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ab/10/2005

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II”

Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica

Anno accademico 2005-2006

Diagnostica per Immagini Argomento 5A

Medicina NucleareArturo Brunetti

Tel 0817463102 Fax 0812296117

e-mail: brunetti@unina.it

MEDICINA NUCLEARE

Utilizzazione di radionuclidia scopo diagnostico

e terapeutico

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MEDICINA NUCLEARE

DIAGNOSTICA

in vitro

in vivo

TERAPIA

Radioterapiametabolica

MEDICINA NUCLEARE

•Le applicazioni medico nucleari in vivo hanno iseguenti scopi:•esplorare e misurare particolari funzioni organiche emisurarle per verificare se siano normali od alterate e stabilirel’entità dell’alterazione

•evidenziare lesioni localizzate in organi o apparati attraversol'alterazione di funzioni biologiche che la lesione determina

•utilizzare meccanismi biologici elettivi per caratterizzare lanatura di una lesione o realizzare un effetto radiobiologicolocale, utile ai fini terapeutici

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MEDICINA NUCLEARE

• Somministrazione del tracciante• Acquisizione delle immagini scintigrafiche• Elaborazione dei dati

Medicina Nucleare“immagini da emissione ”

Imagereconstruction

• Somministrazione di nuclidi radioattivi e molecoleradiomarcate (radiofarmaci, traccianti)

• seguita dalla rilevazione della mappa di distribuzionedella radioattività

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Nuclear Medicine“emission tomography”

Sviluppo della Medicina Nucleare

Milestones: Strumenti

• Cyclotron (1929)

• Nuclear reactor (1945)

• Rectilinear scanner (1951)

• Anger camera (1958)

• Computer (1969)

• PET (1977)

• SPECT (1978)

• Internet (2000)

• PET/CT (2001)

Milestones: Radionuclidi e radiofarmaci

• Irradiation by a low neutron source

(Fermi E, Hevesy G, 1934)

• Radionuclides from cyclotron technology (LawrenceJ, 1933)

• 99Mo/99mTc generator

(Richard P, 1960)

• Monoclonal antibodies (Kohler G, Millestein C, 1975)

• FDG radiolabeled with 18F (Ido T, 1979)

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ab/10/2005

Medicina Nucleare:strumentazione

★gamma camera stazionaria

★gamma camera rotanti a testa singola o multipla

★gamma camere dedicate per la SPECT (tomografiaemissione di fotone singolo)

★PET (tomografia emissione di positroni)

ab/10/2005

Medicina Nucleare:strumentazione

★Gamma Camera:★collimatore★cristallo★fotomoltiplicatori★componenti elettroniche

★Consente l’acquisizione di scintigrafie statiche, dinamichee/o tomografiche. Il collegamento ad un calcolatorepermette poi lo studio qualitativo e quantitativo dei diversiparametri funzionali

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ab/10/2005

L’INVENTORE DELLA GAMMA CAMERA

� Hal Oscar Anger (born May 20, 1920 in Denver,Colorado, USA - died October 31, 2005 inBerkeley, California) was an electrical engineerand

� biophysicist at Donner Laboratory, UCB.

� In 1957, he invented the scintillation camera,known also as the gamma camera or Angercamera.

� Anger also developed the well counter, widelyused in laboratory tests.

� In all, Anger held 15 patents, many of them forwork at the Ernest O. Laurence RadiationLaboratory.

ab/10/2005

Gamma camera a testa singola

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ab/10/2005

Gamma camera a testa doppia

Medicina Nucleare: strumentazione

collimatorecristallo

fotomoltiplicatori

tubocatodico

calcolatore

elettronica

sorgente

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sorgente

oggettorilevato

Collimatori

foro singolo(pin hole)

fori paralleli fori divergenti fori convergenti

fori paralleli: solo i fotoni incidenti perpendicolarmente alla testa della gamma camerapossono raggiungere il cristallo

•Materiale: Ioduro di sodio (NaI) con delleimpurità di tallio

• Scintillazione: l’interazione di un fotoneproduce un piccolo lampo di luce la cuiintensità é proporzionale all’energiarilasciata dal fotone x o γ nel mezzo

• Se ogni fotone che interagisce nelcristallo da luogo ad una scintillazioneavremo una distribuzione di scintillazioninel cristallo che “copia” la distribuzionedi attività dell’oggetto

Cristallo di scintillazione

Scintigrafia tiroidea

Proiezione laterale

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In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosiraggiunge il fototubo

Medicina Nucleare: strumentazione

collimatorecristallo

fotomoltiplicatori

tubocatodico

calcolatore

elettronica

sorgente

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Fotomoltiplicatori

• Numero: da 37 a 91

• Utilizzazione: conversione del quanto luminoso in un proporzionalenumero di elettroni

• Azione: un impulso, per ogni interazione che avviene nel cristallo,proporzionale all’energia rilasciata nel cristallo

• Gli impulsi vengono amplificati linearmente, selezionati in base allaloro ampiezza e memorizzati

FOTOTUBO

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Circuiti elettroniciposizione e energia:

• coordinate X e Y coordinate del punto in cui é avvenuta la

scintillazione• coordinata Z

somma degli impulsi di tutti ifotomoltiplicatori, risulta proporzionaleall’energia rilasciata nel cristallodall’interazine del fotone

Confronto tra le ampiezze degli impulsidi tutti i fotomoltiplicatori e forniscein uscita tre nuovi segnali (x, y, z),

Calcolatore

• i segnali acquisiti sono immagazzinati nella memoria delcalcolatore e ricostruiti in matrici numeriche(64x64,128x128,256x256 elementi o pixel)

• ogni elemento della matrice immagine (pixel) conterrà unnumero corrispondente al conteggio di tutte le interazioniavvenute durante l’acquisizione tra raggi gamma e cristallodi ioduro di sodio

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*

*

***

***

**

* * *

*

** **

** *

**

*

* *

*

1 0 0 0

0 4 3 2

1 5 4 0

0 2 4 1

• suddivisione del cristallo in aree discrete -pixels

• acquisizione dei conteggi nei pixels • conteggi totali nei singoli pixelsregistratinella memoria del computer

Digitalizzazione dell’immagine

Tecniche di acquisizione:

• planare (statica e dinamica)

• tomografica ad emissione di fotone singolo (SPECT)

• tomografica ad emissione di positroni (PET)

Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche

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Acquisizione di una o piùimmagini nelle varie proiezioniad un determinato tempo pervalutare la distribuzionespaziale del radiofarmacosomministrato al paziente

STUDIO STATICO

Acquisizione di più immaginiin sequenza temporale alloscopo di seguire nel tempo ladistribuzione spaziale delradiofarmaco somministrato alpaziente

STUDIO DINAMICO

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Curve attività-tempo

• le variazioni temporali della concentrazione deltracciante sono determinate mediante la (ROI) chedelimitano l'area da studiare

• la concentrazione del tracciante viene quindi espressacome curva attività-tempo

tempo

attività

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Curva radioattività tempo

SISTOLE

DIASTOLE

Analisi angiocardioscintigraficariferita ad un ciclo cardiaco medio

e immagini parametriche

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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 ladistribuzione dell'attività nello spazio

• mediante calcolatore é possibile ricostruire le immaginiottenute dall'analisi di parametri temporali, spaziali efunzionali (immagini parametriche)

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Tecnica di acquisizione e di elaborazione dei dati capace difornire una rappresentazione della distribuzione deiradiofarmaci in sezioni di organo di limitato spessore

Eliminano la compattazione bidimensionale di unadistribuzione volumetrica che é caratteristica della scintigrafiatradizionale, realizzando in misura piu’ o meno completa edefficace una ricostruzione tridimensionale della distribuzionedel radiofarmaco

Tomografia per emissione

Medicina NucleareTomografia: SPET

Supponiamo di avere un’immagine di una sorgente puntiforme conuna gamma camera da 3 proiezioni.

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Medicina NucleareTomografia: SPET

Il numero di conteggi in ciascun punto è chiamato il raggio-somma,Perché rappresenta il numero totale di conteggi visti dalla gammaCamera lungo una linea (un raggio)

Medicina NucleareTomografia: SPET

Si può assumere che iconteggiin ciascun raggio sommasiano distribuiti equamentenei pixels che si trovanolungo quel raggio.

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PET (Positron Emission Tomography)

NUCLIDI E RADIONUCLIDI

Radioattività:

conseguenza di un non equilibratorapporto tra neutroni e protoni

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NA

Z

X

A

Stato diossidazione

Peso atomico

Numero atomico Rapportinelle molecole

NUCLIDI E RADIONUCLIDI

ISOTOPI

ISOBARI

ISOTONI

forme dello stessoelemento (Z= A ≠)

nuclidi di elementi diversicon massa uguale

nuclidi con ugualenumero di neutroni

NUCLIDI E RADIONUCLIDI

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ISOMERInuclei con uguale massae numero atomico, dei qualiuno o più possono trovarsiin uno stato di "eccitazione"

NUCLIDI E RADIONUCLIDI

RADIAZIONI

ELETTROMAGNETICHE PURE

CORPUSCOLATE

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RADIOATTIVITA'

EMISSIONE DI RADIAZIONIIONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI

raggi α ++

raggi βraggi γ

-

Decadimento radioattivo

•Raggi γ•Particelle β + β -

•Cattura elettronica•Particelle α

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Decadimento radioattivo:andamento esponenziale

dN (t)

dt

= - kN(t)

Nt = N0 e -κt

RADIOATTIVITA'

Curie (Ci)

3.7 x 10 dis/sec

Vecchia unitàBequerel

1 dis/sec

Nuova unità (SI)

1 Ci = 37 GBq

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MEDICINA NUCLEARE

SCINTIGRAFIA

Diagnostica "in vivo"

Mappa della distribuzione corporeadi una molecola radioattiva

(radiofarmaco, tracciante, indicatore)

MEDICINA NUCLEARE

SCINTIGRAFIA

La mappa scintigrafica è sempreespressione di

processi funzionali-metabolici

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MEDICINA NUCLEAREApparecchi per diagnostica "in vivo"

Sonda

Scanner rettolineare

Gamma camera

Apparecchi per diagnostica "in vivo"

Sistemi tomograficiSPET = Single Photon Emission Tomography

PET = Positron Emission Tomography

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MEDICINA NUCLEARE

RIA = RadioImmuno Assay

IRMA = ImmunoRadioMetric Assay

Diagnostica "in vitro"

INDICAZIONI

Dosaggi accurati di molecole(ormoni, metaboliti, farmaci,

allergeni, marcatori tumorali ...)presenti in fluidi biologiciin concentrazioni minime

(µM, nM, pM)

Diagnostica "in vitro"

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MEDICINA NUCLEAREApparecchi per diagnostica "in vitro"

Contatori gamma

Contatori beta

Radiofarmaci

•Molecole marcate con radionuclidi γ-emettitori per eseguire indagini dimedicina nucleare in vivo

• Indicatori• Traccianti

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Medicina Nucleare: traccianti

• Traccianti omogenei:differiscono dalla sostanza tracciata escusivamente perle caratteristiche isotopiche (es. Iodio-131)

• Traccianti ad equivalenza eterogena:affinità biochimica, metabolica o distributiva con lasostanza tracciata es. Tallio-201 (isotopo) analogo del potassio,111In octreotide (molecola marcata con un isotopo) analogo dellasomatostatina

Gli indicatori permettono di:

• definire i confini, la sede le dimensioni di unastruttura anatomica normale o di un tessutonormale/patologico

• rilevare strutture in sedi diverse da quelle“standard”

• valutare la distribuzione di un’ attivitàfunzionale in una struttura anatomica

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TRACCIANTE:la definizione classica

• un elemento o sostanza che,• introdotto in un sistema chimico o biologico• si mescoli rapidamente ed uniformemente con i

costituenti di questo• e, pur essendo sempre identificabile e

differenziabile da essi,• ne riproduca fedelmente il comportamento senza

influenzarlo

TRACCIANTE

Sostanza "marcata", in grado di distribuirsiin un "pool" di analoghe sostanze presenti

nel corpo consentendo lo studiodi processi metabolici e di attività funzionale

con l'aiuto di appositi modelli matematici

Tc-DTPAmisura del filtrato glomerulare renale

F-deossiglucosiomisura del consumo tessutale di glucosio

Esempi99m

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INDICATORI

•NEGATIVI:– colloidi per il fegato– microsfere per il polmone– dimercaptosuccinato per il rene

•POSITIVI:– MDP per lo scheletro (anche neg!)– FDG per i tumori (anche neg!)– Gallio-citrato per infiammazione e linfomi

RADIOFARMACI

INDICATORE NEGATIVOsi concentra selettivamente nel tessuto normale:le aree patologiche si evidenziano comedifetti di captazione (aree "fredde")

INDICATORE POSITIVOsi concentra selettivamente nel tessuto malato:le aree patologiche si evidenziano comearee di ipercaptazione (aree "calde")

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AREA CALDA

AREA FREDDA

Scintigrafia polmonare

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Traccianti e indicatori:una distinzione classica della scuola medico-nucleare

italiana

• il tracciante è l’ elemento o sostanza checonsente di valutare un’ attività funzionale,un processo metabolico

• l’ indicatore è l’ elemento o sostanza che cipermette di individuare selettivamente unastruttura, un tessuto, un organo ...

• un tracciante può essere anche indicatore eviceversa

INDICATORE:la definizione classica

• un elemento o sostanza che abbia laproprietà di assumere,

• in una struttura biologica anatomicamente e,in genere, spazialmente definita

• una concentrazione significativamentediversa da quella che esso assume nellestrutture spazialmente contigue

• e di poter essere in esse identificato

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Principali radionuclidi utilizzati inmedicina nucleare

TECNEZIO-99m

• 99mTc• T1/2 = 6 ore•Emissione γ 140KeV

• ottenuto da generatori (colonne ascambio ionico) con Molibdeno 99

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Medicina Nucleare

• Esami statici: valutazione della distribuzionedi un radiofarmaco a un tempo predefinito

• Esami dinamici: valutazione sequenzialedella distribuzione di un radiofarmaco, ingenere a partire dalla somministrazione, perun periodo di tempo variabile

Scintigrafia ossea

• 99mTc - metilendifosfonato (MDP)

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Scintigrafia ossea

Scintigrafia renale statica

• 99mTc -DMSA (Dimercaptosuccinato)

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Scintigrafia renale statica

pielonefrite

Scintigrafia renale dinamica"sequenziale"

• 99mTc-DTPA(dietilentriaminopentacetato) GFR

• 99mTc-MAG3 RPF

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Scintigrafia renale dinamica"sequenziale"

• 99mTc-DTPA(dietilentriaminopentacetato) GFR

• 99mTc-MAG3 RPF

Renogramma

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Renogramma

GFR sn =18 ml/minGFR dx = 57 ml/min

Scintigrafia renale dinamica"sequenziale"

• 99mTc-DTPA(dietilentriaminopentacetato) GFR

• 99mTc-MAG3 RPF

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Ricerca di tumoritraccianti oncotropi

• 201Tl• 67Ga-citrato

• 99mTc-MIBI• 99mTc-peptidi• 99mTc-anticorpi monoclonali

• 18F-deossiglucosio

Tecniche tomografiche

• Tomografia a emissione di fotone singoloSPET (Single Photon Emission Tomography)

• Tomografia a emissione di positroniPET (Positron Emission Tomography)

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glucosio

CH2OH OHO

HO

H H

HH

OH

OH

Fluoro-deossi-glucosio

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PET-FDG

PET-FDG