PET: caratteristiche tecniche e funzionamento - CORSO (TC-) PET - RADIOTERAPIA: METODICHE A CONFRONTO NELLA REALTA' DELL'AZIENDA
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CORSO (TC-) PET - RADIOTERAPIA:
METODICHE A CONFRONTO NELLA
REALTA’ DELL’AZIENDA
PET: caratteristiche tecniche e
funzionamento
Elisa Grassi – Servizio di Fisica Sanitaria ASMN
Il nostro viaggio … Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell’attenuazione della radiazione all’interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive
+
Isotopi +
Sintesi
Radiofarmaco
Acquisizione
e ricostruzione
dei dati
Cervello sano
P.F. 70 aa, m, c.a. polmonare
Il nostro viaggio … Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell’attenuazione della radiazione all’interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive
COS’E’ UN POSITRONE?
L’emissione di positroni è una forma di radioattività, in cui
un protone all’interno di un nucleo atomico è trasformato in
un neutrone.
p n+ ++
Il positrone è una particella che ha stessa massa e spin
dell’elettrone ma carica opposta: viene emesso dal nucleo con
energie variabili da zero fino all’energia massima (Emax)
caratteristica di ciascun nucleo.
PROCESSO DI ANNICHILAZIONE
Tomografo PET Un tomografo ad emissione di positroni si bassa sulla rivelazione in coincidenza della radiazione di annichilazione generata dall’interazione tra il positrone emesso da un nucleo radioattivo ed un elettrone della materia circostante.
Principali radioisotopi utilizzati per studi PET
e loro caratteristiche
Energia cinetica
Radioisotopo Emivita (min) Emissione β
+
massima di
(%) emissione (MeV)
18
F 109.8 96.9 0.633
11
C 20.4 99.8 0.960
13
N 10.0 100 1.198
15
O 2.0 99.9 1.732
Breve emivita Riduzione della dose
assorbita
Isotopi dei principali Vengono assorbiti e
elementi costituenti consumati senza
la materia biologica essere riconosciuti
come estraneiIl nostro viaggio … Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell’attenuazione della radiazione all’interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive
Una premessa fondamentale…
TIPI DI EVENTI IN PET
Coincidenze vere
Coincidenze casuali
Coincidenze da
radiazione diffusaQuali sono le caratteristiche di un rivelatore IDEALE per sistemi PET ? - elevato numero atomico ed elevata densità, per garantire un elevato potere di frenamento alle radiazione di 511 keV - elevata efficienza di scintillazione, ossia alto fattore di conversione in luce dell’energia dissipata in esso dalla radiazione ionizzante, per una elevata discriminazione energetica ed una stretta finestra temporale - tempo di decadimento della luce emessa sufficientemente breve, per un basso tempo morto del sistema e quindi buone prestazioni in termini di frequenza di conteggio; - elevato potere di trasmissione della luce; - buona facilità di produzione, conservazione e di impiego.
UN PASSO INDIETRO Il principio fisico di funzionamento di un cristallo scintillatore può essere schematizzato dal grafico seguente:
FOTOMOLTIPLICATORE Segnale elettrico
Rivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl) BGO GSO LSO
Densità (gr/cm 3) 3.67 7.13 6.70 7.4
Numero atomico effettivo 51 75 59 66
Coeff. di attenuaz. lineare (cm -1) 0.34 0.92 0.62 0.81
Eff. di scintillazione (% del NaI) 100 15 25 65
Costante di decadimento ( nsec) 230 300 56 40EFFICIENZA DI RIVELAZIONE 511KeV (%)
82
80
74
50
NaI BGO LSO GSO
25.4 mm 20 mm 20 mm 20 mmRivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl) BGO GSO LSO
Densità (gr/cm 3) 3.67 7.13 6.70 7.4
Numero atomico effettivo 51 75 59 66
Coeff. di attenuaz. lineare (cm -1) 0.34 0.92 0.62 0.81
Eff. di scintillazione (% del NaI) 100 15 25 65
Costante di decadimento ( nsec) 230 300 56 40RISOLUZIONE ENERGETICA
25 mm NaI 3D 20 mm BGO 3D
cts. cts.
Finestra Finestra
Energetica Energetica
utilizzata utilizzata
12 %
20 %
100 200 300 400 500 600 700 800 100 200 300 400 500 600 700 800
keV keVRISOLUZIONE ENERGETICA 511KeV (%)
30
20
10
NaI BGO LSO GSORivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl) BGO GSO LSO
Densità (gr/cm 3) 3.67 7.13 6.70 7.4
Numero atomico effettivo 51 75 59 66
Coeff. di attenuaz. lineare (cm -1) 0.34 0.92 0.62 0.81
Eff. di scintillazione (% del NaI) 100 15 25 65
Costante di decadimento ( nsec) 230 300 56 40
Maggior capacità di conteggio del sistema,
quando accoppiati ad una veloce elettronica
di acquisizioneIl nostro viaggio … Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell’attenuazione della radiazione all’interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive
AUMENTO DEL CAMPO DI VISTA ASSIALE Fine anni ‘70 Inizio anni ‘80 Inizio anni ‘90
Sistemi per Tomografia ad Emissione di Positroni
Multi-ring Blocchi Full-ring Dual-head
BGO rotanti
NaI
PET multi-ring PET full-ring PET dual-head
Cristalli BGO NaI(Tl) NaI(Tl)
Dimensioni 4,0 x 8,1 x 30 mm 500 x 300 x 25 mm 508 x 39,1 x 15,9 mm
672 per anello
18 anelli
Campo di vista
(FOV) 55,0 x 15,2 cm 56 x 25.6 cm 50,8 x 38,1 cmMODALITA’ DI ACQUISIZIONE IN PET
2D 3D
SETTI DI
PIOMBO
Z
Sensibilità 3D = 5*Sensibilità 2D2D Î 3D
Ï scatter
sensibilità: 1 Î 5
Sottrazione della
Radiazione diffusa
12 % mediante algoritmi
Risoluzione matematici
energeticaFRAZIONE DI RADIAZIONE DIFFUSA
IN MODALITA’ 3D
Cervello
FS: 30%
Torace
FS: 50%NaI(Tl)
Wide Area Detector
C-Pet (Philips)
BSO e LSO GSO
Multi-ring Block Detector Array
CTI, Siemens e GE Allegro (Philips)Il nostro viaggio … Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell’attenuazione della radiazione all’interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive
ATTENUAZIONE IN PET
IMMAGINE NON IMMAGINE
CORRETTA CORRETTA
PER L’ATTENUAZIONEVANTAGGI DELLA
CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE
-Miglioramento della localizzazione anatomica e della
definizione spaziale del tumore;
-compensazione delle distorsioni geometriche osservate
negli studi non corretti;
-possibilità di quantificare la captazione del traccianteATTENUAZIONE
D1
X1 p = exp(− μ x )
1 1
Coincidenza p = exp(− μ x )
2 2
X2
p = exp(− μ (x + x ))
1 2
Probab. che entrambi i fotoni
D2
vengano rivelatiCORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE CALCOLATA
L’ATTENUAZIONE
Ipotesi: COSTANTECORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATA
L’ATTENUAZIONE
Sorgente
puntiforme
137 Cs
662 keV
Sorgente lineare
68Ge
+ emittenteCORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATA
L’ATTENUAZIONE
Ricordando la legge di attenuazione I=I0exp(- x)
BLANK Niente all’interno del campo di vista [I0]
TRASMISSIVA Paziente nel campo di vista [I0exp(- x)]
BLANK I0
ACF = ------------------------- = ----------------- = exp( x)
TRASMISSIVA I0exp(- x)
Coefficienti di correzione per l’attenuazionePET
CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATA
L’ATTENUAZIONE
BLANK TRASMISSIVAImmagine corretta per l’attenuazione Immagine NON corretta per l’attenuazione
Il nostro viaggio … Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell’attenuazione della radiazione all’interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive
CARATTERIZZAZIONE FISICA
DI UN SISTEMA PET
In principali parametri che caratterizzano un sistema PET sono:
* Risoluzione Spaziale
* Linearità di conteggio
* Efficienza di rivelazione
* Frazione di radiazione diffusaRisoluzione Spaziale
La risoluzione spaziale è definita
dalla FWHM e FWTM
dei profili di attività della
sorgente a 1, 5, 10 e 15 cm
dal centro nel piano transassialeLa Risoluzione Spaziale dipende da: Range del positrone Deviazione da 180° della direzione di emissione dei fotoni di annichilazione Dimensione dei rivelatori Inaccuratezza della posizione dovuta all’elettronica Metodo di ricostruzione
L’Efficienza di rivelazione dipende da: L’efficienza del materiale rivelatore, basata sulla densità e sullo spessore del cristallo di rivelazione. La geometria del tomografo, ossia l’area attiva del tomografo
SISTEMA CPET GE ECAT ECAT ALLE
PET Advance HR+ ACCEL GRO
CRISTALLO Na(I) BGO BGO LSO GSO
DIMENSIONI 500x300x2 4.0x8.2x3 4.0x4.4x3 6.8x6.8x2 4.0x6.0x2
5 0 0 0 0
RISOLUZIONE
SPAZIALE 6.4 5.4 5.4 6.7 5.9
@10cm
EFFICIENZA
(Kcps/mCi/cc) 450 1060 900 900 > 800
FRAZIONE DI
RADIAZIONE 25 35 36 36 25
DIFFUSA (%)
50% TEMPO
MORTO 0.2 0.9 0.6 > 0.6
(Kcps/mCi)Il nostro viaggio … Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzione alla metodica Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET Assetto geometrico di un tomografo PET Il problema dell’attenuazione della radiazione all’interno del corpo Caratterizzazione fisica di un tomografo PET Nuove prospettive
TAC [18F]FDG PET
FUSIONE DI IMMAGINE MEDIANTE MARKERS ESTERNI
Una nuova era… I SISTEMI CT-PET
CT PET CT/PET
Ruolo nella
diagnosi
oncologica
precoce e
stadiazione
Immagini anatomiche Immagini funzionali Combina i punti di forza di
Punti di PET e CT
Visualizzazione di fini Eccellente nella rivelazione e
dettagli, eccellente nella stadiazione di tumori
forza localizzazione del tumore
Punti di Non molto sensibile e Una volta rivelato il Aspetti tecnici e protocolli
specifica nella rivelazione tumore, la localizzazione da ottimizzare
debolezza e stadiazione di tumori. per il trattamento è
difficile
Attività Attività
Anatomia
metabolica metabolic
Cosa vedi + anatomTAC-PET
VANTAGGI 9 Tempi ridotti di esame 9Migliore qualità delle immagini PET (correzione per attenuazione, ricostruzione) 9Accurata interpretazione delle immagini funzionali PET sulla base delle immagini anatomiche TAC (correlazione anatomo-funzionale) 9Diagnosi integrata PET-TAC
AMBITI DI STUDIO
ASPETTI TECNICI
•Interferenza tra i due tomografi (es. temperatura)
• Contaminazione 511 keV su immagini CT
PROTOCOLLO DI ACQUISIZIONE
•Condizioni di respiro
• Posizione delle braccia
ELABORAZIONE DELLE IMMAGINI
•Correzione per attenuazione con CT (calibrazione
a 511 keV)Grazie per l’attenzione !
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