UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II” Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica Anno accademico 2005-2006 Diagnostica per Immagini Argomento 5A Medicina Nucleare Arturo Brunetti Tel 0817463102 Fax 0812296117 e-mail: [email protected] ab/10/2005 MEDICINA NUCLEARE Utilizzazione di radionuclidi a scopo diagnostico e terapeutico 1 MEDICINA NUCLEARE DIAGNOSTICA in vitro in vivo TERAPIA Radioterapia metabolica MEDICINA NUCLEARE •Le applicazioni medico nucleari in vivo hanno i seguenti scopi: •esplorare e misurare particolari funzioni organiche e misurarle per verificare se siano normali od alterate e stabilire l’entità dell’alterazione •evidenziare lesioni localizzate in organi o apparati attraverso l'alterazione di funzioni biologiche che la lesione determina •utilizzare meccanismi biologici elettivi per caratterizzare la natura di una lesione o realizzare un effetto radiobiologico locale, utile ai fini terapeutici 2 MEDICINA NUCLEARE • Somministrazione del tracciante • Acquisizione delle immagini scintigrafiche • Elaborazione dei dati Medicina Nucleare “immagini da emissione ” • Somministrazione di nuclidi radioattivi e molecole radiomarcate (radiofarmaci, traccianti) • seguita dalla rilevazione della mappa di distribuzione della radioattività Image reconstruction 3 Nuclear Medicine “emission tomography” Sviluppo della Medicina Nucleare Milestones: Strumenti • • • • • • • • • Cyclotron (1929) Nuclear reactor (1945) Rectilinear scanner (1951) Anger camera (1958) Computer (1969) PET (1977) SPECT (1978) Internet (2000) PET/CT (2001) Milestones: Radionuclidi e radiofarmaci • Irradiation by a low neutron source (Fermi E, Hevesy G, 1934) • Radionuclides from cyclotron technology (Lawrence J, 1933) • 99Mo/99mTc generator (Richard P, 1960) • Monoclonal antibodies (Kohler G, Millestein C, 1975) • FDG radiolabeled with 18F (Ido T, 1979) 4 Medicina Nucleare: strumentazione ★gamma camera stazionaria ★gamma camera rotanti a testa singola o multipla ★gamma camere dedicate per la SPECT (tomografia emissione di fotone singolo) ★PET (tomografia emissione di positroni) ab/10/2005 Medicina Nucleare: strumentazione ★Gamma Camera: ★ collimatore ★ cristallo ★ fotomoltiplicatori ★ componenti elettroniche ★ Consente l’acquisizione di scintigrafie statiche, dinamiche e/o tomografiche. Il collegamento ad un calcolatore permette poi lo studio qualitativo e quantitativo dei diversi parametri funzionali ab/10/2005 5 L’INVENTORE DELLA GAMMA CAMERA � Hal Oscar Anger (born May 20, 1920 in Denver, Colorado, USA - died October 31, 2005 in Berkeley, California) was an electrical engineer and � biophysicist at Donner Laboratory, UCB. � In 1957, he invented the scintillation camera, known also as the gamma camera or Anger camera. � Anger also developed the well counter, widely used in laboratory tests. � In all, Anger held 15 patents, many of them for work at the Ernest O. Laurence Radiation Laboratory. ab/10/2005 Gamma camera a testa singola ab/10/2005 6 Gamma camera a testa doppia ab/10/2005 Medicina Nucleare: strumentazione elettronica tubo catodico fotomoltiplicatori cristallo calcolatore collimatore sorgente 7 Collimatori oggetto rilevato sorgente foro singolo (pin hole) fori paralleli fori divergenti fori convergenti fori paralleli: solo i fotoni incidenti perpendicolarmente alla testa della gamma camera possono raggiungere il cristallo Cristallo di scintillazione • Materiale: Ioduro di sodio (NaI) con delle impurità di tallio Scintigrafia tiroidea • Scintillazione: l’interazione di un fotone produce un piccolo lampo di luce la cui intensità é proporzionale all’energia rilasciata dal fotone x o γ nel mezzo • Se ogni fotone che interagisce nel cristallo da luogo ad una scintillazione avremo una distribuzione di scintillazioni nel cristallo che “copia” la distribuzione di attività dell’oggetto Proiezione laterale 8 In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi raggiunge il fototubo Medicina Nucleare: strumentazione elettronica tubo catodico fotomoltiplicatori cristallo calcolatore collimatore sorgente 9 Fotomoltiplicatori • Numero: da 37 a 91 • Utilizzazione: conversione del quanto luminoso in un proporzionale numero di elettroni • Azione: un impulso, per ogni interazione che avviene nel cristallo, proporzionale all’energia rilasciata nel cristallo • Gli impulsi vengono amplificati linearmente, selezionati in base alla loro ampiezza e memorizzati FOTOTUBO 10 Circuiti elettronici posizione e energia: Confronto tra le ampiezze degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori e fornisce in uscita tre nuovi segnali (x, y, z), • coordinate X e Y coordinate del punto in cui é avvenuta la scintillazione • coordinata Z somma degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori, risulta proporzionale all’energia rilasciata nel cristallo dall’interazine del fotone Calcolatore • i segnali acquisiti sono immagazzinati nella memoria del calcolatore e ricostruiti in matrici numeriche (64x64,128x128,256x256 elementi o pixel) • ogni elemento della matrice immagine (pixel) conterrà un numero corrispondente al conteggio di tutte le interazioni avvenute durante l’acquisizione tra raggi gamma e cristallo di ioduro di sodio 11 Digitalizzazione dell’immagine • acquisizione dei conteggi nei pixels • conteggi totali nei singoli pixels registrati nella memoria del computer * * * * ** * ** * * *** * * * * ** * * ** * ** • suddivisione del cristallo in aree discrete -pixels 1 0 0 0 0 4 3 2 1 5 4 0 0 2 4 1 Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche Tecniche di acquisizione: • planare (statica e dinamica) • tomografica ad emissione di fotone singolo (SPECT) • tomografica ad emissione di positroni (PET) 12 STUDIO STATICO Acquisizione di una o più immagini nelle varie proiezioni ad un determinato tempo per valutare la distribuzione spaziale del radiofarmaco somministrato al paziente STUDIO DINAMICO Acquisizione di più immagini in sequenza temporale allo scopo di seguire nel tempo la distribuzione spaziale del radiofarmaco somministrato al paziente 13 Curve attività-tempo • le variazioni temporali della concentrazione del tracciante sono determinate mediante la (ROI) che delimitano l'area da studiare • la concentrazione del tracciante viene quindi espressa come curva attività-tempo attività tempo 14 Curva radioattività tempo DIASTOLE SISTOLE Analisi angiocardioscintigrafica riferita ad un ciclo cardiaco medio e immagini parametriche 15 Analisi della curva • Velocità di eiezione e riempimento • EDV/sec • Parametri poco usati se non in contesto sperimentale IMMAGINI PARAMETRICHE • le immagini scintigrafiche ottenute rappresentano la distribuzione dell'attività nello spazio • mediante calcolatore é possibile ricostruire le immagini ottenute dall'analisi di parametri temporali, spaziali e funzionali (immagini parametriche) 16 Tomografia per emissione Tecnica di acquisizione e di elaborazione dei dati capace di fornire una rappresentazione della distribuzione dei radiofarmaci in sezioni di organo di limitato spessore Eliminano la compattazione bidimensionale di una distribuzione volumetrica che é caratteristica della scintigrafia tradizionale, realizzando in misura piu’ o meno completa ed efficace una ricostruzione tridimensionale della distribuzione del radiofarmaco Medicina Nucleare Tomografia: SPET Supponiamo di avere un’immagine di una sorgente puntiforme con una gamma camera da 3 proiezioni. 17 Medicina Nucleare Tomografia: SPET Il numero di conteggi in ciascun punto è chiamato il raggio-somma, Perché rappresenta il numero totale di conteggi visti dalla gamma Camera lungo una linea (un raggio) Medicina Nucleare Tomografia: SPET Si può assumere che i conteggi in ciascun raggio somma siano distribuiti equamente nei pixels che si trovano lungo quel raggio. 18 PET (Positron Emission Tomography) NUCLIDI E RADIONUCLIDI Radioattività: conseguenza di un non equilibrato rapporto tra neutroni e protoni 19 NUCLIDI E RADIONUCLIDI Peso atomico A Z Numero atomico N X Stato di ossidazione A Rapporti nelle molecole NUCLIDI E RADIONUCLIDI ISOTOPI forme dello stesso elemento (Z= A ≠) ISOBARI nuclidi di elementi diversi con massa uguale ISOTONI nuclidi con uguale numero di neutroni 20 NUCLIDI E RADIONUCLIDI ISOMERI nuclei con uguale massa e numero atomico, dei quali uno o più possono trovarsi in uno stato di "eccitazione" RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE PURE CORPUSCOLATE 21 RADIOATTIVITA' EMISSIONE DI RADIAZIONI IONIZZANTI DA ATOMI INSTABILI raggi α raggi β + + raggi γ Decadimento radioattivo • Raggi γ • Particelle β + β • Cattura elettronica • Particelle α 22 Decadimento radioattivo: andamento esponenziale dN (t) = - kN(t) d t Nt = N0 e -κt RADIOATTIVITA' Vecchia unità Curie (Ci) 10 3.7 x 10 Nuova unità (SI) Bequerel dis/sec 1 dis/sec 1 Ci = 37 GBq 23 MEDICINA NUCLEARE Diagnostica "in vivo" SCINTIGRAFIA Mappa della distribuzione corporea di una molecola radioattiva (radiofarmaco, tracciante, indicatore) MEDICINA NUCLEARE SCINTIGRAFIA La mappa scintigrafica è sempre espressione di processi funzionali-metabolici 24 MEDICINA NUCLEARE Apparecchi per diagnostica "in vivo" Sonda Scanner rettolineare Gamma camera Apparecchi per diagnostica "in vivo" Sistemi tomografici SPET = Single Photon Emission Tomography PET = Positron Emission Tomography 25 MEDICINA NUCLEARE Diagnostica "in vitro" RIA = RadioImmuno Assay IRMA = ImmunoRadioMetric Assay INDICAZIONI Diagnostica "in vitro" Dosaggi accurati di molecole (ormoni, metaboliti, farmaci, allergeni, marcatori tumorali ...) presenti in fluidi biologici in concentrazioni minime (µM, nM, pM) 26 MEDICINA NUCLEARE Apparecchi per diagnostica "in vitro" Contatori gamma Contatori beta Radiofarmaci • Molecole marcate con radionuclidi γemettitori per eseguire indagini di medicina nucleare in vivo • Indicatori • Traccianti 27 Medicina Nucleare: traccianti • Traccianti omogenei: differiscono dalla sostanza tracciata escusivamente per le caratteristiche isotopiche (es. Iodio-131) • Traccianti ad equivalenza eterogena: affinità biochimica, metabolica o distributiva con la sostanza tracciata es. Tallio-201 (isotopo) analogo del potassio, 111In octreotide (molecola marcata con un isotopo) analogo della somatostatina Gli indicatori permettono di: • definire i confini, la sede le dimensioni di una struttura anatomica normale o di un tessuto normale/patologico • rilevare strutture in sedi diverse da quelle “standard” • valutare la distribuzione di un’ attività funzionale in una struttura anatomica 28 TRACCIANTE: la definizione classica • un elemento o sostanza che, • introdotto in un sistema chimico o biologico • si mescoli rapidamente ed uniformemente con i costituenti di questo • e, pur essendo sempre identificabile e differenziabile da essi, • ne riproduca fedelmente il comportamento senza influenzarlo TRACCIANTE Sostanza "marcata", in grado di distribuirsi in un "pool" di analoghe sostanze presenti nel corpo consentendo lo studio di processi metabolici e di attività funzionale con l'aiuto di appositi modelli matematici Esempi 99 m Tc-DTPA misura del filtrato glomerulare renale 1 8 F-deossiglucosio misura del consumo tessutale di glucosio 29 INDICATORI • NEGATIVI: – colloidi per il fegato – microsfere per il polmone – dimercaptosuccinato per il rene • POSITIVI: – MDP per lo scheletro (anche neg!) – FDG per i tumori (anche neg!) – Gallio-citrato per infiammazione e linfomi RADIOFARMACI INDICATORE NEGATIVO si concentra selettivamente nel tessuto normale: le aree patologiche si evidenziano come difetti di captazione (aree "fredde") INDICATORE POSITIVO si concentra selettivamente nel tessuto malato: le aree patologiche si evidenziano come aree di ipercaptazione (aree "calde") 30 AREA CALDA AREA FREDDA Scintigrafia polmonare 31 Traccianti e indicatori: una distinzione classica della scuola medico-nucleare italiana • il tracciante è l’ elemento o sostanza che consente di valutare un’ attività funzionale, un processo metabolico • l’ indicatore è l’ elemento o sostanza che ci permette di individuare selettivamente una struttura, un tessuto, un organo ... • un tracciante può essere anche indicatore e viceversa INDICATORE: la definizione classica • un elemento o sostanza che abbia la proprietà di assumere, • in una struttura biologica anatomicamente e, in genere, spazialmente definita • una concentrazione significativamente diversa da quella che esso assume nelle strutture spazialmente contigue • e di poter essere in esse identificato 32 Principali radionuclidi utilizzati in medicina nucleare TECNEZIO-99m • 99mTc • T1/2 = 6 ore • Emissione γ 140KeV • ottenuto da generatori (colonne a scambio ionico) con Molibdeno 99 33 Medicina Nucleare • Esami statici: valutazione della distribuzione di un radiofarmaco a un tempo predefinito • Esami dinamici: valutazione sequenziale della distribuzione di un radiofarmaco, in genere a partire dalla somministrazione, per un periodo di tempo variabile Scintigrafia ossea • 99mTc - metilendifosfonato (MDP) 34 Scintigrafia ossea Scintigrafia renale statica • 99mTc -DMSA (Dimercaptosuccinato) 35 Scintigrafia renale statica pielonefrite Scintigrafia renale dinamica "sequenziale" • 99mTc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) • 99mTc-MAG3 GFR RPF 36 Scintigrafia renale dinamica "sequenziale" • 99mTc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) • 99mTc-MAG3 GFR RPF Renogramma 37 Renogramma GFR sn =18 ml/min GFR dx = 57 ml/min Scintigrafia renale dinamica "sequenziale" • 99mTc-DTPA (dietilentriaminopentacetato) • 99mTc-MAG3 GFR RPF 38 Ricerca di tumori traccianti oncotropi • 201Tl • 67Ga-citrato • 99mTc-MIBI • 99mTc-peptidi • 99mTc-anticorpi monoclonali • 18F-deossiglucosio Tecniche tomografiche • Tomografia a emissione di fotone singolo SPET (Single Photon Emission Tomography) • Tomografia a emissione di positroni PET (Positron Emission Tomography) 39 glucosio CH2OH HO O H OH H HO OH H H Fluoro-deossi-glucosio 40 PET-FDG PET-FDG 41