Diagnostica in Medicina Nucleare

Introduzione

Gli ultimi anni hanno marcato l'avvento di sistemi medicali per l'acquisizione di immagini che possono facilmente generare, utilizzando metodi non-invasivi, informazioni tridimensionali sugli organi interni di persone viventi. La disciplina che studia l'applicazione di tali tecniche si è ormai affermata come un campo di ricerca a sé stante noto con il nome di medical imaging.

Scintigrafia


TAC

I compiti di questa disciplina consistono essenzialmente nel connettere, e ulteriormente sviluppare, le conoscenze acquisite in campi tra loro diversi e complementari come l'elaborazione di immagini e la visualizzazione scientifica.

Il salto di qualità sostanziale, rispetto alle metodologie tradizionali, è stato rappresentato dal passaggio da informazioni analogiche, statiche ed inerentemente bidimensionali - come quelle fornite dalle normali immagini radiografiche (raggi X) - ad informazioni numeriche, eventualmente dinamiche e, perlopiú, contenenti informazioni tridimensionali. L'elemento determinante che ha permesso questa evoluzione è stata la transizione da sistemi basati su pellicola, come gli apparecchi radiografici, a sistemi basati su computer, ad es. la tomografia assiale computerizzata (tomografia, anche nota come "stratigrafia"), CT o TAC, diffusasi negli anni '70.

In particolare, gli sviluppi più clamorosi, in quest'ambito, si sono avuti grazie al contributo della medicina nucleare che, con l'impiego dei traccianti radioattivi, ha trasformato profondamente la diagnosi medica. I due piú comuni tipi di macchinari utilizzati come strumenti diagnostici in medicina nucleare sono la SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) e la PET (Positron Emission Tomography), che utilizzano come traccianti, rispettivamente, degli emettitori di fotoni e degli emettitori di positroni.
La maggiore differenza rispetto alla CT, in questo caso, è data dalla posizione della sorgente radioattiva: in una CT è esterna al paziente e posta in posizione nota, in medicina nucleare, invece, è interna al paziente ed in posizione a priori sconosciuta. [1]

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Strumenti per la misura della radioattività

Le radiazioni generate dalle disintegrazioni nucleari vengono evidenziate grazie ai fenomeni che esse producono interagendo con la materia. I fotoni, in particolare, sono in grado d'interagire con la materia secondo diverse modalità. Di queste, soprattutto due vengono sfruttate in medicina nucleare: l'assorbimento fotoelettrico e la collisione Compton.

Effetto fotoelettrico
Fig.1 - Effetto fotoelettrico.
Collisione Compton
Fig.2 - Collisione Compton.

In entrambe le modalità d'interazione i fotoni ionizzano la materia attraversata generando elettroni Compton e fotoelettroni che, a loro volta, si comportano come vere e proprie particelle b-. Da queste, e non dai fotoni di per sè, dipende il fenomeno della scintillazione - cioè la proprietà che hanno alcune sostanze, dette fosfori, di emettere luce visibile quando assorbono energia radiante - sfruttato, oggi, dalla quasi totalità delle apparecchiature di cui si avvale la medicina nucleare. I contatori a scintillazione sono, infatti, molto sensibili ai raggi gamma e quasi tutti i nuclidi utilizzati in medicina sono emettitori gamma.[2]

Schema processo scintillazione

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Contatore a scintillazione

Il contatore a scintillazione che, come si è detto, è il rivelatore di uso comune nella medicina nucleare, è composto fondamentalmente di due parti: un cristallo di ioduro di sodio attivato al tallio NaI(Tl) e un fotomoltiplicatore.

NaI(Tl)

Il cristallo è la parte sensibile del contatore, cioè il rivelatore propriamente detto: ogni qual volta assorbe una radiazione ionizzante, esso emette una quantità di luce proporzionale all'energia della radiazione assorbita. Lo ioduro di sodio attivato al tallio è un cristallo inorganico molto impiegato a partire dagli anni '50. Grazie infatti alla sua densità, il cristallo di NaI permette di fabbricare rivelatori di fotoni X e gamma di buona efficienza; l'aggiunta, inoltre, di una modesta quantità di tallio come agente drogante, permette di ottenere un elevato rendimento di luminosità delle scintillazioni.

Per essere contati, questi impulsi luminosi, molto piccoli, devono essere trasformati in impulsi elettrici di ampiezza adeguata. A ciò provvede il fotomoltiplicatore, otticamente accoppiato con una superficie del cristallo (le altre superfici sono rivestite da un sottile involucro di alluminio o di acciaio che le protegge dalla luce, dall'umidità e da insulti meccanici). Il fotomoltiplicatore è una valvola in vetro, ad elevato grado di vuoto, entro il quale si trova una serie di elettrodi, detti dinodi (electron multipliers). La luce incidente sulla finestra d'ingresso del fotomoltiplicatore viene convogliata sul primo dinodo che, rivestito di materiale fotoemittente, è in grado di emettere elettroni quando è colpito dalla luce. Gli elettroni sonno attirati verso il secondo dinodo, anch'esso ricoperto di materiale emittente, ad un superiore livello di potenziale; gli elettroni accelerati dalla differenza di potenziale sono quindi in grado di moltiplicarsi nell'impatto col dinodo. Il tutto si ripete per circa un decina di stadi, con una differenza di potenziale tra il primo e l'ultimo dell'ordine delle centinaia di Volt (fino a 900-1000 volt).

Tubo fotomoltiplicatore
Fig.3 - Rappresentazione schematica di un tubo fotomoltiplicatore.

Ogni elettrone sarà in grado di estrarre n nuovi elettroni, ciascuno dei quali potrà a sua volta produrne n all'impatto successivo. Si ha quindi un fenomeno di moltiplicazione che è in grado di portare all'ultimo dinodo un'autentica valanga di elettroni, secondo un fattore di moltiplicazione totale che tipicamente dell'ordine di 109. E' importante notare che gli impulsi elettrici prodotti da questo dispositivo sono di ampiezza proporzionale all'intensità delle scintillazioni e quindi all'energia delle radiazioni incidenti.

Le prestazioni nei confronti dei diversi aspetti della rivelazione dei fotoni gamma sono descritte per mezzo di una serie di grandezze fisiche; fra le principali vi sono:

Energy Resolution
Fig.4 - Energy Resolution.

Le attuali strumentazioni impiegano cristalli di foggia rettangolare, anche se sono ancora in uso modelli con cristallo circolare. In genere, l'aumento di spessore, se da una parte permette di aumentare l'efficienza, soprattutto nel caso di fotoni ad energia medio-alta, viene pagato d'altra parte con un certo degrado della risoluzione spaziale intrinseca.[3]

Tutti i contatori producono dei segnali anche in assenza di sorgenti radioattive da misurare. Si tratta del cosiddetto fondo dovuto in parte alla radioattività naturale esistente nell'ambiente (o a contaminazioni!), alla radiazione cosmica, nonchè a fenomeni elettrici che si producono nei dispositivi di conteggio. Ciò impone un'adeguata schermatura del cristallo con grossi strati di piombo. Nei contatori impiegati per misure in vivo la protezione risulta completa ai lati, mentre all'estremità rivolta verso il paziente è assicurata da speciali schermi, detti collimatori, muniti di uno o più canali di apertura a forma cilindrica o conica. Il collimatore delimita il "campo visivo" del rivelatore creando un compromesso tra la sensibilità dello strumento (tanto maggiore quanto maggiore è il numero di radiazioni che lo raggiungono) e la sua selettività (cioè la capacità risolutiva, inversamente proporzionale alle dimensioni dell'area "vista" dal rivelatore).
Un'altra possibilità per ottenere una drastica riduzione del fondo è rappresentata dall'impiego di un analizzatore d'impulsi, uno speciale circuito elettronico incorporato nella maggior parte dei sistemi di conteggio degl'impulsi (scale e integratori), che consente di "analizzare" gl'impulsi provenienti dal rivelatore, avviando allo stesso sistema di conteggio solo quelli di una determinata ampiezza, corrispondente all'energia delle radiazioni primarie emesse dal radionuclide utilizzato.[4]

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Scintigrafia

La scintigrafia rientra tra i principali procedimenti d'indagine in vivo che trovano impiego in medicina nucleare. Essa consiste nella rappresentazione visiva della distribuzione di materiali radioattivi all'interno di organi o di strutture del corpo umano, al fine di ottenere informazioni morfologiche e funzionali utilizzabili a scopo diagnostico. La funzione della sostanza marcata in scintigrafia è per l'appunto quella di rendere "visibili" le strutture in cui si accumula tramite emissione di radiazioni rilevabili mediante vari tipi di apparecchiature, tutte basate sul sistema sopra descritto.

Le indagini scintigrafiche necessitano perciò dell'impiego di sostanze radioattive dotate di particolari caratteristiche biologiche e fisiche, nonchè di apparecchiature idonee a rappresentarne la distribuzione in modo fedele e quanto più possibile dettagliato, così da fornire immagini corrispondenti alla reale situazione degli organi esaminati.

I requisiti richiesti per le sostanze radioattive sono sostanzialmente:

  1. la capacità di raggiungere una concentrazione sufficientemente elevata a livello della struttura in esame;
  2. la persistenza di tale livello di concentrazione per tutto il tempo necessario ad espletare l'indagine;
  3. l'emissione di radiazioni abbastanza penetranti da poter raggiungere la superficie del corpo (cioè raggi gamma).

Tra le apparecchiature utilizzate in questo campo, i primi ad affermarsi nella pratica clinica furono gli scintigrafi propriamente detti o "scanner" (dall'inglese "to scan" che significa sondare, scandagliare).

Costruiti sulla base del modello introdotto da Ben Classen nei primi anni '50, essi utilizzavano dei rivelatori in movimento, cioè contatori a scintillazione - progettati in modo tale da far sì che il cristallo "vedesse", attraverso uno o più piccoli canali di collimazione, solo una minima parte dell'organo oggetto dell'analisi - che un dispositivo meccanico spostava automaticamente su un piano orizzontale con un movimento alternato di va e vieni lungo linee parallele, susseguentisi a distanze prestabilite, fino a ricoprire l'intera struttura in esame. Durante questo movimento il rivelatore "vedeva" in successione numerose piccole aree dell'organo esplorato. I segnali provenienti da queste, venivano dunque avviati ad un dispositivo di registrazione meccanico o fotografico che, essendo collegato al contatore per mezzo di un braccio metallico, si spostava in maniera solidale con esso. Il risultato era un'immagine a struttura rigata il cui contorno rappresentava la proiezione ortogonale dell'oggetto (immagine planare) e la cui tonalità dipendeva dalla concentrazione relativa del materiale marcato nelle zone corrispondenti (aree più scure dove la radioattività è più intensa).

Schema di una gammacamera

Fig.5 - Schema di una gammacamera: (i) collimatori; (ii) cristallo rivelatore; (ii) schiera di tubi fotomoltiplicatori; (iii) Circuiti di posizione per determinare la posizione di ciascun evento di scintillazione avvenuto nel cristallo; (iiii)
Computer per l'analisi dei dati e la ricostruzione delle immagini 3D.

Per gli standard odierni, tuttavia, questa tecnica richiede, a causa della stessa natura sequenziale della scansione, tempi troppo lunghi per la formazione dell'immagine.

Ad oggi, l'apparecchiatura di base per la diagnostica in medicina nucleare è la gammacamera (o "macchina fotografica nucleare"). Essa ha avuto applicazione pratica solo a partire dagli ultimi anni '70. Il principio era quello di utilizzare un rivelatore fisso capace di "osservare", sempre attraverso l'impiego di collimatori adatti, l'intera superficie di organi, anche voluminosi, senza bisogno di alcuno spostamento, cioè senza scansione. Le immagini fotografate in questo modo, dette "scintifoto", erano di qualità migliore, costituite da un'ombreggiatura, più o meno densa, risultante dalla giustapposizione e sovrapposizione di numerosissime chiazzette puntiformi e mancanti, dunque, della tipica struttura rigata propria delle scintigrafie. Ben presto, il metodo di costruzione e registrazione delle immagini tramite impressione su lastra fotografica fu sostituito dall'impiego delle nuove tecnologie informatiche che presero piede in seguito all'avvento dei computer (possibilità di produrre immagini in 3D!); ma la caratteristica più importante di queste apparecchiature fu rappresentata, sin dall'inizio, dalla rapidità con cui erano in grado di registrare le immagini rispetto ai tempi molto più dilatati richiesti dagli scanner. Ciò comportò alcuni notevoli vantaggi tra i quali la possibilità di esaminare molti pazienti e ottenere immagini in più proiezioni in un tempo ragionevole; ma soprattutto la possibilità di seguire, mediante rapide sequenze d'immagini, gli spostamenti di materiali radioattivi attraverso gli organi e le strutture corporee, così da analizzare i fenomeni biologici nella loro dinamica.[5]

Dalla fine degli anni '80 si cominciò a pensare che una gammacamera dotata di più rivelatori avrebbe offerto un consistente vantaggio rispetto agli allora tipici sistemi a singola testata, in particolare per quanto riguardava le applicazioni della SPECT (tomografia ad emissione di fotone singolo) che si andava affermando proprio in quegli anni.
Effettivamente, grazie alla moltiplicazione della superficie di rivelazione, una gammacamera a due o tre teste è dotata, in linea di principio, di un'efficienza di sistema rispettivamente due o tre volte maggiore di quella di un tradizionale sistema a testata singola.
Lo sviluppo delle gammacamere multitesta è avvenuto contemporaneamente ad un insieme d'innovazioni tecnologiche che, nel complesso, hanno consentito l'affermazione della SPECT nella pratica corrente.
Fra queste si possono annoverare: Inoltre, ai primi sistemi multitesta a geometria fissa delle testate (due testate a 180° l'una dall'altra o tre a 120°), sono succeduti apparecchi a geometria variabile che attualmente sono considerati come lo strumento di base per l'effettuazione di ogni tipo d'indagine medico nucleare.[6]

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Bibliografia

  1. torna su http://www.crs4.it/Multimedia_Reports/medimg.html (Il medical imaging: la nuova frontiera della diagnostica per immagini).
  2. torna su Ziliotto D. Medicina Nucleare, Cedam, Padova, 1973, pp. 24-25.
  3. torna su (i) Ziliotto D. Medicina Nucleare, Cedam, Padova, 1973, pp. 38. (ii) Dondi M., Giubbini R. Medicina Nucleare nella pratica clinica, Patron, Bologna, 2003, pp. 3-7.
  4. torna su Ziliotto D. Medicina Nucleare, Cedam, Padova, 1973, pp. 40-46.
  5. torna su (i) Ziliotto D. Medicina Nucleare, Cedam, Padova, 1973, pp. 56-62. (ii) http://www.physics.ubc.ca/~mirg/home/tutorial/history.html (History of SPECT).
  6. torna su Dondi M., Giubbini R. Medicina Nucleare nella pratica clinica, Patron, Bologna, 2003, pp. 16-18.

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