Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Anno Accademico 2005-2006
Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica
per Immagini e Radioterapia
FISICA delle APPARECCHIATURE per
MEDICINA NUCLEARE
(lezione III)
Marta Ruspa
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Esercizio 10: quanto vale l’attivita’ specifica Carrier Free di un
radioisotopo con T1/2 di 24 h e numero di massa 50?
Esercizio 11: il 60Co decade emettendo radiazione beta, con un
tempo di dimezzamento di 5.27 y, nel 60Ni che a sua volta
emette raggi gamma pronti (cioe’ dopo un tempo quasi nullo).
La somministrazione di un 1000 Ci comporta l’introduzione di
quanti g di 60Co (o detto in altre parole quanto vale la massa di
una sorgente di 60Co da 1000 Ci)?
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Produzione di isotopi β+ emittenti
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Ciclotroni per uso medico
 Nei primi ciclotroni: due elettrodi cavi detti “dees” (dalla forma di D
maiuscola), posti in una camera ad elevato grado di vuoto, tra i quali
esiste una differenza di potenziale alternata, accelerano
progressivamente particelle cariche.
 Una particella percorre un’orbita di raggio r = m v/q B, essendo m la
massa, v la velocita’, q la carica e B il campo magnetico.
 Ad ogni rotazione l’azione del campo elettrico aumenta
progressivamente l’energia cinetica, ovvero la velocita’ v, e quindi il
raggio di rotazione aumenta corrispondentemente.
 Una volta raggiunto il raggio di rotazione massimo il fascio di
particelle viene estratto e diretto sul bersaglio.
 Per vincere la repulsione elettrostatica dei nuclei degli atomi del
bersaglio e penetrarvi occorrono particelle di dimensioni contenute,
ovvero ioni leggeri; solitamente si usano protoni.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Ciclotroni per uso medico
Per quanto riguarda i radionuclidi emettitori di positroni i principali
tipi di materiale bersaglio sono gas e soluzioni acquose. I target
sono composti di un corpo metallico, che contiene il vero e proprio
materiale bersaglio ed ha la funzione di dissipare il calore prodotto
nell’assorbimento del fascio (problema rilevante soprattutto per i
target liquidi che possono bollire).
Nel caso della produzione di 18F- il bersaglio e’ acqua arricchita con
l’isotopo stabile 18 dell’ossigeno. I materiali piu’ usati per i corpi
target sono l’argento e il titanio.
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In MEDICINA NUCLEARE
radiofarmaci
in sorgente non sigillata sono somministrati a scopo
DIAGNOSTICO
scintigrafia
SPECT, PET
TERAPEUTICO
terapia radiometabolica
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Applicazioni cliniche della diagnostica
nucleare
 Monitoraggio attività tiroidea
 Monitoraggio attività cerebrale e funzioni fisiologiche dell’encefalo
(flussi e volumi sanguigni)
 Identificazione di malattie neurologiche
 Studio funzionalità cardiaca (flussi ventricolari, immagini del
miocardio)
 Studio funzionalità renale
 Identificazioni di molti tumori con radiofarmaci specifici
(tumori del polmone, del retto, dell’esofago, linfomi, encefalo,
pancreas, mammella, sistema scheletrico, ecc...)
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Fisica nella medicina nucleare
diagnostica
- tecniche con fotone singolo
- tecniche con emettitori β+
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Fisica nella medicina nucleare
diagnostica
 tecniche con fotone singolo
- tecniche con emettitori β+
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Tecniche con fotone singolo
Si utilizzano famiglie di radionuclidi che decadono per emissione di 1
o piu’ raggi γ di energia definita.
Il radioisotopo viene somministrato al paziente e captato in modo
selettivo dall’organo di cui si vuole ricavare l’immagine. I fotoni in un
certo punto si attenuano attraverso i tessuti circostanti e vengono
rivelati. Attraverso misure di attenuazione si ricostruisce l’organo
sorgente.
Tipo di strumentazione:
- produzione di immagini planari
- produzione di immagini tomografiche
Semplice localizzazione della sorgente: immagine statica
Analisi dell’andamento temporale: immagine dinamica
Analisi 2D e segnale fisiologico: immagine sincronizzata
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Tecniche con fotone singolo
La gammacamera e’ a tutt’oggi
l’apparecchiatura di base per la
diagnostica in Medicina Nucleare
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Immagini planari
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Come e’ fatta una gammacamera
I fotoni, emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore e
vengono rivelati da uno scintillatore solido (NaI).
La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide
su una griglia di fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali
elettrici. Mediante circuiti di calcolo delle coordinate e sistemi di
correzione i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per
ricostruire un’immagine sul monitor, che rappresenta la mappa della
distribuzione dei radionuclidi gamma-emittenti nell’organo in
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esame. L’apparato e’ provvisto di schermatura ottica e radiante.
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Come e’ fatta una gammacamera
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Gammacamera: sistema di collimazione
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Gammacamera: sistema di collimazione
Per poter ricavare immagini della distribuzione del radiofarmaco
l’evento di scintillazione deve essere univocamente correlato con il
punto di rivelazione.
Nell’imaging di emissione non e’ possibile focalizzare i fotoni gamma
come si fa con quelli luminosi (nella comune macchina fotografica tale
compito e’ svolto dall’obiettivo).
La relazione univoca tra il punto di emissione e il punto di
scintillazione, ovvero il punto di misura nel piano immagine, viene
garantita dal sistema di collimazione.
La collimazione e’ basata sull’assorbimento: sono assorbiti e quindi
eliminati i fotoni che si propagano in direzioni diverse da quella
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desiderata.
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Gammacamera: sistema di collimazione
Caratteristiche
Numero fori
Forma fori
Lunghezza fori
Materiale
Geometria di collimazione
(parallela, convergente,
divergente, pin hole)
Parametri di risposta
Risoluzione (capacita’ di
discriminare due sorgenti
vicine)
Efficienza
L’ efficienza geometrica non varia con la distanza dalla
sorgente, ma la risoluzione si degrada con l’allontanarsi del
paziente dal piano del collimatore
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Gammacamera: rivelatore
 La luce di scintillazione e’ emessa in modo isotropo. Viene raccolta
dai PM affacciati al cristallo in misura tanto maggiore quanto piu’ un
PM e’ vicino al punto di interazione.
 La quantita’ di luce emessa dal cristallo scintillante e’ proporzionale
all’energia dissipata dai fotoni. Mantenendo la proporzionalita’ nelle
successive fasi di trasformazione dell’impulso luminoso in impulso
elettrico e d’amplificazione e trattamento di quest’ultimo e’ poi
possibile discriminare gli impulsi stessi sulla base della loro energia,
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selezionando solo quelli in un intervallo di interesse.
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Gammacamera: ricostruzione x-y
 L’originale ottica di Anger per il posizionamento degli impulsi era
essenzialmente una sorta di calcolatore analogico che permetteva di
eseguire una media pesata della quantita’ di luce raccolta da ogni
PM, in modo da ricavare con buona approssimazione la posizione dell’
evento scintillante.
 Nelle moderne gamma-camere tutte queste operazioni sono svolte in
modo digitale: segnali provenienti dai PM sono prontamente
digitalizzati dai convertitori analogico-digitali, associati in ragione
di uno per ogni PM o gruppo di PM, in modo che le operazioni di
somma algebrica dei segnali, pesatura e normalizzazione sono
effettuate numericamente da un sistema digitale di elaborazione.
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Gammacamera: rivelatore
Requisiti
 Buona risoluzione spaziale (la larghezza a meta’ altezza della
distribuzione dei conteggi di una sorgente elementare).
Risoluzione tipica di 3.5 mm.
 Elevata efficienza di conteggio
Cristalli rettangolari, con dimensioni fino a 50x40cm. Spessore
tipico di 3/8 di pollice, pari a circa 9.5 mm, che garantisce una
efficienza ottimale per energie dei fotoni fino a 150 Kev (99Tc e
201Tl). Per indagini con In e I ricorso a cristalli con spessore di 5/8
di pollice.
Spessore del cristallo 
Energie del nuclide 
 Ampie dimensioni
 Adeguata velocita’ di risposta
 Costo contenuto
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Gammacamera: spessore del cristallo
Con lo spessore aumenta l’efficienza (aumenta la quantita’ di fotoni
misurabili) e diminuisce la risoluzione (aumenta l’assorbimento della
luce di scintillazione)
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Gammacamera: spessore del cristallo
NaI 3/8 pollice
NaI 3/8 pollice + 1 pollice
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Gammacamera: fotomoltiplicatore
 Il fotomoltiplicatore e’ una valvola di vetro, ad elevato grado di
vuoto, entro il quale si trova una serie di elettrodi detti dinodi. Tra
le successive coppie di dinodi e’ applicata una differenza di
potenziale.
 I fotocatodo e’ ricoperto di materiale fotoemittente ed emette
elettroni quando viene colpito dalla luce di scintillazione.
 Gli elettroni vengono attirati verso il secondo dinodo, ad un
superiore livello di potenziale.
 Anche il secondo dinodo e’ ricoperto di materiale emittente: gli
elettroni si moltiplicano nell’impatto.
 E cosi’ via ogni elettrone sara’ in grado di produrre n nuovi elettroni
ciascuno dei quali potra’ a sua volta produrne n nell’impatto sullo
stadio successivo.
- Fattore di moltiplicazione totale nell’ordine di 109.
- Una decina di stadi
- Differenza di potenziale tra il primo e l’ultimo dinodo di centinaia
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di V
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Gammacamera: sistema di posizionamento
 Lettino porta paziente:
- basso coefficiente di attenuazione
- gradi di liberta’ di movimentazione
- posizionamento semiautomatico
 Stativo di posizionamento del rivelatore:
- necessita’ di proiezione da angoli
differenti
- minimizzazione della distanza
paziente-collimatore
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Gammacamera: elaboratore





Rappresentazione dell’immagine in formato digitale
Tecniche di visualizzazione
Tecniche di processing
Correzione degli artefatti
Archiviazione
In passato oscilloscopio interfacciato con camera a lastra
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Gammacamera: nuove tecnologie
 Collimatori a fuoco variabile per compensare l’attenuazione e
migliorare la risoluzione e l’efficienza nella regione di interesse
dell’immagine.
 Cristalli “curved plate”, circa 1 mm di guadagno in risoluzione
attraverso l’ottimizzazione della minima distanza dal corpo del
paziente.
 Dispositivi a semiconduttore (Si, Ge,…)
- eccellente risoluzione spaziale
- dimensioni di interesse per l’imaging
- MA necessita’ di un sistema di raffreddamento e costi elevati
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Immagini planari
Contributi dell’attivita’
sopra e sotto il piano
rappresentato
Limite intrinseco
dell’imaging planare
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Immagini tomografiche: SPECT
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Caratteristiche dei sistemi SPECT
Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera
 Gantry  NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI
- numero e geometria delle testate
singole, doppie, triple
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Caratteristiche dei sistemi SPECT
Numero e geometria delle testate
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Caratteristiche dei sistemi SPECT
Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera
 Gantry  NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI
- numero e geometria delle testate
singole, doppie, triple
- orbita e modi di rotazione
circolare, ellittica
body contourning (si tenga presente che l’obiettivo e’ sempre
quello di minizzare la distanza tra il paziente e il collimatore
per migliorare la risoluzione); inseguimento automatico del
contorno del paziente con sensori infrarossi o premorizzazione
- rapida sostituibilita’ dei collimatori
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Caratteristiche dei sistemi SPECT
Orbita del gantry e modi di rotazione
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Caratteristiche dei sistemi SPECT
Requisiti in aggiunta a quanto detto per la gammacamera
 Gantry  NUMERO E DISTANZA ANGOLARE DELLE PROIEZIONI
- numero e geometria delle testate
singole, doppie, triple
- orbita e modi di rotazione
circolare, ellittica
body contourning (si tenga presente che l’obiettivo e’ sempre
quello di minizzare la distanza tra il paziente e il collimatore
per migliorare la risoluzione); inseguimento automatico del
contorno del paziente con sensori infrarossi o premorizzazione
- rapida sostituibilita’ dei collimatori
 Sistema di acquisizione e processo
- algoritmi di ricostruzione dell’immagine e correzione
- regolazione della durata dell’esame
(accumulo di statistica verso effetti cinetici indesiderati)
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Ricostruzione nei sistemi SPECT
Attivita’ condensata in un bin
Retroproiettata ad ogni angolo
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Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare, lez. III
Tecniche correttive nei sistemi SPECT
L’algoritmo di ricostruzione dovrebbe modellizzare gli effetti di
 attenuazione
mappatura dei coefficienti di attenuazione per mezzo di sistemi
trasmissivi e fusione di immagini emissive e trasmissive
 diffusione
 risposta geometrica del collimatore
 risposta non omogena del cristallo
 …
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