Uno, nessuno, cento House, tesina

PET

Tomografia ad emissione di positroni

La PET (Tomografia ad emissione di positroni) è una tecnica di medicina nucleare e di

diagnostica medica utilizzata per la produzione di bioimmagini. A differenza della Tomografia

Compiuterizzata o della Risonanza Magnetica che forniscono informazioni di tipo morfologico,

la PET fornisce informazioni di tipo fisiologico.

I principali radionuclidi utilizzati in ambito diagnostico sono gli isotopi del carbonio, dell’azoto,

11 13 15 18

dell’ossigeno e del fluoro ( C, N, O, F). Nella maggior parte delle applicazioni, i radionuclidi

sono esclusivamente utilizzati come emettitori γ o β e sono legati a traccianti formati da

molecole più complesse, dotate di una propria cinetica metabolica. Le apparecchiature

utilizzate nell’Imaging di medicina nucleare si dividono in due categorie: gamma camere

tradizionali e tomografi a emissione di positroni. Entrambe le tipologie citate sfruttano la

scintillazione indotta dall’interazione dei fotoni generati dai radio-traccianti diffusi

nell’organismo con specifici rivelatori realizzati con materiali scintillanti.

Breve storia dello scanner a emissione di positroni

Gli studi sulla natura della radioattività, con il lavoro sull’emivita e il decadimento esponenziale

dei radionuclidi di Ernest Rutherford e Frederick Soddy, sono alla base dell’utilizzo clinico di tali

radioisotopi. I positroni postulati da Paul Dirac nel 1928, sulla base della teoria della relatività

di Einstein e delle equazioni della Meccanica Quantistica, vengono scoperti da Andersen nel

1932 nei raggi cosmici. Successivamente, è stato dimostrato come i positroni, interagendo con

la materia, subiscano annichilazione con l’emissione di due fotoni in direzione opposta. L’idea

di utilizzare positroni per Imaging clinico è stata proposta da Wrennet e Sweet nei primi anni

cinquanta, ma le immagini si rivelarono inizialmente di scarso valore diagnostico. Dopo

l’introduzione della CT (Tomografia Computerizzata) e la sua successiva integrazione con

tomografi a emissione di positroni, lo sviluppo della PET ha subito una notevole accelerazione.

La prima PET è stata sviluppata nel 1975 da Ter-Pogossian. Lo sviluppo di scanner PET-CT

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integrati rappresenta un traguardo fondamentale dell’evoluzione tecnologica dell’Imaging.

Questa tecnica consente di ottenere risultati decisamente superiori rispetto a quelli offerti da

indagini eseguite con analoghi scanner ma in distinte sessioni di acquisizione.

Applicazioni cliniche

Il Tomografo a Emissione di Positroni (PET) è una delle varie applicazioni della medicina

nucleare e un eccezionale strumento per l’Imaging funzionale. I campi di applicazione sono in

rapida espansione. Presenta alcune affinità con la TAC: un anello di sensori rivela la presenza di

emissioni radioattive a bassa intensità, un computer ricostruisce poi un'immagine a partire dai

dati raccolti. La differenza fra le due tipologie di tomografia consiste nel fatto che durante la

scansione della PET la radiazione proviene da un mezzo di contrasto introdotto nell'organismo

del paziente, mentre nella TAC la scansione avviene grazie a raggi X provenienti da una fonte

esterna che attraversano il corpo del paziente prima di investire il sensore.

L’Imaging PET, quasi esclusivamente effettuato con desossiglucosio marcato con 18F (FDG),

rappresenta una modalità di scansione fisiologica-funzionale dei tessuti complementare alle

tradizionali indagini morfologiche. Nel campo clinico sono molto diffuse patologie che, prima

di manifestare alterazioni morfologiche, esprimono alterazioni funzionali.

Per questo è usata spesso per la ricerca di neoplasie*, malattie neuro degenerative come

l’Alzheimer, il morbo di Huntington e di Parkinson, l’epilessia e disturbi psichiatrici in genere,

oltre a una vasta gamma di studi sui neuro recettori e a disturbi cardiaci. E’ questa la tecnica

* Come ipotizzato nel 1930 da Otto Warburg il metabolismo del glucosio aumenta nei tessuti colpiti da cancro,

tanto che ad oggi questo aspetto rimane uno dei principali indicatori di proliferazione tumorale, pertanto il

mezzo di contrasto radioattivo a base di glucosio si concentrerà nella zona del tumore. Le immagini così

ricavate sono fondamentali per far capire al medico in quale punto dell'organismo concentrare le indagini,

contribuendo per esempio all'individuazione di tumori anche quando il medico non ha idea di dove andare a

cercarli o di monitorare le recidive nei pazienti oncologici, in quanto può individuare neoplasie microscopiche.

Lo stesso avviene per i centri celebrali attivi. 52

che, applicata allo studio dell’attività cerebrale, ha consentito di individuare i centri cerebrali

coinvolti nella vista e negli altri sensi, quelli preposti a immagazzinare i ricordi e quelli che

vengono stimolati nel fumatore mentre aspira il fumo della sigaretta. Nel 2014 un gruppo di

ricerca italiano che coinvolse l'Istituto di scienze e tecnologie della cognizione del Consiglio

nazionale delle ricerche (Istc-Cnr) di Roma ha inoltre dimostrato per la prima volta la possibilità

di diagnosticare precocemente la Sla con un esame di tomografia ad emissione di positroni (Pet)

mediante un tracciante analogo al glucosio (18F-Fdg). Questa tecnica, spiega Marco Pagani

(primo autore dello studio e ricercatore dell'Istc-Cnr, giunto a questo risultato in collaborazione

con Angelina Cistaro, ricercatrice del Centro Pet Irmet di Torino e con Adriano Chiò, direttore

del Centro Sla, Azienda ospedaliero universitaria Città della salute e della scienza e

Dipartimento di neuroscienze dell'Università degli Studi di Torino) permette di raggiungere

un'accuratezza diagnostica del 95% e rappresenta un passo importante per lo sviluppo nella

diagnosi precoce della malattia. PET-CT

Lo scanner CT e quello PET: sono entrambi montanti su un unico supporto, con l’unità CT nella

parte frontale e l’unità PET collocata nella parte posteriore, a ridosso della CT. I centri dei campi

di scansione CT e PET sono generalmente separati da una distanza fissa.

L’unità CT è costituita da un tubo radiogeno capace di emettere un intenso fascio di fotoni. Il

fascio trasmesso e in parte attenuato dal paziente è rivelato da una serie di rivelatori allo stato

solido e comunemente realizzati in materiale ceramico o tungstato di cadmio.

Il tubo radiogeno ruotando proietta il fascio RX al paziente, mentre i rivelatori opposti al tubo

radiogeno stesso rivelano il fascio RX trasmesso. L’attenuazione del fascio RX riflette la densità

dei tessuti del paziente, fornendo la struttura morfologica degli organi scansionati.

Le acquisizioni PET si basano sulla rivelazione in coincidenza di una coppia di fotoni di

annichilazione da 511 keV generata da decadimenti β+ localizzati all’interno del paziente. I due

fotoni sono rivelati all’interno di una finestra temporale dell’ordine di una decina di

nanosecondi e lungo una linea retta che collega il centro di due rivelatori opposti, chiamata

linea di risposta (LoR).

Come tutte le tecniche diagnostiche, l’Imaging PET-CT effettuato con FDG non è esente da falsi

positivi e falsi negativi. Falsi positivi possono essere creati da artefatti ottenuti nell’acquisizione

CT. Falsi negativi sono correlabili alla risoluzione dello scanner PET che penalizza lesioni di

piccole dimensioni. 53

Principi fisici alla base dell’acquisizione PET

Per comprendere il funzionamento della PET è necessario chiarire alcuni concetti chiave della

fisica nucleare e della meccanica quantistica.

I nuclei

I nuclei sono costituiti da protoni e neutroni (i cosiddetti nucleoni). In un nucleo stabile, il

numero di protoni e neutroni è tale per cui la forza elettrostatica repulsiva tra protoni è sovra

compensata dalla forza nucleare forte che agisce su tutti i nucleoni. Il raggio d’azione della forza

-15

nucleare forte è dell’ordine di 10 m (raggio d’azione corto), mentre la forza elettrostatica si

−10

manifesta già a distanze dell’ordine dei 10 m (raggio d’azione infinito).

La radioattività

Gli elementi che si trovano in natura possono essere stabili o instabili. Negli atomi instabili il

nucleo subisce delle trasformazioni spontanee dette decadimenti. I decadimenti nucleari sono

sempre accompagnati dall’emissione di qualche forma di radiazione. Il nucleo instabile decade

attraverso uno o più meccanismo fino al raggiungimento di una configurazione stabile. Essendo

il decadimento un processo probabilistico, non è possibile stabilire con precisione quando un

singolo nucleo decada, ma il comportamento di un insieme molto grande di nuclei instabili può

essere descritto attraverso la legge di decadimento:

-λt

N = N e

0

Dove No, N e λ rappresentano il numero iniziale di nuclei, il numero di nuclei sopravvissuti al

tempo t e la costante di decadimento. La costante di decadimento λ è legata alla vita media τ

dello specifico elemento dalla seguente relazione:

λ = 1/τ

Il lasso di tempo necessario perché il numero di atomi sopravvissuti sia pari a metà degli atomi

iniziali è espresso dal tempo di dimezzamento T :

1/2

T = τln(2)

1/2

Si definisce velocita di decadimento l’attività di un campione di materiale radioattivo come il

numero medio di disintegrazioni nell’unità di tempo: -λt -λt

R = |ΔN/Δt| = λN = λN e = R e

0 0

N.B. Nel Sistema Internazionale l’unita di misura dell’attività R è il bequerel (Bq) corrispondente

a un decadimento al secondo (1Bq = 1 decadimento/secondo).

Esistono diversi tipi di decadimento nucleare. Il decadimento α consiste nell’espulsione

spontanea, da parte di nuclei pesanti e caratterizzati da un eccessivo numero di protoni, di un

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nucleo di He: numero atomico (Z) - 2; massa atomica (A) - 4. I decadimenti β- e β+ consistono

rispettivamente nell’emissione di un elettrone (e-) o di un positrone (e+) da parte del nucleo.

L’emissione γ, infine, è associata all’emissione spontanea di fotoni dal nucleo, che passa da uno

stato eccitato a uno meno eccitato. I quanti emessi sono generalmente associati alla rottura di

legami tra i nucleoni. I fotoni di origine nucleare non sono distinguibili dai raggi X di origine

atomica, se non per l’energia di ordini di grandezza superiore.

Il decadimento β+

In linea di principio, le acquisizioni PET si basano sulla rivelazione simultanea di due fotoni da

511 keV, originati dall’annichilazione di positroni emessi da isotopi artificiali. I positroni sono

particelle con la stessa massa degli elettroni e carica elettrica dello stesso valore ma di segno

opposto.