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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Anno Accademico 2006-2007
Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica
per Immagini e Radioterapia
FISICA delle APPARECCHIATURE per
MEDICINA NUCLEARE
(lezione II)
Marta Ruspa
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
PET: disposizione dei rivelatori
Struttura esagonale
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 .
Struttura circolare
Anello circolare di rivelatori.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
PET: vista frontale (a) e dell’alto (b) di un
dispositivo PET
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.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Requisiti del rivelatore per PET
Energia superiore alla SPECT
Rivelazione in coincidenza
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Requisiti del rivelatore per PET
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)
Ioduro di
sodio
Germanato
di bismuto
Silicato di
gadolinio
Silicato di
lutezio
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Rivelazione
Rivelazionein
incoincidenza
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.

Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Tipologie di rivelatore per PET
 Velocita’ di emissione della luce
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Tipologie di rivelatore per PET
Anche: gammacamere a due teste
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Rivelatori a blocchi
Anelli di
blocchi
 Cristalli 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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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Eventi di rumore nella PET
(Compton,
perdono la
corretta
informazione
spaziale
originale)
Eventi di scatter (diffusione), coincidenze random o multiple
aumentano il tempo morto e rovinano la qualita’ dell’immagine
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Eventi di scatter nella PET
 In acqua e nei tessuti leggeri i fotoni da 511 KeV hanno interazioni
principalmente per effetto Compton:
- se a seguito di diverse interazioni si ha assorbimento totale
l’impulso e’ correttamente classificato
- altrimenti eventi diffusi senza assorbimento totale (eventi di
scatter) possono essere registrati poiche’ la risoluzione energetica
del rivelatore non e’ perfetta  aumentano la statistica di conteggio
ma comportano un detrimento della risoluzione spaziale delle immagini
 Come nella diagnostica a fotone singolo gli eventi di scatter si possono
contenere riducendo la finestra energetica, a spese pero’
dell’efficienza (a causa della cattiva risoluzione energetica del BGO)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
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
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Acquisizioni PET 3D
 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
cuore:
cervello:
setti interplanari
14-15%
8-9%
3D
60-70%
35-40%
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
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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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Requisiti del rivelatore per PET
 Numero atomico effettivo alto
 Quanta piu’ intensa luce possibile rivelata
 Indice di rifrazione e lunghezza d’onda (accoppiamento con
fotocatodo)
Ioduro di
sodio
Germanato
di bismuto
Silicato di
gadolinio
Silicato di
lutezio
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Rivelatore NaI
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Rivelatore NaI
Efficienza
Risoluzione spaziale
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
BGO vs NaI
Risoluzione energetica
N.B.: gli eventi di scatter si situano nello spettro Compton
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
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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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Come aumentare la risoluzione spaziale
del BGO?
MA se le dimensioni sono troppo piccole non contengono
piu’ il range dei positroni….
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Range dei positroni
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Risoluzione spaziale
Tenendo conto di quanto detto e del fatto che i fotoni non
sono emessi in modo perfettamente collineare…
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Che cosa porta complessivamente alla
perdita di efficienza in PET?
 I radionuclidi diffondono in tutto l’organismo, solo una parte si
concentra nella zona sotto indagine
 L’ apertura angolare dei rivelatori consente la misura di solo una
frazione dei fotoni collineari
 I fotoni si attenuano nel materiale biologico
 Il rivelatore non e’ pienamente efficiente
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Correzione per attenuazione in PET
La probabilità che il fotone 1 non venga
assorbito dopo aver attraversato uno
spessore x:
Pγ1 (x)  e μ x
Probabilità che il fotone 2 raggiunga
il rivelatore:
Pγ2 (L  x)  e μ (L -x)
Probabilità di rivelare entrambi i fotoni:
Pγ2 γ2  Pγ1  Pγ2  eμx  e μ (L -x)  eμL
La correzione per attenuazione dipende solo dallo spessore del
corpo lungo la linea congiungente i due rivelatori, ma non dalla
coordinata x -> migliore ricostruzione tomografica
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Differenze tra PET e SPECT
PET:
SPECT:
due fotoni
emessi in direzione opposta
un solo fotone
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Rivelatore 1
Differenze tra PET e SPECT
• La linea di volo dei fotoni è
determinata dalla coincidenza di due
rivelatori (collimazione elettronica)
Misura più precisa della direzione
dei fotoni rispetto alla SPECT
Rivelatore 2
L’attenuazione dei fotoni non
dipende dalla posizione x del
radioisotopo
L’assenza di collimatori permette
maggiore efficienza (frazione di
decadimenti rivelati) e quindi minore
esposizione alle radiazioni e misure
più veloci
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Scelta del radiofarmaco
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Criteri di scelta




Tempo di dimezzamento
Modalita’ di decadimento
Energia delle emissioni associate
Trasformazione in un nuclide stabile





Alta attivita’
Alta purezza radionuclidica
Selettivita’ rispetto all’organo di interesse
Tempo di diffusione
Danno da radiazione
 Pronta disponibilita’
 Basso costo di produzione
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Radiafarmaci in diagnostica
 Tempo di dimezzamento
deve essere compatibile con la durata del fenomeno biologico o fisiologico
interessato:
- valutazione polmonare  T1/2 ~ s (81mKr, T1/2 = 13 s)
- captazione tiroidea  T1/2 ~ qualche ora (123I, T1/2 = 13 h)
- analisi di funzionalita’ cardiaca  T1/2 ~ qualche minuto (ammoniaca
marcata con 13N, T1/2 ~ 10 m)
 Energia delle emissioni associate
tra 100 e 300 KeV per sfruttare le piu’ alte efficienze di rivelazione che si
ottengono in questo intervallo energetico
(123I, 159 KeV, 83%; 99mTc, 140 KeV, 90%; 81mKr, 190 KeV, 65%)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Radiofarmaci in diagnostica
Il radioisotopo più comunemente usato è
99Tcm
assenza di decadimenti β, prodotto facilmente
Con il
123I
99Tcm
Si lega facilmente a proteine e farmaci (ma prodotto con ciclotroni)
67Ga, 111In
201Tl
si marcano molti radiofarmaci
Possibilità di legarsi ad anticorpi
67Ga usato per localizzare tumori
Usato per analisi del muscolo cardiaco
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Radiafarmaci in diagnostica
β+ emettitori
Isotopi di bio-elementi!
Non esistono isotopi
dell’idrogeno emittenti
positroni ma il 18F puo’
esserne un sostituto
Per mezzo di immagini della distribuzione dei traccianti sono possibili
valutazioni non invasive di svariati processi metabolici, di
neurotrasmissione e di binding recettoriale, cosi’ come misure di
processi fisiologici come il flusso sanguigno e studi selettivi e non
invasivi della distribuzione regionale e della cinetica di svariati
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processi biochimici.
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Radiofarmaci in terapia
 Tempo di dimezzamento
piu’ lungo rispetto alla diagnostica, dell’ordine dei giorni
(89Sr, T1/2 = 50d; 131I, T1/2 = 8d)
 Modalita’ di decadimento
per particella carica, di idonea energia per il rilascio locale di dose
(89Sr, 99.9% β)
 Energia delle emissioni associate
l’emissione elettromagnetica associata dovrebbe essere possibilmente
assente per ridurre la dose ai tessuti circostanti e al personale
(89Sr, no γ)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Fisica nella medicina nucleare
terapeutica
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Terapie con irraggiamento interno
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.
Radioterapia metabolica
Brachiterapia
• Impianto di semi radioattivi (ad es. per tumore della prostata)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Radioterapia metabolica
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Ruolo della dosimetria nelle terapie
con radionuclidi
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Parametri biologici
La sostanza radioattiva viene escreta con una legge esponenziale
simile a quella del decadimento radioattivo,
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tempo di dimezzamento biologico
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Parametri biologici:
clearance del sangue
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Esercizio 7: valutare il volume di sangue di un paziente in cui
sono stati somministrati 5 cc di albumina marcata con 131I
avente una frequenza di conteggi (emissioni rivelate da un
contatore di radiazione) di 105 conteggi al secondo. La
frequenza di conteggio misurata 15 minuti dopo da un campione
di 5 cc di sangue e’ stata di 102 conteggi al secondo.
Esercizio 8: 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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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Esercizio 9: tessuti viventi esposti a 20000 rad sono
completamente distrutti. Valutare l’aumento di temperatura nei
tessuti causato da questa dose assorbita in assenza di
dispersione di calore.
Esercizio 10: che potenza libera una sorgente di 1 Ci che emetta
particelle di energia media pari a 1 MeV?
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Fisica della produzione di
radionuclidi
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Decadimenti a cascata
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Decadimenti a cascata
E’ possibile disporre del radionuclide
figlio a breve vita per un periodo di
tempo che non dipende dal suo tempo di
dimezzamento ma da quello piu’ lungo
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dell’elemento padre.
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Produzione di radioisotopi
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Produzione di radioisotopi
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Attivita’ specifica
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Radioisotopi “Carrier Free”
attivita’ specifica
carrier free
Qualsiasi applicazione pratica presenta attivita’ specifiche
inferiori alla condizione carrier free
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Generatori
Nella produzione con reattori la generazione di elementi della stessa
specie chimica del bersaglio irradiato obbliga ad adottare tecniche
di separazione particolari.
Una tecnica molto diffusa consiste nello sfruttamento di cascate
nucleari che possono fornire radioisotopi di interesse con l’utilizzo
dei cosidetti generatori. E’ questo il caso della produzione di due
radioisotopi di largo impiego
99mTc
131I
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Generatore di 99mTc
E’ possibile disporre del radionuclide
figlio a breve vita per un periodo di
tempo che non dipende dal suo tempo di
dimezzamento ma da quello piu’ lungo
dell’elemento padre.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Generatore di 99mTc
Il generatore 99Mo-99mTc e’ costituito da una colonna cromatografica
rappresentata da un piccolo cilindro di vetro, sigillato alle estremita’
e contenente allumina (Al2O3) (fase fissa). La colonna e’ munita
all’estremita’ superiore ed inferiore di una via di accesso attraverso
la quale e’ possibile far filtrare una certa quantita’ di soluzione
fisiologica (fase mobile) che permette di asportare il 99mTc:
quest’ultimo infatti e’ solubile in soluzione salina mentre il 99Mo e’
insolubile e rimane pertanto adsorbito sulla colonna. Il 99Mo,
decadendo, da origine ad ulteriori quantita’ di 99Tc, che possono
essere in seguito nuovamente eluite tramite lo stesso procedimento.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Generatore di 131I
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Produzione di isotopi β+ emittenti
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Ciclotroni per uso medico
 Nei primi ciclotroni: due elettrodi cavi detti “dees” (dalla forma di D
maiuscola), posti in una camera ad elevato grado di vuoto, tra i quali
esiste una differenza di potenziale alternata, accelerano
progressivamente particelle cariche.
 Una particella percorre un’orbita di raggio r = m v/q B, essendo m la
massa, v la velocita’, q la carica e B il campo magnetico.
 Ad ogni rotazione l’azione del campo elettrico aumenta
progressivamente l’energia cinetica, ovvero la velocita’ v, e quindi il
raggio di rotazione aumenta corrispondentemente.
 Una volta raggiunto il raggio di rotazione massimo il fascio di
particelle viene estratto e diretto sul bersaglio.
 Per vincere la repulsione elettrostatica dei nuclei degli atomi del
bersaglio e penetrarvi occorrono particelle di dimensioni contenute,
ovvero ioni leggeri; solitamente si usano protoni.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Ciclotroni per uso medico
Per quanto riguarda i radionuclidi emettitori di positroni i principali
tipi di materiale bersaglio sono gas e soluzioni acquose. I target
sono composti di un corpo metallico, che contiene il vero e proprio
materiale bersaglio ed ha la funzione di dissipare il calore prodotto
nell’assorbimento del fascio (problema rilevante soprattutto per i
target liquidi che possono bollire).
Nel caso della produzione di 18F- il bersaglio e’ acqua arricchita con
l’isotopo stabile 18 dell’ossigeno. I materiali piu’ usati per i corpi
target sono l’argento e il titanio.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. V
Esercizio 11: quanto vale l’attivita’ specifica Carrier Free di un
radioisotopo con T1/2 di 24 h e numero atomico 50?
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