Medicina Nucleare

FOTOMOLTIPLICATORE

Una volta che lo scintillatore ha prodotto il lampo di luce, questo deve essere rivelato in modo

tale da misurarne l’energia totale (che si assume essere pari all’energia persa dal fotone

incidente) e la posizione dell’interazione. Il sistema utilizzato a tale fine è stato introdotto da Hal

Anger nel 1958. Sebbene da allora ci siano stati notevoli progressi nell’affinamento del metodo,

il principio di funzionamento è ancora quello da lui proposto, al punto da denominare tale

rivelatore Anger camera. Accoppiati in stretta contiguità con la parte posteriore del cristallo

consistono in fotocatodo e catena di dinodi. Nel fotocatodo il lampo di luce viene convertito per

fotoemissione in elettroni mantenendo la proporzionalità tra energia luminosa e numero di

elettroni strappati al fotocatodo. Nei dinodi, posizionati in serie e mantenuti ad una differenza

di potenziale elevata e costante per mezzo di un alimentatore, viene amplificato il segnale: gli

elettroni che giungono al primo dinodo del PM vengono accelerati dal campo elettrico verso il

secondo dinodo dove collidono producendo l'emissione secondaria di altri elettroni che a loro

volta vengono accelerati verso il terzo dinodo e così via (Moltiplicazione del fascio elettronico). In

tal modo si produce una moltiplicazione a cascata degli elettroni che, all'uscita, vengono trattati

come un impulso di corrente elettrica. Viene rispettata la proporzionalità tra l'intensità

dell'impulso luminoso e l'ampiezza del segnale elettrico.

Spesso tra scintillatore e fotomoltiplicatore è presente una guida di luce, cioè del grasso ottico

che armonizza i due indici di rifrazione tra scintillatore e fotomoltiplicatore per evitare

dispersione di luce.

AMPLIFICATORE

Ha il compito di leggere l’impulso e trasformarlo in tensione: produce un fronte ripido che

contiene alte frequenze ed un segnale lento (fenomeno pile up). Grazie al shaping amplifier si

cambia forma all’impulso.

CIRCUITI DI ELABORAZIONE

-circuito di localizzazione spaziale, che determina dove é avvenuta l'interazione del raggio

gamma nel cristallo: La scintilla di luce viene "vista" da ciascun fotomoltiplicatore con una

intensità inversamente proporzionale alla distanza dello stesso dal punto ove è avvenuta la

scintillazione nel cristallo. Per fotoemissione, la luce viene convertita in elettroni. Questo piccolo

segnale elettrico viene amplificato dal fotomoltiplicatore ed elaborato da appositi circuiti in

grado di localizzare l'origine dell'evento. In pratica, poiché l'ampiezza del segnale in uscita dal

PM è inversamente proporzionale alla distanza tra il centro del fotocatodo e il punto del cristallo

dove è stata prodotta la scintillazione, la distribuzione dell'ampiezza dei segnali in uscita dai vari

PM permette al circuito di localizzazione di fornire le coordinate X e Y dell'impulso.

-analizzatore di ampiezza del segnale (pulse-height analizer), che riconosce l'energia della

radiazione incidente e permette una selezione degli impulsi utili alla formazione dell'immagine:

un circuito d'analisi dell'ampiezza del segnale Z permette di rigettare tutti i segnali che non sono

all'interno di una "finestra" di energia prescelta dall'operatore. E' in tal modo possibile eliminare

parte delle radiazioni di "scatter" (Effetto Compton), che avendo deviato la loro direzione dopo

essere state emesse producono un degrado dell'immagine. La capacità di riconoscere l'energia

del fotone che provoca la scintillazione permette, inoltre, di impiegare contemporaneamente più

radiofarmaci che emettano fotoni di diversa energia.

-convertitori analogico-digitali (ADC) che trasformano da analogici a digitali i segnali provenienti

dai circuiti di elaborazione dell'impulso, permettendone così l'inserimento nella memoria di un

computer;

Processamento dei segnali

I segnali provenienti dai singoli fotomoltiplicatori vengono poi elaborati da un sistema elettronico

e trasferiti a un computer per la loro successiva analisi. Il valore dell’energia depositata dal

raggio γ può essere ottenuto dalla somma dei segnali elettrici provenienti dai singoli

fotomoltiplicatori. D’altra parte, le coordinate x,y del punto di impatto del raggio γ nel cristallo

possono essere determinate dalla distribuzione spaziale dei segnali registrati. La localizzazione

spaziale è infatti ottenuta pesando la posizione dei fotomoltiplicatori coinvolti nell’evento,

ciascuno con l’intensità del segnale da esso prodotto e calcolando la media dei valori ottenuti. In

pratica, si tratta di un calcolo del “baricentro” o “centroide” della distribuzione di luce. Ovvero,

considerato che i fototubi presentano dimensioni di 10-12 cm ed il pixel di 5mm^3, la luce

prodotta con il proprio cono di propagazione potrebbe coinvolgere più pixel. Per capire da quale

direzione la luce provenga si pesa la quantità di luce vista da ciascun fotomoltiplicatore, cioè si

calcola il baricentro della luce. L’analisi del segnale elettrico prodotto dal sistema di rivelazione

consiste nell’effettuare spettroscopia energetica, ovvero nel costruire un istogramma degli

eventi in funzione dell’energia.

Risoluzione energetica

La somma dei segnali provenienti dai fotomoltiplicatori è utilizzata per selezionare solo i fotoni

aventi un’energia il cui valore rientra in uno o più intervalli di energie (finestra energetica). Gli

altri fotoni rivelati vengono scartati e dunque non utilizzati per la formazione dell’immagine. La

selezione degli eventi tramite finestra energetica serve a selezionare solo quei fotoni emessi

dalla sorgente γ di interesse e che non hanno subito interazioni Compton nell’oggetto/paziente,

in quanto questi porterebbero a una degradazione della qualità dell’immagine per le ragioni

illustrate in precedenza. Solitamente la scelta dei valori ottimali della finestra energetica avviene

prima dell’inizio dello studio, in base alle caratteristiche del radioisotopo utilizzato e del sistema

di rivelazione. A tal fine, il parametro caratteristico di una gamma-camera è la risoluzione

energetica. Infatti, il valore fornito dai fotomoltiplicatori dell’intensità del segnale luminoso

dovuto a una interazione con il raggio γ non corrisponde esattamente a quello dell’energia

rilasciata nello scintillatore, ma sussiste un certo grado di fluttuazione del valore stesso. Questa

incertezza sulla misura di energia del γ incidente viene misurata attraverso una grandezza detta

risoluzione energetica. L’origine fisica di tale incertezza deriva dalla fluttuazione del numero di

fotoni luminosi emessi nel fenomeno di scintillazione, dal processo statistico di conversione dei

fotoni in elettroni nel fotocatodo, e dall’ulteriore fluttuazione del segnale prodotto dal

fotomoltiplicatore durante la moltiplicazione degli elettroni. Il valore della risoluzione energetica

viene solitamente espresso come ΔE/E per una data energia, cioè come la fluttuazione del

segnale di energia, misurata come FWHM (Full Width at Half Maximum) del picco nello spettro

energetico, divisa per il valore dell’energia stessa. Nelle tipiche gamma-camere cliniche, basate

su NaI(Tl) e fotomoltiplicatori, la risoluzione energetica vale circa il 10% a 140 keV. La risoluzione

energetica risulta un parametro chiave per la qualità dell’immagine, in quanto un migliore valore

di ΔE/E aumenta la capacità di scartare i raggi γ diffusi in interazioni Compton.Il fatto che, per

esempio a 140 KeV, si formi un picco e non una riga è dovuto al fatto che nessuna

apparecchiatura è perfetta: più largo è il picco, peggiore è il funzionamento del rivelatore (quello

al Germanio sarebbe perfetto ma costa troppo).

Matrici

Nelle moderne gamma-camere le immagini scintigrafiche vengono abitualmente acquisite in

modo digitale, sotto forma cioè di matrici numeriche bidimensionali (quadrate o rettangolari)

formate da un insieme di elementi chiamati pixel (dall'inglese "picture element"). Nella memoria

del computer ad ogni pixel può corrispondere uno o due "byte", cioè un numero binario

rispettivamente di 8 o 16 bit. Nel primo caso il conteggio massimo che può essere registrato in

un pixel è quindi 255 (pari a 2^8-1) nel secondo caso è 65535 (pari a 2^16-1). In ogni pixel

viene registrato il numero di fotoni che il sistema, durante l'acquisizione dei dati, identifica come

provenienti dalla corrispondente piccola porzione dell'oggetto che viene esaminato. E' quindi

evidente che la risoluzione finale dell'immagine dipenderà anche dalle dimensioni della matrice

prescelta. Tanto più grande è la matrice, tanto più piccoli sono i pixel che la compongono (a

parità di dimensioni del campo esplorato) e quindi tanto migliore è la risoluzione dell'immagine

finale (intendendo come risoluzione la minor distanza alla quale due punti vicini possono essere

correttamente identificati come distinti). Matrici tipiche: 64 x 64, 128 x 128, 256 x 256, 512 x

512 con dimensioni del pixel 6.2, 3.1, 1.5, 0.75 mm in campo 40 x40 cm2. Poiché una regola

generale della digitalizzazione delle immagini stabilisce che la matrice ottimale da utilizzare è

quella formata da pixel che abbiano come dimensioni la metà della risoluzione massima

ottenibile dal sistema di acquisizione dell'immagine e considerando che allo stato attuale della

tecnologia le gamma-camere non sono in grado di fornire immagini con una risoluzione spaziale

migliore di 3-4 mm, sarebbe inutilmente dispendioso utilizzare matrici di dimensioni superiori a

512x512 pixel. Per ricreare l'immagine sul monitor il computer assegna al valore numerico

contenuto in ciascun pixel un livello di colore determinato sulla base di una tavola di colori

arbitrariamente scelta dall'operatore. La soluzione più comune, e generalmente più efficace, è di

utilizzare una scala di grigi in cui al più alto numero di conteggi corrisponde il bianco e al più

basso il nero; i conteggi intermedi verrano rappresentati dai vari livelli di grigio.

SCINTIGRAFIA

La Medicina Nucleare, si basa sulla somministrazione al paziente di minime quantità di

sostanze radioattive che hanno un particolare tropismo (=caratteristiche fisico-chimiche del

radiofarmaco che lo rendono affine ad uno specifico tessuto)per determinati organi, apparati o

patologie per finalità sia diagnostiche che terapeutiche.La scintigrafia è un esame

diagnostico ottenuto mediante la somministrazione di un tracciante radioattivo che consente

l'evidenziazione dell'accumulo del tracciante nel tessuto che si intende studiare. E' quin