Medicina Nuclear. Técnicas que utilizan el decaimiento radioactivo de los átomos en aplicaciones médicas.

Transcripción

1 Medicina Nuclear Técnicas que utilizan el decaimiento radioactivo de los átomos en aplicaciones médicas.

2 PET: Tomografía de emisión de positrones (Positron emission tomography) SPECT: Tomografía de un fotón. (Single photon emission tomography) Cintigrafía: Imagen directa de la radiación CT: Tomografía computarizada de rayos x Otras Características: Se dibuja la distribución de un compuesto radioactivo dentro del cuerpo Métodos de Proyección y CT Se dibujan contrastes funcionales o metabólicos (no anatómicos) Perfusion del cerebro, función Perfusion del miocardio Detección de tumores (metástasis)

3 Historia Radioactividad: En 1896 Becquerel descubrió los primeros radioisótopos Naturales Los primeros radioisótopos artificiales fueron producidos por Pierre y Marie Curies en 1934 (32P) Hevesy usa 32P para estudios metabólicos con contadores GeigerMuller 1949 Primeras imágenes de radioisótopos de absorción de 131I en la tiroide realizadas por Cassen (Centrellador + PMT, scanner, colimador, resolución espacial de 1/4 ) 1957 Cámara Anger (imágen plana ) Kuhl & Edwards construyen el Scanner Mark IV (~10 años antes que el Scanner de rayos-x) 1977 Kayes & Jaszczak desarrollan el SPECT independinetemente 1950 Primeros intentos para desarrollar el PET 1976 Primeros PET comerciales (Phelps y Hoffman en CTI)

4 Características: Se dibuja la distribución de un compuesto radioactivo dentro del cuerpo Métodos de Proyección y CT Se dibujan contrastes funcionales o metabólicos (no anatómicos) Perfusion del cerebro, función Perfusion del miocardio Detección de tumores (metástasis)

5 Actividad Nuclear El decaimiento radioactivo esta descrito por: N (t ) = N 0 e λ t 99m N(t) Número de radioisótopos en t N0: Número inicial de radioisótopos λ: constante de decaimiento [1/t] T1/ 2 = Tc λ Actividad A = Tasa promedio de decaimiento [decaimientos por segundo] A( t ) = dn ( t ) dt = λ N ( t) A ( t ) = A0e λ t La actividad nuclear se mide (tradicionalmente) en curie: 1 [Ci] = decays/sec (origen: actividad de 1 g de 226Ra) Unidades usadas: 1-50 mci (medicina), µci (prueba). La unidad del SI es el becquerel [Bq] = 1 decimiento/segundo

6 Interacción de partículas nucleares y materia Partículas alfa Nucleos de Helio (4He++), decimiento de átomos con Z > 82 ~ 3-9 MeV Dual +, gran masa interacción fuerte (ionizacion, excitación) Rango medio en aire: Rm = 0,325 Ealpha3/2 (2 10 cm) Rango medio en tejido (< 1 mm) Partículas beta Bremsstrahlung Interacción con electrones del blanco Rango de penetrción es ~ e-µt Rayos gama Ondas electromagnéticas producidas en procesos nucleares (λ < 0,1 nm, E > 10 kev) Interacción idéntica a los rayos-x (producción de pares, interacción Cmpton y fotoeléctrica) además hay emisión de α, n, o p del núcleo)

7 Radioisótopos para uso clínico en PET La mayoría de la radioisótopos naturales no sirven, (vida media muy larga, o existe emisión de partículas cargadas) Radioisótopos artificiales se producen por bombardeo de isótopos estables en Ciclotrones Se producen también en generadores. Un isótopo padre con vida media larga, produce isótopos emisores de positrones. Estos se separan por medios químicos del isótopo padre.

8 Tomografía Computarizada de Positrones (PET) Usa emisores de positrones Los positrones se aniquilan con un electrón cercano crean dos rayos gama de 511 kev antiparalelos ( 180 ) Coincidencia genera cuerdas : Colimación electrónica

9 Radiofármacos Un radioisótopo se adhiere a un fármaco específico de una actividad metabólica (cancer, perfusión del miocardo, perfusión del cerebro) Emisores de positrones 11C, T1/2 = 20 min Varios compuestos orgánicos (Se acopla a receptores nerviosos, actividad metabólica) N, T1/2 = 10 min 13 NH3 (flujo de sangre, flujo del miocardio, perfusión) O, T1/2 = 2.1 min 15 CO2 (flujo de sangre cerebral), O2 (consumo de O2 en el miocardio), H2O (consumo de O2 y perfusión en el miocardio) F, T1/2 = 110 min 18 2-deoxy-2-[18F]-fluoroglucosa (FDG, neurología, cardiología, oncología, actividad metabólica)

10 Detection of Gamma Radiation Centelladores más usados Cristales: NaI(Ti), BGO, CsF, BaF2, LSO Criterios de selección: Rango, respuesta temporal, eficiencia, resolución de energía. Cámaras de ionización no se usan porque tienen baja eficiencia, respuesta lenta Detectores semiconductores (diodos): tienen muy alta resolución, son rápido, pero de alto costo.

11 Resolución de energía Se define como el ancho del pico (FWHM) dividido por el centroide. Resolución de Energía = E 100% E0 Para 22Na (511 kev): Resolución de energía = 14 % BGO/APD Valores típicos son de 8-15 % para BGO Source: 22Na Counts BGO/APD 2000 Source: 22Na Counts Energy (kev) Energy (kev) 1500

12 Detectores PET Acoplamiento individual: Alta resolución espacial y temporal, caro, difícil de empacar Diseño en bloque: Codificación digital, mayor tiempo muerto, económico, menor resolución Diseño en bloque con lógica Anger Cristales seccionados actúan como guias de luz Se usan en la mayorái de los equipos PET modernos. Bajo costo, alta resolución, codificación complicada.

13 Resolución de imágen en PET Factores que influyen en la resolución

14 Geometría de los detectores PET Septa entre capas reduce la dispersión Compton, coincidencias aleatorias y cuentas de fondo Con Septa se obtienen varias imágenes bi-dimensionales (promedio de la capa) Sin septa se obtienen imágenes oblicuas, pero el proceso es más complicado.

15 Sensibilidad vs. tamaño del detector Cristales grandes: Menor tiempo de adquisición, menor resolución, Cristales pequeños: Se necesita un anillo más grande para evitar interacciones en centelladores laterales. Mejor resolución, tiempo de adquisición más largo.

16 Fuentes de ruido en PET Coincidencias aleatorias: Dos fotones no correlacionados alcanzan dos centelladores opuestos durante una ventana de tiempo τ (~10 ns). CR = τ f Cs2 CR: Tasa de coincidencia f: Fracción de coincidencia Cs: Frecuencia de conteo para el anillo CR se reduce al Reducir t Reducir Cs

17 Fuentes de ruido en PET Dispersión de Compton en el paciente produce eventos que son asignados a la cuerda equivocada. Se reduce usando Ventana de energía pequeña Uso de Septa

18 Fuentes de ruido en PET Elongación radial se produce cuando rayos gama que interactúan en el centellador con un ángulo oblicuo, son detenidos en el centelador equivocado. El efecto es mayor en centelladores menos densos (BaF )

19 Fuentes de ruido en PET Medición de elongación radial en un centellador de LSO, usando dos detectores de avalancha. APD-1 detector 22Na 3 x 3 x 30 mm3 LSO Scintillator Collimator 4 mm Charge sensitive Preamplifier APD-2 detector Ernesto Gramsch, Ricardo E Avila, and Peter Bui, Measurement of the Depth of Interaction of a LSO Scintillator Using a Planar Process APD, IEEE Trans. Nucl. Sci. June (2003).

20 Fuentes de ruido en PET Resolución obtenida entre 5 y 9 mm para un centellador LSO de 3 x 3 x 30 mm Counts/channel 2500 APD APD Channel AP D-1 / (AP D-1+AP D-2) y = x Depth of interaction (mm) 30

21 Resolución PET comparada a RMN Modern PET ~ 2-3 mm resolution

22 Con PET se obtienen imágenes funcionales!

23 Milena usme ariza Fisica y medicina nuclear Biofisica