Positron Emission Tomography (PET)

Proiezione di massima intensità (Maximum intensity projection, MIP) di una tipica acquisizione integrale PET con F-18 FDG

Fig.1 - Proiezione di massima intensità (MIP)
di una tipica acquisizione integrale
PET con F-18 FDG

PET scan di un cervello umano

Fig.2 - PET scan di un cervello umano

Introduzione

La Pet è una delle più nuove e costose tecniche di diagnostica medica. PET è l’acronimo di Tomografia ad Emissione di Positroni (Positron Emission Tomography); si tratta di un esame che sfrutta i positroni - le antiparticelle degli elettroni - emessi in seguito a certe particolari reazioni di decadimento radioattivo, per visualizzare il funzionamento di un organo.

Diversamente da quanto avviene per la Tomografia Computerizzata (TC) e per la Risonanza Magnetica (RM), che forniscono immagini principalmente morfologiche, la PET fornisce immagini funzionali, che permettono cioè di evidenziare l'attività di un organo o di un apparato e quindi anche la presenza di uno stato patologico attraverso la modificazione di tale funzione. Poichè i cambiamenti funzionali si manifestano prima delle alterazioni della struttura, la PET ha il vantaggio di consentire una diagnosi più veloce, in particolare per alcune forme di tumore.

Nuovi apparecchi all'avanguardia effettuano la cosiddetta TAC-PET, che permette di sovrapporre i risultati riguardanti la forma e l'anatomia degli organi forniti dalla TAC con quelli sul funzionamento delle cellule provenienti dalla PET.

La PET è utilizzata, nella grande maggioranza dei casi, in campo oncologico (per la diagnosi o per valutare l'andamento della terapia), ma può anche servire per verificare la presenza di alcune malattie neurologiche o per controllare il funzionamento del cuore. Viene inoltre impiegata, nella ricerca, per studiare l'attività del cervello, ad esempio per stabilire quale area di esso lavora durante una specifica azione.

Suddivisione aree del cervello

Fig.3 - Suddivisione aree del cervello.

I radionuclidi utilizzati per la marcatura sono gli isotopi b+-emettitori degli elementi naturali a maggior diffusione nel corpo umano (11C, 13N, 15O e 18F), il che permette a molecole naturali o artificiali di essere marcate con questi isotopi senza alterarne le proprietà chimiche e biologiche

La sintesi delle molecole è realizzata in un ciclotrone, che, considerata la breve emivita dei radioisotopi impiegati (variabile tra i 2 minuti e le due ore), deve essere collocato nelle immediate vicinanze della sede della diagnosi. A causa dei costi elevati di tale strumentazione, ancora oggi, pochi ospedali possono fare quest'esame: diverse regioni italiane non hanno neanche un apparecchio![1]

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Ciclotroni

Il ciclotrone è un acceleratore di particelle che trova ampio impiego nella produzione di radionuclidi.

Fig.4 - Schema di un ciclotrone.
Esso fu sviluppato nei primi anni '30 del Novecento da Lawrence e Livingston, al fine di superare i limiti dei sistemi di accelerazione lineare del tempo. Si tratta di un dispositivo costituito, tipicamente, da due semidischi che hanno carica opposta e nei quali viene praticato il vuoto. I due semidischi sono posti tra i poli di un potente elettromagnete. Il campo elettrico permette di accelerare particelle cariche, mentre la contemporanea presenza di un campo magnetico deflette le particelle lungo orbite di tipo circolare. Gli ioni, la cui sorgente (dispositivo riempito di un gas, originariamente neutro, che viene ionizzato tramite una scarica di corrente) è collocata in prossimità del centro del dispositivo, entrano nel semidisco che si trova inizialmente ad un potenziale di carica opposta, e lo percorrono secondo una traiettoria curva. Nell'istante in cui gli ioni rientrano nell'interspazio compreso tra i due semidischi le polarità vengono invertite e le particelle entrano nell'altro semidisco ad una velocità aumentata. Ripetendo più volte tale operazione, le particelle sono indotte a muoversi secondo traiettorie di raggio sempre maggiore, con sviluppo a spirale, e a velocità progressivamente crescenti. Infine, esse vengono deviate dalla periferia di uno dei due semidischi e inviate sul bersaglio scelto (nuclide da trasformare artificialmente in un radioisotopo emettitore di positroni).





Dal momento che solo gli ioni positivi sono in grado di produrre direttamente l'attivazione della materia all'emissione di positroni, i primi ciclotroni furono progettati per accelerare proprio particelle di tale carica, in particolare:

  • 1H+ (protoni o nuclei di idrogeno);
  • 2H+ (deutoni o nuclei di deuterio, isotopo stabile dell'idrogeno);
  • 3H+ (nuclei di trizio, radioisotopo dell'idrogeno)
Cascata di particelle prodotte dall'acceleratore

Fig.5 - Cascata di particelle prodotte dall'acceleratore

Questi hanno il pregio di essere piccoli e leggeri; ciò li rende più facili da accelerare e, soprattutto, maggiormente in grado di vincere la repulsione elettrostatica dei nuclei degli atomi del bersaglio per penetrarvi. D'altra parte si evidenziano alcuni aspetti non ottimali: anzitutto l'estrazione del fascio per l'indirizzamento sul target è difficile da ottenere con elevato rendimento; inoltre, si corre costantemente il rischio che, lungo il percorso di accelerazione, gli ioni positivi producano l'attivazione di strutture interne del ciclotrone.

Si è quindi pensato di realizzare ciclotroni acceleratori di ioni negativi quali 1H- (ione idruro) o 2H- (atomi di deuterio con un elettrone in più). Essi, hanno praticamente la stessa massa dei corrispondenti ioni positivi, di cui conservano dunque i vantaggi, ed al contempo consentono di limitare notevolmente l'attivazione di strutture interne del ciclotrone in quanto vengono privati degli elettroni solo nella parte finale della traiettoria, subito prima del bersaglio. Il fascio di ioni negativi incontra un sottilissimo foglio di carbonio che trattiene gli elettroni, mentre i nuclei riescono ad attravesarlo. Gli ioni positivi così ottenuti sono inviati sul target dove il materiale bersaglio si trova generalmente come gas o in soluzione acquosa, racchiuso in un corpo metallico che ha la funzione di dissipare il calore prodotto in seguito all'assorbimento del fascio.

Particolarmente importante è il caso dei target per la produzione di 18F. Il materiale bersaglio è acqua arricchita nell'isotopo stabile 18 dell'ossigeno. L'impatto degli ioni accelerati provoca la seguente reazione nucleare:

18O(p,n)18F

Dal punto di vista chimico il fluoro è prodotto in forma anionica; quindi quella che si viene a formare, nel corso dell'irraggiamento, è una soluzione di acido fluoridrico. Il corpo del target, dunque, oltre ad essere fortemente irraggiato, è anche attaccato da un acido altamente corrosivo a temperature così elevate. Si richiede, perciò, che i materiali usati per contenere il bersaglio target siano dotati di ottime caratteristiche di conduttività termica (es. l'argento) e di inerzia chimica (titanio).[2]

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Funzionamento

Si sceglie innanzitutto la molecola di supporto più rappresentativa del processo biologico da studiare. Nel caso di un tumore questa molecola è il glucosio. Il tessuto tumorale, infatti, dimostra un aumentato metabolismo energetico rispetto al tessuto normale: per produrre l'energia necessaria per la sua eccezionale vitalità, esso consuma grandi quantità di glucosio. La PET è in grado, per l'appunto, d'individuare questo iperconsumo ed evidenziare così le lesioni neoplastiche. Prima di cominciare, bisogna marcare le molecole di glucosio che saranno iniettate al paziente con un tracciante, cioè un atomo in grado di manifestare la propria presenza mediante emissione radioattiva.
Il più utilizzato è il fluoro-18 (18F) (t1/2 = 110 min), un isotopo radioattivo artificiale che, incorporato alla molecola di glucosio, forma il fluorodesossiglucosio (18-FDG).


Fig.6 - Fluorodesossiglucosio, 18-FDG.[3]


Una volta sintetizzato, questo composto viene immediatamente iniettato nel paziente. Quindi, dopo aver atteso il tempo necessario al prodotto per diffondersi nell'organismo (45 minuti circa), il paziente viene fatto distendere su un lettino per essere sottoposto al processo diagnostico. Iniezione radiofarmaco

Gli atomi radioattivi del fluoro-18, che nel frattempo si sono concentrati specialmente nelle cellule tumorali, iniziano a decadere emettendo positroni:

I positroni emessi, dopo aver percorso nel corpo in media qualche millimetro, incontrano un elettrone di un altro atomo e, come succede ogniqualvolta particella e antiparticella s'incontrano, danno origine ad una reazione di annichilazione, cioè si distruggono a vicenda emettendo energia sotto forma di due fotoni gamma che si allontanano l'uno dall'altro in direzioni opposte

Emissione di positroni e reazione di annichilazione
Emissione di positroni, annichilazione e rivelazione dei raggi gamma emessi
Fig.7 - Emissione di positroni e reazione di annichilazione

Queste annichilazioni si producono diverse migliaia di volte al secondo nel corso dell'esame.
Una serie di rivelatori disposti a corona intorno al paziente, è in grado di registrare questi impatti catturando i fotoni opposti emessi durante le annichilazioni e trasformandoli in segnali elettrici. Un calcolatore riceve queste informazioni e calcola la posizione dell'impatto. Con questi dati ricostruisce poi delle immagini in due o tre dimensioni della zona analizzata.[4]

Schema di un processo di acquisizione PET

Fig.8 - Schema di un processo
di acquisizione PET.

Immagine schematica di un rivelatore PET: blocco singolo e anello
I raggi g, di energia pari a 0.511 MeV, essendo in grado di fuoriuscire dal corpo del paziente, possono essere facilmente rivelati. A tale scopo, essendo i due fotoni g emessi a 180° l'uno dall'altro, si utilizza un array di rivelatori disposti circolarmente attorno al paziente, in modo che, per ciascuna linea identificata da due raggi emessi simultaneamente, due opposti rivelatori connessi in coincidenza elettronica rivelino l’evento.

Attualmente gli scanner PET possono contare fino a 16 array di rivelatori, per un totale di 31 piani transassiali. Come materiali rivelatori vengono generalmente impiegati cristalli di Germanato di Bismuto (BGO), che, grazie all’elevata densità e numero atomico, presenta un’elevata efficienza di rivelazione dei fotoni prodotti nell’annichilazione. Inoltre, un altro grande vantaggio, relativamente all'efficienza e alla sensibilità dello strumento, deriva dall'assenza del sistema di collimazione.

Tuttavia i sistemi ad emissione di positroni presentano una serie di limiti:

Per ovviare ai costi di realizzazione e gestione delle PET a cristalli di BGO, all'altro capo dell'offerta tecnologica sono comparse le gammacamere a due teste con tipico rivelatore a NaI(Tl) che, dotate di un'opportuna elettronica di conteggio in coincidenza dei fotoni g da 511 KeV, permettono anche l'acquisizione di studi PET, mantenendo del resto la funzionalità per le indagini a fotone singolo e proponendosi quindi come strumenti di costo accessibile e multifunzionali, adeguati, seppure con un livello di qualità variabile, all'acquisizione di tutti i tipi d'indagini medico-nucleari. [5]

Gammacamera a doppia testa Fig.9 - Gammacamera a doppia testa.

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Bibliografia

  1. torna su http://www.torinoscienza.it/ (Pet).
  2. torna su Dondi M., Giubbini R. Medicina nucleare nella pratica clinica, Patron, Bologna, 2003, pp. 33-40.
  3. torna su (i) http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/ (informazioni). (ii) http://www.pdb.org/pdb/ligand/ (struttura 3D)
  4. torna su http://www.torinoscienza.it/ (Pet).
  5. torna su http://www.akisrx.com/pet.htm a cura di Vincenzo Trovato, Tecnico Sanitario di Radiologia Medica presso l'Azienda Ospedaliera O.V.E. di Catania (Link al sito web).
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