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Leonardo Meomartino » 18.Medicina Nucleare: principi fisici, tecniche, indicazioni cliniche


Definizione

La Medicina Nucleare (MN) è una branca della Radiologia che utilizza i raggi γ a scopo diagnostico. Essa è divisa in applicazioni in vivo e in vitro.
La MN Diagnostica in vivo comprende la Scintigrafia, e gli studi tomografici (SPECT e PET).
La MN in vitro comprende tecniche di diagnostica di laboratorio e, pertanto, essa esula dagli obbiettivi del presente corso.
Esiste un’ulteriore branca della MN in vivo, quella Terapeutica (Radioterapia metabolica) ma anche questa esula dal campo di interesse di questo corso.


Radioisotopi (Radionuclidi)

L’isotopo è un elemento che appartiene ad una famiglia di nuclidi il cui numero atomico (cioè, la quantità di protoni) è lo stesso ma la massa (cioè, il numero di protoni più quello dei protoni) è diversa. Tutti gli isotopi di una famiglia hanno le stesse proprietà chimiche.
Il radioisotopo (o radionuclide) è un isotopo radioattivo di una famiglia di nuclidi che può presentare anche isotopi non radioattivi. I radioisotopi possono essere di origine naturale o artificiale.

Notazione internazionale degli elementi

Notazione internazionale degli elementi

Isotopi dell’idrogeno (il trizio è un radioisotopo)

Isotopi dell'idrogeno (il trizio è un radioisotopo)


Raggi γ e radioisotopi γ -emettenti

Come abbiamo già detto nella lezione 10 dedicata alla Radiobiologia e Radioprotezione, un elemento è radioattivo quando il suo nucleo è instabile. Il processo che porta questo elemento verso la stabilità si chiama decadimento atomico. Durante questo processo l’atomo emette radiazioni corpuscolari (α, β e/o neutroni) o elettromagnetiche (γ).
Le radiazioni γ sono radiazioni elettromagnetiche ionizzanti ad elevata energia (>140 keV). A parte la maggiore energia e, quindi, la maggiore frequenza, i raggi γ sono praticamente identici ai raggi X. La principale differenza risiede nella loro origine.
I raggi γ  vengono prodotti da radioisotopi γ -emettenti durante il decadimento gamma. In questo tipo di decadimento, un nucleo con un livello energetico più alto passa ad uno più basso con l’emissione di una radiazione γ. Questo processo di decadimento può essere paragonato al passaggio di un elettrone da un orbitale più esterno ad uno più interno: nel caso dell’elettrone, le energie coinvolte sono basse (poche decine di eV) per cui la radiazione elettromagnetica emessa è a bassa frequenza e, quindi, nello spettro della luce visibile; nel caso del nucleo, invece, le differenze energetiche tra due livelli sono molto più alte (tipicamente nell’ordine di centinaia di keV) e, quindi, la radiazione emessa è una radiazione γ.

Schema del decadimento y

Schema del decadimento y


Radioisotopi utilizzati in MN

In MN vengono utilizzati radioisotopi che decadono emettendo radiazioni γ o radiazioni β + γ.
Gli γ-emettitori puri (es. 123I) sono utilizzati a scopi diagnostici, i β + γ -emettitori anche a scopi terapeutici (es. 131I).
Alcuni radioisotopi degli elementi leggeri (C, O, N, F) emettono positroni (decadimento β+) e vengono utilizzati nella PET (Positron Emission Tomography).
Fra i vari radioisotopi, quello maggiormente impiegato in MN è il 99mTecnezio (tecnezio 99 metastabile) perché è un γ-emettitore puro, i suoi raggi γ possiedono un’energia adeguata (140 keV), ha un’emivita breve ma sufficientemente lunga per eseguire gli studi, può essere facilmente legato a svariate molecole, è relativamente economico.
L’attività di un radionuclide viene espresso in numero di disintegrazioni al secondo.
In passato si utilizzava il Curie (Ci) che corrisponde all’attività prodotta in un secondo da 1 g di 226Ra ed è pari a 3,7×1010 disintegrazioni.
Questa unità di misura è stata sostituita dal più semplice Becquerel (Bq) che corrisponde ad una disintegrazione al secondo (la formula di conversione con i Ci è: 1Bq = 27×10-3 nCi).

I radioisotopi più comunemente utilizzati in MN

I radioisotopi più comunemente utilizzati in MN


Tempi di dimezzamento (emivita)

Ogni radioisotopo possiede un tempo di dimezzamento fisico o emivita che esprime il tempo necessario affinché la sua radioattività si riduca della metà.
Esiste poi un tempo di dimezzamento biologico che è il periodo necessario perché una sostanza radioattiva, introdotta in un organismo, venga eliminata attraverso le normali vie emuntorie.
Infine, il tempo di dimezzamento effettivo è il tempo necessario perché l’attività di un radioisotopo, introdotto in un organismo, si riduca della metà per l’azione combinata del tempo di dimezzamento fisico e di quello biologico.

Decadimento atomico, eliminazione biologica e dimezzamento effettivo

Decadimento atomico, eliminazione biologica e dimezzamento effettivo

Tempi di dimezzamento fisico di alcuni radioisotopi usati in MN

Tempi di dimezzamento fisico di alcuni radioisotopi usati in MN


Radiofarmaci

I radioisotopi possono essere utilizzati tal quali o coniugati a molecole che, grazie al loro tropismo, ne determinano l’accumulo nel tessuto o nell’organo da studiare.
Le sostanze utilizzate in MN prendono il nome di radiofarmaci.
I radiofarmaci possono essere distinti in:

  • Indicatori;
  • Traccianti.
Radiofarmaci: glucosio e 18fluoro-deossi-glucosio

Radiofarmaci: glucosio e 18fluoro-deossi-glucosio


Radiofarmaci indicatori

- Definiscono i confini, la sede, le dimensioni di una struttura anatomica normale/patologica o di un tessuto normale/patologico;
- rilevano strutture in sedi diverse da quelle fisiologiche;
- valutano la distribuzione di un’attività funzionale in una struttura anatomica.
I radiofarmaci indicatori possono essere distinti in “indicatori negativi” e “indicatori positivi“. Il radiofarmaco indicatore negativo si concentra selettivamente nel tessuto normale: le aree patologiche si evidenziano come difetti di captazione (aree “fredde”). Il radiofarmaco indicatore positivo si concentra selettivamente nel tessuto malato: le aree patologiche si evidenziano come aree di ipercaptazione (aree “calde“).  Alcuni esempi:
negativi
99mTc-colloidi (per lo studio del fegato);
99mTc-microsfere (per lo studio del polmone);
99mTc-Dimercaptosuccinato (DMSA) (per lo studio del rene).
Positivi
99mTc-Metildifosfonato (99mTc-MDP) (per lo studio dello scheletro);
18Florodeossiglucosio (18FDG) (per lo studio dei tumori);
67Gallio-citrato (per le infiammazione e i linfomi).

Scintigrafia polmonare (99mTc-microsfere): “aree fredde” (frecce)

Scintigrafia polmonare (99mTc-microsfere): "aree fredde" (frecce)

Scintigrafia tiroidea (123I): “area calda” (freccia)

Scintigrafia tiroidea (123I): "area calda" (freccia)


Radiofarmaci traccianti

I radiofarmaci traccianti sono delle sostanze “marcate”, in grado di distribuirsi in un “pool” di analoghe sostanze presenti nel corpo, consentendo lo studio dei processi metabolici e di attività funzionali senza influenzarli.
Con i radiofarmaci traccianti vengono eseguiti degli studi dinamici che prevedono, cioè, l’esecuzione di multiple riprese, a tempi prestabiliti, di un organo o di un apparato per studiarne l’attività metabolica (es. clearance renale, tempi di svuotamento dello stomaco, ecc.).

Alcuni esempi:
99mTc-Dietilentriaminoacetico (99mTc-DTPA) (misura del filtrato glomerulare renale);
18F-deossiglucosio (18FDG) (misura del consumo tessutale di glucosio).

Radiofarmaci traccianti: PET, distribuzione del fluoro-deossi-glucosio

Radiofarmaci traccianti: PET, distribuzione del fluoro-deossi-glucosio

Radiofarmaci traccianti: scintigrafia renale dinamica con 99mTc-DTPA

Radiofarmaci traccianti: scintigrafia renale dinamica con 99mTc-DTPA


Scintigrafia: definizione

La scintigrafia è una metodica di MN che fornisce immagini che rappresentano una mappa della distribuzione corporea di una molecola radioattiva (radiofarmaco indicatore o tracciante).
Le immagini scintigrafiche sono di tipo planare, funzionale, con bassa risoluzione spaziale, analogiche o digitali.
La scintigrafia è in grado di evidenziare processi patologici (infiammatori, microtraumatici, neoplastici, degenerativi) molto precocemente, possiede, cioè, un’elevata sensibilità funzionale.
Tuttavia, essa non è in grado di differenziare il tipo di patologia, cioè, ha una bassa specificità.

Varie modalità di rappresentazione di un’Immagine scintigrafica

Varie modalità di rappresentazione di un'Immagine scintigrafica

Scintigrafia ossea cavallo, scheletro appendicolare: diverse proiezioni

Scintigrafia ossea cavallo, scheletro appendicolare: diverse proiezioni


Scintigrafia: apparecchiature

In passato si utilizzava lo scanner rettolineare che era caratterizzato da una piccola superficie di rilevazione che si muoveva per linee successive sull’area da esaminare. Gli studi erano piuttosto lenti.
Altri apparecchi che si caratterizzano per la ridotta superficie di rilavazione dei raggi γ erano le sonde a scintillazione. Queste, grazie alla loro maneggevolezza, hanno avuto una certa diffusione in campo ippiatrico.

Attualmente si utilizzano le gamma-camere. Questi apparecchi si caratterizzano per un’ampia superficie rilevante (cristallo scintillatore costituito da ioduro di sodio attivato al tallio) posto al di sopra di un certo numero di fotomoltiplicatori.

Rappresentazione schematica delle componenti di una Gamma-camera

Rappresentazione schematica delle componenti di una Gamma-camera

Esempi di gamma-camere rotonde o rettangolari

Esempi di gamma-camere rotonde o rettangolari


Scintigrafia: fotomoltiplicatore

I fotomoltiplicatori (da 36 a 91) hanno la funzione di amplificare l’informazione derivante dalla interazione raggio γ – cristallo. Essi sono connessi con dei circuiti che analizzano la localizzazione (x,y) e l’intensità (z) del segnale luminoso. Negli apparecchi analogici, questi circuiti sono collegati direttamente ad una periferica (monitor CRT o stampante). Nelle moderne gamma-camere digitali, il segnale, prima di essere visualizzato, viene convertito da analogico a digitale. Il computer è in grado di elaborare, successivamente, l’informazione prima di rappresentarla con un’immagine o con dei dati numerici.

Rappresentazione schematica di un fotomoltiplicatore

Rappresentazione schematica di un fotomoltiplicatore

Gamma-camera con 60 fotomoltiplicatori

Gamma-camera con 60 fotomoltiplicatori


Scintigrafia: vantaggi e svantaggi

Vantaggi

  • Possibilità di studi panoramici;
  • precocità (sensibilità);
  • esame eseguito su soggetto sveglio o al massimo sedato.

Svantaggi

  • Costo e gestione delle attrezzature;
  • bassa specificità;
  • problemi di natura radioprotezionistica.
Scintigrafia ossea cane (99mTc-MDP): total body

Scintigrafia ossea cane (99mTc-MDP): total body

Scintigrafia ossea cane: osteosarcoma mandibola con metastasi polmonari

Scintigrafia ossea cane: osteosarcoma mandibola con metastasi polmonari


Scintigrafia: indicazioni cliniche

Le indicazioni cliniche della scintigrafia sono molteplici e riguardano praticamente tutti gli apparati ed organi.
In Medicina Veterinaria, tuttavia, data la scarsa disponibilità sul territorio delle attrezzature e la costosità degli esami scintigrafici, essi sono utilizzati in maniera prevalente in campo ortopedico nel cavallo sportivo e oncologico nei piccoli animali.

Indicazioni della scintigrafia: in rosso quelle più utilizzate in Medicina Veterinaria

Indicazioni della scintigrafia: in rosso quelle più utilizzate in Medicina Veterinaria


Scintigrafia: indicazioni nel cavallo

  • Zoppie “occulte”;
  • segmenti scheletrici “difficili”;
  • integrazione di esame RX e/o US;
  • valutazione precoce traumi;
  • valutazione del grado di risposta alle terapie;
  • esame dello scheletro “in toto”.
Es. di organizzazione di laboratorio di MN per cavalli

Es. di organizzazione di laboratorio di MN per cavalli

Es. di studio del dito anteriore sn

Es. di studio del dito anteriore sn


Scintigrafia: indicazioni nei piccoli animali

  • Esame di terzo livello per la valutazione di lesioni neoplastiche o sospette tali;
  • valutazione funzionale della tiroide;
  • caratterizzazione degli shunt porto-sistemici;
  • valutazione della funzionalità renale.
Scintigrafie tiroidee nel gatto

Scintigrafie tiroidee nel gatto

Scintigrafia circolo portale cane

Scintigrafia circolo portale cane


Sistemi tomografici: SPECT

Oltre alla scintigrafia, in MN vengono utilizzate altre due tecniche che, a differenza della scintigrafia, forniscono delle immagini tomografiche: la SPECT e la PET.
Nella SPECT (Singol Photon Emission Computed Tomography) i raggi γ vengono rivelati da 2 o più gamma-camere rotanti intorno al paziente e sincronizzate con un lettino motorizzato. Le immagini delle sezioni corporee vengono ricostruite con un processo analogo a quello impiegato nella TC (retroproiezione). I vantaggi della SPECT rispetto alla scintigrafia risiedono principalmente nell’eliminazione dei problemi relativi alla sovrapposizione delle strutture anatomiche.

Sistema SPECT a due gamma-camere rotanti

Sistema SPECT a due gamma-camere rotanti


Sistemi tomografici: PET

Nella PET (Positron Emission Tomography) dalla annichilazione che consegue alla interazione tra positrone e elettrone si generano una coppia di raggi γ (vedi lezione 10).
Il radioisotopo più utilizzato è il 18Fluoro, di solito coniugato con il glucosio.
Grazie alla notevole sensibilità degli studi PET, di recente sono stati messi a punto degli apparecchi che permettono di eseguire studi PET e TC in maniera combinata: in questo modo, la maggiore risoluzione spaziale dell’esame TC viene abbinata alla maggiore sensibilità funzionale dello studio PET.

Sistema PET-TC

Sistema PET-TC


Nella prossima lezione

Ci occuperemo di Diagnostica per Immagini dell’addome nei piccoli animali.


I materiali di supporto della lezione

Bone Scintigraphy

The Physical Principles of Medical Imaging

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