Dipartimento di Fisicaa.a. 2004/2005

Fisica Medica 2

PET e SPECT

18/3/2005

Tomografie PET-SPECTPositron Emission Tomography

Single Photon Emission Computer Tomography

in fisiologia, biochimica dei tessuti, farmacologia ..Tecniche non invasive utilizzate in ricerca clinica

Tecniche di ricostruzione di immagine simili alla TAC

introdotti come tracciantinel tessuto in esame

Rivelazione in vivo e formazione di immagini da radiazioni (positroni o γ) emesse da radioisotopi

Tomografia ad emissione di positroni

Radionuclide iniettato emette un positrone che si annichila in

1-2 mm con un elettrone del materiale

emettendo due fotoni collimati di energia

511 keV che possono essere rivelati

AnnichilazioneI positroni emessi dai radionuclidi si annichilano in due fotoni che sarebbero perfettamente

collineari se la quantità di moto totale delle due particelle fosse nulla

La rivelazione deve essere effettuata da un sistema di coincidenza che rilevi i due fotoni emessi a 180°

Radionuclidi

Si utilizzano isotopi di elementi biologiciI radionuclidi emettenti e+ prodotti da ciclotroni

11C con t1/2 = 20.1’13N con t1/2 = 10.0’15O con t1/2 = 2.1’18F con t1/2 = 110’fluorodisossiglucosio in cui è stato inserito del 18F (beta emittente)

che viene metabolizzato

RivelazioneRivelatori a scintillazione (risoluzione: 5-10 mm)

I due gamma di annichilazione possono essere rilevati singolarmente oppure in coincidenza

finestra temporale 10-20 ns

La rivelazione in coincidenza permette una miglior risoluzione spaziale: 3-4 mm (range)

occorre però assicurare la collinearità!

Si utilizzano opportuni collimatori di piombodi notevole spessore (15 centimetri!)

Total bodyI fotoni non collinearinon sono in coincidenza e vengono assorbiti

Si hanno così 3 • 11 • 11 ossia 363 coppie di linee coincidenti

Nel caso dell’esempiociascun rivelatore può osservare un elemento coincidente con gli 11 rivelatori opposti

RivelatorePer avere proiezioni

tomograficheil rivelatore

è fatto ruotare

attorno al paziente

ottenendouna mappa della distribuzione dei radionuclidiche evidenzia l’anatomia della loro localizzazione

Immagine

Visualizzazione dell’attività

cerebrale nelle differenti zone

del cervello

elaborazione a calcolatore con falsi colori di

evidenziazione

Aree attivate

Compito di memorizzazione verbale a breve

termine

Confronto del flusso cerebrale rispetto ad un flusso di controllo (sistema di riferimento)

diagnosi precoce dell’Alzheimer

Tessuto attraversatoNella PET è possibile eseguire una precisa correzione dell’attenuazione dei fotoni nei tessuti

I due fotoni in coincidenza attraversano complessivamente l’intero spessore dell’oggetto

AttenuazioneFattore di trasmissione : Pγ1 e Pγ2

Pγ1 ∝ e–µx

Pγ2 ∝ e–µ(L–x)

Fattore di trasmissione delle coppie di fotoni γ1 γ2

Pγ1 γ2 = Pγ2 Pγ2 ∝ e–µx e–µ(L–x)

Pγ1 γ2 ∝ e–µL

coefficiente attenuazione lineare µdiametro del bersaglio L

CalibrazioneIl numero di particelle emesse dal radioisotopo distribuito nei tessuti può essere calcolato

da quello rivelato conoscendo µ ed L

tanto maggiore è questo numero tanto migliore è l’immagine ricostruita

La risoluzione spaziale dei dispositivi PET dipende dal numero di fotoni collimati rivelati

Per motivi dosimetrici vi è una dose limite che può essere somministrata al paziente

e così viene fissato il limite del flusso dei fotoni rivelati e quindi dell’immagine ricostruita

Fotoni rivelatiI fotoni rivelati sono solo una piccola frazione- radionuclidi si diffondono in tutto il corpo- apertura angolare dei rivelatori consente di

accettare solo una piccola frazione dei fotoni- attenuazione dei fotoni in materiale biologico- efficienza di “rivelazione” del rivelatore

Viene visualizzato solo l’1-2% dei decadimenti di radionuclidi concentrati nell’organo in esame

foto di notte: aprire al massimo l’obiettivo e usare lunghi tempi di esposizione (sfuocata!)

Materiale biologicoAttenuazione dei fotoni in materiale biologico

- amplificazione degli errori di ricostruzione- creazione di “fantasmi” (false ricostruzioni)

occorre incrementare- apertura angolare dei rivelatori- efficienza di rivelazione

Ottimizzazione:misura del tempo di volo (TOFPET)determinazione esatta posizione del punto di annichilazione

SPECTTomografia a

emissione computerizzata

di singolo fotone

Creare una mappa di distribuzione dei radioisotopi

Vantaggio: molti radioisotopi sono emettitori β–

medicina nucleare: 99Tc, 123I, 133Xe, 201Te

Gamma camera con un collimatore puntiforme (pin-hole)scintillatore solido a grande area accoppiato ad un fotomoltiplicatore

regioni esterne alla linee chiuse forniscono invece immagini confuse

SPECT longitudinale

solo un piano (distanza focale) offre un’immagine netta

SPECT trasversaleRivelatore costituito da una gamma camera ruotante

64 o 128 distribuzioni a diversi angoli consente di

ottenere immagini

tomografiche

131I: e– 608 keV (γ 364 keV) t1/2 = 8.07 giorni

VisualizzazioneImmagini a differenti tonalità di grigio

Informazioni quantitative

sulla concentrazione del particolare

tracciante nell’organismo

fegato e milza

SPECT verso PETVantaggi

- gamma camere di tipo tradizionale- radioisotopi usati in medicina nucleare

Svantaggi- collimatori Pb poco efficienti

- attenuazione fotoni dipende dalla posizione (non valutabile) del radioisotopo

(risoluzione spaziale 10-15 mm)

(≈30-50%)- fotoni emessi causano processi secondari

diffusione Compton (100-150 keV)