroniche sempre più veloci, con la possibilità di sincronizzazione dell acquisizione con il movimento respiratorio ( gating ) e, soprattutto, con l introduzione della metodica del tempo di volo (TOF)[4] [14] [15] [5]

EXTENDED AXIAL FOV PET Nonostante questi notevoli progressi, la lunghezza del cilindro di rivelatori che rappresenta la lunghezza sensibile del sistema ( campo di vista ) da molti anni è rimasta sostanzialmente la stessa (15-18 cm). Questa geometria di acquisizione intercetta una frazione assai piccola della radiazione emessa in ogni istante (efficienza geometrica 0.2). Di conseguenza, per ottenere, ad esempio, un esame total body di circa 80 cm di lunghezza (dalle tempie alla vescica del paziente) occorre eseguire 6-8 scansioni statiche successive ( viste ). Le singole viste adiacenti, ottenute con la traslazione del lettino, devono naturalmente prevedere anche una opportuna regione di sovrapposizione EXTENDED AXIAL FOV PET Il tempo di acquisizione cresce in proporzione al numero delle viste: un esame standard con la somministrazione di 10 mci di FDG prevede circa 3 per ogni vista e quindi circa 25 per ottenere l esame completo, cui si deve aggiungere circa un minuto per la scansione CT. Riferendosi principalmente agli esami total body di diagnostica oncologica (che rappresentano circa il 90% degli esami PET), questa procedura presenta notevoli limitazioni.

EXTENDED AXIAL FOV PET In primo luogo la ridotta lunghezza della regione sensibile incide negativamente sul tempo complessivo dell esame non solo imponendo viste multiple ma anche (e soprattutto!) perché limita l angolo massimo (rispetto alla direzione radiale del sistema) di accettazione delle Linee di Risposta (LOR), cioè delle linee di volo della coppia di fotoni che provengono dal medesimo evento di annichilazione. La sensibilità della PET dipende infatti in modo quadratico da questo parametro (si è ben apprezzata l importanza di questo parametro quando si è passati dall acquisizione 2D a quella 3D!). EXTENDED AXIAL FOV PET Il lungo tempo di scansione favorisce anche artefatti dovuti ai possibili movimenti del paziente, in particolare nella registrazione con le immagini CT. Analogamente la giusta posizione delle viste successive determina facilmente artefatti in organi inclusi in più di un campo di vista. Una limitazione anche più grave riguarda la possibilità di valutazioni quantitative: il fatto che regioni corporee diverse vengono acquisite in tempi diversi rende di fatto impraticabili studi dinamici per i quali deve essere valutato l andamento temporale del tracciante nella stessa regione. La stessa valutazione del SUV, se effettuata in funzione del tempo, potrebbe offrire informazioni diagnostiche di più elevata attendibilità (IMPORTANZA).

EXTENDED AXIAL FOV PET La sfida della nuova geometria a campo di vista esteso Una PET con un campo di vista assiale (AFOV) esteso ( 90 cm) rappresenterebbe la soluzione ideale per una vasta classe di problemi. Per essere di interesse pratico questi nuovi sistemi devono tuttavia risolvere i nuovi problemi che questa geometria introduce, sia da un punto di vista della Fisica del sistema che dal punto di vista dei costi. EXTENDED AXIAL FOV PET La sfida della nuova geometria a campo di vista esteso L elettronica di rivelazione, può, naturalmente, diventare un elemento critico perché deve gestire un flusso fotonico che cresce più che proporzionalmente alla lunghezza dell AFOV. Il problema principe è però il costo del sistema che, nella PET, deriva in larga misura (circa il 40-60 %) dal volume di cristallo scintillatore impiegato.

EXTENDED AXIAL FOV PET Prime proposte e prototipi Ci sono indizi di una evoluzione della PET verso un sistema con il campo di vista più lungo? Da un punto di vista commerciale, Siemens ha proposto recentemente un sistema PET/CT che porta da 3 a 4 il numero di anelli di rivelatori, con un aumento dell AFOV da 16 a 22 cm circa e con implementazione del TOF. Le prestazioni dichiarate sono considerevoli. Tuttavia, forse, è solo l inizio di una nuova epoca, che si può far iniziare con il lavoro seminale di Badawi al.[1], dell Università di Washington a Seattle, sull effetto della geometria della PET sulle sue prestazioni. EXTENDED AXIAL FOV PET In questo lavoro, assumendo come riferimento le caratteristiche della PET GE Advance, viene simulato con metodo di Monte Carlo su fantoccio antropomorfo (1 metro di lunghezza di scansione, 10 mci di FDG somministrato, un ora di attesa) l effetto dell aumento dell AFOV da 15 a 60 cm e di una variazione del diametro degli anelli (DRD) da circa 60 a 108 cm. I risultati più importanti sono che, a parità di DRD, passando da un AFOV di 15 cm ad uno di 60 cm, il NEC cresce di circa 7 volte, mentre la frazione di scatter cresce dal 30 al 34 % al crescere dell AFOV da 15 a 30 cm, per poi mantenersi sostanzialmente costante a questo valore.

EXTENDED AXIAL FOV PET Costo o qualità? Le possibilità offerte da un aumento della lunghezza del campo di vista, ben oltre quello ipotizzato da Badawi[1], sono analizzate in un lavoro recente di Eriksson et al[1] del gruppo della Siemens Medical Solutions di Knoxville Nella figura che segue sono riportati i profili di sensibilità, cioè la risposta dei rivelatori nella direzione assiale, quando sull asse venga posta una sottile sorgente rettilinea di grande lunghezza. I primi due grafici in alto rappresentano i modelli Siemens attuali (HIREZ a tre anelli di rivelatori, campo di vista 16.4 cm e TruePoint a quattro anelli di rivelatori, campo di vista 22 cm). Entrambi i sistemi di Rivelatori sono basati su cristalli di LSO. Si osserva che per coprire un campo assiale di 70 cm occorrono, nel primo caso, 7 viste (rappresentate dai trapezi), mentre nel secondo sono sufficienti 5 viste. EXTENDED AXIAL FOV PET Costo o qualità? Le possibilità offerte da un aumento della lunghezza del campo di vista, ben oltre quello ipotizzato da Badawi[1], sono analizzate in un lavoro recente di Eriksson et al[1] del gruppo della Siemens Medical Solutions di Knoxville Nella figura che segue sono riportati i profili di sensibilità, cioè la risposta dei rivelatori nella direzione assiale, quando sull asse venga posta una sottile sorgente rettilinea di grande lunghezza. I primi due grafici in alto rappresentano i modelli Siemens attuali (HIREZ a tre anelli di rivelatori, campo di vista 16.4 cm e TruePoint a quattro anelli di rivelatori, campo di vista 22 cm). Entrambi i sistemi di rivelatori sono basati su cristalli di LSO. Si osserva che per coprire un campo assiale di 70 cm occorrono, nel primo caso, 7 viste (rappresentate dai trapezi), mentre nel secondo sono sufficienti 5 viste.

EXTENDED AXIAL FOV PET COMMENTO AI PROFILI DI SENSIBILITA 1) Notare come allungando il FOV Assiale si aumenta l ordinata del profilo (aumenta la sensibilità del sistema) 2) Notare come sia in linea di principio possibile diminuire il numero di lettini necessari a coprire tutta la zona da scansionare 3) Attenzione a NON pensare che si possa fare tutto contemporaneamente: 1) Diminuire il tempo/vista 2) Diminuire il n di viste 3) Diminuire Attività iniettata Al massimo si può fare solo 1 di questwe cose per volta: Commentare la questione (Chimera) della riduzione dell Attività iniettata

COMMENTO AI PROFILI DI SENSIBILITA 1) Le attività impiegate sono già molto ridotte 2) Non è possibile pensare di ridurre a piacere l Attività 3) Si tenga presente SEMPRE il rumore statistico della immagini di NM! 4) Ricordare l analogia con l introduzione dei CR al posto dello schermo-pellicola!!! (risposta lineare in Dose, ecc => ergo. NO! ) 5) Una Consistente riduzione dell Attività (ma CON TEMPI DI SCANSIONE PRESSOCHE UGUALI AGLI ATTUALI) SAREBBE APPLICABILE SOLO CON TOMOGRAFI CON FOV ASSIALE DI DIMENSIONI >= A 30-40 cm!!! (cioè dotati di una sensibilità che sia un ordine di grandezza superiore) EXTENDED AXIAL FOV PET Il FOV assiale di dimensioni così ridotte implica che i rivelatori vedono solo una piccola porzione del paziente (dell attività presente nel paziente) Questo implica una sensitività molto bassa, cioè una scarsa efficienza di rivelazione Questo costringe ad acquisire più lettini per coprire tutta la lunghezza di interesse

EXTENDED AXIAL FOV PET Il FOV assiale di dimensioni così ridotte implica che i rivelatori vedono solo una piccola porzione del paziente (dell attività presente nel paziente) Questo implica una sensitività molto bassa, cioè una scarsa efficienza di rivelazione Questo costringe ad acquisire più lettini per coprire tutta la lunghezza di interesse EXTENDED AXIAL FOV PET Il profilo di sensibilità di un tomografo PET ha una forma del tipo a trapezio Questo implica che i diversi lettini devono avere delle zone di sovrapposizione per poter evitare artefatti dovuti alla caduta di sensitività ai bordi del FOV assiale! Il fatto di acquisire diversi lettini a tempi diversi implica la necessità di correggere i conteggi per il decadimento Il fatto di acquisire diversi lettini a tempi diversi implica che non vi è contemporaneità tra la distribuzione di attività rivelata nei diversi lettini!

EXTENDED AXIAL FOV PET La possibilità di aumentare il numero di anelli di rivelatori permette di superare tutti i problemi evidenziati: Maggior volume del paziente entro il FOV assiale => 1. Maggior sensibilità del sistema: 2. Minor numero di lettini richiesti per scansionare una determinata lunghezza EXTENDED AXIAL FOV PET Maggior sensibilità del sistema: Passando da un FOV assiale pari a 16 cm ad un FOV assiale pari a 32 cm si avrebbe: un aumento di sensibilità da circa il 2% a circa il 30% La possibilità di coprire una lunghezza di scansione pari a 140 cm con soli 4 lettini anziché 8 lettini. La possibilità di effettuare la scansione, mantenendo lo stesso rapporto segnale/rumore, in metà del tempo La possibilità di effettuare la scansione, mantenendo lo stesso rapporto segnale/rumore, utilizzando lo stesso tempo ma dimezzando l Attività Iniettata!!!!

Prime idee e proposte Lavoro teorico di Badawi et al. Università di Washington, Seattle, con metodo Montecarlo su fantoccio antropomorfo (IEEE Transactions on Nuclear Science 47, 2000, 1228-1232): Passando da un FOV assiale pari a 15 cm ad un FOV assiale pari a 60 cm si avrebbe, con contemporaneo aumento del diametro degli anelli da 60 a 108 cm: Un aumento di NECR di circa 7 volte (x7) Un aumento della scatter fraction che passa da circa il 30% per un AFOV di 15 cm a circa il 34% per un AFOV di 30 cm La scatter fraction rimane costante per AFOV> 30 cm!!! Prime idee e proposte Primi prototipi: Gruppo di Siemens Medical solution di Knoxville: First time measurements of transaxial resolution for a new high sensitivity PET prototype using 5 LSO flat panel detector : Jones, everman, Reed et al. : Nucl. Science Symposium Conference Record, 2002 IEEE, pp 694-698. prototipo P395H Utilizza dei flat panel di grandi dimensioni (53 cm in direzione assiale x 37 cm in direzione transassiale) montati a formare i lati di un esagono in rotazione continua (30 giri/min) Ogni pannello ha 70 blocchi di rivelatori Ogni blocco è una matrice di 12x12 cristalli Ogni cristallo ha dimensioni di 4x4x20 mm

prototipo P395H Prime idee e proposte Questa geometria consente di ridurre di un fattore 4 i fotomoltiplicatori Il sistema presenta una sensibilità sull asse di circa il 2% (con sorgente da 70 cm, NU2-2001) Frazione di scatter di circa il 40% Risoluzione spaziale dell ordine dei 5 mm prototipo Hamamatsu Prime idee e proposte FOV di 68,5 cm Il sistema di rivelazione è costituito da 12 anelli Ogni anello è costituito da 60 blocchi di rivelatori Ogni blocco è una matrice di 16x8 cristalli di BGO Ogni blocco è accoppiato ad un fotomoltiplicatore di nuovo tipo, sensibile alla posizione della luce di scintillazione Tra ogni blocco sono posizionati dei setti metallici (180 mm di altezza x 5 mm di spessore) per ridurre la frazione di scatter! Per ridurre la frazione di scatter il lettino si muove in modo continuo per una distanza pari alla distanza tra i due setti (57.6 mm) Si tratta di una nuova geometria intermedia tra il 2D e il 3D (detta anche 2,5 D)

prototipo Hamamatsu Prime idee e proposte Ha una sensibilità sull asse pari a circa 0,97% (NU2-2001) Frazione di scatter pari a circa 31 % Picco di NEC di 113.6 kcps a 10,5 kbq/ml Non sono forniti dati di risoluzione spaziale Protocollo di acquisizione: Scansione del paziente con due vista da 10 minuti ciascuna LA TECNOLOGIA E L OTTIMIZZAZIONE IN CT

Sistemi di Modulazione AEC = Automatic Exposure Control Stato dell arte, anno 2011 2006

Condiderazioni sulla Dose: MODULAZIONE del fascio X E possibile ottimizzare l erogazione del fascio di raggi X: => Modulando i ma durante la rotazione di 360 (modulazione transassiale) che tiene conto dello spessore del paziente in funzione dell angolo (una specie di Automatic Exposure Control) => Modulando i ma durante il movimento del lettino (modulazione assiale) che tiene conto del profilo del paziente misurato con lo scanogramma. => Applicare entrambe le modulazioni : Siemens la chiama CareDose4D MODULAZIONE transassiale Intensità del fascio (ma) rivelatori paziente rivelatori Intensità del fascio (ma) I rivelatori chiedono al tubo di erogare corrente fino ad aver raggiunto un prefissato livello di segnale

MODULAZIONE assiale Intensità del fascio (ma) rivelatori paziente Intensità del fascio (ma) POSIZIONE LETTINO

SISTEMI BASATI SULLA DEVIAZIONE STANDARD (rumore) Dei numeri CT: tengono FISSO il rumore

SISTEMI BASATI SU QUALITà UGUALE AD UNA IMMAGINE DI Riferimento (ottimale)

Fine, Grazie per la vostra attenzione!!