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Bioimmagini

PRF= Pulse Repetition Frequency-Frequenza con cui viene ripetuto lilmpulso

PRP=Pulse Repetition Period- tempo che intercorre tra linizio del periodo e linizio del periodo

successivo

le relazioni che intercorrono tra i due sono

il tempo di emissione si chiama on time ed circa l1% del PRP. la d (max) ci dive la massima

prfondit di scansione che inversamente proporzionale al PRF.

La PRF correlata alla frequenza di campionamento dal teorema di Nyquist che si basa nella

relazione:

Color Doppler

Il color doppler unisce al calcolo della velocit del flusso sanguigno una codifica di colore in base

alla direzione di propagazione degli ultra suoni.

il color doppler codifica nel seguente modo:

blu- con flusso concorde alla direzione di propagazione degli us

rosso- flusso discorde

il modulo della velocit nellimmagine viene rappresentato dalla intensit del colore, cio pi

intenso il colore, pi gli eritrociti sono veloci in quella fascia di colore.

Il fenomeno dellaliasing. supponiamo di aver preso valori di PRF troppo basso, allora la

massima velocit che riusciamo a misurare diminuisce, se ci fossero dei glubuli rossi con velocit

maggiore ricorriamo al fenomeno dellaliasing. Fenomeno per cui, quando ho una frequenza di

campionamento troppo bassa una parte dello spettro, che sta fuori falla fd/2, rientra dallaltra parte

dello spettro; cio se la velocit troppo elevata essa verrebbe rimappata a ricominciare dal blu.

Power Doppler

in questo caso si pone laccento non sulla velocit degli eritrociti ma dal loro numero. Questa

tecnica meno sensibile al rumore sovrapposto.

La codifica Power indipendente dalla velocit MA DIPENDENTE solo dal numero dei globuli

rossi ( indipendente anche dallangolo di insonazione , a patto che sia diverso da 90).

il colore della codifica Power pu essre qualsiasi a patto che sia diverso dal blu e dal rosso. Nella

codifica anche in questo caso vediamo il colore pi chiaro e maggiore il numero di eritrociti, non

possiamo per vedere la direzione.

Mezzi di contrasto

Ha il compito di generare un contrasto dove normalmente non c. Negli US hanno il compito di

evidenziare la vascolarit. Se normalmente in BMode il vaso nero con il mezzo di contrasto si

colora di bianco.

I mezzi di contrasto ad US un preparato liquido (sospensione di soluzione fisiologica) iniettato nei

vaso che non diffonde nel tessuto

Ha una impedenza acustica molto diversa da quella dei tessuti il che genera un eco molto

intenso.

Questi mezzi di contrasto hanno un nucleo centrale che pieno di gas SF6 . Allesterno di questa

microbolla c una catena lipidica, ci sono tante micromolecole di lipidi tutti attorno che chiudono il

guscio e danno ad esso una resistenza meccanica che garantisce una vita della molecola adeguata

per lesame. Poi vengono espulse tramite la respirazione. Linterno gassoso serve per conferire alla

bolla una impedenza acustica diversa da quella dei tessuti. Il principale svantaggio dei mezzi di

contrasto la creazione di artefatti.

Fondamenti di radiologia

La forma di energia utilizzata sono i raggi X che sono delle radiazioni ionizzanti.

le leggi che regolano i raggi X sono molto simili alle leggi degli US tranne che i RX si propagano

anche nel vuoto. Lo studio dei RX pu essere fatto a partire dal dualismo onda-particella, e la legge

di Heinstein ci dice che ogni fenomeno propagativo di una qualunque particella ditata di massa

trasporta energia.

Differenze tra US e RX

RX: hanno una massa, una sua velocit di propagazione C=3,4x109 , propagazione

nel vuoto, propagazione in qualsiasi mezzo, no riflessione, non ha carica

US: necessita di una continuit del mezzo di propagazione, riflessione tutte le volte

che il mezzo discontinuo, assenza di propagazione nel vuoto, velocit di propagazione che varia a

seconda del mezzo.

Il fenomeno che si utilizza quello dellassorbimento: si va a vedere dove i raggi X vengono

stoppati dalla materia.

Radiazione ionizzante: radiazione con la capacit di rompere i legami atomici e molecolari della

materia.

Raggi X molli: radiazioni non in grado di attraversare i tessuti umani, hanno una frequenza tale per

cui quando arrivano sui tessuti percorrono pochissimo spazio e poi vengono attenuati. Vengono

considerati inutili per fare radiografie. Se veniamo colpiti da un raggio X molle, tutta lenergia la

assorbiamo.

Raggi X per diagnostica: una volta arrivati sul tessuto, questultimo, in qualche modo riemette

lenergia nella lastra.

Raggi X per radioterapia: passano attraverso i tessuti cedendo energia a tutti i tessuti che

attraversano i quali tendono a dissiparla sotto forma di calore.

Lenergia direttamente proporzionale alla frequenza.

RAGGI X

Tubo a RX

Il catodo la parte che emette gli elettroni, lanodo la

parte che viene bombardata. C una ampolla di vetro attorno al meccanismo sulla quale viene

creato il vuoto spinto. Lemissione dei RX si effettua tramite bombardamento elettronico.

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Generazione raggi x: il filamento viene alimentato da una corrente elettrica, il riscaldamento dl

filamento produce una emissione di elettroni direttamente proporzionale alla corrente di

alimentazione del filamento. Questi elettroni hanno una equa probabilit spaziale di emissione per

cui vengono indirizzati da una coppa focalizzatrice, la quale li indirizza allanodo. Il fascio di

elettroni nello spazio tra anodo e catodo viene accelerato tramite una differenza di potenziale (dai

15kV ai 400kV). Linterazione tra anodo ed elettroni crea un surriscaldamento dello stesso, per cui

si applica un rotore allanodo in grado di farlo ruotare cambiando il punto di collisione. Lanodo

(solitamente in tungsteno-reniato o di molibdeno per la mammografia) inclinato, di solito 30, per

consentire lirraggiamento del paziente attraverso una apposita finestra (linclinazione dellanodo

incide sulla dissipazione ma anche sulla qualit dellimmagine).

il tubo a raggi x ha la distanza catodo-anodo, la tensione applicata e la corrente sono dimensionati

in modo tale da massimizzare la probabilit che un elettrone incidente sullanodo generi energia a

raggi x.

La maggior parte della banda viene data dallinterazione a emissione frenante (pochi fotoni ma su

una gamma di energie elevate), in seconda parte c la emissione caratteristica (molto fotoni ma a

basse energie).

per lanodo si utilizzano materiali tipi il tungsteno e il molibdeno. Il molibdeno viene utilizzato per

la mammografia.

Radiologia tradizionale.

I raggi x sono radiazioni fuori dalla banda del visibile.

Hanno il vantaggio di penetrare i tessiti umani, ma essendo invisibili allocchio umano ci sono dei

sali che se colpiti dai raggi x interagiscono emanando radiazioni sotto forma del visibile

(fluorescenza). Hanno anche una importante azione chimico fisica cio possono modificare la

chimica o i legami allinterno dei tessuti (utilizzato per la radioterapia).

Limmagine che noi vediamo nientaltro che una rappresentazione visiva dei coefficienti

di attenuazione . Il coefficiente di attenuazione dipende dal tipo di materiale (aumenta

allaumentare del numero atomico del materiale), dellenergia incidente, della temperatura.

Il coefficiente di attenuazione viene usato nella legge di lambert-beer

che esprime il numero di fotoni uscenti da un oggetto di spessore x e coefficiente

di attenuazione che si trova nella direzione del fascio incidente.

Essendo x lo spessore del tessuto linverso della lunghezza cm-1

Valore dimezzante x=0.692 emergono solo la met dei fotoni

Valore decimante x=2.3 emergono solo 1/10 dei fotoni incidenti.

Il coefficiente di attenuazione diminuisce quasi come un esponenziale allaumentare dellenergia,

esso dunque non dipende solo dalla densit ma anche da altri fattori.

Pilotaggio di un tubo a raggi x

Si divide un due parti: parte superiore

che responsabile della generazione della tensione nel tubo ossia della differenza di potenziale tra

catodo e anodo, una tensione continua. E costituita da:

rettificatore a ponte responsabile della conversione della corrente alternata in continua, influisce

sullenergia e sulla frequenza; allaumentare della tensione aumenta la frequenza dei raggi x emessi.

Tutti i tubi funzionano con una gamma di tensioni (che sono sulla manopola) e non puoi lavorare ad

altre tensioni se non quelle.

Selettore di voltaggio: mi permette di selezionare la tensione applicata al tubo e da quella tensione

so quanto saranno energetici i fotoni emessi.

Milliamperometro: il tubo a raggi x ha una resistenza di carico quindi usiamo un milliamperometro

per assicurarci che il tubo non sia guasto, infatti essendo che il tubo segue la legge di ohm , se

aumentiamo la tensione di alimentazione e leggiamo una corrente troppo elevata, vorr dire che la

resistenza del tubo diminuita quindi lanodo cola per dissipazione termica.

La parte inferiore invece ha il compito di fornire corrente al filamento di tungsteno. essa

divisa in:

Controllo della temperatura: in quanto il numero degli elettroni emessi direttamente proporzionale

alla temperatura.

Alimentazione del filamento: il filamento lo vedo come una resistenza quindi tanto pi aumento la

corrente tanto pi abbasso la temperatura. Questa corrente deve essere controllata e quindi uso un

Modulo di controllo corrente: funziona come il selettore di voltaggio solo che la corrente influisce

sulla qualit dei fotoni x emessi, quindi sullintensit dellimmagine.

Compensatore: un dispositivo tampone che mette in comunicazione i due rami e ha il compito di

assicurarsi che una volta impostata la macchina il valore della tensione di alimentazione e della

corrente del filamento rimangano stabili (costanti) per tutta la durata dellesame (perch la tensione

agisce sullenergia)

grandezze e regolazioni: posso modificare la tensione da applicare al tubo e di conseguenza la

potenza emessa e il tempo di esposizione (dose).

Esistono anche delle funzioni dellapparecchio radiologico che consentono la terminazione

dellesposizione automatica (AET), e una esposizione programmabile APR che ci evita di dover

regolare la dose, la velocit di somministrazione e il dover stabilizzare corrente e tensioni emesse.

Norma: RX

una normativa relativa a specifiche condizioni di utilizzo. lo scopo la protezione del paziente

(non garantiscono la protezione del medico o delloperatore) dagli apparecchi radiologici e dalle sue

conseguenze (le tensioni sono da 10kV a 400kV includendo quindi i dispositivi per diagnostica).

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interrutore uomo morto: rende possibile la chiusura del contatto solamete mediante pressione

continua

filtrazione propria: filtrazione del fascio x introdotta dagli elementi non trasportabili del dispositivo

(come la guaina), introducono attenuazione.

fascio utile: tutta la radiazione prodotte da un tubo radiogeno che arriva al paziente

radiazione residua: radiazione che esce dalloggetto sul percorso del fascio utile

radiazione di fuga: tutta quella che fuoriesce dalla guaina (da minimizzare).

esposizione: carica elettrica nellaria

dose assorbita: energia trasferita alla materia

strato emivalente: spessore di un dato materiale necessario per dimezzare lintensit di esposizione

equivalente di dose: esprime il rischio di effetti nocivi

Dose personale: vincola quale la massima potenza da erogare in relazione al tempo di esposizione

(10-2

sievert)

Tubo radiogeno: deve essere circondato da una guaina protettiva schermante inamovibile di

apertura sufficiente del solo fascio utile.

Rivelatori e ricettori

Per la visione delle immagini radiologiche si necessita di qualcosa che intercetti i raggi x alluscita

e che li converta nella banda del visibile. Per questo utilizziamo dei rivelatori; ne esistono di tre tipi:

Pellicole radiografiche, amplificatori di brillanza e dispositivi per radiografia digitale (CR e DR).

Le pellicole radiografiche sono costituite da tre strati di materiale dove quello centrale un

foglio di poliestere mentre i due strati esterni sono emulsioni di bromuro di argento AgBr che da

origine ad un reticolo cristallino scintillatorio, dove i fotoni incidenti impressionano la lastra di nero

fissando il sale sul foglio di poliestere i grani che non vengono attivati vengono rimossi. La

pellicola soggetta a degrado in quanto una informazione analogica, molto costosa e non

consente un buon livello di contrasto perch ha sempre un sottofondo di grigio. Essa soggetta a

sovraesposizione o sottoesposizione come si nota dalla curva sensitometrica della lasta che lineare

per un certo tratto. Lefficienza delle pellicole silo il 5% se metto un intensificatore

lefficienza aumenta ma diminuisce il potere risolutivo.

La Radiografia digitale CR e DR.

Vantaggi: non serve lo sviluppo, trasportabilit, meno problemi di errori, nessun degrado e facilit

di copia.

CR computed radiography - fosfori fotoeccitabili

un tipo di conversione indiretta in quanto abbiamo banda x-banda visibile- immagine

Funzionamento: c un pannello di fosfori fotostimolabili che quando colpiti da un fotone a raggi x

scintillano e creano un fotone nel visibile che rimanendo intrappolati nel reticolo del fosforo forano

una immagine latente letta poi da uno scanner laser. Limmagine si forma perch questi fosfori

generano un numero di fotoni visibili proporzionale allenergia di banda x che gli cade sopra.

DR digital radiography - cristalli scintillatori di CsI

un tipo di converione diretta energia in banda x convertita direttamente in banda elettrica per

limmagine.

Funzionamento: si prende un pannello di silicio e lo si droga con delle impurit di CsI. Quando i

fotoni colpiscono il pannello interagiscono con i cristalli e gli rilasciano quasi tutta la loro energia,

gli elettrodi posti al di sotto del pannello con un sottilissimo strato di alluminio posto sopra, creano

dei condensatori e quindi delle diverse concentrazioni di energia, il laser legge la capacit di

questa matrice di condensatori generando un immagine tanto pi precisa quanto pi piccole sono

le superfici dei condensatori. Ha un limite perch pi piccoli sono gli elettrodi minore la carica

che riescono ad accumulare quindi c meno contrasto.

Amplificatori di brillanza converte i fotoni in elettroni ma ha una conversione indiretta per in

tempo reale.

Funzionamento: sulla faccia di ingresso della ampolla di vetro, con allinterno il vuoto spinto che

costituisce lamplificatore, si trova uno schermo ricoperto di CsI che quando colpito intrappolano

lenergia dei fotoni x riemettendola sotto forma di fotoni visibili che vanno a colpire uno schermo

posto posteriormente (fotocatodo) formato da placchette metalliche che convertono i fotoni visibili

in cariche elettriche che disegnano limmagine su un display. Alluscita dellamplificatore

limmagine pu essere subito vista da uno schermo e anche registrata su hardisk tramite un

convertitore analogico digitale.

Lamplificatore di brillanza un componente del Videoradiografo.

NON un amplificatore di energia a amplifica il

numero di elettroni circa 2000 fotoni nel visibile per ogni fotone x.

Mammografia

La mammografia un esame radiografo tradizionale solo che lanodo in molibdeno anzich essere

in tungsteno. Il molibdeno un materiale che genera raggi x a basse frequenze; proprio alle basse

frequenze dei raggi x che il coefficiente di attenuazione del canciroma maggiore rispetto a quello

tissutale. Ci ci consente di visualizzarlo tramite una radiografia.

Si utilizzano le basse energie proprio perch ad alte energie i

coefficienti di attenuazione si sovrappongono per cui non si distinguono i tessuti dal canciroma. Il

mammografo non supera mai i 50keV.

La mammella viene compressa perch un volume pseudosferico, quindi ha i tessuti sovrapposti. Si

prendono due immagini (di solito) della mammella una cranio caudale e una mediolaterale obliqua.

il compressore deve essere trasparente al visibile. La mammografia ha una produzione di immagine

eccellente.

NORMA Mammografia

tubo radiogeno: deve essere bloccato e non si deve muovere senza lintervento delloperatore, in

caso di interruzione non deve comprimere per pi +-20N.

dispositivi di compressione: tutti gli interruttori che regolano il movimento di compressione devono

essere tali da necessitare una forza continua da parte delloperatore

Forza di compressione: deve avvenire attraverso dei controlli che devono essere da entrambi i lati

della paziente

Schermatura protettiva primaria deve estendersi fino al supporto della paziente almeno fino al

torace per impedire la retroirradiazione. Il dispositivo per mammografia ha bassissime soglie di

dose.

Prove di qualit

Prove di accetazione prove iniziali

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Prove di costanza prove di verifica (con i mezzi e materiali utilizzati nelle prove di accettazione)

Prove di status si fanno quando nel dispositivo avviene una sostituzione

Prove di costanza per apparecchi radiologici per mammografia

servono per garantire le prestazioni del dispositivo, la qualit dellesame e la minimizzazione dei

costi di esercizio.

Ispezione visiva: accertarsi della presenza di tutti i componenti del dispositivo

Densit dellimmagine: misura la densit ottica dellimmagine prodotta in condizioni specifiche,

un parametro che mi dice quanto una immagine otticamente densa, non deve scostarsi per pi del

20% del valore iniziale.

Presenza di artefatti: si fa una radiografia a vuoto e la griglia antidiffusione non si deve notare.

Risoluzione ad alto contrasto: serve per valutare la distribuzione spaziale dellimmagine. La

risoluzione non deve essere decresciuta per di pi di 2 coppie di linee al millimetro.

Fascio di irradiazione: ha il compito di valutare variazioni del fascio di irradiazione nella parete di

campo prossima al torace.

Compressore: serve per valutare che la forza di compressione non sia pericolosa per la paziente. La

forza non deve variare per pi di 10N.

Contatto schermi di rinforzo-pellicola

FLOW CHART DELLE PROVE

Angiografia a sottrazione digitale (DSA)

il letto vascolare in radiografia invisibile perch il coefficiente di attenuazione del sangue

prossimo a quello degli atomi dei tessuti molli. Per poterlo visualizzare occorre somministrare un

mezzo di contrasto iniettato per via venosa, che sia radiopaco.

Strumenti necessari per la angiografia:

angiografo a sottrazione digitale

pacchetto SW per fare la sottrazione

Passi fondamentali:1 radiografia del distretto corporeo,2 iniezione del mezzo di contrasto,3

radiografia col mezzo di contrasto,4 sottrazione della seconda dalla prima.

Aspetti matematici

prima delliniezione

dopo liniezione

differenza , .

La sottrazione da due immagini per ha il problema che ci possono essere degli artefatti da

movimento dato che la seconda immagine non mai uguale alla prima. Per ovviare a questo

problema (o minimizzare lartefatto da movimento) si incorporato allangiografo un

elettrocardiogramma che funziona da trigger facendo scattare le due immagini nello stesso punto

del ciclo cardiaco.

Limiti: risoluzione spaziale non elevatissima 2cl/mm per motivi di sottrazione, scarso campo utile

di ripresa, tempo di elaborazione offline, necessit di software apposito

Vantaggi: riduzione dose raggi x al paziente, iniezione endovenosa e non locale, elevata sensibilit,

riduzione rischio, riduzione costo esame.

TC

Il problema era risolvere lequazione di Lambert-Beer quando il coefficiente non era costante ma

variabile , come nel corpo umano, in quanto non era solo il valore di a variare ma la N diventava

anche essa una variabile N(x). Si giunti dunque al campionamento angolare dellimmagine. Ci

permetteva la risoluzione dellincognita N(x).

Si eseguivano varie proiezioni dellimmagine con diverse angolature, in questo modo

ottengo una visione 3D delloggetto (retroproiezione filtrata). Retroproiezione sta ad indicare che il

dispositivo raccoglie le immagini e le mette tutte assieme, filtrata nel senso che il software elimina

laspetto quadrato dellimmagine e ne ricava uno anatomico.

Il tomografo un dispositivo che mi consente di ottenere una immagine 2D a partire da una

serie di proiezioni diverse, quindi diverse angolazioni, dello stesso oggetto.

Vantaggi: visualizzazione 3D, risoluzione di contrasto migliore rispetto ad una radiografia normale,

possibilit di calcoli di volume

Limiti: risoluzione spaziale minore rispetto alla radiografia digitale, rumore introdotto dai filtri,

aumento della dose al paziente perch aumentano il numero delle proiezioni.

Per determinare il coefficiente di attenuazione in un oggetto omogeneo con costante allora uso la

seguente:

se non costante ma dipende dalla profondit uso la seguente:

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invertendo la relazione si ottiene

Schema a blocchi ti un TC

Il sistema parte sempre da un tubo a raggi x, che per poter

eseguire la retroproiezione filtrata necessita del movimento di rotazione attorno al paziente. Davanti

alla sorgente posto un collimatore che esclude i fotoni uscenti dal tubo che non hanno direzione

perpendicolare ad esso, viene anche posto dopo il paziente, necessario perch il fotone, entrando

in contatto col paziente pu essere deflesso (il che pu dare informazioni sbagliate sullimmagine).

I collimatori sono dunque uno di mira e uno di filtro. Il dispositivo TC non un dispositivo a tempo

reale.

Nellesame TC si eseguono circa 30-40 matrici slice, ogni matrice una fetta del paziente (0,5 10

mm) la risoluzione 256x256 o 512x512 pixel.

Scanner prima generazione

Lunghi tempi di acquisizione dovuti al movimento di rototraslazione della

sorgente coi rivelatori. Durata esame circa 10 min.

Scanner seconda generazione

Il fascio collimato verso i rivelatori ma anche in questo modi c un movimento

di rototraslazione.

Scanner terza generazione

I rivelatori (posti a ventaglio fan-beam) si muovono assieme alla sorgente, in

questo modo si annulla il moto di traslazione e si riducono i tempi di esame (dellordine del

secondo a scansione).

Scanner Quarta generazione

I rivelatori, 4800 circa, formano un anello completo attorno al paziente, in questo

modo il solo elemento in movimento la sorgente. In questo modo i tempi di scansione scendono

sotto il secondo. La quarta generazione la base della spiral TC.

Questo tipo di scanner nato dalla tecnologia slip-ring che permette lalimentazione del tubo anche

quando in movimento e gli conferisce potenza continua.

Blocchi di un sistema TC

Sistema di scansione:Insieme di sorgenti e rivelatori che servono per proiettare loggetto da angoli

differenti

Unit di elaborazione: deve elaborare i dati che la sorgente gli da

Sistema di visualizzazione dellimmagine: schermo in bianco e nero dive si possono calcolare

parametri statistici sullimmagine.

Unit di immagazzinamento dati: servono per creare un archivio

Spiral TC

Basata sulla tecnologia slipring, il tubo radiogeno sempre in rotazione e il

paziente viene inserito o estratto con continuit. In questo modo non c il movimento stop and

shoot. Con questa tecnico posso avere delle immagini TOTAL-BODY del corpo umano.

il nemico numero uno lartefatto da movimento e i sensori sono dei pannelli di silicio drogato con

metallizzazioni sopra e sotto, convergono lenergia in carica che viene letta per leffetto capacitivo

in stile radiografia digitale.

Nella tomografia a fascio elettronico EBT si elimina lultimo movimento essendo il fascio di fotoni

collimato secondo le angolazioni che necessitiamo, in questo modo non c nessuna parte in

movimento.

Sensori TC allo stato solido

Si prendeva un cubetto a cristallo scintillatore (colpito dalla radiazione il cristallo scintilla) che

generalmente non un sale ma una ceramica opportuna con impurit di atomi specifici. Il fotone,

colpendo la ceramica, scarica tutta la sua energia su di essa che viene prodotta sotto forma di

visibile. Questi fotoni visibili vengono convogliati in un amplificatore di brillanza che poi viene

convertita in elettroni per generare limmagine. Lefficienza di questi sensori del 50%.

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Sensori TC allo stato gassoso

Viene riempito linterno di xenon. Essenzialmente si ha

che la parete funziona da catodo e linterno da anodo. In questo modo il fotone quando colpisce il

rivelatore ho che il gas allinterno si carica a seconda dellenergia del fotone, successivamente

questa carica viene letta. E una conversione di tipo diretta.

Risoluzione spaziale: in mammografia si ha che abbiamo 20cl/mm, in radiografia planare circa

7cl/mm mentre nella TC ho 1cl/mm.

Contrasto: il contrasto nella TC e molto maggiore rispetto a quello di una radiografia tradizionale, si

pu avere una variazione del contrasto per valori dello 0,5% mentre per la radiografia planare si ha

il 5%.

Medicina Nucleare

E un tipo di esame che sfrutta il fenomeno dellemissione. A differenza dei raggi x, e quindi della

tomografia coputerizzata, la sorgente di energia allinterno del corpo. Si utilizzano sostanze

radioattive selezionate di volta in volta a seconda del distretto da analizzare o dei processi che si

interessati studiare, poich queste sostanze hanno la capacit di legarsi a determinati tessuti del

corpo e non ad altri, inoltre, si sfrutta di queste sostanze il fenomeno del decadimento radioattivo

per limaging. Questo tipo di esame, vista la scarsit della risoluzione dovuta alla presenza di

collimatori e di una radiazione isotropica difficile da intercettare (banda gamma), di tipo

funzionale.

Ci sono due tecniche di scansione la PET e la SPECT.

I farmaci utilizzati emettono nel loro decadimento una forma di energia con la frequenza gamma

che molto pi energetica delle x, quindi il coefficiente di attenuazione del tessuto corporeo

inferiore rispetto a quello dei raggi x. Ci interessa sapere la posizione degli atomi sorgente nel

paziente.

La durata dellesame in funzione del tempo di decadimento del farmaco, mentre i fotoni in banda

x si misurano tramite misurazioni di integrali su un arco di tempo, per la medicina nucleare si pu

procedere al conteggio dei singoli fotoni ed per questo che sono immagini prettamente funzionali.

Imaging funzionale

Gli isotopi radioattivi usati sono vari. Si differenziano perch hanno tempi di decadimento diversi e

reagiscono allinterno del corpo umano in maniera diversa.

Si ha una efficienza di rivelazione bassissima perch lemanazione di raggi del radioisotopo

isotropica, ed per questo motivo che non riusciamo ad ottenere immagini morfologiche, si

aggiunge poi la presenza dei collimatori che diminuiscono ancora di pi il numero di fotoni che

vengono rivelati dal rivelatore. Hanno un grande pregio e cio posso investigare un distretto

particolare senza che le sue funzioni siano alterate in quando lorganismo non riconosce che quella

determinata sostanza radiattiva.

Abbiamo detto che il fenomeno che ci interessa osservare il decadimento del radioisotopo, il suo

decadimento un evento spontaneo e casuale, infatti non tutti gli atomi decadono allo stesso

momento. Il decadimento viene studiato tramite la legge di Piosson che : dove il

termine allesponente il coefficiente di decadimento del radionuclide.

Un altro importante parametro quello dellemivita, cio met tempo di

decadimento: .

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Decadimento alfa (uso in terapia)

tali particelle sono pappe molli, non attraversano il tessuto umano per questo

vengono utilizzate solo per terapia e non per imaging.

Decadimento beta (meno)

le particelle beta meno non escono dal corpo perch hanno bassissima

energia 511keV.

Decadimento beta pi utilizzato nella PET

il beta pi si annichila dopo pochissimo. Avviene quando la differenza

di energia di 1022keV.

Cattura di un ellettrone orbitale utilizzato nella SPECT

Un elettrone viene catturato dagli orbitali esterni con la conseguenza che un

protone si trasforma in un neutrone + un neutrino. riequilibrio dei livelli elettronici causa

lemissione di un fotone gamma. Ogni atomo che decade nella SPECT emette un singolo fotone.

Quindi il numero di fotoni che abbiamo in un esame proporzionale, solo, al numero di atomi

radioattivi che somministro al paziente.

I radiofarmaci

Sono i farmaci che utilizziamo per un esame di medicina nucleare. Servono per trovare la posizione

della sorgente dei raggi gamma.

A seconda dellesame da farsi utilizzer diverse bande per la SPECT utilizzo fotoni da 80 a

300keV, mentre per la PET utilizzo fotoni a 511keV.

Il problema nasce nella rivelazione di questi raggi gamma,

Rivelatori e ricettori

Rivelatori a semiconduttore:

Sono costituiti da molecole di SiO2 o di Ge. Sono dei resistori di resistenza variabile, quando viene

colpito da un fotone gamma esso cede energia e diminuisce la resistenza imposta dal materiale.

Rivelatori a gas: sono simili a quelli per TC (con una efficienza del 50%) solo che per i raggi

gamma hanno efficienza pi bassa.

Scintillatori inorganici: sono dei sali che hanno la capacit di scintillare nel visibile quando

vengono colpiti da un fotone gamma. I sali utilizzati hanno un elevato numero atomico che

consente una elevata interazione con i fotoni gamma incidenti; il numero dei fotoni del visibile

proporzionale al numero di fotoni gamma che colpiscono il cristallo.

Il cristallo pi utilizzato p il NaI con impurit di Tl. Questo ha un vantaggio: si ha una buona

efficienza di rivelazione (circa il 13%), si generano 20-30 fotoni visibili ogni keV di fotone.

La GAMMA-CAMERA

Riprende una scena, simile a una telecamera. Essendo

i fotoni gamma delle radiazioni isotropiche, la gamma camera, grazie ad un collimatore a fori

paralleli, ammette solo i fotoni che vanno verso di essa e scarta gli altri. Sopra il collimatore vi

una finestra di vetro con al di sopra i sali di NaI. Al di sopra del cristallo vi sono solo radiazioni

sotto forma di visibile; queste radiazioni sono convogliate tramite una guida ottica col nome di

fotomoltiplicatore che porta i fotoni nellarea addetta al calcolo della posizione dei punti. nel

fotomoltiplicatore gli elettroni prodotti dal fotocatodo vengono via via accelerati e moltiplicati dai

dinodi. Tutta lenergia del fotone viene convertita in elettroni che vengono accelerati e moltiplicati

da un insieme di placchette fatte a parabola

dinodi. Si ha una amplificazione totale di 106.

Il collimatore divergente viene utilizzato quando il radiofarmaco presente nel paziente in ampie

zone, mentre quello convergente serve quando il radiofarmaco in zone molto piccole del nostro

organismo quindi ci serve uno zoom. Si tenta sempre di minimizzare la distanza tra paziente e

collimatore favorendo cos la risoluzione spaziale a spese del numero di fotoni che attraversa il

collimatore.

Aritmetica di posizionamento

Le parti tondeggianti rappresentano i tubi

fotomoltiplicatori, la posizione a nido dape garantisce la minim distanza possibile tra i TF. Ciascun

tubo viene diviso in quattro parti tramite quattro cavi nelle direzioni principali. a ogni cavo collego

una resistenza di peso che ha valore diverso a seconda della posizione del TF. Scelgo le resistenze

in modo tale che ogni tubo sia univocamente determinato quindi considero il sistema di riferimento

al centro, e a seconda di quanto mi sposto nelle 4 direzioni principali avr valori di resistenza

proporzionali a questo spostamento. Se mi sposto verso il centro il valore della resistenza

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diminuisce, se mi sposto verso lesterno aumenta. Nei della linea centrale si nota che variano solo i

valori di resistenza in direzione x- e x+, metre per il verticale non variano. Quelli superiori il centro

non pi zero ma vale 20, siccome dalla linea centrale, per mantenere la configurazione esagonale,

posiziono i TF inferiori e superiori a met tra quelli della linea centrale; ecco perch nelle

direziuoni x+ e x- avr valori rispettivamente 10 allinterno e 30 allesterno. Questo viene fatto per

capire quanto dista la direzione rispetto al centro di riferimento.

Alla fine della gammacamera avr 4 uscite una relativa ad ogni asse. La somma pesata di

tutte le resistenze in un asse fratto la somma totale ci da la coordinata X di impatto del fotone.

con

NOTA BENE: X+, X-, Y+ e Y- vanno intese come sommatorie.

Il peso direttamente proporzionale alla posizione del tubo fotomoltiplicatore sul piano del

cristallo.

Sappiamo che ad ogni radiofarmaco si sa esattamente quale la energia dei fotoni gamma

che mi aspetto poich conosco il suo meccanismo di decadimento. Per questo motivo esiste il filtro

Z, che effettua una discriminazione sullenergia dei fotoni. Possono arrivare alla gammacamera dei

fotoni che prima erano diffusi e che poi interagendo con la materia sono stati deflessi, questo tipo di

fotoni nella deflessione colpiscono la gammacamera con una energia pi bassa (o pi alta quando

due fotoni arrivano nello stesso punto), questo tipo di fotoni non serve per lesame che si sta

svolgendo, quindi vengono scartati da questo filtro. Il filtro Z cancella i fotoni troppo poco

energetici e quelli troppo energetici. Inoltre consente di ripulire limmagine. In alcuni casi,

somministrando due radiofarmaci diversi al paziente che emettono fotoni ad energia diversa, posso

distinguerli tutti e due creando contemporaneamente due immagini.

Schema a blocchi di utilizzo di gammacamera

Funzionamento: per ogni fotone vengono generate

le uscite X e Y di impatto del fotone; per cui se prendo le coordinate e le invio ad un dispositivo di

visualizzazione, piano piano creo una immagine. Se connetto le tre uscite ad un A/D riesco a

manovrarle tramite un apposito SW.

Grazie allaritmetica di posizionamento riesco a calcolare lenergia totale del fotone.

Tomografia computerizzata ad emissione ECT

La differenza dalla TC normale che, invece di essere ad assorbimento, una tomografia ad

emissione. Esistono due tipi di esame la PET e la SPECT. Si differenziano nel radiofarmaco

utilizzato; nella SPECT utilizzo un radiofarmaco che emette solo un fotone in banda gamma,

mentre nella PET uso un radiofarmaco che emette una energia precisa 511keV e ha una direzione

casuale ma verso opposto. Queste due tecniche ricostruiscono la distribuzione spaziale nel corpo del

paziente del radiofarmaco.

SPECT (tomografia computerizzata ad emissione di un singolo fotone)

Questo tipo di esame caratterizzato perch vi un solo fotone emesso dal radiofarmaco. I

radiofarmaci utilizzati hanno una energia inferiore ai 300 keV, quindi minore della PET che 511

keV, ma hanno una emivita di circa 6 ore; questo un grosso vantaggio perch questo tipo di

radiofarmaci non necessita la produzione in loco, infatti vengono portati ogni mattina in ospedale da

un corriere apposito.

Funzionamento: posizionata una o pi gammacamera in grado di ruotare

attorno al paziente, in modo tale da prendere da varie angolazioni informazioni riguardanti la

posizione dellatomo nel paziente; essendo che davanti alla gammacamera posizionato un

collimatore.

Posso pensare al sistema delle linee di scansione (vedi disegno appunti) dove prese varie

immagini da diverse angolature ho che il punto di intersezione delle linee di scansione per quel

determinato atomo del radiofarmaco indicano esattamente la posizione di esso, in parole povere

lintersezione delle direzione mi da la posizione; ricostruisco cos la posizone volumetrica del

radiofarmaco unendo tutte le posizioni. Nellesame SPECT, proprio per questultimo motivo,

necessaria la presenza di un collimatore, altrimenti non saremo in grado di sapere la posizione del

radiofarmaco in quanto come detto allinizio sono degli atomi isotropici.

Esattamente la grandezza dellimmagine SPECT esattamente quella del collimatore che pu avere

i fori pi o meno piccoli e pi o meno vicini, tutto a discapito della risoluzione. Chiaramente

maggiore il numero di scansioni maggiore sar la risoluzione dellimmagine, ma per poter

ottenere pi immagini si necessita un tempo di scansione pi lungo con il rischio che il

radiofarmaco decada prima che finisca lesame. Poi si pu aggiugere lartefatto da movimento,

proprio perch i tempi di scansione si sono allungati quindi pi probabile che il paziete si sia

mosso durante lesame.

CARATTERISTICHE ESAME SPECT:

-tipicamente sono 64 proiezioni angolari con campionamento angolare di 5,6

-matrice di uscita piccola 128X128 pixel

-dimensione del pixel 3,2 mm (ogni punto sullimmagine corrisponde ad un quadrato pari a 3,2 mm

di lato)

-dimensione delle sezioni 3,2 mm (il pixel un quadrato di 3,2 mm se aggiungo lo spessore ottengo

un cubo di lato 3,2 mm

-i collimatori utilizzati sono a fori paralleli

-regola pratica, per ottenere con una SPECT la stessa precisione di rappresentazione di un

immagine planare, servono un numero di fotoni 5 volte maggiore

-si evita al massimo il problema delle strutture interposte, cio di percepire male le distribuzioni 3D.

La risoluzione dellimmagine dipende dal numero di proiezioni angolari effettuate,dalla

distanza della sorgente dal collimatore, dalle dimensioni del collimatore, dalla grandezza dei fori

del collimatore, dalla distanza dei fori del collimatore. Se la sorgente vicina si ha una buona

risoluzione, viceversa se lontana.

Il dispositivo SPECT un parente del dispositivo TC di quarta generazione, ma essendo il profilo

del paziente ellittico si ha che la gammacamera montata su un binario di forma ellittica in modo

tale da poter essere sempre il pi vicini al paziente per poter avere una risoluzione migliore.

Questo tipo di dispositivo ha una bassa risoluzione ed un costo elevatissimo circa 400.000.

Ci sono due metodi di rivelazione la stop and shoot e la continous rotation (immagine averaged).

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PET (tomografia ad emissione di positroni)

E un tipo di esame che utilizza radiofarmaci che emettono positroni cio elettroni con carica

positiva. Il problema che lemissione radioattiva di questi elementi (la loro emivita) molto

piccola quindi hanno bisogno di una produzione del radiofarmaco in loco proprio per questo

problema. I radiofarmaci emettono dei fotoni a 511 keV con stessa direzione ma versi opposti.

Quando abbiamo un positrone che si annichila esso produce due fotoni

con energia 511 keV uno in direzione opposta allaltra. Se io ho un segnale in un determinato punto,

so che questi fotoni si muovono lungo una retta; se riesco ad intercettarle entrambe so dalla

matematica che passa una e una sola retta, pertanto riesco a ricostruire tale linea senza il bisogno di

muovere la gammacamera, devo solo prendere i due fotoni nella stessa direzione.

Si usa per questo la collimazione elettronica.

Rivelatore di coincidenze

Immaginiamo che il positrone, che non sta perfettamente a met, emetta

nella sua fase di annichilamento due fotoni. Uso allora un rivelatore di coincidenze il quale calcola

la differenza temporale di impatto del fotone sul pannello di sx e dx. Per ricostruire limmagine ho

bisogno di intercettare i due fotoni, devo per essere sicuro che entrambi i fotoni derivino dalla

stessa posizione. Io so listante i cui avviene limpatto e se la differenza di impatto compresa tra

4-6 nanosecondi i due fotoni si dicono gemelli. Lasse di propagazione non perfettamente di

180 ma si discosta di 4-5. Non si pu calcolare lesatta posizione del radiofarmaco ma si pu

calcolare levento probabilistico dellevento, tramite le linee di scansione.

Ci sono infatti degli errori nella rivelazione dei fotoni.

coincidenza rivelata in corrispondenza di due fotoni gamma emessi da un singolo

evento di decadimento. Vedo che i due impatti arrivano al tempo corretto e li classifico come fotoni

gemelli.

Pu capitare che un fotone venga deflesso ma arrivi nel tempo giusto quindi il

calcolatore delle linee di coincidenza calcola male la linea dellevento (parte tratteggiata)

Ho due radionuclidi in due posizioni che emettono contemporaneamente, ho quindi 4

fotoni che arrivano sui rivelatori e vengono accoppiati in modo casuale. Pu succedere che venga

ricostruita una linea che non passi per nessuno dei due radionuclidi.

LIMITI

-Limitato numero di positroni emessi

-Disassamento nella traiettoria

-Il vantaggio che in SPECT abbiamo fotoni con energia inferiore ai 300 keV quindi si ha una

efficienza pi elevata perch il coefficiente di assorbimento della radiazione maggiore a energie

basse.

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Nei dispositivi PET si sono introdotti dei cristalli di BaF2 che funzionano come quelli tradizionali

ma hanno una costante di decadimento molto piccola, inferiore al nano secondo, cio convertono in

meno di un nanosecondo lenergia in banda gamma, sono sensori velocissimi. In questo modo

posso avere precisione sul calcolo dei tempi di volo.

Confronto SPECT-PET

Nella PET la risoluzione fissa (5mm), mentre nella SPECT ho una risoluzione migliore perch

posso modularla con il collimatore, modalit di acquisizione.

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