argomento 5a medicina nucleare - ingegneria biomedica · in uscita tre nuovi segnali ... di una...
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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: [email protected]
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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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.
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Gamma camera a testa singola
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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