PET: caratteristiche tecniche e di funzionamento · Caratterizzazione fisica di un tomografo PET...
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Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzionealla metodica
Il problema dell’attenuazione della radiazioneall’interno del corpo
Assetto geometrico di un tomografo PET
Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET
Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET
Caratterizzazione fisica di un tomografo PET
Nuove prospettive
Il nostro viaggio …
Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzionealla metodica
Il problema dell’attenuazione della radiazioneall’interno del corpo
Assetto geometrico di un tomografo PET
Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET
Qual è la sorgente di radiazioni? Isotopi PET
Caratterizzazione fisica di un tomografo PET
Nuove prospettive
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COS’E’ UN POSITRONE?
Il positrone è una particella che ha stessa massa e spindell’elettrone ma carica opposta: viene emesso dal nucleo con energie variabili da zero fino all’energia massima (Emax) caratteristica di ciascun nucleo.
p n + + +
L’emissione di positroni è una forma di radioattività, in cui un protone all’interno di un nucleo atomico è trasformato in un neutrone.
Tomografo PET
Un tomografo ad emissione di positroni si bassa sulla rivelazione incoincidenza della radiazione di annichilazione generata dall’interazione tra il positrone emesso da un nucleo radioattivo ed un elettrone dellamateria circostante.
Radioisotopo Emivita (min) Emissione β+
(%)
Energia cineticamassima diemissione (MeV)
18F 109.8 96.9 0.633
11C 20.4 99.8 0.960
13N 10.0 100 1.198
15O 2.0 99.9 1.732
Principali radioisotopi utilizzati per studi PET Principali radioisotopi utilizzati per studi PET e loro caratteristichee loro caratteristiche
Isotopi dei principali elementi costituentila materia biologica
Breve emivita Riduzione della doseassorbita
Vengono assorbiti econsumati senzaessere riconosciuticome estranei
Tomografia ad Emissione di Positroni: introduzionealla metodica
Il problema dell’attenuazione della radiazioneall’interno del corpo
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Come rivelo gli eventi? Rivelatori utilizzati in PET
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TIPI DI EVENTI IN PET
Coincidenze vere
Coincidenze casuali
Coincidenze da radiazione diffusa
Una premessa fondamentale…
- 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
Quali sono le caratteristiche di un rivelatore IDEALEper sistemi PET ?
- buona facilità di produzione, conservazione e di impiego.
- 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;
- elevato numero atomico ed elevata densità, per garantire un elevatopotere di frenamento alle radiazione di 511 keV
Il principio fisico di funzionamento di un cristallo scintillatore può essere schematizzato dal grafico seguente:
UN PASSO INDIETRO
NaI(Tl) BGO GSO LSO
Densità (gr/cm3) 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
Rivelatori utilizzati nei sistemi PETRivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl) BGO GSO LSO
Densità (gr/cm3) 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
Rivelatori utilizzati nei sistemi PETRivelatori utilizzati nei sistemi PET
keV
cts.
100 200 300 400 500 600 700 800
keV
cts.
100 200 300 400 500 600 700 800
12 %20 %
FinestraEnergeticautilizzata
FinestraEnergeticautilizzata
25 mm NaI 3D 20 mm BGO 3D
RISOLUZIONE ENERGETICA
Rivelatori utilizzati nei sistemi PETRivelatori utilizzati nei sistemi PET
NaI(Tl) BGO GSO LSO
Densità (gr/cm3) 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 acquisizione
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Sistemi per Tomografia ad Emissione di Positroni
Dual-headFull-ringMulti-ring Blocchirotanti
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 mm672 per anello
18 anelli
50,8 x 38,1 cmCampo di vista
(FOV) 55,0 x 15,2 cm 56 x 25.6 cm
2D 2D 3D3D
sensibilitsensibilitàà: 1 : 1 55
scatterscatter
12 %12 %RisoluzioneRisoluzioneenergeticaenergetica
Sottrazione dellaRadiazione diffusamediante algoritmi matematici
NaI(Tl) Wide Area DetectorC-Pet (Philips)
BSO e LSO Multi-ring BlockCTI, Siemens e GE
GSO Detector ArrayAllegro (Philips)
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IMMAGINE IMMAGINE NON NON CORRETTACORRETTA
PER LPER L’’ATTENUAZIONEATTENUAZIONE
IMMAGINE IMMAGINE CORRETTACORRETTA
ATTENUAZIONE IN PETATTENUAZIONE IN PETATTENUAZIONE IN PET
VANTAGGI 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 tracciante
p 1 = exp(−μx 1)p 2 = exp(−μx 2)p = exp(−μ (x 1 + x 2 ))
DD11
DD22
Coincidenza
X1
XX22
ATTENUAZIONEATTENUAZIONEATTENUAZIONE
Probab. che entrambi i fotoni vengano rivelati
CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE CALCOLATACORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE CALCOLATACALCOLATA
Ipotesi: COSTANTE
CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATACORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE MISURATAMISURATA
Sorgentepuntiforme137 Cs662 keV
Sorgente lineare68Ge
+ emittente
BLANK BLANK Niente allNiente all’’interno del campo di vista [Iinterno del campo di vista [I00]]
TRASMISSIVA Paziente nel campo di vista [ITRASMISSIVA Paziente nel campo di vista [I00exp(exp(-- xx)])]
ACF = ACF = -------------------------------------------------- = = ---------------------------------- = exp(= exp( x)x)BLANK BLANK
TRASMISSIVATRASMISSIVA
II00
II00exp(exp(-- x)x)
CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATACORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE MISURATAMISURATA
Ricordando la legge di attenuazione I=I0exp(- x)
Coefficienti di correzione per l’attenuazione
BLANK TRASMISSIVA
PET CORREZIONE PER L’ATTENUAZIONE MISURATA
PET PET CORREZIONE PER LCORREZIONE PER L’’ATTENUAZIONE ATTENUAZIONE MISURATAMISURATA
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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 diffusa
Risoluzione SpazialeRisoluzione 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 transassiale
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
La Risoluzione Spaziale dipende da:
L’efficienza del materiale rivelatore, basata sulla densitàe sullo spessore del cristallo di rivelazione.
La geometria del tomografo, ossia l’area attiva del tomografo
L’Efficienza di rivelazione dipende da:
SISTEMAPET
CPET GEAdvance
ECATHR+
ECAT ACCEL
ALLEGRO
CRISTALLO Na(I) BGO BGO LSO GSO
DIMENSIONI 500x300x25
4.0x8.2x30
4.0x4.4x30
6.8x6.8x20
4.0x6.0x20
RISOLUZIONE SPAZIALE
@10cm6.4 5.4 5.4 6.7 5.9
EFFICIENZA (Kcps/mCi/cc) 450 1060 900 900 > 800
FRAZIONE DI RADIAZIONE DIFFUSA (%)
25 35 36 36 25
50% TEMPOMORTO
(Kcps/mCi)0.2 0.9 0.6 > 0.6
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Nuove realtà
Il nostro viaggio …
• Punti corrispondenti (markers)
• Strutture corrispondenti(superfici)
• Volumi corrispondenti
Tecniche di registrazione delle immagini
Punti di
forza
Immagini anatomiche
Visualizzazione di fini dettagli, eccellente nella localizzazione del tumore
Immagini funzionali
Eccellente nella rivelazione e stadiazione di tumori
Combina i punti di forza di PET e CT
Punti di
debolezza
Non molto sensibile especifica nella rivelazione e stadiazione di tumori.
Una volta rivelato il tumore, la localizzazione per il trattamento èdifficile
Aspetti tecnici e protocollida ottimizzare
CT PET CT/PET
Ruolo nella diagnosi oncologica precoce e stadiazione
Cosa vediAnatomia Attività
metabolicaAttività
metabolic
+ anatom
VANTAGGI
Tempi ridotti di esame
Migliore qualità delle immagini PET(correzione per attenuazione, ricostruzione)
Accurata interpretazione delle immagini funzionali PET sulla base delle immagini anatomiche TAC (correlazione anatomo-funzionale)
Diagnosi integrata PET-TAC