E_medicinanucleare20.. - Ingegneria Biomedica
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ab/10/2005<br />
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II”<br />
Corso di Laurea in <strong>Ingegneria</strong> <strong>Biomedica</strong><br />
Anno accademico 2005-2006<br />
Diagnostica per Immagini<br />
Argomento 5A<br />
Medicina Nucleare<br />
Arturo Brunetti<br />
Tel 0817463102 Fax 0812296117<br />
e-mail: brunetti@unina.it<br />
MEDICINA NUCLEARE<br />
Utilizzazione di radionuclidi<br />
a scopo diagnostico<br />
e terapeutico<br />
1
DIAGNOSTICA<br />
in vitro<br />
in vivo<br />
MEDICINA NUCLEARE<br />
TERAPIA<br />
Radioterapia<br />
metabolica<br />
MEDICINA NUCLEARE<br />
•Le applicazioni medico nucleari in vivo hanno i<br />
seguenti scopi:<br />
•esplorare e misurare particolari funzioni organiche e<br />
misurarle per verificare se siano normali od alterate e stabilire<br />
l’entità dell’alterazione<br />
•evidenziare lesioni localizzate in organi o apparati attraverso<br />
l'alterazione di funzioni biologiche che la lesione determina<br />
•utilizzare meccanismi biologici elettivi per caratterizzare la<br />
natura di una lesione o realizzare un effetto radiobiologico<br />
locale, utile ai fini terapeutici<br />
2
MEDICINA NUCLEARE<br />
• Somministrazione del tracciante<br />
• Acquisizione delle immagini scintigrafiche<br />
• Elaborazione dei dati<br />
Medicina Nucleare<br />
“immagini da emissione ”<br />
• Somministrazione di nuclidi radioattivi e molecole<br />
radiomarcate (radiofarmaci, traccianti)<br />
• seguita dalla rilevazione della mappa di distribuzione<br />
della radioattività<br />
Image<br />
reconstruction<br />
3
Nuclear Medicine<br />
“emission tomography”<br />
Sviluppo della Medicina Nucleare<br />
Milestones: Strumenti<br />
• Cyclotron (1929)<br />
• Nuclear reactor (1945)<br />
• Rectilinear scanner (1951)<br />
• Anger camera (1958)<br />
• Computer (1969)<br />
• PET (1977)<br />
• SPECT (1978)<br />
• Internet (2000)<br />
• PET/CT (2001)<br />
Milestones: Radionuclidi e radiofarmaci<br />
• Irradiation by a low neutron source<br />
(Fermi E, Hevesy G, 1934)<br />
• Radionuclides from cyclotron technology (Lawrence<br />
J, 1933)<br />
• 99 Mo/ 99m Tc generator<br />
(Richard P, 1960)<br />
• Monoclonal antibodies (Kohler G, Millestein C, 1975)<br />
• FDG radiolabeled with 18 F (Ido T, 1979)<br />
4
ab/10/2005<br />
ab/10/2005<br />
L’INVENTORE DELLA GAMMA CAMERA<br />
Hal Oscar Anger (born May 20, 1920 in Denver,<br />
Colorado, USA - died October 31, 2005 in<br />
Berkeley, California) was an electrical engineer<br />
and<br />
biophysicist at Donner Laboratory, UCB.<br />
In 1957, he invented the scintillation camera,<br />
known also as the gamma camera or Anger<br />
camera.<br />
Anger also developed the well counter, widely<br />
used in laboratory tests.<br />
In all, Anger held 15 patents, many of them for<br />
work at the Ernest O. Laurence Radiation<br />
Laboratory.<br />
Gamma camera a testa singola<br />
6
ab/10/2005<br />
Gamma camera a testa doppia<br />
Medicina Nucleare: strumentazione<br />
fotomoltiplicatori<br />
cristallo<br />
collimatore<br />
sorgente<br />
elettronica<br />
tubo<br />
catodico<br />
calcolatore<br />
7
oggetto<br />
rilevato<br />
sorgente<br />
foro singolo<br />
(pin hole)<br />
Collimatori<br />
fori paralleli fori divergenti fori convergenti<br />
fori paralleli: solo i fotoni incidenti perpendicolarmente alla testa della gamma camera<br />
possono raggiungere il cristallo<br />
Cristallo di scintillazione<br />
• Materiale: Ioduro di sodio (NaI) con delle<br />
impurità di tallio<br />
• Scintillazione: l’interazione di un fotone<br />
produce un piccolo lampo di luce la cui<br />
intensità é proporzionale all’energia<br />
rilasciata dal fotone x o γ nel mezzo<br />
• Se ogni fotone che interagisce nel<br />
cristallo da luogo ad una scintillazione<br />
avremo una distribuzione di scintillazioni<br />
nel cristallo che “copia” la distribuzione<br />
di attività dell’oggetto<br />
Scintigrafia tiroidea<br />
Proiezione laterale<br />
8
In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi<br />
raggiunge il fototubo<br />
Medicina Nucleare: strumentazione<br />
fotomoltiplicatori<br />
cristallo<br />
collimatore<br />
sorgente<br />
elettronica<br />
tubo<br />
catodico<br />
calcolatore<br />
9
• Numero: da 37 a 91<br />
Fotomoltiplicatori<br />
• Utilizzazione: conversione del quanto luminoso in un proporzionale<br />
numero di elettroni<br />
• Azione: un impulso, per ogni interazione che avviene nel cristallo,<br />
proporzionale all’energia rilasciata nel cristallo<br />
• Gli impulsi vengono amplificati linearmente, selezionati in base alla<br />
loro ampiezza e memorizzati<br />
FOTOTUBO<br />
10
Circuiti elettronici<br />
posizione e energia:<br />
Confronto tra le ampiezze degli impulsi<br />
di tutti i fotomoltiplicatori e fornisce<br />
in uscita tre nuovi segnali (x, y, z),<br />
• coordinate X e Y<br />
coordinate del punto in cui é avvenuta la<br />
scintillazione<br />
• coordinata Z<br />
somma degli impulsi di tutti i<br />
fotomoltiplicatori, risulta proporzionale<br />
all’energia rilasciata nel cristallo<br />
dall’interazine del fotone<br />
Calcolatore<br />
• i segnali acquisiti sono immagazzinati nella memoria del<br />
calcolatore e ricostruiti in matrici numeriche<br />
(64x64,128x128,256x256 elementi o pixel)<br />
• ogni elemento della matrice immagine (pixel) conterrà un<br />
numero corrispondente al conteggio di tutte le interazioni<br />
avvenute durante l’acquisizione tra raggi gamma e cristallo<br />
di ioduro di sodio<br />
11
1 0 0 0<br />
0 4 3 2<br />
1 5 4 0<br />
0 2 4 1<br />
Digitalizzazione dell’immagine<br />
• acquisizione dei conteggi nei pixels<br />
• suddivisione del cristallo in aree discrete -pixels<br />
• conteggi totali nei singoli pixels<br />
registrati<br />
nella memoria del computer<br />
*<br />
*<br />
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*<br />
*<br />
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* *<br />
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*<br />
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*<br />
*<br />
*<br />
*<br />
* *<br />
*<br />
*<br />
*<br />
*<br />
Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche<br />
Tecniche di acquisizione:<br />
• planare (statica e dinamica)<br />
• tomografica ad emissione di fotone singolo (SPECT)<br />
• tomografica ad emissione di positroni (PET)<br />
12
STUDIO STATICO<br />
Acquisizione di una o più<br />
immagini nelle varie proiezioni<br />
ad un determinato tempo per<br />
valutare la distribuzione<br />
spaziale del radiofarmaco<br />
somministrato al paziente<br />
STUDIO DINAMICO<br />
Acquisizione di più immagini<br />
in sequenza temporale allo<br />
scopo di seguire nel tempo la<br />
distribuzione spaziale del<br />
radiofarmaco somministrato al<br />
paziente<br />
13
Curve attività-tempo<br />
• le variazioni temporali della concentrazione del<br />
tracciante sono determinate mediante la (ROI) che<br />
delimitano l'area da studiare<br />
• la concentrazione del tracciante viene quindi espressa<br />
come curva attività-tempo<br />
attività<br />
tempo<br />
14
Curva radioattività tempo<br />
SISTOLE<br />
DIASTOLE<br />
Analisi angiocardioscintigrafica<br />
riferita ad un ciclo cardiaco medio<br />
e immagini parametriche<br />
15
Analisi della curva<br />
• Velocità di eiezione e riempimento<br />
• EDV/sec<br />
• Parametri poco usati se non in contesto<br />
sperimentale<br />
IMMAGINI PARAMETRICHE<br />
• le immagini scintigrafiche ottenute rappresentano la<br />
distribuzione dell'attività nello spazio<br />
• mediante calcolatore é possibile ricostruire le immagini<br />
ottenute dall'analisi di parametri temporali, spaziali e<br />
funzionali (immagini parametriche)<br />
16
Tomografia per emissione<br />
Tecnica di acquisizione e di elaborazione dei dati capace di<br />
fornire una rappresentazione della distribuzione dei<br />
radiofarmaci in sezioni di organo di limitato spessore<br />
Eliminano la compattazione bidimensionale di una<br />
distribuzione volumetrica che é caratteristica della scintigrafia<br />
tradizionale, realizzando in misura piu’ o meno completa ed<br />
efficace una ricostruzione tridimensionale della distribuzione<br />
del radiofarmaco<br />
Medicina Nucleare<br />
Tomografia: SPET<br />
Supponiamo di avere un’immagine di una sorgente puntiforme con<br />
una gamma camera da 3 proiezioni.<br />
17
Medicina Nucleare<br />
Tomografia: SPET<br />
Il numero di conteggi in ciascun punto è chiamato il raggio-somma,<br />
Perché rappresenta il numero totale di conteggi visti dalla gamma<br />
Camera lungo una linea (un raggio)<br />
Medicina Nucleare<br />
Tomografia: SPET<br />
Si può assumere che i<br />
conteggi<br />
in ciascun raggio somma<br />
siano distribuiti equamente<br />
nei pixels che si trovano<br />
lungo quel raggio.<br />
18
PET (Positron Emission Tomography)<br />
NUCLIDI E RADIONUCLIDI<br />
Radioattività:<br />
conseguenza di un non equilibrato<br />
rapporto tra neutroni e protoni<br />
19
NUCLIDI E RADIONUCLIDI<br />
Peso atomico<br />
A<br />
Z<br />
Numero atomico<br />
N<br />
X<br />
A<br />
Stato di<br />
ossidazione<br />
Rapporti<br />
nelle molecole<br />
NUCLIDI E RADIONUCLIDI<br />
ISOTOPI<br />
ISOBARI<br />
ISOTONI<br />
forme dello stesso<br />
elemento (Z= A ≠)<br />
nuclidi di elementi diversi<br />
con massa uguale<br />
nuclidi con uguale<br />
numero di neutroni<br />
20
NUCLIDI E RADIONUCLIDI<br />
ISOMERI<br />
nuclei con uguale massa<br />
e numero atomico, dei quali<br />
uno o più possono trovarsi<br />
in uno stato di "eccitazione"<br />
RADIAZIONI<br />
ELETTROMAGNETICHE PURE<br />
CORPUSCOLATE<br />
21
RADIOATTIVITA'<br />
EMISSIONE DI RADIAZIONI<br />
IONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI<br />
• Raggi γ<br />
raggi β<br />
raggi α<br />
• Particelle β + β -<br />
-<br />
+<br />
+<br />
raggi γ<br />
Decadimento radioattivo<br />
• Cattura elettronica<br />
• Particelle α<br />
22
Vecchia unità<br />
Curie (Ci)<br />
10<br />
3.7 x 10 dis/sec<br />
Decadimento radioattivo:<br />
andamento esponenziale<br />
RADIOATTIVITA'<br />
1 Ci = 37 GBq<br />
dN (t)<br />
d<br />
t<br />
= - kN(t)<br />
N t = N 0 e -κt<br />
Nuova unità (SI)<br />
Bequerel<br />
1 dis/sec<br />
23
MEDICINA NUCLEARE<br />
Diagnostica "in vivo"<br />
SCINTIGRAFIA<br />
Mappa della distribuzione corporea<br />
di una molecola radioattiva<br />
(radiofarmaco, tracciante, indicatore)<br />
MEDICINA NUCLEARE<br />
SCINTIGRAFIA<br />
La mappa scintigrafica è sempre<br />
espressione di<br />
processi funzionali-metabolici<br />
24
MEDICINA NUCLEARE<br />
Apparecchi per diagnostica "in vivo"<br />
Sonda<br />
Scanner rettolineare<br />
Gamma camera<br />
Apparecchi per diagnostica "in vivo"<br />
Sistemi tomografici<br />
SPET = Single Photon Emission Tomography<br />
PET = Positron Emission Tomography<br />
25
MEDICINA NUCLEARE<br />
Diagnostica "in vitro"<br />
RIA = RadioImmuno Assay<br />
IRMA = ImmunoRadioMetric Assay<br />
INDICAZIONI<br />
Diagnostica "in vitro"<br />
Dosaggi accurati di molecole<br />
(ormoni, metaboliti, farmaci,<br />
allergeni, marcatori tumorali ...)<br />
presenti in fluidi biologici<br />
in concentrazioni minime<br />
(µM, nM, pM)<br />
26
MEDICINA NUCLEARE<br />
Apparecchi per diagnostica "in vitro"<br />
Contatori gamma<br />
Contatori beta<br />
Radiofarmaci<br />
• Molecole marcate con radionuclidi γemettitori<br />
per eseguire indagini di<br />
medicina nucleare in vivo<br />
• Indicatori<br />
• Traccianti<br />
27
Medicina Nucleare: traccianti<br />
• Traccianti omogenei:<br />
differiscono dalla sostanza tracciata escusivamente per<br />
le caratteristiche isotopiche (es. Iodio-131)<br />
• Traccianti ad equivalenza eterogena:<br />
affinità biochimica, metabolica o distributiva con la<br />
sostanza tracciata es. Tallio-201 (isotopo) analogo del potassio,<br />
111In octreotide (molecola marcata con un isotopo) analogo della<br />
somatostatina<br />
Gli indicatori permettono di:<br />
• definire i confini, la sede le dimensioni di una<br />
struttura anatomica normale o di un tessuto<br />
normale/patologico<br />
• rilevare strutture in sedi diverse da quelle<br />
“standard”<br />
• valutare la distribuzione di un’ attività<br />
funzionale in una struttura anatomica<br />
28
TRACCIANTE:<br />
la definizione classica<br />
• un elemento o sostanza che,<br />
• introdotto in un sistema chimico o biologico<br />
• si mescoli rapidamente ed uniformemente con i<br />
costituenti di questo<br />
• e, pur essendo sempre identificabile e<br />
differenziabile da essi,<br />
• ne riproduca fedelmente il comportamento senza<br />
influenzarlo<br />
TRACCIANTE<br />
Sostanza "marcata", in grado di distribuirsi<br />
in un "pool" di analoghe sostanze presenti<br />
nel corpo consentendo lo studio<br />
di processi metabolici e di attività funzionale<br />
con l'aiuto di appositi modelli matematici<br />
Esempi<br />
99<br />
m Tc-DTPA<br />
misura del filtrato glomerulare renale<br />
1<br />
8<br />
F-deossiglucosio<br />
misura del consumo tessutale di glucosio<br />
29
• NEGATIVI:<br />
INDICATORI<br />
– colloidi per il fegato<br />
– microsfere per il polmone<br />
– dimercaptosuccinato per il rene<br />
• POSITIVI:<br />
– MDP per lo scheletro (anche neg!)<br />
– FDG per i tumori (anche neg!)<br />
– Gallio-citrato per infiammazione e linfomi<br />
RADIOFARMACI<br />
INDICATORE NEGATIVO<br />
si concentra selettivamente nel tessuto normale:<br />
le aree patologiche si evidenziano come<br />
difetti di captazione (aree "fredde")<br />
INDICATORE POSITIVO<br />
si concentra selettivamente nel tessuto malato:<br />
le aree patologiche si evidenziano come<br />
aree di ipercaptazione (aree "calde")<br />
30
AREA CALDA<br />
AREA FREDDA<br />
Scintigrafia polmonare<br />
31
Traccianti e indicatori:<br />
una distinzione classica della scuola medico-nucleare<br />
italiana<br />
• il tracciante è l’ elemento o sostanza che<br />
consente di valutare un’ attività funzionale,<br />
un processo metabolico<br />
• l’ indicatore è l’ elemento o sostanza che ci<br />
permette di individuare selettivamente una<br />
struttura, un tessuto, un organo ...<br />
• un tracciante può essere anche indicatore e<br />
viceversa<br />
INDICATORE:<br />
la definizione classica<br />
• un elemento o sostanza che abbia la<br />
proprietà di assumere,<br />
• in una struttura biologica anatomicamente e,<br />
in genere, spazialmente definita<br />
• una concentrazione significativamente<br />
diversa da quella che esso assume nelle<br />
strutture spazialmente contigue<br />
• e di poter essere in esse identificato<br />
32
• 99m Tc<br />
Principali radionuclidi utilizzati in<br />
medicina nucleare<br />
• T 1/2 = 6 ore<br />
TECNEZIO-99m<br />
• Emissione γ 140KeV<br />
• ottenuto da generatori (colonne a<br />
scambio ionico) con Molibdeno 99<br />
33
Medicina Nucleare<br />
• Esami statici: valutazione della distribuzione<br />
di un radiofarmaco a un tempo predefinito<br />
• Esami dinamici: valutazione sequenziale<br />
della distribuzione di un radiofarmaco, in<br />
genere a partire dalla somministrazione, per<br />
un periodo di tempo variabile<br />
Scintigrafia ossea<br />
• 99m Tc - metilendifosfonato (MDP)<br />
34
Scintigrafia ossea<br />
Scintigrafia renale statica<br />
• 99m Tc -DMSA (Dimercaptosuccinato)<br />
35
Scintigrafia renale statica<br />
pielonefrite<br />
Scintigrafia renale dinamica<br />
"sequenziale"<br />
• 99m Tc-DTPA<br />
(dietilentriaminopentacetato) GFR<br />
• 99m Tc-MAG3 RPF<br />
36
Scintigrafia renale dinamica<br />
"sequenziale"<br />
• 99m Tc-DTPA<br />
(dietilentriaminopentacetato) GFR<br />
• 99m Tc-MAG3 RPF<br />
Renogramma<br />
37
GFR sn =18 ml/min<br />
GFR dx = 57 ml/min<br />
Renogramma<br />
Scintigrafia renale dinamica<br />
"sequenziale"<br />
• 99m Tc-DTPA<br />
(dietilentriaminopentacetato) GFR<br />
• 99m Tc-MAG3 RPF<br />
38
• 201 Tl<br />
• 67 Ga-citrato<br />
Ricerca di tumori<br />
traccianti oncotropi<br />
• 99m Tc-MIBI<br />
• 99m Tc-peptidi<br />
• 99m Tc-anticorpi monoclonali<br />
• 18 F-deossiglucosio<br />
Tecniche tomografiche<br />
• Tomografia a emissione di fotone singolo<br />
SPET (Single Photon Emission Tomography)<br />
• Tomografia a emissione di positroni<br />
PET (Positron Emission Tomography)<br />
39
HO<br />
HO<br />
glucosio<br />
CH 2 OH O<br />
H<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
Fluoro-deossi-glucosio<br />
OH<br />
H<br />
40
PET-FDG<br />
PET-FDG<br />
41