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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II”

Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica

Anno accademico 2006-2007

Diagnostica per Immagini Argomento 5A

Medicina NucleareArturo Brunetti

Tel 0817463102 Fax 0812296117

e-mail: brunetti@unina.it

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Schema della lezione

• Definizione e campi di applicazioni• Richiami sulla radioattività• Cenni storici• Le apparecchiature: gamma camera• Indagini scintigrafiche (studi statici e

dinamici)• La SPECT

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MEDICINA NUCLEARE

Utilizzazione di radionuclidia scopo diagnostico

e terapeutico

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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

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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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ISOMERI

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

NUCLIDI E RADIONUCLIDI

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RADIAZIONI

ELETTROMAGNETICHE

CORPUSCOLATE

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RADIOATTIVITA'

EMISSIONE DI RADIAZIONIIONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI

raggi α ++

raggi β -

raggi γ

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Decadimento radioattivo:andamento esponenziale

dN (t)

dt= - kN(t)

Nt = N0 e -λt

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EMIVITA = tempo di dimezzamento

★ Tempo in cui una certaquantità di radioattività siriduce a metà del valore iniziale

λ = 0.693/T1/2

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Principali radionuclidi utilizzati inmedicina nucleare

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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

DIAGNOSTICA

in vitro

in vivo

TERAPIA

Radioterapiametabolica

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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 estabilire l’entità dell’alterazione

•evidenziare lesioni localizzate in organi o apparatiattraverso l’individuazione di alterazioni di funzionibiologiche determinate dalla/e lesione/i

•utilizzare meccanismi biologici elettivi percaratterizzare la natura di una lesione o realizzare uneffetto radiobiologico locale, utile ai fini terapeutici

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Principi generali di uso(radioprotezione)

• GIUSTIFICAZIONE– VALIDI MOTIVI CLINICI

• OTTIMIZZAZIONE– USO DELLA MIGLIORE TECNICA E

METODICA DISPONIBILE

• DEFINIZIONE DEI RISCHIINDIVIDUALI ACCETTABILI

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L’imaging medico-nuclearesi somministra una piccola quantità diuna sostanza radioattiva (radiofarmaco)

il radiofarmaco si distribuisce e vienecaptato da vari organi e tessuti

si ottiene una mappa della distribuzioneregionale di radioattività mediante una“gamma camera” o altreapparecchiature per individuarevariazioni regionali di radioattivitàindice della presenza/assenza dideterminate attività funzionali

I dati vengono elaborati

Imaging FUNZIONALE

raggi gamma

raggi gamma

Collimatore

raggi gamma

Cristalloscintillatore

Tubifotomoltiplicatori

Convertitore analogico-digitale

Computer

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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MEDICINA NUCLEARE

SCINTIGRAFIA

Diagnostica "in vivo"

Mappa della distribuzione corporeadi una molecola radioattiva

(radiofarmaco, tracciante, indicatore)

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MEDICINA NUCLEARE

SCINTIGRAFIA

Diagnostica "in vivo"

La mappa scintigrafica è sempreespressione di

processi funzionali-metabolici

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Nuclear MedicineThe Nobel Prize in Physics

� 1903 "in recognition of theextraordinary services they haverendered by their joint researches onthe radiation phenomena discoveredby Professor Henry Becquerel"

• 1903 "in recognition of theextraordinary services he hasrendered by his discovery ofspontaneous radioactivity"

Pierre Curie1859 -1906Antoine Henry Becquerel

1852 - 1908

Marie Curie Slodowska1867 -1934

Historical remarks

Nuclear MedicineThe Nobel Prize in Physics

• 1939 “for the invention anddevelopment of the cyclotron andfor results obtained with it,especially with regard to artificialradioactive elements"

Ernest Orlando Lawrence1901 - 1958

Historical remarks

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Nuclear MedicineThe Nobel Prize in Chemistry

� 1935 "in recognition of theirsynthesis of new radioactiveelements"

• 1943 "for his work on the use ofisotopes as tracers in the study ofchemical processes

George de Hevesy 1885 - 1966

Frédéric Joliot1900 -1958

Irène Joliot-Curie1897 -1956

Historical remarks

AB Naples 9-1-2003

Nuclear MedicineThe Nobel Prize in Physics

• 1959 “for the discovery of theantiproton"

Emilio Segré 1905 - 1989

Historical remarks

Segrè scoprì il Tecnezio-99:il primo elemento artificiale nonpresente in natura, proprio per questodefinito TECNEZIO

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TECNEZIO-99m

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

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

Il generatore di Tecnezio-99m

‣ 99mTc è radionuclide più utilizzato negli studi di medicina nucleare in vivo‣ si ottiene dal radionuclide padre (99Mo) da un generatore/colonna a scambio

ionico che si compra periodicamente (in genere settimanalmente), produrrela radioattività necessaria a gestire il carico di lavoro previsto

‣ con il 99mTc si possono marcare radiofarmaci che permettono lo studio didiversi organi e apparati (le marcature si fanno utilizzando in genere kit conprodotti liofilizzati)

soluzionefisiologica

soluzione fisiologica+ Na99mTcO4

schermatura inpiombo

99Mo

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I cavalli di battaglia della medicina nucleare apartire, all’incirca dal 1970

• Il radionuclide: il Tecnezio-99m

• L’apparecchio: la gamma camera

Rivelazione dei raggi gamma

In genere rivelatori a scintillazione (cristallo + tubo fotomoltiplicatore)Cristalli: NaI(Tl), BGO, CsF, BaF2

Criteri: Stopping power, Tempo di risposta, efficienza, risoluzioneenergetica

Rivelatori a raccolta di ioni (camere di ionizzazione) non utilizzabili per labassa efficienza e risposta lenta

Detettori a semiconduttori (diodi): elevata risoluzione di energia, rispostaveloce ma dimensioni piccole e costo elevato

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Medicina Nucleare: strumentazione

collimatorecristallo

fotomoltiplicatori

tubocatodico

calcolatore

elettronica

sorgente

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MEDICINA NUCLEAREApparecchi per diagnostica "in vivo"

SondaScanner rettolineare

Gamma camera

Fino al 1970 (e oltre)

OGGI

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L’INVENTORE DELLA GAMMA CAMERA

Hal Oscar Anger (born May 20, 1920 inDenver, Colorado, USA - died October 31,2005 in Berkeley, California) was anelectrical engineer and biophysicist atDonner Laboratory, UCB.

In 1957, he invented the scintillationcamera, known also as the gamma cameraor Anger camera.

Anger also developed the well counter,widely used in laboratory tests.

In all, Anger held 15 patents, many of themfor work at the Ernest O. LawrenceRadiation Laboratory.

Schema costruttivo di gamma camera (da Wikipedia)

collimatorecristallo

Tubifotomoltiplicatori

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Medicina Nuclearestrumentazione attuale per imaging

‣ gamma camera fissa

‣ gamma camera rotanti a testa singola omultipla

‣ gamma camere dedicate per la SPECT(tomografia emissione di fotone singolo)

‣PET (tomografia emissione di positroni)

‣ apparecchi ibridi PET-TC, SPECT-TC

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Gamma camera a testa singola

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Gamma camera a testa doppia

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Collimatori Sono fatti di piombo forato.Servono per selezionare i raggigamma che hanno una specificadirezione (quasi una “lente”)

Il collimatore più usato è quello afori paralleli

Risoluzione

Efficienza geometrica

Tradeoff: Risoluzione ↔ EfficienzaBasic diagram of how a lead collimator works. Made by Pete Verdon 13/11/2004.

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sorgente

oggettorilevato

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

Collimatori

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Tipi di collimatori

Tradeoff tra risoluzione e field-of view(FOV) per diversi tipi:

Convergenti: ↑ risoluzione, ↓ FOVDivergenti: ↓ risoluzione, ↑FOVPinhole (~ mm):Alta risoluzione su organi piccoli a brevedistanza tipo tiroide

Risoluzione (HR, MR)Sensibilità (HS, MS)

Medicina Nucleare: strumentazione

collimatorecristallo

fotomoltiplicatori

tubocatodico

calcolatore

elettronica

sorgente

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• 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 rilasciatadal fotone x o γ nel mezzo

• Se ogni fotone che interagisce nel cristallo da luogo ad unascintillazione avremo una distribuzione di scintillazioni nelcristallo che “riproduce” la distribuzione di attività dell’oggetto

Cristallo di scintillazione

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

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• Numero: da 37 a 91

• Utilizzazione: conversione del quanto luminoso in un proporzionale numerodi 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 alla loroampiezza e memorizzati

Fotomoltiplicatori

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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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Scintigrafia planare (2D)

Immagine di un singolo distrettocorporeo

Immagini “whole body”:99mTc-fosfonati......

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Medicina Nucleare

• Esami statici: valutazione delladistribuzione di un radiofarmaco a untempo predefinito

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

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Acquisizione di una o piùimmagini nelle varieproiezioni ad un determinatotempo per valutare ladistribuzione spaziale delradiofarmaco somministratoal paziente

STUDIO STATICO

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

STUDIO DINAMICO

ESAME DINAMICOscintigrafia renale sequenziale

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Renogramma

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Scintigrafia renale dinamica"sequenziale"

• 99mTc-DTPA(dietilentriaminopentacetato) GFR

• 99mTc-MAG3 RPF

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Renogramma

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

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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ANGIOCARDIOSINTIGRAFIAESAME “NECESSARIAMENTE DINAMICO”

PER LO STUDIO DELLA FUNZIONECONTRATTILE CARDIACA

PRIMO PASSAGGIO(FIRST PASS)

EQUILIBRIO(BLOOD POOL)

Curva radioattività tempoda un’angiocardioscintigrafia

all’equiloibrio

SISTOLE

DIASTOLE

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Analisi della curva

• Velocità di eiezione e riempimento• EDV/sec• Parametri poco usati se non in contesto

sperimentale

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IMMAGINI PARAMETRICHE

• le immagini scintigrafiche ottenuterappresentano la distribuzionedell'attività nello spazio

• mediante post-processing é possibilericostruire immagini che rappresentanoparametri temporali, spaziali e funzionali(immagini parametriche)

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Analisi angiocardioscintigraficariferita ad un ciclo cardiaco medio

e immagini parametriche

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Tomografia per emissione

• Tecnica capace di fornire una rappresentazionedella distribuzione dei radiofarmaci in sezioni diorgano di spessore definito

• Superano la rappresentazione bidimensionale diuna distribuzione volumetrica che é caratteristicadella scintigrafia tradizionale, realizzando inmisura piu’ o meno completa ed efficace unaricostruzione tridimensionale della distribuzionedel radiofarmaco

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Medicina Nucleare

Sistemi tomograficiSPET = Single Photon Emission Tomography

PET = Positron Emission Tomography

Single photon emission CT (SPECT)

Conteggio dei fotoni singoli:Finestra (riduce lo scatter e ilbackground)La statistica di conteggio èlimitata essenzialmente dalladose somministrabileesame ~ 30 min

Prima SPECT nel 1963 (Mark IV)con array di detettori

Rotazione, TraslazioneAlto rate di conteggioMolti componentiIn genere strati singoli

Gamma camere rotanti:Strati multiplitestate multiple

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Applicazioni della SPECTEncefalo:

Flusso, recettoriTumors

Cuore:CADInfarto

...

PET (Positron Emission Tomography)VEDI ALTRA LEZIONE

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MEDICINA NUCLEARE

RIA = RadioImmuno Assay

IRMA = ImmunoRadioMetric Assay

Diagnostica "in vitro"

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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

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Radiofarmaci

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

• Indicatori• Traccianti

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INDICATORE:la definizione classica

• un elemento o sostanza che abbia laproprietà di assumere,

• in una struttura biologica anatomicamentee, 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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Gli indicatori permettono di:

• definire i confini, la sede le dimensioni diuna struttura anatomica normale o di untessuto normale/patologico

• rilevare strutture in sedi diverse da quelle“standard”

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

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Medicina Nucleare:INDICATORI

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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 FREDDA

Scintigrafia polmonare

CT scan interpretation:Benign cyst orHaemangioma

Tc-99m RBC Study: Rules outHaemangioma

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AREA CALDAmelanoma della “mano” destracon elevata attività metabolica metastasi linfonodale

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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

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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

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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

99mTc-DTPAmisura del filtrato glomerulare renale

18F-deossiglucosiomisura del consumo tessutale di glucosio

Esempi

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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