FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione IV,22.05.13) Anno Accademico 2012-2013 Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica per Immagini e Radioterapia Marta Ruspa 1
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FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE
(lezione IV,22.05.13)
Anno Accademico 2012-2013
Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica
per Immagini e Radioterapia
Marta Ruspa
1
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 180o 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
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Differenze tra PET e SPECT
PET:
due fotoni emessi in direzione opposta
SPECT:
un solo fotone
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In PET la linea di volo dei fotoni è determinata dalla coincidenza di due rivelatori (collimazione elettronica)
Rivelatore 1 Rivelatore 2
Misura più precisa della direzione dei fotoni rispetto alla SPECT
L’assenza di collimatori permette maggiore efficienza (frazione di decadimenti rivelati) e quindi minore esposizione alle radiazioni e misure più veloci
Differenze tra PET e SPECT
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La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x e quindi raggiunga il rivelatore
Correzione per attenuazione in PET
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La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x e quindi raggiunga il rivelatore
Probabilità che il fotone 2 raggiunga il rivelatore:
Correzione per attenuazione in PET
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La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x e quindi raggiunga il rivelatore
Probabilità che il fotone 2 raggiunga il rivelatore:
Probabilità di rivelare entrambi i fotoni:
Correzione per attenuazione in PET
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La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x e quindi raggiunga il rivelatore
Probabilità che il fotone 2 raggiunga il rivelatore:
Probabilità di rivelare entrambi i fotoni:
La correzione per attenuazione dipende solo dallo spessore del corpo lungo la linea congiungente i due rivelatori, ma non dalla coordinata x e puo’ quindi essere valutata a priori diversamente dal caso SPECT -> migliore ricostruzione tomografica
Correzione per attenuazione in PET
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Struttura esagonale
Struttura circolare
Ogni rivelatore può essere in coincidenza con ognuno dei rivelatori del piano opposto (elevata efficienza dei sistemi PET rispetto all’imaging a fotone singolo)
Per avere un campionamento spaziale e angolare completo si ruota l’intera struttura di 60o in passi di 5o
Anello circolare di rivelatori
Disposizione dei rivelatori
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In (a) i fotoni non collineari, come nelle annichilazioni originate in B e C, non danno luogo a coincidenza e vengono trascurate dal dispositivo. I fotoni originati in A sono invece collineari.
Vista frontale (a) e dell’alto (b) di un dispositivo PET
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Requisiti del rivelatore per PET
Energia superiore alla SPECT Rivelazione in coincidenza
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Requisiti del rivelatore per PET
Ioduro di sodio
Germanato di bismuto
Silicato di gadolinio
Silicato di lutezio
Energia superiore alla SPECT (511 KeV)
Numero atomico effettivo alto Quanta piu’ intensa luce possibile rivelata Indice di rifrazione e lunghezza d’onda (accoppiamento con fotocatodo)
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Tipologie di rivelatore per PET
Rivelazione in coincidenza: entro un prefissato intervallo di tempo, la cui ampiezza e’ regolata in modo da stabilire i limiti della condizione di contemporaneita’, tenuto conto del tempo di decadimento dell’emissione luminosa
Rivelazione in coincidenza
Velocita’ di emissione della luce
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Tipologie di rivelatore per PET
Anche: gammacamere a due teste
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Rivelatori a blocchi
Anelli di blocchi
Cristalli 4-8 mmx30mm raggruppati in blocchi, per esempio di 6x6 o 8x8. Ogni blocco “visto” da un gruppo di fotomoltiplicatori
Blocchi organizzati in anelli di diametro 80-90 cm Nei moderni tomografi 3-4 anelli di blocchi Acquisizioni entro una finestra energetica come nella gammacamera Risoluzione spaziale 4-6 mm
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Eventi di rumore nella PET
Eventi di scatter (diffusione), coincidenze random o multiple aumentano il tempo morto e rovinano la qualita’ dell’immagine
(Compton, perdono la corretta informazione spaziale originale)
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Acquisizioni PET 2D: setti interplanari Riduzione degli eventi Compton entro il campo di vista (scatter) e degli eventi random provenienti da sorgenti fuori dal campo di vista
MA penalizzano l’efficienza 17
Nelle acquisizioni “3D” i setti interplanari vengono rimossi e si registrano coincidenze tra rivelatori alloggiati in qualsiasi combinazione di anelli
Ne risulta un aumento di un fattore 6 in efficienza, MA che cosa succede al rumore di fondo?
SCATTER setti interplanari 3D cuore: 14-15% 60-70% cervello: 8-9% 35-40%
Acquisizioni PET 3D
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Coincidenze random
Si usano con successo circuiti di coincidenze ritardate, che utilizzano finestre temporali ritardate in modo tale che non possano essere rivelate in esse delle coincidenze “true” (un ritardo di 100 ns rispetto ai 10-15 ns usuali e’ adeguato). In tali finestre sono quindi registrate solo le coincidenze casuali, che vengono poi adeguatemente sottratte.
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Rivelatore NaI
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Energi (KeV) Spessore (mm) Efficienza % NaI(Tl)
Efficienza % BGO
Efficienza % LSO
140 511 140 511
10 10 25 25
93 29 100 58
100 62 100 91
100 58 100 89
Efficienza
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Energi (KeV) Spessore (mm) Efficienza % NaI(Tl)
Efficienza % BGO
Efficienza % LSO
140 511 140 511
10 10 25 25
93 29 100 58
100 62 100 91
100 58 100 89
Energia NaI(Tl),3/8” NaI(Tl),5/8” NaI(Tl),1” BGO,30 mm 140 f. singolo 511 f, singolo 511 coincidenza
90 28 7.8
100 45 20.2
100 56 31
100 95 90.3
Efficienza
Risoluzione spaziale
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BGO vs NaI
Risoluzione energetica
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BGO vs NaI
I rivelatori NaI hanno il vantaggio indubbio di una migliore risoluzione spaziale ed energetica, ma sono altamente penalizzati per la scarsa efficienza all’energia di 500 KeV.
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Come aumentare la risoluzione spaziale?
MA se le dimensioni sono troppo piccole non contengono piu’ il range dei positroni….
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Range dei positroni
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Risoluzione spaziale Tenendo conto di quanto detto e del fatto che i fotoni non sono emessi in modo perfettamente collineare…
La risoluzione spaziale, quantificabile attraverso il parametro FWHM (Full Width Half Maximum, larghezza a metà altezza della gaussiana), non può migliorare oltre un certo limite e sicuramente sarà maggiore del range dei positroni
Limite teorico: 2.5 mm, in media 4.5 mm
cm
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Fisica nella medicina nucleare terapeutica
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Somministrazione di radiofarmaci (diffusibili o non diffusibili) a scopo curativo o palliativo.
Si possono sfruttare la proprieta’ di alcuni tessuti di metabolizzare particolari elementi per far si’ che isotopi radioattivi di tali elementi si concentrino in modo selettivo nella zona da trattare.
Terapie con irraggiamento interno
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Parametri biologici
Dimezzamento biologico
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Dimezzamento effettivo
Dimezzamento fisico Dimezzamento fisico N = N0 e-t/τfis Dimezzamento biologico N = N0 e-t/τbiol
Dimezzamento effettivo N = N0 e-t(1/τbioll + 1/τfis)
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Esercizio 9: il 59Fe viene somministrato ai pazienti per diagnosticare le anomalie del sangue. Determinare il tempo di dimezzamento effettivo, essendo il periodo di dimezzamento del radionuclide di 46.3 giorni e il periodo di dimezzamento biologico di 65 giorni.
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