POSITRON EMISSION POSITRON EMISSION TOMOGRAPHYTOMOGRAPHY

Marina F. MorenoMarina F. Moreno

Paulo R. Fonseca FilhoPaulo R. Fonseca Filho

Rafael G. MendesRafael G. Mendes

Wantuir C. Ramos JuniorWantuir C. Ramos Junior

Muehllehner, G.; Karp, J.S; POSITRON EMISSION Muehllehner, G.; Karp, J.S; POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY; TOMOGRAPHY; Physics in Medicine and BiologyPhysics in Medicine and Biology, v. 51, , v. 51, p.117-137, 2006;p.117-137, 2006;

IntroduçãoIntrodução Desenvolvimento do PET: ferramenta Desenvolvimento do PET: ferramenta

clínicaclínica

PET : técnica de MN que depende de:PET : técnica de MN que depende de:– Radioisótopos disponíveis para uso diárioRadioisótopos disponíveis para uso diário

– Dispositivo de imagem deve possuir boa Dispositivo de imagem deve possuir boa performace para o isótopo escolhidoperformace para o isótopo escolhido

– Combinação de radiofármacos e paciente para Combinação de radiofármacos e paciente para o qual PET tem diagnóstico seguroo qual PET tem diagnóstico seguro

IntroduçãoIntrodução

– Câmera Anger de cintilação para Câmera Anger de cintilação para imagear 140Kev a partir do imagear 140Kev a partir do 99m99mTcTc

– Cristal de NaI(Tl) capta 100% dos raios Cristal de NaI(Tl) capta 100% dos raios gamagama

– detector com pequena influência no detector com pequena influência no sistemasistema

– Performance sem dificuldades técnicasPerformance sem dificuldades técnicas

IntroduçãoIntrodução

Métodos - Limitações:Métodos - Limitações:

– Colimador : Resolução e sensitividadeColimador : Resolução e sensitividade

– Imagem de má qualidade quando Imagem de má qualidade quando comparada com outras modalidades comparada com outras modalidades de imagem médica (CT)de imagem médica (CT)

IntroduçãoIntrodução

ParâmetrosParâmetros– Radioisótopos: meia vida, Radioisótopos: meia vida,

disponibilidadedisponibilidade– Produzidos por:Produzidos por:

gerador: produção de isótoposgerador: produção de isótopos cyclotroncyclotron

usado em usado em estudos do estudos do cérebro.cérebro.

estudos de perfusão estudos de perfusão cardíaca.cardíaca.

marcador de amônia marcador de amônia radioativa injetada no radioativa injetada no sangue para estudar a sangue para estudar a perfusão sangüínea de perfusão sangüínea de um orgãoum orgão

marcador FDG, usada para marcador FDG, usada para estudar o metabolismo dos estudar o metabolismo dos orgãos e tecidos. orgãos e tecidos.

de perfusão cardíaca.de perfusão cardíaca.

Emissão e aniquilação de Emissão e aniquilação de pósitronspósitrons

20cmE

HistóricoHistórico

Desenvolvimento da MN : Desenvolvimento da MN : – Estudo do potencial do pósitron na Estudo do potencial do pósitron na

geração de imagensgeração de imagens

– Eliminação do colimadorEliminação do colimador

– Desenvolvimentos de algoritmos para Desenvolvimentos de algoritmos para gerar seções transversaisgerar seções transversais

HistóricoHistórico

– Evolução: 2 detectores planos Evolução: 2 detectores planos (imagens longitudinais) (imagens longitudinais) detectores detectores rotatórios(secções transversas)rotatórios(secções transversas)

– Detectores circulares : única fatia Detectores circulares : única fatia várias fatiasvárias fatias

– Anger Câmera: Hal Anger desenvolveu Anger Câmera: Hal Anger desenvolveu para fóton únicopara fóton único

HistóricoHistórico 1960 – início dos estudos com o mapeamento 1960 – início dos estudos com o mapeamento

da tireóideda tireóide

1969 – TOF (time of flight):cintilação e tubos 1969 – TOF (time of flight):cintilação e tubos fotomultiplicadoresfotomultiplicadores

1975 – obstáculos: falta de conhecimento de 1975 – obstáculos: falta de conhecimento de métodos de reconstrução da secção métodos de reconstrução da secção transversa e computacionaistransversa e computacionais

Imagens por técnicas eletrônicasImagens por técnicas eletrônicas

1982 – associam-se pela primeira vez os 1982 – associam-se pela primeira vez os distúrbios do metabolismo com o prognóstico distúrbios do metabolismo com o prognóstico em tumores no cérebroem tumores no cérebro

TécnicasTécnicas

Instrumentação: PET-mesmos princípios do Instrumentação: PET-mesmos princípios do mapeamento da tireóide c/ técnicas mapeamento da tireóide c/ técnicas computacionaiscomputacionais

Injeta-se no paciente uma dose de Injeta-se no paciente uma dose de substância radioativa(traçadora) :absorção substância radioativa(traçadora) :absorção pelo cérebropelo cérebro

Glicose +F radioativo Glicose +F radioativo células mais células mais ativasativas

TécnicasTécnicas

Átomo de F emite um pósitron que Átomo de F emite um pósitron que colide com elétrons e há liberação colide com elétrons e há liberação de raios gamade raios gama

Aparelho de PET capta os raios Aparelho de PET capta os raios gamagama

Mapeamento cerebral:Mapeamento cerebral:– Cor preta: atividade nulaCor preta: atividade nula– Cor branca: atividade altaCor branca: atividade alta– Equipamentos modernos coloridosEquipamentos modernos coloridos

TécnicasTécnicas

Diferenças entre TC e RMN com PET:Diferenças entre TC e RMN com PET:

TC e RMN: estruturas anatômicas do TC e RMN: estruturas anatômicas do cérebrocérebro

PET: estudo das funções ativas cerebrais,PET: estudo das funções ativas cerebrais,

pensar,lembrar,ouvir,verpensar,lembrar,ouvir,ver

PET:mapas coloridos que mostram as PET:mapas coloridos que mostram as regiões onde há maior atividaderegiões onde há maior atividade

Sistema PETSistema PET

2

ctx

Sistema PETSistema PETCT PET

SeptosSeptos

PET 2DPET 2D

No PET 2D: No PET 2D: – os septos reduzem o efeito de os septos reduzem o efeito de

espalhamento do paciente;espalhamento do paciente;

– a resolução energética é menos a resolução energética é menos importante;importante;

– o stopping power do cristal é importante o stopping power do cristal é importante devido a redução na sensitividade devido a redução na sensitividade causada pelos septos.causada pelos septos.

PET 3DPET 3D

No PET 3D:No PET 3D:– Necessita-se de alta resolução Necessita-se de alta resolução

energética;energética;

– É essencial alta discriminação de É essencial alta discriminação de energia;energia;

– A escolha do material cintilador é A escolha do material cintilador é menos importante.menos importante.

Escolha do material Escolha do material cintiladorcintilador

Levar em consideração o tipo de Levar em consideração o tipo de imagem que será utilizada;imagem que será utilizada;

Comparação de cristais Comparação de cristais cintiladorescintiladores

Problema com pacientes Problema com pacientes obesosobesos

Quanto maior o diâmetro, menor a taxa Quanto maior o diâmetro, menor a taxa de coincidências;de coincidências;

Quanto maior a atenuação, menor será a Quanto maior a atenuação, menor será a taxa de coincidênciastaxa de coincidências

Pouca taxa de coincidências também Pouca taxa de coincidências também podem ser relacionadas com alto podem ser relacionadas com alto espalhamento.espalhamento.

DegradaçãoDegradação

degradação da imagem com o aumento degradação da imagem com o aumento do tamanho do pacientedo tamanho do paciente

Algoritmos e correçõesAlgoritmos e correções

algoritmo de reconstrução inicial: algoritmo de reconstrução inicial: “filtered backprojection” “filtered backprojection” padrão para padrão para CT e SPECT.CT e SPECT.

metodos iterativosmetodos iterativos– muito “pesados” computacionalmente;muito “pesados” computacionalmente;– mudanças na imagem conforme o número de mudanças na imagem conforme o número de

iterações;iterações; mudança significativa: correção de mudança significativa: correção de

atenuação atenuação uso de algoritmos iterativos; uso de algoritmos iterativos;

CorreçõesCorreções

normalizaçãonormalização

espalhamentoespalhamento

fótons aleatóriosfótons aleatórios– coincidênciacoincidência

atenuaçãoatenuação

Correção de atenuaçãoCorreção de atenuação

provoca maior mudança (quantitativa e provoca maior mudança (quantitativa e qualitativamente)qualitativamente)

a atenuação pode ser até uma ordem de a atenuação pode ser até uma ordem de grandeza maior no centro do corpograndeza maior no centro do corpo

sem correção sem correção variações na variações na densidade, com menores intensidades densidade, com menores intensidades no centrono centro

Filtered backprojection

Reconstrução iterativa

Correção de fótons únicosCorreção de fótons únicos

problemas da imagem de transmissão:problemas da imagem de transmissão:– alta taxa de contagem próxima à fonte de alta taxa de contagem próxima à fonte de

transmissãotransmissão– atenuação do corpo do paciente atenuação do corpo do paciente

baixo número de coincidênciasbaixo número de coincidências aumento do tempo de aquisiçãoaumento do tempo de aquisição

Alternativas:Alternativas:– aumentar a energia dos fótons de aumentar a energia dos fótons de

transmissão além de 511KeV do corpo do transmissão além de 511KeV do corpo do pacientepaciente

Estudos com e sem correção Estudos com e sem correção de atenuação de atenuação

Sem correção

Com correção

Correção de atenuação CTCorreção de atenuação CT Equipamentos PET/CTEquipamentos PET/CT

– ““scans” de transmissão com fonte substituídos por CTscans” de transmissão com fonte substituídos por CT baixa dosebaixa dose menor tempomenor tempo

“ “Desafios”Desafios”– converter scan de transmissão de baixa energia do CT converter scan de transmissão de baixa energia do CT

para 511Kevpara 511Kev requer transformação não-linearrequer transformação não-linear

– reduzir artefatos de movimentoreduzir artefatos de movimento CardíacoCardíaco RespiratórioRespiratório

– estimar atenuação de partes do paciente fora do FOV estimar atenuação de partes do paciente fora do FOV transverso da CTtransverso da CT

FOV transverso da CT é de, no máximo, 50 cmFOV transverso da CT é de, no máximo, 50 cm– Redução de artefatos por causa de contraste injetado ou Redução de artefatos por causa de contraste injetado ou

implantes metálicos/ prótesesimplantes metálicos/ próteses requer algoritmos sofisticados de segmentaçãorequer algoritmos sofisticados de segmentação

Cortes coronaisCortes coronais

reduz o número de imagens a serem reduz o número de imagens a serem vistas para chegar a um diagnóstico vistas para chegar a um diagnóstico

permitem visualizar importantes marcos permitem visualizar importantes marcos anatômicos anatômicos melhoram a melhoram a interpretaçãointerpretação

possibilidade de usar imagens 3D e possibilidade de usar imagens 3D e combinar informações com outros combinar informações com outros métodos de imagem: CT ou MRImétodos de imagem: CT ou MRI

Fusão de imagensFusão de imagens

problemas de reconstrução problemas de reconstrução

evolução para aplicação clínicaevolução para aplicação clínica

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF) O PET oferece boa performance para estudos O PET oferece boa performance para estudos

clínicos de oncologia;clínicos de oncologia;

Scanners têm capacidade de resolução Scanners têm capacidade de resolução espacial de 4,5 a 6 mm, e as contagens reais espacial de 4,5 a 6 mm, e as contagens reais não são suficientes para reconstruir uma não são suficientes para reconstruir uma imagem com resolução espacial melhor do imagem com resolução espacial melhor do que 10 mm;que 10 mm;

Apesar dos grandes avanços nos cristais, Apesar dos grandes avanços nos cristais, estes sistemas ainda sofrem com a alta estes sistemas ainda sofrem com a alta fração de radiação espalhada e aleatórios, fração de radiação espalhada e aleatórios, principalmente em pacientes obesosprincipalmente em pacientes obesos

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF)O TOF melhora a razão sinal/ruído nas O TOF melhora a razão sinal/ruído nas imagens, reduzindo-se a propagação do imagens, reduzindo-se a propagação do ruído ao longo dos passos de “forward-” e ruído ao longo dos passos de “forward-” e “back-projection” da reconstrução da “back-projection” da reconstrução da imagem.imagem.

– Este procedimento revela um ganho na Este procedimento revela um ganho na sentividade efetiva que foi descrito como a sentividade efetiva que foi descrito como a razão: D / razão: D / Δx , onde Δx , onde

D é o diâmetro do objetoD é o diâmetro do objetoΔx = c.Δt / 2, c é a velocidade da luz e Δt é Δx = c.Δt / 2, c é a velocidade da luz e Δt é a resolução temporal.a resolução temporal.

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF)

A razão D / A razão D / ΔxΔx está relacionada com o está relacionada com o ganho TOF, porém não é o único fator ganho TOF, porém não é o único fator que o caracteriza;que o caracteriza;

Este ganho também depende dos Este ganho também depende dos métodos utilizados na correção dos métodos utilizados na correção dos dados e reconstrução da imagem;dados e reconstrução da imagem;

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF)

Para Para Δt em ps, quanto menor o seu Δt em ps, quanto menor o seu valor maior o ganho na sentividade;valor maior o ganho na sentividade;

Isto implica que a resolução temporal Isto implica que a resolução temporal necessita ser significantemente melhor necessita ser significantemente melhor do que 1 ns para que o TOF seja um do que 1 ns para que o TOF seja um benefício nas imagens de corpo inteiro;benefício nas imagens de corpo inteiro;

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF)TOF foi surgiu na década de 60, mas em 1980 TOF foi surgiu na década de 60, mas em 1980 o primeiro PET foi contruído com cintiladores o primeiro PET foi contruído com cintiladores de CsF e BaFde CsF e BaF

2 2 ;;

Sistemas com 1 cristal para cada Sistemas com 1 cristal para cada fotomultiplicadora. E todos eles operavam no fotomultiplicadora. E todos eles operavam no modo 2D com múltiplos anéis e septos modo 2D com múltiplos anéis e septos interplanares;interplanares;

Também possuíam relativamente baixa Também possuíam relativamente baixa sentividade comparada com os equipamentos sentividade comparada com os equipamentos que não consideravam o TOF e usavam que não consideravam o TOF e usavam cintiladores BGO, porém a resolução temporal cintiladores BGO, porém a resolução temporal era muito boa;era muito boa;

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF) Apesar da resolução temporalApesar da resolução temporal ser muito boa, ser muito boa, é difícil manter a performance diária devido as é difícil manter a performance diária devido as dificuldades de confiabilidade, estabilização dificuldades de confiabilidade, estabilização eletrônica e calibração;eletrônica e calibração;

Assim, o ganho TOF não se mostrou mais Assim, o ganho TOF não se mostrou mais eficiente do que os scanners que utilizavam eficiente do que os scanners que utilizavam BGO;BGO;

Em 1990 os scanners que utilizavam o TOF Em 1990 os scanners que utilizavam o TOF deixaram de ser utilizados e os estudos com deixaram de ser utilizados e os estudos com 1818F-FDG prevaleceram;F-FDG prevaleceram;

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF)

Atualmente estão sendo pesquisados Atualmente estão sendo pesquisados novos materiais como LaBr, LSO e novos materiais como LaBr, LSO e LYSO, os quais combinam rápida e alta LYSO, os quais combinam rápida e alta cintilação;cintilação;

Tempo de vôo (TOF)Tempo de vôo (TOF)Problemas com o espaçamento dos cristais Problemas com o espaçamento dos cristais foram eliminados;foram eliminados;

Assim, obtem-se boa resolução espacial com Assim, obtem-se boa resolução espacial com cristais de 4 x 4 mmcristais de 4 x 4 mm22 de seção transversal e de seção transversal e razão cristal/fotomultiplicadora ficou 50:1 a razão cristal/fotomultiplicadora ficou 50:1 a 100:1 dependendo do contilador;100:1 dependendo do contilador;

Isto indica que as limitações eletrônicas foram Isto indica que as limitações eletrônicas foram superadas, o que torna possível a construção superadas, o que torna possível a construção de scanners de alta performance utilizando-se de scanners de alta performance utilizando-se o TOF.o TOF.

Benefícios do TOF para o PETBenefícios do TOF para o PET

Benfícios foram demonstrados utilizando-se:Benfícios foram demonstrados utilizando-se:

- fantomas cilíndricos com água de diâmetros - fantomas cilíndricos com água de diâmetros de de 27cm e 35cm; 27cm e 35cm;

- 38.880 cristais de LaBr em arranjo cilíndrico; - 38.880 cristais de LaBr em arranjo cilíndrico;

- Anéis com 6 esferas com diâmetro de - Anéis com 6 esferas com diâmetro de 37,28,22,17,13 e 10cm foram colocadas a uma 37,28,22,17,13 e 10cm foram colocadas a uma distância radial de 7cm nos dois distância radial de 7cm nos dois fantomas.fantomas.

Benefícios do TOF para o PETBenefícios do TOF para o PET

Esquema do anéis que contêm as esferas:Esquema do anéis que contêm as esferas:

Benefícios do TOF para o PETBenefícios do TOF para o PET

Aplicações do PETAplicações do PET

Diagnóstico de TumoresDiagnóstico de Tumores

Função e metabolismo cerebralFunção e metabolismo cerebral

Exames de viabilidade tecidual do Exames de viabilidade tecidual do coraçãocoração

Centro de PETCentro de PET

Inicialmente montados por orgãos Inicialmente montados por orgãos governamentaisgovernamentais

– NIH - National Institutes of HealthNIH - National Institutes of Health

– DOE – Department of energyDOE – Department of energy

Montando um Centro PETMontando um Centro PET

ScannerScanner

CyclotronCyclotron

Laboratório RadioquímicoLaboratório Radioquímico

EquipeEquipe

A EquipeA Equipe

Cyclotron: Engenheiro e Operador Cyclotron: Engenheiro e Operador RadioquímicoRadioquímico

Corpo Técnico: Radioquímica e Corpo Técnico: Radioquímica e Medicina NuclearMedicina Nuclear

Físico responsável pelo Scanner e Físico responsável pelo Scanner e Análise de dadosAnálise de dados

AdministradorAdministrador

Montando o Centro de PETMontando o Centro de PET

Arranjo da fundação e espaçoArranjo da fundação e espaço Contratação de pessoalContratação de pessoal LicenciamentoLicenciamento

Crescimento do PETCrescimento do PET

Uso e distribuição de FDGUso e distribuição de FDG PET híbrido (SPECT/PET)PET híbrido (SPECT/PET) PET móvelPET móvel

Crescimento do PETCrescimento do PET

PET/CT => atrai atenção dos PET/CT => atrai atenção dos radiologistasradiologistas

““CT com contraste diferente”CT com contraste diferente” Compra de aparelhos de PET/CT Compra de aparelhos de PET/CT

por departamentos de Radiologia é por departamentos de Radiologia é a causa mais recente do a causa mais recente do crescimento do PETcrescimento do PET

Scanners Dedicados e Scanners Dedicados e AnimaisAnimais

Scanners Cerebrais de alta resoluçãoScanners Cerebrais de alta resolução Scanners de MamaScanners de Mama Scanners AnimaisScanners Animais

ObjetivoObjetivo Aumentar Resolução e SensibilidadeAumentar Resolução e Sensibilidade

Como?Como?

Cristais de CintilaçãoCristais de Cintilação FotodetectoresFotodetectores FotodiodosFotodiodos Fotomultiplicador sensíveis a Fotomultiplicador sensíveis a

posiçãoposição

PETPET

AlzheimerAlzheimer MamaMama DemênciaDemência

Referências BibliográficasReferências Bibliográficas Muehllehner, G.; Karp, J.S; POSITRON EMISSION Muehllehner, G.; Karp, J.S; POSITRON EMISSION

TOMOGRAPHY; TOMOGRAPHY; Physics in Medicine and BiologyPhysics in Medicine and Biology, v. , v. 51, p.117-137, 2006;51, p.117-137, 2006;

http:\\www.medcyclopaedia.com, acessado em 25 de http:\\www.medcyclopaedia.com, acessado em 25 de agosto de 2006agosto de 2006

http:\\www.gehealthcare.co.jp, acessado em 28 de http:\\www.gehealthcare.co.jp, acessado em 28 de agosto de 2006agosto de 2006