FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione V)

1. 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

2. Come aumentare la risoluzione spaziale del BGO? MA se le dimensioni sono troppo piccole non contengono piu’ il range dei positroni….

3. Range dei positroni

4. 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

5. 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 Che cosa porta complessivamente alla perdita di efficienza?

6. Profondita’ di interazione

7. Profondita’ di interazione

8. Profondita’ di interazione

9. Correzione per attenuazione La probabilità che il fotone 1 non venga assorbito dopo aver attraversato uno spessore x: Probabilità che il fotone 2 raggiunga il rivelatore: Probabilità di rivelare entrambi i fotoni: La correzione per attenuazione dipende solo dallo spessore del corpo lungo la linea congiungente i due rivelatori, ma non dalla coordinata x -> migliore ricostruzione tomografica

10. SPECT: un solo fotone PET: due fotoni emessi in direzione opposta Differenze tra PET e SPECT

11. Differenze tra PET e SPECT • La linea di volo dei fotoni è determinata dalla coincidenza di due rivelatori (collimazione elettronica) Misura più precisa della direzione dei fotoni rispetto alla SPECT Rivelatore 1 Rivelatore 2 L’assenza di collimatori permette maggiore efficienza (frazione di decadimenti rivelati) e quindi minore esposizione alle radiazioni e misure più veloci L’attenuazione dei fotoni non dipende dalla posizione x del radioisotopo

12. Scelta del radiofarmaco

13. 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

14. Radiafarmaci in diagnostica • Tempo di dimezzamento deve 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 decadimento indicati 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 associate tra 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%)

15. Radiofarmaci in diagnostica Il radioisotopo più comunemente usato è 99Tcm assenza di decadimenti β, prodotto facilmente Con il 99Tcm si marcano molti radiofarmaci Si lega facilmente a proteine e farmaci (ma prodotto con ciclotroni) 123I Possibilità di legarsi ad anticorpi 67Ga usato per localizzare tumori 67Ga, 111In 201Tl Usato per analisi del muscolo cardiaco

16. Radiafarmaci in diagnosticaβ+ emettitori Isotopi di bio-elementi! Non esistono isotopi dell’idrogeno emittenti positroni ma il 18F puo’ esserne un sostituto 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.

17. Radiofarmaci in terapia • Tempo di dimezzamento piu’ lungo rispetto alla diagnostica, dell’ordine dei giorni (89Sr, T1/2 = 50d; 131I, T1/2 = 8d) • Modalita’ di decadimento per particella carica, di idonea energia per il rilascio locale di dose (89Sr, 99.9% β) • Energia delle emissioni associate l’emissione elettromagnetica associata dovrebbe essere possibilmente assente per ridurre la dose ai tessuti circostanti e al personale (89Sr, no γ)

18. Fisica nella medicina nucleare terapeutica

19. Terapie con irraggiamento interno Somministrazione di radiofarmaci (diffusibili o non diffusibili) a scopo curativo o palliativo. 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. Radioterapia metabolica: Brachiterapia • Impianto di semi radioattivi (ad es. per tumore della prostata)

20. Radioterapia metabolica

21. Ruolo della dosimetria nelle terapie con radionuclidi

22. Parametri biologici

23. Parametri biologici: clearance del sangue

24. Parametri biologici: eliminazione della radioattivita’

25. 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.

26. 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.

27. 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?

28. Fondamenti di radioprotezione in un reparto di medicina nucleare

29. 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 tempi di 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 Esposizione

30. Dal 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. Categorie di rischio

31. 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 Caratteristiche strutturali per attivita’ diagnostiche

32. 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 Percorsi dei pazienti e del personale

33. 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 Locale di deposito e manipolazione delle sostanze radioattive (camera calda)

34. 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 In particolare lavorando con 131I

36. 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 Sale di diagnostica

37. 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 Rifiuti radioattivi

38. 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.

40. “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 Testi consigliati