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Instrumentação em Imagiologia Médica
Módulo 4. Imagiologia com radioisótopos
Parte I. Cintigrafia, SPECT
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Parte I. Cintigrafia, SPECT
Leccionado por Vitaly Chepel,
Departamento de Física, Universidade de Coimbra
Ano lectivo 2008-2009vitaly@fis.uc.pt
princípio de funcionamento e processos físicos associados
radioisótopos versus raios-X
radioisótopos usados
primeiros scanners
câmara de Anger: princípio de funcionamento, detalhes de desenho,
Imagens com radioisótopos: sumário
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câmara de Anger: princípio de funcionamento, detalhes de desenho,performance
da cintigrafia ao SPECT
estado de arte e desenvolvimentos recentes
A primeira utilização de um traçador radioactivo (radioactive tracer) para estudodo movimento dos elementos estáveis num sistema bilógico atribui-se ao Georgede Hevesy nos anos 1920.
Injectar uma quantidade muito pequena de uma substância em cujas moléculasum dos átomos, normalmente estável, é substituído pelo um isótopo radioactivo
Medir a distribuição espacial dessa substância através da detecção de raios
A ideia:
Imagem com radioisótopos: a ideia
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Medir a distribuição espacial dessa substância através da detecção de raiosgama emitidos pelo traçador
Para isso é suficiente uma quantidade muito pequena de um elementoradioactivo – muito menos que pode ser detectada pelos métodos químicos
A distribuição obtida reflecte o comportamento fisiológico dessa substância e ofuncionamento do sistema biológico no que toca fluxo sanguíneo, metabolismo,transporte celular, função de neurotransmissores etc.
Fornece informação valiosa para diagnóstica, terapia e investigação médica,biológica e farmacéutica
Imagem com radioisótopos: princípio
1. Injecção de uma substância marcada com um isótopo radioactivo emissor de raios gama (também pode ser introduzido por inalação)
2. A substância é absorvida pelo organismo e distribui-se no corpo
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2D image
3D image
γ
γScintigraphy
SPECT
Detector
γ3. A distribução é medida com um ou vários detectores de raios gama
organismo e distribui-se no corpo consoante a sua função fisiológica
Radioisótopos - requisitosRadiação emitida
partícular carregadas são absorvidas no tecido biológico numa distância deordem de ~mm � não podem ser usadas para fins diagnósticos dos órgãosinteriores (com excepção de positrões cuja anuquilação resulta em emissão deum par de fotões gama – ver lição sobre PET)
raios gama – a atenuação segue uma lei exponencial com o comprimento deatenuação de ordem de 1/µ ~1 a 10 cm � podem ser usadas
é altamente desejável que o fotão gama não seja acompanhado pelas
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é altamente desejável que o fotão gama não seja acompanhado pelaspartículas carregadas – assim evita-se a irradiação desnecessária do paciente
x
N0 N(x)
x
N(x)
R x
N0 N(x)
x
N(x)
N0
N0
00
xeNtN µ−= 0)(
Partículas carregadas Radiação electromagnética
Idealmente, devia ser comparável com o tempo necessário para o exame,i.e. ~10 min a ~1 hora
Radioisótopos - requisitosTempo de vida
deca
imen
tos/
s
(a) T1/2 é demasiado curto – uma grande partedo isótopo decai antes da medição
(b) T1/2 óptimo
(c) T1/2 muito longo – o paciente continua a serTtt −− == λ
8
t
injecção medição
deca
imen
tos/
s
(a)(b)
(c)
(c) T1/2 muito longo – o paciente continua a serirradiado depois do exame terminar
Eliminação fisiológica � tempode vida de uma substância noorganismo pode ser mais curto doque T1/2:
212)( 00
TttNeNtN
−− == λ
.21
.
111
fisioleff
fisioleff
TTT+=⇒
⇒+= λλλ
Os radioisótopos de origem natural não podem ser usados para adiagnóstica médica principalmente devido ao seu longo período desemidesintegração
Os isótopos artificiais são produzidos ou em reactores nucleares(através de captura de neutrões pelos núcleos estáveis) ou emaceleradores de partículas
Radioisótopos - origem
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Produção do 99mTc num reactor nuclear por bombardeamento com neutrões (99mTc é usado em SPECT)
Produção do 18F num sinchrotrão por bombardeamento com protões(18F é usado em PET)
Produção do 99mTc1º passo – num reactor nuclear:
ν~998.299 ++ → −eTcMo
md
...99
42
98
42 +++→+ γγMoMon
Isótopo estável (abundância natural 24%)
2º passo – armasenamento num “gerador de tecnécio”(em hospital):
10
ν~99
43
8.299
42 ++ → −eTcMo
md
γ+→ TcTchm 99
43
699
43
3º passo – injecção ao paciente e medição:
Gerador de tecnécio
Na99m
TcO4
Radioisótopos mais utilizadosIsótopo T1/2 Energia
99mTc 6.0 h 140 keV123I 13.2 h 159 e 529 keV
201Tl 73 h 71 e 80 keV – RX Hg, 135 e 167 keV,67Ga 78.3 h 93, 185 e 300 keV111mIn 2.83 d 171 e 245 keV
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In 2.83 d 171 e 245 keV133Xe 5.3 d 81 keV
131I 8 d 364 e 627 keV
O radioisótopo está ligado numa substância específica a certa actividademetabólica (cancro, actividade cerebral, perfusão do miocárdio etc.)
Por exemplo, sabe-se que o iódo acumula-se no tiróide � ao usar isótoposradioactivos do iódo 131I e 125I o funcionamento do tiróide pode ser investigado.
Radiofármacos - exemplos
TcN
S S
NHO
O CH3
O
OCH3
O0
Technetium (99mTc) Bicisate
Perfusão do cérebro
Tc
O
OO
O
NH
O
CH3
CH3
O CH3 CH
3
O
O
O
NH
O
CH3
CH3
CH3
CH3
-1
Technetium (99mTc) Disofenin
Fígado, hepatiteO
O
O
O OH
12Technetium (99mTc) Medronate
O Tc OH
OH
OO
O
P
P
OOH
OOH
P
P
OOH
OOH
Ossos, câncro da próstata
Ga
H2O
OH2O
O
H2O
O
Gallium (67Ga) Citrate
Inflamação, infecções
NH
NHI
131
NH2
Iobenguane sulfate (131I)
NeuroblastomaNa131I - tiróide
Radioisótopos versus Raios-XRaios-X
(Radiologia, TAC)
Radioisótopos
(cintigafia, SPECT, PET)
Fonte Externa Interna
Energias 80 keV a 140 keV 80 keV a 511 keV
Origem da radiação Bremsstrahlung Decaimento dos núcleos
Papel da atenuação É o que produz o sinal Estraga a imagem
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Papel da atenuação (i.e. interacção com o corpo)
É o que produz o sinal Estraga a imagem
O que mostra a magem Atenuação da radiação nos tecidos, i.e. ρρρρ, Z
Distribuição dos isótopos radioactivos no corpo
Poder diagnóstico Anomalias morfológicas
Anomalias em funcionamento
Resolução espacial ~0.3 mm ~3-5 mm
(até ~1 mm em alguns sistemas avançadas de pequenas dimensões)
Primeiros scannersRectilinear scanner (obsoleto)
Uma posição do detector
N contagens
Um ponto marcado no papel
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Um ponto marcado no papel cuja cor depende do N
Imagem - scintigrama
1977
O detector funciona no modode impulsos: os raios gamasão detectados um a um
Primeiros scannersLinear scanner (obsoleto)
Uma posição do detector
contagens N(x)
Imagem em 2D - scintigrama
Atenuação da luz no cristal � λ
λ
/)(
02
/
01
)(
)(
xL
x
eAxA
eAxA
−−
−
=
=
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Imagem em 2D - scintigrama
Partilha da luz entre os fotomultiplicadores � Ai = f(x)
Câmara gama
Cristal cintilador
Guia da luz
Fotomultiplicadores
Colimador
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Colimador
Objecto
Acontecimentos “bons”Acontecimentos “maus”
absorção no objecto
scatter
absorção no colimador
penetração através do colimador
Localização – através da partilha da luz entre os fotomultiplicadores
Câmara de Anger
7 fotomultiplicadores
Guia de luz (plástico)
Cristal cintilador NaI(Tl)∅∅∅∅100 mm x 6 mm
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Hal O. Anger, Scintillation Camera - Review of Scientific Instruments, 1958, v.29, pp. 27-33
Colimador pinhole
(chumbo)
Objecto
Algoritmo de Anger de reconstrução de coordenadas
Sinais de fotomultiplicadores(amplituda de impulso, por exemplo)
A ideia:U1 U2 UNUi
∑
∑==
N
N
i
ii xU
X 1
20
xx1 x2 xNxi
X
A coordenada x da cintilação pode ser reconstruida através do cálculo da média das
coordenadas dos fotomultiplicadores xi com os pesos iguais a amplitude do sinal do respectivo fotomultiplicador
∑=
N
i
iU1
(também é conhecido como- método de centroid ou- centre-of-gravity method )
∑∑
∑
∑
∑
=
=
=
=
= ===N
i
iN
i
i
N
i
ii
N
i
i
N
i
ii
UE
U
Uy
Y
U
Ux
X1
1
1
1
1 ,,
Algoritmo de Anger em 2D
Energia depositada no cristal
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Nota: o fotomultiplicador central (Nº7) nãocontribui para a reconstrução das coordenadasmas contribui para reconstrução da energiadepositada no cristal
Algoritmo de Anger - realização
−+
−+
−=
−=
YYY
XXX
A corrente do cada fotomultiplicador (Ui) é dividida entre 4 saídas (X+, X-, Y+ e Y-).
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H.O. Anger, Scintillation Camera – Rev. Sci. Instr., 1958, v.29, pp.27-33
−= YYY
As resistências são escolhidas de tal modo para que a contribuição de cada fotomultiplicador para os sinais X e Y fosse proporcional à respectiva coordinada do seu centro
Câmara de Anger – O cristal
Normalmente NaI(Tl): Z = 54, ρ = 3.67 g/cm3
comprimento de atenuação para 140 keV 1/µ ≈ 0.4 cm84% dos fotões de 140 keV interagem através do efeito fotoeléctricoalta luminosidade, ≈ 5,600 fotões para 140 keV
Dimensões:Diâmetro de 20 cm a 60 cm ou rectangular ≈ 50 x 40 cm
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Diâmetro de 20 cm a 60 cm ou rectangular ≈ 50 x 40 cmEspessura ≈ 6 a 12 mm (1/4” a ½”, o mais comum é 3/8”) Compromisso entre
a) eficiência de absorção de raios gama � mais espessob) erro de paralaxe � mais fino possível
Desvantagens do NaI(Tl):Higroscópico � tem que ser selado hermeticamente num contentorsensivel àos gradientes da temperatura � facilmente parte-se
Tem um papel fundamental para reconstrução de coordenadas –distribuir a luz emitida numa cintilação entre vários fotomultiplicadores
Câmara de Anger – Guia de luz
Espessura – um compromisso entre dois extremos:
• Guia muito fina – apenas um fotomultiplicador “vê” a luz � só um PMT dá osinal � resolução espacial ≈ diâmetro do fotomultipicador (~50 mm);
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sinal � resolução espacial ≈ diâmetro do fotomultipicador (~50 mm);
• Demasiado espessa – a distribuição da luz entre os PMTs quase uniforme �
resolução é ~ do diâmetro do cristal
Material:
• Plástico transparente com índice de refracção próximo ao do cristal (paraminimizar as perdas da luz devido à reflexão)
Requisitos
• Eficiência quântica mais alta possível (tipicamente ~30% para a luz doNaI(Tl) – λ = 415 nm)
• Boa uniformidade do fotocátodo
• Os ganhos tão próximos quanto possível
• Cobertura máxima da superfície do cristal � forma hexagonal ourectangular
Câmara de Anger – fotomultiplicadores
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rectangular
• Cristal redondo: 19, 37, 61 ou 91 fotomultiplicador
• Cristal rectangular: ~100 fotomultiplicadores
Câmara de Anger – detalhes do desenho
fotomultiplicadores
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Guia de luz
Janela de vidro
NaI(Tl)
Colimador
Funçao – projectar a imagem do objecto (em raios gama) ao detector
Câmara de Anger – colimadores
Tipos de colimadores
(M – factor de magnificação)
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Material – número atómico Z e densidade elevadas (normalmente Pb, asvezes Ta, W)
Como a atenuação de raios gama é exponencial com distância, a colimaçãonunca é perfeita: a probabilidade de um fotão atravessar o colimador na direcção“errada” não é nula � para minimizar este efeito as paredes entre os orifícios(septa) devem ser suficientamente espessas
é o mais usado
Parallel hole collimator
t
d
bd
l
c
t
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é o mais usado
conserve as dimensões do objecto (M=1)
milhares orifícios de forma hexagonal
material – Pb; espessura ~ 25 mm
as câmaras são equipadas com vários colimadores de dimensões diferentes
um exemplo de dimensões: cada orifício é de d=2.5 mm de “diâmetro” com asparedes (septa) de t=0.3 mm entre eles, ~25 orifícios/cm2 (General-purpose low-
energy collimator – para Eγ<150 keV)
Parallel hole collimator (II)
),( clbl
db
l
cbldR e
ee
ecoll >>≈
++≈
bd
l
c
tefectiva espessura
2−−=
µlle
22
2 ddK
≈ε
Resolução
Eficiência
30
a resolução é tanto melhor quanto mais perto for o objecto (b pequeno)
eficiência ~10-5 a 10-4 – é o maior problema da imagiologia com fotão único
escolha do colimador - compromisso entre a resolução e a eficiência
2
2
col
e
coll Rl
d∝
∝ε
orifícios) dos forma da depende(
constante, uma28.024.0 −−=K
2
2
)( td
d
l
dK
e
coll+
≈ε
Melhor a resolução � pior a eficiência
Pinhole collimator
f
bfdR ecoll
+≈
onde
2
3
16
cos
bdecoll
θε ≈
b
fd
α
Resolução em posição
Eficiência (geometrica)
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Vantagem: a magnificação M=f/b pode ser >>1 � a resolução espacial paraobjectos pequenos pode ser muito boa
Desvantagem – ângulo sólido (eficiência geométrica) muito pequeno � apenasuma pequena fracção de fotões gama emitidos pelo objecto participam na formaçãoda imagem
atenuação de ecoeficient -
efectiva, abertura2
tan2
onde
µ
α
µ−
+= ddde
θ