Nuovi strumenti diagnostici CT-PET per le indagini morfologiche e

fisiologiche in simultanea

Nuovi strumenti diagnostici CT-PET per le indagini morfologiche e

fisiologiche in simultanea

UNIVERSITA’ DI PISADIPARTIMENTO DI FISICA “E. FERMI”27 Giugno 2002

DANIELE PANETTA

Corso di Ottica Quantistica – Prof. Danilo GiuliettiA. A. 2001/2002

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Contenuti:

• Concetto di tomografia

• Principi fisici dell’indagine morfologica CT

• Principi fisici dell’indagine PET

• Motivazioni per tomografia combinata CT-PET

• Fusione delle immagini: i problemi

• Conclusioni

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Radiografia convenzionale:• Oggetti fisici posti sulla stessa linea

di irraggiamento non possono essere distinti

Concetto di tomografia

• Scarso contrasto su tessuti con coefficiente di attenuazione simile

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Concetto di tomografia

Imaging tomografico:

Il corpo del paziente viene visualizzato a “fette” (slices)

CT

SPECT

MRI

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Concetto di tomografia

Tipi di imaging tomografico:

• Trasmissivo: sorgente esterna al paziente (CT)

• Emissivo: sorgente interna al paziente, in seguito ad iniezione di opportuni traccianti (PET, MRI, SPECT)

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Computed Tomography

• Imaging trasmissivo (trasmissione di raggi X attraverso il paziente)

• Indagini di tipo morfologico (informazioni in 3D multi- slice sull’anatomia)

• Alta capacità di discriminare tessuti con diverse proprietà di attenuazione (sensibilità),

regolando l'intensità del fascio incidente

• Alta risoluzione spaziale

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Computed Tomography

Sorgente di raggi X:

• Tubi radiogeni – elettroni fortemente accelerati colpiscono un bersaglio di metallo pesante (Re,W,Mb)

• Radiazione policromatica (htra 40 keV e 140 keV)

• La radiazione viene collimata a seconda del tomografo CT usato (generalmente, in modalità fan-beam)

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Computed Tomography

Rivelatori:

• Cristalli a scintillazione

• Camere proporzionali (MWPC)

• Fotodiodi al silicio

• Strip di CCD

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Evoluzione degli scanner CT

I II

III e IV

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Evoluzione degli scanner CT

1975 2001Tempo di acquisiz.di una immagine

Dimensione dei pixel

Num. di pixel inuna immagine

5 minuti 0,5 secondi

3 mm x 3 mm 0,5 mm x 0,5 mm

6400 256000

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Principi di ricostruzione CT

• Integrale di linea

• Un set di integrali di linea

è detto proiezione

• La proiezione è la trasformata di Radon della (x,y) lungo una linea

L’attenuazione dei raggi X nel tessuto segue la legge di attenuazione esponenziale

μx)(II(x) exp0

linea

dlyxI

I),(ln

0

dxdyxyxyxx )'sincos(),()'(

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Il Fourier Slice TheoremLa trasformata di Fourier unidimensionale della proiezione lungo la linea indirezione è uguale alla trasformata di Fourier bidimensionale dell’immagine(x,y) calcolata sulla retta in direzione nello spazio delle frequenze

• Soluzione “esatta” del problema di ricostruzione

• Garantisce la possibilità di passare nello spazio delle frequenze tramite le proiezioni

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RetroproiezioneLe varie proiezioni vengono bidimensionalizzate e “sommate”

• Uno dei più antichi metodi di ricostruzione

• Occorre un gran numero di proiezioni per non avere disturbi

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La Filtered Back Projection (FBP)Si passa nello spazio di Fourier, filtrando le proiezioni. In seguito si esegue l’antitrasformata e si retroproietta

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Positron Emission Tomography

Radiofarmaco marcato + somministrato al paziente

Emissione isotropa di + , che localizza la distribuzione funzionale di radiofarmaco

+ annichila nel tessuto produzione di due fotoni di annichilazione quasi-opposti (Eg 0.511 MeV)

Fotoni di annichilazione rivelati in coincidenza elettronica

Ricostruzione della Linea di Volo (LOF) misurata

imaging funzionaleimaging funzionale

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Radionuclidi• Disponibilità di elementi metabolici: 11C, 15O, 13N, (18F al posto di OH-)

(carboidrati, amminoacidi, lipidi, substrati naturali, grande varietà di molecole e composti)

• Produzione di segnale rilevabile (fotoni di annichilazione) da una massa relativamente piccola

1 Ci (37 GBq) di 18F pesa 24 pg

La PET è la tecnica con la più bassa dose fornita al paziente

• Nessun effetto farmacologico o tossicologico per il paziente

• Nessun interferenza nella misura o produzione di rumore di fondo

corta vita media dei + emitters ciclotrone in loco

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Imaging morfologico e funzionaleLo scan PET rivela aree di anormale attività, ma l’esatta localizzazione è sconosciuta

PETPET

Un’immagine CT mostra precisamente l’anatomia del corpo ma non ne rivela la funzionalità chimica

CTCT

L’immagine dell’atmosfera presa da un satellite mostra le aree di intensa attivià ma non le localizza in un preciso contesto geografico

La mappa mostra i confini degli stati ma non l’attività meteorologica

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Sistema di coincidenza elettronica

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Tipi di eventi di coincidenza

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Attenuazione

x D - x

Probabilità di rivelare la coincidenza:

e-D = e-x · e-D-x)

Indipendente dalla posizione di annichilazionelungo la linea di volo

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Fusione delle immagini• Combinando le informazioni fornite da uno scan CT, è possibile correggere con precisione gli errori dovuti all’attenuazione

• (x,y) dipende dall’energia dei fotoni, quindi le informazioni sull’attenuazione fornite dalla CT dovrebbero essere

“scalate” all’energia dei fotoni di annichilazione (511 keV), corrette per errori dovuti alla diffusione Compton, e "smoothed" per ridurre l'elevato rumore statistico

• si ricorre a tecniche di segmentazione in cui l'informazione grossolana ed affetta da errori della CT permette comunque di individuare le regioni corrispondenti a vari valori di :

• individuate le regioni, il valore di mu viene sostituito con dati tabulati (privi di errore, senza esigenza di riscalatura e correzione)

• La CT crea una mappa morfologica, localizzando le zone in cui sono presenti i diversi tessuti (aria, muscoli, ossa)

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Fusione delle immagini

PET / CT ImagePET / CT Image

Weather MapWeather Map

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Immagine dell’anno 1999

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Schema costruttivo di un tubo a raggi X

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Spettro di radiazione - bersaglio spesso al tungsteno

28Tubo radiogeno

Rivelatori

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Rivelatori