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Leonardo Pace » 6.Medicina Nucleare


Medicina Nucleare

  • Traccianti Radioattivi
  • Strumentazione: la gamma-camera
  • Immagini Scintigrafiche
  • Tomografia ad Emissione:
    • SPET
    • PET: Traccianti, FDG, Applicazioni, PET/CT

Medicina Nucleare

  • Acquisizione di dati fisiopatologici in vivo ed in vitro per scopi diagnostici e terapeutici.
  • Realizzazione di un effetto radiobiologico terapeutico selettivo su organi o tessuti secondo varie modalità di tropismo biologico.

Medicina Nucleare in vivo

  • Studia le diverse funzioni biologiche attraverso l’assunzione, il trasporto, la distribuzione, l’accumulo e la eliminazione di traccianti radioattivi.
  • Le informazioni ottenute vengono tradotte in immagini scintigrafiche espressione della distribuzione spaziale di una determinata funzione biologica dell’organo o apparato studiato.

Sviluppo della Medicina Nucleare

Milestones: Strumenti

  • Cyclotron (1929)
  • Nuclear reactor (1945)
  • Rectilinear scanner (1951)
  • Anger camera (1958)
  • Computer (1969)
  • PET (1977)
  • SPECT (1978)
  • Internet (2000)
  • PET/CT (2001)

Milestones: Radionuclidi e radiofarmaci

  • Irradiation by a low neutron source (Fermi E, Hevesy G, 1934)
  • Radionuclides from cyclotron technology (Lawrence J, 1933)
  • 99Mo/99mTc generator (Richard P, 1960)
  • Monoclonal antibodies (Kohler G, Millestein C, 1975)
  • FDG radiolabeled with 18F (Ido T, 1979)

Sviluppo della Medicina Nucleare

Le applicazioni medico nucleari in vivo hanno i seguenti scopi:

  • esplorare e misurare particolari funzioni organiche e misurarle per verificare se siano normali od alterate e stabilire l’entità dell’alterazione
  • evidenziare lesioni localizzate in organi o apparati attraverso l’alterazione di funzioni biologiche che la lesione determina
  • utilizzare meccanismi biologici elettivi per caratterizzare la natura di una lesione o realizzare un effetto radiobiologico locale, utile ai fini terapeutici
  • Somministrazione del tracciante
  • Acquisizione delle immagini scintigrafiche
  • Elaborazione dei dati

Medicina Nucleare: traccianti

Le diverse tecniche di medicina nucleare permettono la determinazione della distribuzione di un tracciante a livello di un organo o apparato.

Tracciante radioattivo:

  • radioisotopi
  • radiofarmaci: molecole marcate con un radioisotopi

Tipologie di traccianti

  • Traccianti omogenei: differiscono dalla sostanza tracciata escusivamente per le caratteristiche isotopiche (es. Iodio-131)
  • Traccianti ad equivalenza eterogena: affinità biochimica, metabolica o distributiva con la sostanza tracciata. Es. Tallio-201 (radioisotopo) analogo del potassio, 111In octreotide (molecola marcata con un radionuclide) analogo della somatostatina

Medicina nucleare, traccianti

  • Si definiscono traccianti positivi quelli che si concentrano elettivamente a livello della lesione ma non nel tessuto sano (la lesione apparirà come un’area calda)
  • Si definiscono traccianti negativi quelli che non si concentrano a livello della lesione ma solo nel tessuto sano (la lesione apparirà come un’area fredda)

Alcuni traccianti possono essere positivi per lo studio di determinate patologie e negativi per altre (es. il tallio è positivo per la identificazione delle neoplasie e negativo per la valutazione dell’infarto del miocardio.

Tracciante negativo e positivo

Tracciante negativo e positivo


Tomografia computerizzata e Scintigrafia

TC: Cisti o emangiona

TC: Cisti o emangiona

Scintigrafia con Tc-99m RBC

Scintigrafia con Tc-99m RBC


Linfoma non-Hodgkin


Medicina Nucleare: traccianti

I traccianti impiegati emettono radiazioni elettromagnetiche ad alta frequenza.

  • Le radiazioni elettromagnetiche a frequenza uguale o superiore vengono definite radiazioni x o γ
  • Le radiazioni x e γ della stessa frequenza interagiscono con la materia allo stesso modo
  • La radiazione x proviene dall’esterno del nucleo mentre quella γ dal suo interno

Medicina Nucleare: traccianti

Medicina Nucleare: traccianti

Medicina Nucleare: traccianti


Caratteristiche del Tecnezio-99m

  • Decadimento con emissione di radiazioni gamma
  • Energia di emissione 140 KeV (energia soddisfacente per l’utilizzo con gamma camera)
  • Emivita di 6 ore
  • Stabilità in diverse forme chimiche

Medicina Nucleare: traccianti

Vie di somministrazione:

  • endovenosa
  • orale
  • sottocutanea
  • sottomucosa
  • intrarachidea
  • intraarteriosa

Approfondimento

Radionuclidi

Medicina Nucleare: strumentazione

  • Gamma camera stazionaria
  • Gamma camera rotante a testa singola o multipla
  • Gamma camere dedicate per la SPECT (tomografia emissione di fotone singolo)
  • PET (tomografia emissione di positroni)

Gamma Camera:

  • Collimatore
  • Cristallo
  • Fotomoltiplicatori
  • Componenti elettroniche

Consente l’acquisizione di scintigrafie statiche, dinamiche e/o tomografiche. Il collegamento ad un calcolatore permette poi lo studio qualitativo e quantitativo dei diversi parametri funzionali.

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare:strumentazione

Medicina Nucleare:strumentazione

Medicina Nucleare:strumentazione

Medicina Nucleare:strumentazione


Medicina Nucleare: strumentazione, collimatori

Medicina Nucleare: strumentazione. Collimatori

Medicina Nucleare: strumentazione. Collimatori

Medicina Nucleare: strumentazione. Collimatori

Medicina Nucleare: strumentazione. Collimatori


Cristallo di scintillazione

Ioduro di sodio (NaI) con delle impurità di tallio.

Fenomeno della scintillazione: l’interazione di un fotone produce un piccolo lampo di luce la cui intensità é proporzionale all’energia rilasciata dal fotone x o g nel mezzo.

Ogni fotone che interagisce nel cristallo da luogo ad una scintillazione avremo una distribuzione di scintillazioni nel cristallo che “copia” la distribuzione di attività dell’oggetto.

Medicina Nucleare: strumentazione

In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi raggiunge il fototubo

In un rilevatore efficiente circa il 30% dei fotoni luminosi raggiunge il fototubo


Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione


Fotomoltiplicatori

  • Il numero di fotomoltiplicatori in una gamma camera varia da 37 a 91
  • Conversione del quanto luminoso in un proporzionale numero di elettroni
  • I fotomoltiplicatori forniscono un impulso, per ogni interazione che avviene nel cristallo, proporzionale all’energia rilasciata nel cristallo
  • Gli impulsi vengono amplificati linearmente, selezionati in base alla loro ampiezza e memorizzati

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione. Fototubo

Medicina Nucleare: strumentazione. Fototubo


Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione


Circuito elettronico

Permette il confronto tra le ampiezze degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori e fornisce in uscita tre nuovi impulsi (x, y, z):

  • coordinate X e Y: coordinate del punto in cui é avvenuta la scintillazione
  • coordinata Z: somma degli impulsi di tutti i fotomoltiplicatori, risulta proporzionale all’energia rilasciata nel cristallo dall’interazine del fotone
Medicina Nucleare: strumentazione. Circuito elettronico

Medicina Nucleare: strumentazione. Circuito elettronico


Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione


Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione. Tubo catodico

Medicina Nucleare: strumentazione. Tubo catodico


Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione

Medicina Nucleare: strumentazione


Calcolatore

  • I segnali acquisiti sono immagazzinati nella memoria del calcolatore e ricostruiti in matrici numeriche (64×64, 128×128, 256×256 elementi o pixel)
  • Ogni elemento della matrice immagine (pixel) conterrà un numero corrispondente al conteggio di tutte le interazioni avvenute durante l’acquisizione tra raggi gamma e cristallo di ioduro di sodio
Digitalizzazione dell’immagine

Digitalizzazione dell'immagine


MEDICINA NUCLEARE

Elaborazione dei dati

  • I segnali ottenuti dalle acquisizioni con gamma camera possono essere immagazzinati nella memoria del computer dove le immagini vengono ricostruite nelle forme di matrici numeriche
  • La conversione delle immagini in matrici digitali offre dei vantaggi per l’archiviazione dei dati e per la possibilità di usare procedure di filtraggio utili a migliorare le potenzialità diagnostiche

Medicina Nucleare: immagini scintigrafiche

Tecniche di acquisizione

  • Planare (statica e dinamica)
  • Tomografica ad emissione di fotone singolo (SPECT)
  • Tomografica ad emissione di positroni (PET)

Studio Statico

Acquisizione di una o più immagini nelle varie proiezioni ad un determinato tempo per valutare la distribuzione spaziale del radiofarmaco somministrato al paziente.

Studio Dinamico

Acquisizione di più immagini in sequenza temporale allo scopo di seguire nel tempo la distribuzione spaziale del radiofarmaco somministrato al paziente.

Immagini parametriche

  • Le immagini scintigrafiche ottenute rappresentano la distribuzione dell’attività nello spazio
  • Mediante calcolatore è possibile ricostruire le immagini ottenute dall’analisi di parametri temporali, spaziali e funzionali (immagini parametriche)
  • Le variazioni temporali della concentrazione del tracciante sono determinate mediante la (ROI) che delimitano l’area da studiare la concentrazione del tracciante viene quindi espressa come curva attività-tempo (in figura)

Tomografia per emissione

Tecnica di acquisizione e di elaborazione dei dati capace di fornire una rappresentazione della distribuzione dei radiofarmaci in sezioni di organo di limitato spessore.

Eliminano la compattazione bidimensionale di una distribuzione volumetrica che è caratteristica della scintigrafia tradizionale, realizzando in misura più o meno completa ed efficace una ricostruzione tridimensionale della distribuzione del radiofarmaco.

Tomografia: SPET

Supponiamo di avere un’immagine di una sorgente puntiforme con una gamma camera da 3 proiezioni (fig. 1).

Il numero di conteggi in ciascun punto è chiamato il raggio-somma, perché rappresenta il numero totale di conteggi visti dalla gamma Camera lungo una linea (un raggio) (fig. 2).

Si può assumere che i conteggi in ciascun raggio somma siano distribuiti equamente nei pixels che si trovano lungo quel raggio (fig. 3).

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3

PET (Positron Emission Tomography)

La PET è una tecnica avanzata di medicina nucleare capace di fornire informazioni sulla funzione cellulare in vivo (flusso, metabolismo, sistemi di neurotrasmissione, etc.).

PET (Positron Emission Tomography)

PET (Positron Emission Tomography)


PET (Positron Emission Tomography)

  1. Somministrazione di radiocomposti
  2. Acquisizione della distribuzione di radioattività
  3. Ricostruzione delle immagini

Radionuclidi con Decadimento Positronico

Radionuclidi con Decadimento Positronico

Radionuclidi con Decadimento Positronico


Annichilazione: Basi per la PET

I positroni (β) incontrando un elettrone si annichilano: cioè la massa delle due particelle si trasforma in 2 fotoni di alta energia (511 keV) emessi a 180°.


Evoluzione della PET e radiofarmaci

Evoluzione temporale della PET

Evoluzione temporale della PET

 PET: radiofarmaci per l’oncologia

PET: radiofarmaci per l'oncologia


Oggi la PET significa FDG-PET

PET = FDG-PET

  • 90% della FDG-PET ha applicazioni oncologiche
  • 10% della FDG-PET hanno un ruolo nella cardiologia, neurologia (eccetto neuro-oncologia) e psichiatria

Cook JG, et al. Br J Radiol, 2001; 74: 399-401, Barcelona PET Conference October 4-6 2001

 Applicazioni cliniche della FDG-PET

Applicazioni cliniche della FDG-PET


La PET soddisfa pienamente le necessità della diagnostica oncologica:

  • Diagnosi di cancro (conferma)
  • Diagnosi differenziale tra fibrosi e malattia attiva
  • Staging
  • Valutazione dei fattori prognostici e delle caratteristiche biologiche
  • Valutazione della risposta al trattamento (Identificazione di recidive e metastasi)
  • Controllo del pazienti trattati per la ricerca di recidive
  • Valutazione funzionale di organi e sistemi

Efficacia della PET

  • Elevato valore diagnostico
  • Utilità clinica
  • Valutazione costo/beneficio postiva

PET in oncologia

PET in Oncologia

PET in Oncologia

Rimborso della PET-FDG

Rimborso della PET-FDG


Indicazioni appropriate

  • Carcinoma polmonare non microcitoma operabile dopo esecuzione di TAC, al fine di completare lo staging
  • Noduli polmonari solitari di dimensione superiore ad 1 cm che, dopo procedure diagnostiche standard abbiano una bassa probabilità pre-test di tumore
  • Tumore esofageo potenzialmente operabile con la diagnostica standard al fine di completare lo staging
  • Linfoma di Hodgkin in cui la stadiazione tradizionale ed i fattori prognostici indicherebbero l’uso di radioterapia o regimi chemioterapici meno intensi di quello standard (MOPP o ABVD)
  • Pazienti affetti da linfomi di Hodgkin nei quali sia necessaria una valutazione della malattia minima residua dopo terapia di prima linea
  • Pazienti affetti da linfomi non Hodgkin ad alta o intermedia malignità nei quali sia necessaria una valutazione della malattia minima residua dopo terapia di prima linea
  • Pazienti affetti da ca del colon retto con lesioni metastatiche potenzialmente operabili
  • Pazienti affetti da ca del colon retto con sospetto clinico di recidiva (aumento markers tumorali e/o reperto TAC dubbio)

Indicazioni inappropriate

  • Pazienti con tumore polmonare non microcitoma con metastasi a distanza
  • Pazienti con tumore polmonare non microcitoma come esame di follow-up o ristadiazione (a parte l’eccezione riportata nel gruppo “Di appropriatezza non ancora sufficientemente dimostrata, categoria b”)
  • Pazienti con noduli polmonari fortemente suggestivi di malignità dopo diagnostica convenzionale (comprensiva di TAC)
  • Pazienti affetti da melanoma come esame di staging loco-regionale e nel follow-up
  • Pazienti con tumore della mammella nella diagnosi del tumore primitivo, nello staging e valutazione risposta alla terapia
  • Pazienti con glioma per lo studio del grading
  • Pazienti con linfoma di Hodgkin nella stadiazione della malattia avanzata
  • Pazienti con linfoma non Hodgkin a basso grado di malignità
  • Pazienti con carcinoma polmonare bronchiolo-alveolare
  • Pazienti con tumori neuro-endocrini
  • Pazienti con adenocarcinoma della prostata ben differenziato

Sviluppo delle indicazioni alla PET

Indicazioni attuali

  • Valutazione di lesioni con segni radiologici sospetti
  • Staging/Restaging
  • Valutazione della risposta al trattamento dei tumori
  • Localizzazione del tumore primitivo in presenza di metastasi

Indicazioni da valutare

  • Caratterizzazione Biologica
  • Predizione/valutazione precoce della risposta alla terapia
  • Pianificazione e guida della terapia
  • Guida alle biopsie
  • Design e sviluppo di nuovi radiofarmaci antineoplastici

Perché il 18F-FDG è il radiofarmaco più utilizzato nella PET?

  • Meccanismo di captazione noto e comune a molte neoplasie
  • Captazione relativamente elevata con favorevole rapporto tra tessuto neoplastico e tessuto sano (T/NT)
  • Costo limitato se prodotto in sede (baby ciclotroni biomedicali)
  • Vita fisica relativamente lunga (110 min.) che ne rende possibile la distribuzione su base regionale

Razionale per l’uso della PET-FDG in oncologia

La captazione di FDG rispecchia il metabolismo cellulare del glucosio che risulta tipicamente esaltato nelle cellule neoplastiche (Warburg, 1956).

L’aumento del metabolismo del glucosio nei tumori sembra legato alla sovraespressione di trasportatori del glucosio (Glut-1, in particolare) e di esochinasi (HK2, in particolare).

Cinetica del 18F-FDG – 2

Accumulo progressivo del 18F-FDG-6- P nella cellula per:

  • mancata metabolizzazione
  • membrana cellulare non permeabile al 18F-FDG-6- P
  • down-regulation della glucoso-6-Phasi

Perché il 18F-FDG è il radiofarmaco più utilizzato nella PET?

PET FDG, Ca Tiroide
Lesioni Polmonari Ndd
Lesioni Polmonari Ndd
Linfoma di Hodgkin
Linfoma di Hodgkin
Un fegato che sembra steatosico
K rinofaringe: stadiazione

Perché il 18F-FDG è il radiofarmaco più utilizzato nella PET?


PET-TC

Come paradigma dell’imaging integrato

Consente di abbinare alle immagini di elevato dettaglio anatomico fornite dalla TC le informazioni metaboliche della PET con 18FDG, radiofarmaco che è stato largamente validato nella pratica clinica oncologica.

PET-TC


Metastasi Carcinoma Tiroide


Nuovi tomografi: PET/TC

  • Aumenta la confidenza diagnostica
  • Migliora la qualità dell’immagine PET (acquisizione T+E)
  • Riduce la durata dell’indagine PET (> 33% rispetto a sorgenti trasmissive) con aumento della produttività
  • Riduce il tempo di apprendimento della metodica PET
  • Migliora la il planning radioterapico e chirurgico

PET/CT imaging

  • Paziente M, 57, con aumentato livello CEA, CT ritenuta negativa
  • FDG-PET con aumentato uptake nel lobo destro del fegato
  • PET/CT dimostra chiaramente la localizzazione della lesione

Conclusioni

Gli elementi basilari del ragionamento e questioni su cui riflettere:

  • i Principi della Medicina Nucleare
  • tracciante e Radiotracciante
  • le Immagini Scintigrafiche
  • la Tomografia ad Emissione: SPET e PET

Prossima lezione

Si parlerà di:

  • Ecografia

I materiali di supporto della lezione

Approfondimento 1 Lezione 6

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