Instrumentação em Imagiologia Médica

Módulo 4. Imagiologia com radioisótopos

Parte I. Cintigrafia, SPECT

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Parte I. Cintigrafia, SPECT

Leccionado por Vitaly Chepel,

Departamento de Física, Universidade de Coimbra

Ano lectivo 2008-2009vitaly@fis.uc.pt

princípio de funcionamento e processos físicos associados

radioisótopos versus raios-X

radioisótopos usados

primeiros scanners

câmara de Anger: princípio de funcionamento, detalhes de desenho,

Imagens com radioisótopos: sumário

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câmara de Anger: princípio de funcionamento, detalhes de desenho,performance

da cintigrafia ao SPECT

estado de arte e desenvolvimentos recentes

A primeira utilização de um traçador radioactivo (radioactive tracer) para estudodo movimento dos elementos estáveis num sistema bilógico atribui-se ao Georgede Hevesy nos anos 1920.

Injectar uma quantidade muito pequena de uma substância em cujas moléculasum dos átomos, normalmente estável, é substituído pelo um isótopo radioactivo

Medir a distribuição espacial dessa substância através da detecção de raios

A ideia:

Imagem com radioisótopos: a ideia

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Medir a distribuição espacial dessa substância através da detecção de raiosgama emitidos pelo traçador

Para isso é suficiente uma quantidade muito pequena de um elementoradioactivo – muito menos que pode ser detectada pelos métodos químicos

A distribuição obtida reflecte o comportamento fisiológico dessa substância e ofuncionamento do sistema biológico no que toca fluxo sanguíneo, metabolismo,transporte celular, função de neurotransmissores etc.

Fornece informação valiosa para diagnóstica, terapia e investigação médica,biológica e farmacéutica

Imagem com radioisótopos: princípio

1. Injecção de uma substância marcada com um isótopo radioactivo emissor de raios gama (também pode ser introduzido por inalação)

2. A substância é absorvida pelo organismo e distribui-se no corpo

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2D image

3D image

γ

γScintigraphy

SPECT

Detector

γ3. A distribução é medida com um ou vários detectores de raios gama

organismo e distribui-se no corpo consoante a sua função fisiológica

Radioisótopos - requisitosRadiação emitida

partícular carregadas são absorvidas no tecido biológico numa distância deordem de ~mm � não podem ser usadas para fins diagnósticos dos órgãosinteriores (com excepção de positrões cuja anuquilação resulta em emissão deum par de fotões gama – ver lição sobre PET)

raios gama – a atenuação segue uma lei exponencial com o comprimento deatenuação de ordem de 1/µ ~1 a 10 cm � podem ser usadas

é altamente desejável que o fotão gama não seja acompanhado pelas

7

é altamente desejável que o fotão gama não seja acompanhado pelaspartículas carregadas – assim evita-se a irradiação desnecessária do paciente

x

N0 N(x)

x

N(x)

R x

N0 N(x)

x

N(x)

N0

N0

00

xeNtN µ−= 0)(

Partículas carregadas Radiação electromagnética

Idealmente, devia ser comparável com o tempo necessário para o exame,i.e. ~10 min a ~1 hora

Radioisótopos - requisitosTempo de vida

deca

imen

tos/

s

(a) T1/2 é demasiado curto – uma grande partedo isótopo decai antes da medição

(b) T1/2 óptimo

(c) T1/2 muito longo – o paciente continua a serTtt −− == λ

8

t

injecção medição

deca

imen

tos/

s

(a)(b)

(c)

(c) T1/2 muito longo – o paciente continua a serirradiado depois do exame terminar

Eliminação fisiológica � tempode vida de uma substância noorganismo pode ser mais curto doque T1/2:

212)( 00

TttNeNtN

−− == λ

.21

.

111

fisioleff

fisioleff

TTT+=⇒

⇒+= λλλ

Os radioisótopos de origem natural não podem ser usados para adiagnóstica médica principalmente devido ao seu longo período desemidesintegração

Os isótopos artificiais são produzidos ou em reactores nucleares(através de captura de neutrões pelos núcleos estáveis) ou emaceleradores de partículas

Radioisótopos - origem

9

Produção do 99mTc num reactor nuclear por bombardeamento com neutrões (99mTc é usado em SPECT)

Produção do 18F num sinchrotrão por bombardeamento com protões(18F é usado em PET)

Produção do 99mTc1º passo – num reactor nuclear:

ν~998.299 ++ → −eTcMo

md

...99

42

98

42 +++→+ γγMoMon

Isótopo estável (abundância natural 24%)

2º passo – armasenamento num “gerador de tecnécio”(em hospital):

10

ν~99

43

8.299

42 ++ → −eTcMo

md

γ+→ TcTchm 99

43

699

43

3º passo – injecção ao paciente e medição:

Gerador de tecnécio

Na99m

TcO4

Radioisótopos mais utilizadosIsótopo T1/2 Energia

99mTc 6.0 h 140 keV123I 13.2 h 159 e 529 keV

201Tl 73 h 71 e 80 keV – RX Hg, 135 e 167 keV,67Ga 78.3 h 93, 185 e 300 keV111mIn 2.83 d 171 e 245 keV

11

In 2.83 d 171 e 245 keV133Xe 5.3 d 81 keV

131I 8 d 364 e 627 keV

O radioisótopo está ligado numa substância específica a certa actividademetabólica (cancro, actividade cerebral, perfusão do miocárdio etc.)

Por exemplo, sabe-se que o iódo acumula-se no tiróide � ao usar isótoposradioactivos do iódo 131I e 125I o funcionamento do tiróide pode ser investigado.

Radiofármacos - exemplos

TcN

S S

NHO

O CH3

O

OCH3

O0

Technetium (99mTc) Bicisate

Perfusão do cérebro

Tc

O

OO

O

NH

O

CH3

CH3

O CH3 CH

3

O

O

O

NH

O

CH3

CH3

CH3

CH3

-1

Technetium (99mTc) Disofenin

Fígado, hepatiteO

O

O

O OH

12Technetium (99mTc) Medronate

O Tc OH

OH

OO

O

P

P

OOH

OOH

P

P

OOH

OOH

Ossos, câncro da próstata

Ga

H2O

OH2O

O

H2O

O

Gallium (67Ga) Citrate

Inflamação, infecções

NH

NHI

131

NH2

Iobenguane sulfate (131I)

NeuroblastomaNa131I - tiróide

Radioisótopos versus Raios-XRaios-X

(Radiologia, TAC)

Radioisótopos

(cintigafia, SPECT, PET)

Fonte Externa Interna

Energias 80 keV a 140 keV 80 keV a 511 keV

Origem da radiação Bremsstrahlung Decaimento dos núcleos

Papel da atenuação É o que produz o sinal Estraga a imagem

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Papel da atenuação (i.e. interacção com o corpo)

É o que produz o sinal Estraga a imagem

O que mostra a magem Atenuação da radiação nos tecidos, i.e. ρρρρ, Z

Distribuição dos isótopos radioactivos no corpo

Poder diagnóstico Anomalias morfológicas

Anomalias em funcionamento

Resolução espacial ~0.3 mm ~3-5 mm

(até ~1 mm em alguns sistemas avançadas de pequenas dimensões)

Primeiros scannersRectilinear scanner (obsoleto)

Uma posição do detector

N contagens

Um ponto marcado no papel

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Um ponto marcado no papel cuja cor depende do N

Imagem - scintigrama

1977

O detector funciona no modode impulsos: os raios gamasão detectados um a um

Primeiros scannersLinear scanner (obsoleto)

Uma posição do detector

contagens N(x)

Imagem em 2D - scintigrama

Atenuação da luz no cristal � λ

λ

/)(

02

/

01

)(

)(

xL

x

eAxA

eAxA

−−

−

=

=

16

Imagem em 2D - scintigrama

Partilha da luz entre os fotomultiplicadores � Ai = f(x)

Câmara gama

Cristal cintilador

Guia da luz

Fotomultiplicadores

Colimador

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Colimador

Objecto

Acontecimentos “bons”Acontecimentos “maus”

absorção no objecto

scatter

absorção no colimador

penetração através do colimador

Localização – através da partilha da luz entre os fotomultiplicadores

Câmara de Anger

7 fotomultiplicadores

Guia de luz (plástico)

Cristal cintilador NaI(Tl)∅∅∅∅100 mm x 6 mm

19

Hal O. Anger, Scintillation Camera - Review of Scientific Instruments, 1958, v.29, pp. 27-33

Colimador pinhole

(chumbo)

Objecto

Algoritmo de Anger de reconstrução de coordenadas

Sinais de fotomultiplicadores(amplituda de impulso, por exemplo)

A ideia:U1 U2 UNUi

∑

∑==

N

N

i

ii xU

X 1

20

xx1 x2 xNxi

X

A coordenada x da cintilação pode ser reconstruida através do cálculo da média das

coordenadas dos fotomultiplicadores xi com os pesos iguais a amplitude do sinal do respectivo fotomultiplicador

∑=

N

i

iU1

(também é conhecido como- método de centroid ou- centre-of-gravity method )

∑∑

∑

∑

∑

=

=

=

=

= ===N

i

iN

i

i

N

i

ii

N

i

i

N

i

ii

UE

U

Uy

Y

U

Ux

X1

1

1

1

1 ,,

Algoritmo de Anger em 2D

Energia depositada no cristal

21

Nota: o fotomultiplicador central (Nº7) nãocontribui para a reconstrução das coordenadasmas contribui para reconstrução da energiadepositada no cristal

Algoritmo de Anger - realização

−+

−+

−=

−=

YYY

XXX

A corrente do cada fotomultiplicador (Ui) é dividida entre 4 saídas (X+, X-, Y+ e Y-).

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H.O. Anger, Scintillation Camera – Rev. Sci. Instr., 1958, v.29, pp.27-33

−= YYY

As resistências são escolhidas de tal modo para que a contribuição de cada fotomultiplicador para os sinais X e Y fosse proporcional à respectiva coordinada do seu centro

Câmara de Anger – O cristal

Normalmente NaI(Tl): Z = 54, ρ = 3.67 g/cm3

comprimento de atenuação para 140 keV 1/µ ≈ 0.4 cm84% dos fotões de 140 keV interagem através do efeito fotoeléctricoalta luminosidade, ≈ 5,600 fotões para 140 keV

Dimensões:Diâmetro de 20 cm a 60 cm ou rectangular ≈ 50 x 40 cm

23

Diâmetro de 20 cm a 60 cm ou rectangular ≈ 50 x 40 cmEspessura ≈ 6 a 12 mm (1/4” a ½”, o mais comum é 3/8”) Compromisso entre

a) eficiência de absorção de raios gama � mais espessob) erro de paralaxe � mais fino possível

Desvantagens do NaI(Tl):Higroscópico � tem que ser selado hermeticamente num contentorsensivel àos gradientes da temperatura � facilmente parte-se

Tem um papel fundamental para reconstrução de coordenadas –distribuir a luz emitida numa cintilação entre vários fotomultiplicadores

Câmara de Anger – Guia de luz

Espessura – um compromisso entre dois extremos:

• Guia muito fina – apenas um fotomultiplicador “vê” a luz � só um PMT dá osinal � resolução espacial ≈ diâmetro do fotomultipicador (~50 mm);

24

sinal � resolução espacial ≈ diâmetro do fotomultipicador (~50 mm);

• Demasiado espessa – a distribuição da luz entre os PMTs quase uniforme �

resolução é ~ do diâmetro do cristal

Material:

• Plástico transparente com índice de refracção próximo ao do cristal (paraminimizar as perdas da luz devido à reflexão)

Requisitos

• Eficiência quântica mais alta possível (tipicamente ~30% para a luz doNaI(Tl) – λ = 415 nm)

• Boa uniformidade do fotocátodo

• Os ganhos tão próximos quanto possível

• Cobertura máxima da superfície do cristal � forma hexagonal ourectangular

Câmara de Anger – fotomultiplicadores

25

rectangular

• Cristal redondo: 19, 37, 61 ou 91 fotomultiplicador

• Cristal rectangular: ~100 fotomultiplicadores

Câmara de Anger – detalhes do desenho

fotomultiplicadores

26

Guia de luz

Janela de vidro

NaI(Tl)

Colimador

Funçao – projectar a imagem do objecto (em raios gama) ao detector

Câmara de Anger – colimadores

Tipos de colimadores

(M – factor de magnificação)

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Material – número atómico Z e densidade elevadas (normalmente Pb, asvezes Ta, W)

Como a atenuação de raios gama é exponencial com distância, a colimaçãonunca é perfeita: a probabilidade de um fotão atravessar o colimador na direcção“errada” não é nula � para minimizar este efeito as paredes entre os orifícios(septa) devem ser suficientamente espessas

é o mais usado

Parallel hole collimator

t

d

bd

l

c

t

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é o mais usado

conserve as dimensões do objecto (M=1)

milhares orifícios de forma hexagonal

material – Pb; espessura ~ 25 mm

as câmaras são equipadas com vários colimadores de dimensões diferentes

um exemplo de dimensões: cada orifício é de d=2.5 mm de “diâmetro” com asparedes (septa) de t=0.3 mm entre eles, ~25 orifícios/cm2 (General-purpose low-

energy collimator – para Eγ<150 keV)

Parallel hole collimator (II)

),( clbl

db

l

cbldR e

ee

ecoll >>≈

++≈

bd

l

c

tefectiva espessura

2−−=

µlle

22

2 ddK

≈ε

Resolução

Eficiência

30

a resolução é tanto melhor quanto mais perto for o objecto (b pequeno)

eficiência ~10-5 a 10-4 – é o maior problema da imagiologia com fotão único

escolha do colimador - compromisso entre a resolução e a eficiência

2

2

col

e

coll Rl

d∝

∝ε

orifícios) dos forma da depende(

constante, uma28.024.0 −−=K

2

2

)( td

d

l

dK

e

coll+

≈ε

Melhor a resolução � pior a eficiência

Pinhole collimator

f

bfdR ecoll

+≈

onde

2

3

16

cos

bdecoll

θε ≈

b

fd

α

Resolução em posição

Eficiência (geometrica)

32

Vantagem: a magnificação M=f/b pode ser >>1 � a resolução espacial paraobjectos pequenos pode ser muito boa

Desvantagem – ângulo sólido (eficiência geométrica) muito pequeno � apenasuma pequena fracção de fotões gama emitidos pelo objecto participam na formaçãoda imagem

atenuação de ecoeficient -

efectiva, abertura2

tan2

onde

µ

α

µ−

+= ddde

θ