Nuovi strumenti diagnostici CT-PET per le indagini morfologiche e fisiologiche in simultanea

1. UNIVERSITA’ DI PISA DIPARTIMENTO DI FISICA “E. FERMI” 27 Giugno 2002 Nuovi strumenti diagnostici CT-PET per le indagini morfologiche e fisiologiche in simultanea DANIELE PANETTA Corso di Ottica Quantistica – Prof. Danilo Giulietti A. A. 2001/2002

2. Contenuti: • Concetto di tomografia • Principi fisici dell’indagine morfologica CT • Principi fisici dell’indagine PET • Motivazioni per tomografia combinata CT-PET • Fusione delle immagini: i problemi • Conclusioni

3. Concetto di tomografia Radiografia convenzionale: • Oggetti fisici posti sulla stessa linea • di irraggiamento non possono essere distinti • Scarso contrasto su tessuti con coefficiente di attenuazione simile

4. Concetto di tomografia Imaging tomografico: Il corpo del paziente viene visualizzato a “fette” (slices) CT SPECT MRI

5. Concetto di tomografia Tipi di imaging tomografico: • Trasmissivo: sorgente esterna al paziente (CT) • Emissivo: sorgente interna al paziente, in seguito ad iniezione di opportuni traccianti (PET, MRI, SPECT)

6. Computed Tomography • Imaging trasmissivo (trasmissione di raggi X attraverso il paziente) • Indagini di tipo morfologico (informazioni in 3D multi- slice sull’anatomia) • Alta capacità di discriminare tessuti con diverse proprietà di attenuazione (sensibilità), regolando l'intensità del fascio incidente • Alta risoluzione spaziale

7. Computed Tomography Sorgente di raggi X: • Tubi radiogeni – elettroni fortemente accelerati colpiscono un bersaglio di metallo pesante (Re,W,Mb) • Radiazione policromatica (hn tra 40 keV e 140 keV) • La radiazione viene collimata a seconda del tomografo CT usato (generalmente, in modalità fan-beam)

8. Computed Tomography Rivelatori: • Cristalli a scintillazione • Camere proporzionali (MWPC) • Fotodiodi al silicio • Strip di CCD

9. Evoluzione degli scanner CT I II III e IV

10. Evoluzione degli scanner CT 1975 2001 Tempo di acquisiz. di una immagine 5 minuti 0,5 secondi Dimensione dei pixel 3 mm x 3 mm 0,5 mm x 0,5 mm Num. di pixel in una immagine 6400 256000

11. Principi di ricostruzione CT L’attenuazione dei raggi X nel tessuto segue la legge di attenuazione esponenziale • Integrale di linea • Un set di integrali di linea • è detto proiezione • La proiezione è la trasformata di Radon della m(x,y) lungo una linea

12. Il Fourier Slice Theorem La trasformata di Fourier unidimensionale della proiezione lungo la linea in direzione f è uguale alla trasformata di Fourier bidimensionale dell’immagine m(x,y) calcolata sulla retta in direzione f nello spazio delle frequenze • Soluzione “esatta” del problema di ricostruzione • Garantisce la possibilità di passare nello spazio delle frequenze tramite le proiezioni

13. Retroproiezione Le varie proiezioni vengono bidimensionalizzate e “sommate” • Uno dei più antichi metodi di ricostruzione • Occorre un gran numero di proiezioni per non avere disturbi

14. La Filtered Back Projection (FBP) Si passa nello spazio di Fourier, filtrando le proiezioni. In seguito si esegue l’antitrasformata e si retroproietta

15. Positron Emission Tomography • Radiofarmaco marcato b+ somministrato al paziente • Emissione isotropa di b+ , che localizza la distribuzione funzionale di radiofarmaco • b+ annichila nel tessuto  produzione di due fotoni di annichilazione quasi-opposti (Eg 0.511 MeV) • Fotoni di annichilazione rivelati in coincidenza elettronica • Ricostruzione della Linea di Volo (LOF) misurata  • imaging funzionale

16. Radionuclidi • Disponibilità di elementi metabolici: 11C, 15O, 13N, (18F al posto di OH-) • (carboidrati, amminoacidi, lipidi, substrati naturali, grande varietà di molecole e composti) • Produzione di segnale rilevabile (fotoni di annichilazione) da una massa relativamente piccola • 1 Ci (37 GBq) di 18F pesa 24 pg • La PET è la tecnica con la più bassa dose fornita al paziente • Nessun effetto farmacologico o tossicologico per il paziente • Nessun interferenza nella misura o produzione di rumore di fondo • corta vita media dei b+ emitters  ciclotrone in loco

17. Imaging morfologico e funzionale Lo scan PET rivela aree di anormale attività, ma l’esatta localizzazione è sconosciuta L’immagine dell’atmosfera presa da un satellite mostra le aree di intensa attivià ma non le localizza in un preciso contesto geografico PET CT Un’immagine CT mostra precisamente l’anatomia del corpo ma non ne rivela la funzionalità chimica La mappa mostra i confini degli stati ma non l’attività meteorologica

18. Sistema di coincidenzaelettronica

19. Tipi di eventi di coincidenza

21. Attenuazione x D - x Probabilità di rivelare la coincidenza: e-mD = e-mx · e-m(D-x) Indipendente dalla posizione di annichilazione lungo la linea di volo

22. Fusione delle immagini • Combinando le informazioni fornite da uno scan CT, è possibile correggere con precisione gli errori dovuti all’attenuazione • m(x,y) dipende dall’energia dei fotoni, quindi le informazioni sull’attenuazione fornite dalla CT dovrebbero essere “scalate” all’energia dei fotoni di annichilazione (511 keV), corrette per errori dovuti alla diffusione Compton, e "smoothed" per ridurre l'elevato rumore statistico • si ricorre a tecniche di segmentazione in cui l'informazione grossolana ed affetta da errori della CT permette comunque di individuare le regioni corrispondenti a vari valori di m: • individuate le regioni, il valore di mu viene sostituito con dati tabulati (privi di errore, senza esigenza di riscalatura e correzione) • La CT crea una mappa morfologica, localizzando le zone in cui sono presenti i diversi tessuti (aria, muscoli, ossa)

23. Fusione delle immagini PET / CT Image Weather Map

24. Immagine dell’anno 1999

26. Schema costruttivo di un tubo a raggi X

27. Spettro di radiazione - bersaglio spesso al tungsteno

28. Rivelatori Tubo radiogeno

29. Rivelatori