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FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE

(lezione V)

Anno Accademico 2005-2006

Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica

per Immagini e Radioterapia

Marta Ruspa

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Come aumentare la risoluzione spaziale del BGO?

MA se le dimensioni sono troppo piccole non contengono piu’ il range dei positroni….

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Range dei positroni

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Risoluzione spaziale

Tenendo conto di quanto detto e del fatto che i fotoni non sono emessi in modo perfettamente collineare…

Risulta FWHM tra 2 e 3 mm

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Che cosa porta complessivamente alla perdita di efficienza?

I radionuclidi diffondono in tutto l’organismo, solo una parte si concentra nella zona sotto indagine

L’ apertura angolare dei rivelatori consente la misura di solo una frazione dei fotoni collineari

I fotoni si attenuano nel materiale biologico Il rivelatore non e’ pienamente efficiente

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Profondita’ di interazione

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La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x:

x μ γ1 exP )(

Probabilità che il fotone 2 raggiunga il rivelatore:

))( x-(L μ γ2 exLP

Probabilità di rivelare entrambi i fotoni:

Lμx-(L μ xμγ2γ1γ2γ2 eeePP P

)

La correzione per attenuazione dipende solo dallo spessore delcorpo lungo la linea congiungente i due rivelatori, ma non dallacoordinata x -> migliore ricostruzione tomografica

Correzione per attenuazione

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Differenze tra PET e SPECT

PET:

due fotoni emessi in direzione opposta

SPECT:

un solo fotone

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• La linea di volo dei fotoni è determinata dalla coincidenza di due rivelatori (collimazione elettronica)

Rivelatore 1 Rivelatore 2

Misura più precisa della direzione dei fotoni rispetto alla SPECT

L’assenza di collimatori permette maggiore efficienza (frazione di decadimenti rivelati) e quindi minore esposizione alle radiazioni e misure più veloci

Differenze tra PET e SPECT

L’attenuazione dei fotoni non dipende dalla posizione x del radioisotopo

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Scelta del radiofarmaco

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Criteri di scelta

Tempo di dimezzamento Modalita’ di decadimento Energia delle emissioni associate Trasformazione in un nuclide stabile

Alta attivita’ specifica Alta purezza radionuclidica Selettivita’ rispetto all’organo di interesse Tempo di diffusione Danno da radiazione

Pronta disponibilita’ Basso costo di produzione

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Radiafarmaci in diagnostica

Tempo di dimezzamentodeve essere compatibile con la durata del fenomeno biologico o fisiologico interessato:

- valutazione polmonare T1/2 ~ s (81mKr, T1/2 = 13 s)

- captazione tiroidea T1/2 ~ qualche ora (123I, T1/2 = 13 h)

- analisi di funzionalita’ cardiaca T1/2 ~ qualche minuto (ammoniaca marcata con 13N, T1/2 ~ 10 m)

Modalita’ di decadimentoindicati radioisotopi che decadono senza emettere particelle cariche, per ridurre la dose rilasciata; l’emissione associata preferibile e’ l’emissione γ di alta intensita’, poco convertita internamente, possibilmente singola

Energia delle emissioni associatetra 100 e 300 KeV per sfruttare le piu’ alte efficienze di rivelazione che si ottengono in questo intervallo energetico(123I, 159 KeV, 83%; 99mTc, 140 KeV, 90%; 81mKr, 190 KeV, 65%)

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67Ga, 111In

123ISi lega facilmente a proteine e farmaci (ma prodotto con ciclotroni)

Possibilità di legarsi ad anticorpi67Ga usato per localizzare tumori

201Tl Usato per analisi del muscolo cardiaco

99Tcm assenza di decadimenti β, prodotto facilmente

Il radioisotopo più comunemente usato è

Con il 99Tcm si marcano molti radiofarmaci

Radiofarmaci in diagnostica

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Per mezzo di immagini della distribuzione dei traccianti sono possibili valutazioni non invasive di svariati processi metabolici, di neurotrasmissione e di binding recettoriale, cosi’ come misure di processi fisiologici come il flusso sanguigno e studi selettivi e non invasivi della distribuzione regionale e della cinetica di svariati processi biochimici.

Isotopi di bio-elementi!

Non esistono isotopi dell’idrogeno emittenti positroni ma il 18F puo’ esserne un sostituto

Radiafarmaci in diagnosticaβ+ emettitori

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Radiofarmaci in terapia

Tempo di dimezzamentopiu’ lungo rispetto alla diagnostica, dell’ordine dei giorni

(89Sr, T1/2 = 50d; 131I, T1/2 = 8d)

Modalita’ di decadimentoper particella carica, di idonea energia per il rilascio locale di dose

(89Sr, 99.9% β)

Energia delle emissioni associatel’emissione elettromagnetica associata dovrebbe essere possibilmente assente per ridurre la dose ai tessuti circostanti e al personale(89Sr, no γ)

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Fisica nella medicina nucleare terapeutica

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Somministrazione di radiofarmaci (diffusibili o non diffusibili)a scopo curativo o palliativo.

Radioterapia metabolica:

Si possono sfruttare la proprieta’ di alcuni tessuti di metabolizzare particolari elementi per far si che isotopi radioattivi di tali elementi si concentrino in modo selettivo nella zona da trattare.

Brachiterapia

• Impianto di semi radioattivi (ad es. per tumore della prostata)

Terapie con irraggiamento interno

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Radioterapia metabolica

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Ruolo della dosimetria nelle terapie con radionuclidi

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Parametri biologici

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Parametri biologici: clearance del sangue

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Parametri biologici: eliminazione della radioattivita’

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Nella camera a ionizzazione si misurano le cariche elettriche prodotte dalla ionizzazione del gas di riempimento e raccolte dagli elettrodi, tra i quali e’ stabilita una opportuna differenza di potenziale.

Nel tubo Geiger Mueller il passaggio di radiazione corpuscolare o gamma viene rivelato dalla variazione di potenziale sull’elettrodo positivo. Tale contatore non distingue i vari tipi di variazione e energia e possiede un tempo morto durante il quale non e’ grado di percepire alcuna radiazione.

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Esercizio 12: valutare il volume di sangue di un paziente in cui sono stati somministrati 5 cc di albumina marcata con 131I avente una frequenza di conteggi (emissioni rivelate da un contatore di radiazione) di 105 conteggi al secondo. La frequenza di conteggio misurata 15 minuti dopo da un campione di 5 cc di sangue e’ stata di 102 conteggi al secondo.

Esercizio 13: il 59Fe viene somministrato ai pazienti per diagnosticare le anomalie del sangue. Determinare il tempo di dimezzamento effettivo, essendo il periodo di dimezzamento del radionuclide di 46.3 giorni e il periodo di dimezzamento biologico di 65 giorni.

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Esercizio 14: tessuti viventi esposti a 20000 rad sono completamente distrutti. Valutare l’aumento di temperatura nei tessuti causato da questa dose assorbita in assenza di dispersione di calore.

Esercizio 15: che potenza libera una sorgente di 1 Ci che emetta particelle di energia media pari a 1 MeV?

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Fondamenti di radioprotezione in un reparto di medicina

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Esposizione

Il rischio legato all’impiego di sostanze radioattive non sigillate e’ dovuto sostanzialmente all’esposizione esterna

dosimetri individuali portati al petto dosimetri portati al dito o al polso

N.B.: impiego terapeutico di radiofarmaci piu’ rischioso per i tempidi dimezzamento piu’ lunghi

Il rischio di contaminazione interna e’ minimo a patto di rispettare regole basilari

- progettazione strutture (es. impianto ventilazione)- modalita’ operative e pulizia periodica

Un discorso a parte va fatto per lo 131I per le le caratteristiche di volatilita’ del farmaco misure di contaminazione delle urine e dell’attivita’ presente in tiroide

2-5 μSv-persona per esame 3-4 mSv/anno per operatore

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Categorie di rischioDal punto di vista radioprotezionistico le strutture in cui vengono svolte attivita’ medico nucleari in vivo rientrano nella categoria a medio rischio, a meno di rilevanti attivita’ a base di 131I per le quali gli ambienti possono sconfinare nella categoria ad alto rischio.

Categoria di rischio

basso medio alto

pavimento lavabile impermebile facilmente lavabile

senza soluzione di continuita’ e saldato alle pareti

superfici lavabili lavabili lavabili

cappa (nei laboratori)

no si si

ventilazione

normale buona estrazione forzata

dotazioni di primo intervento

mezzi per il lavaggio

mezzi per il lavaggio e la decontaminazione

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Caratteristiche strutturali per attivita’ diagnostiche

Zona non controllata:- accettazione pazienti- sala attesa pazienti non portatori radioattivita’ e accompagnatori- studi medici- servizi igienici per il personale e per i pazienti non portatori di radioattivita’ - archivio, deposito materiale,…

Zona controllata (accessibile a pazienti e personale del reparto)- sala somministrazione radiofarmaci- sala attesa pazienti portatori di radioattivita’ barellati e non- sale diagnostiche- servizi igienici per i pazienti portatori di radioattivita’

Zona controllata (accessibile solo al personale del reparto)- locali di deposito e manipolazione delle sostanze radioattive (camera

calda)- laboratorio di radiochimica- locale per decontaminazione e lavaggio materiale laboratorio- spogliatoi e relativa zona filtro tra l’area controllata e l’area fredda per

l’eventuale decontaminazione del personale

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Percorsi dei pazienti e del personale

Percorsi dei pazienti tali da evitare il ritorno dei pazienti portatori di radioattivita’ verso l’ingresso del reparto

Spogliatoi per il personale dove possano essere tenuti abiti da lavoro e di ricambio in caso di contaminazione

Accesso alla zona calda direttamente dallo spogliatoio freddo, uscita dalla zona calda attraverso locale filtro

- punto controllato per la verifica della contaminazione delle mani, dei piedi, degli abiti (monitor mani-piedi-vesti)- lavabo per il lavaggio delle mani e per piccole decontaminazioni- doccia di decontaminazione

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Locale di deposito e manipolazione delle sostanze radioattive (camera

calda) Opportune schermature Sostanze conservate nei contenitori originali di trasporto Rateo di dose in aria non deve superare i 100 μGy/h a 5 cm dalla

parete esterna dei contenitori e non deve superare i 5 μGy/h in ogni zona del locale

Celle di manipolazioni con pannelli, schermati in Pb, in parte scorrevoli, con visori di vetro piombifero per il contenimento delle sorgenti radioattive

Telemanipolatori e pinze Superfici di lavoro non porose e lavabili (acciaio inossidabile) Rubinetti azionabili senza far uso delle mani Sistema di ventilazione: aria dall’area a minore attivita’ a quella a

maggiore attivita’ ; locale in depressione rispetto agli ambienti circostanti

Pavimenti lavabili, facilmente decontaminabili e senza soluzione di continuita’ con le pareti:

- pareti ricoperte da vernici lavabili- pavimento ricoperto di fogli di materiale plastico con risvolto alle pareti per circa 20 cm

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In particolare lavorando con 131I

Impiegare capsule o in ogni caso soluzioni non volatili Operare sotto cappa Evitare l’esposizione all’aria del materiale radioattivo Ridurre al minimo il tempo di permanenza nelle camere di

degenza Usare materiale a perdere Far indossare eventualmente maschere protettive ai pazienti

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Sale di diagnostica

Pareti in mattone pieno Nelle installazioni PET possono essere necessarie

schermature dell’ordine di 10-25 cm di calcestruzzo o 6-12 cm di piombo

Operatori protetti da una barriera, 2 mm Pb equivalente nel caso di 99mTc

Nel caso di apparecchiature diagnostiche mobili locale dedicato all’esecuzione dell’esame:

- deposito schermato temporaneo- locale a scarico contenuto- spogliatoi con zona filtro- schermature fisse se necessarie

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Rifiuti radioattivi

Zone di deposito dei rifiuti radioattivi solidi e vasche di raccolta, controllo e smaltimento degli effluenti liquidi radioattivi

Predisposizione di contropendenze del pavimento rispetto alla zona di ingresso/uscita o altri sistemi atti a impedire la dispersione di liquidi contaminati all’esterno

Predisposizione di contropendenze per la veicolazione di liquidi radiocontaminati verso una pila di scarico

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Esercizio 16: una sorgente di 60Co da 3 kCi e’ immersa in un contenitore di piombo (densita’ 11.34 g/cm3). Determinare quale spessore devono avere le pareti affinche’ la dose esterna, assorbita da un operatore, non superi 50mrem/ora ad 1 m di distanza.

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Testi consigliati

“Medicina nucleare nella pratica clinica”Patron Editore, Bologna

“La fisica in medicina nucleare”Patron Editore, Bologna

“Borsa Scannicchio, Fisica con applicazioni in biologia e medicina”Edizioni Unicopli