UNIVERSITA’ DI PISA
DIPARTIMENTO DI FISICA “E. FERMI”
27 Giugno 2002
Nuovi strumenti diagnostici CT-PET
per le indagini morfologiche e
fisiologiche in simultanea
DANIELE PANETTA
Corso di Ottica Quantistica – Prof. Danilo Giulietti
A. A. 2001/2002
Contenuti:
• Concetto di tomografia
• Principi fisici dell’indagine morfologica CT
• Principi fisici dell’indagine PET
• Motivazioni per tomografia combinata CT-PET
• Fusione delle immagini: i problemi
• Conclusioni
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Concetto di tomografia
Radiografia convenzionale:
• Oggetti fisici posti sulla stessa linea
di irraggiamento non possono essere distinti
• Scarso contrasto su tessuti con coefficiente di attenuazione simile
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Concetto di tomografia
Imaging tomografico:
Il corpo del paziente viene
visualizzato a “fette” (slices)
CT
SPECT
MRI
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Concetto di tomografia
Tipi di imaging tomografico:
• Trasmissivo: sorgente esterna al
paziente (CT)
• Emissivo: sorgente interna al
paziente, in seguito ad iniezione di
opportuni traccianti (PET, MRI,
SPECT)
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Computed Tomography
• Imaging trasmissivo (trasmissione di raggi X attraverso
il paziente)
• Indagini di tipo morfologico (informazioni in 3D multislice sull’anatomia)
• Alta capacità di discriminare tessuti con diverse
proprietà di attenuazione (sensibilità), regolando
l'intensità del fascio incidente
• Alta risoluzione spaziale
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Computed Tomography
Sorgente di raggi X:
• Tubi radiogeni – elettroni fortemente accelerati
colpiscono un bersaglio di metallo pesante
(Re,W,Mb)
• Radiazione policromatica (hn tra 40 keV e 140 keV)
• La radiazione viene collimata a seconda del tomografo
CT usato (generalmente, in modalità fan-beam)
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Computed Tomography
Rivelatori:
• Cristalli a scintillazione
• Camere proporzionali (MWPC)
• Fotodiodi al silicio
• Strip di CCD
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Evoluzione degli scanner CT
I
II
III e
IV
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Evoluzione degli scanner CT
Tempo di acquisiz.
di una immagine
Dimensione dei pixel
Num. di pixel in
una immagine
1975
2001
5 minuti
0,5 secondi
3 mm x 3 mm
0,5 mm x 0,5 mm
6400
256000
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Principi di ricostruzione CT
L’attenuazione dei raggi X nel tessuto segue la legge di
attenuazione esponenziale
I(x) I 0 exp (  μx)
• Integrale di linea
   ln
I
  m ( x , y )dl
I 0 linea
• Un set di integrali di linea
è detto proiezione
• La proiezione è la
trasformata di Radon
della m(x,y) lungo una linea
 ( x' ) 
 
  m ( x, y ) ( x cos  y sin  x' )dxdy
 
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Il Fourier Slice Theorem
La trasformata di Fourier unidimensionale della proiezione lungo la linea in
direzione  è uguale alla trasformata di Fourier bidimensionale dell’immagine
m(x,y) calcolata sulla retta in direzione  nello spazio delle frequenze
• Soluzione “esatta” del
problema di
ricostruzione
• Garantisce la
possibilità di passare
nello spazio delle
frequenze tramite le
proiezioni
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Retroproiezione
Le varie proiezioni vengono bidimensionalizzate e “sommate”
• Uno dei più antichi
metodi di
ricostruzione
• Occorre un gran
numero di proiezioni
per non avere disturbi
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La Filtered Back Projection (FBP)
Si passa nello spazio di Fourier, filtrando le proiezioni. In
seguito si esegue l’antitrasformata e si retroproietta
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Positron Emission Tomography
 Radiofarmaco marcato b+ somministrato al paziente
 Emissione isotropa di b+ , che localizza la distribuzione
funzionale di radiofarmaco
 b+ annichila nel tessuto  produzione di due fotoni di
annichilazione quasi-opposti (Eg  0.511 MeV)
 Fotoni di annichilazione rivelati in coincidenza elettronica
 Ricostruzione della Linea di Volo (LOF) misurata

imaging funzionale
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Radionuclidi
• Disponibilità di elementi metabolici:
11C, 15O, 13N,
(18F al posto di OH-)
(carboidrati, amminoacidi, lipidi, substrati naturali, grande varietà di
molecole e composti)
• Produzione di segnale rilevabile (fotoni di annichilazione) da una massa
relativamente piccola
1 Ci (37 GBq) di
18F
pesa 24 pg
La PET è la tecnica con la più bassa dose fornita al paziente
• Nessun effetto farmacologico o tossicologico per il paziente
• Nessun interferenza nella misura o produzione di rumore di fondo
corta vita media dei b+ emitters

ciclotrone in loco
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Imaging morfologico e funzionale
Lo scan PET rivela aree di
anormale attività, ma
l’esatta localizzazione è
sconosciuta
PET
CT
L’immagine dell’atmosfera
presa da un satellite mostra
le aree di intensa attivià ma
non le localizza in un
preciso contesto geografico
Un’immagine CT mostra
precisamente
l’anatomia
del corpo ma non ne rivela
la funzionalità chimica
La mappa mostra i confini
degli stati ma non l’attività
meteorologica
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Sistema di coincidenza elettronica
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Tipi di eventi di coincidenza
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Attenuazione
x
D-x
Probabilità di rivelare la coincidenza:
e-mD = e-mx · e-m(D-x)
Indipendente dalla posizione di annichilazione
lungo la linea di volo
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Fusione delle immagini
• Combinando le informazioni fornite da uno scan CT, è possibile
correggere con precisione gli errori dovuti all’attenuazione
• m(x,y) dipende dall’energia dei fotoni, quindi le informazioni
sull’attenuazione fornite dalla CT dovrebbero essere “scalate”
all’energia dei fotoni di annichilazione (511 keV), corrette per
errori dovuti alla diffusione Compton, e "smoothed" per ridurre
l'elevato rumore statistico
• si ricorre a tecniche di segmentazione in cui l'informazione grossolana
ed affetta da errori della CT permette comunque di individuare
le regioni corrispondenti a vari valori di m:
• individuate le regioni, il valore di mu viene sostituito con dati tabulati
(privi di errore, senza esigenza di riscalatura e correzione)
• La CT crea una mappa morfologica, localizzando le zone in cui sono
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presenti i diversi tessuti (aria, muscoli, ossa)
Fusione delle immagini
PET / CT Image
Weather Map
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Immagine dell’anno 1999
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25
Schema costruttivo di un tubo a raggi X
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Spettro di radiazione - bersaglio spesso al tungsteno
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Rivelatori
Tubo radiogeno
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Rivelatori
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