Radiodiagnóstico por Imágenes

FI – UNER
Medicina Nuclear (1993)
Radiodiagnóstico y Radioterapia (2008)
2012
GUÍA DE PROBLEMAS
Radiodiagnóstico por Imágenes
Durante el desarrollo del proceso de enfermedad se producen
inicialmente cambios bioquímicos y fisiológicos, que se manifiestan
luego como cambios estructurales observables. La Tomografía Computada
por Emisión de Fotón Único (SPECT) y la Tomografía por Emisión de
Positrones (PET) son técnicas de diagnóstico por imágenes con las que
se tiene información funcional de procesos metabólicos, a partir de la
obtención de imágenes de la distribución de material radioactivo en
algún órgano o región del paciente. Complementan a estudios con buena
resolución anatómica, como TAC o RNM, angiografías, etc.
Cámara γ Convencional
Los fotones emitidos desde el paciente son absorbidos por el detector,
que comprende un cristal de centelleo, un fotocátodo, un arreglo de
tubos fotomultiplicadores, una interfaz de acoplamiento entre ambos
componentes y electrónica de posicionamiento y software. Posee
colimación mecánica, por lo que se detectan fotones con una dirección
determinada. Los fotones que interactúan con el detector generan una
señal electrónica que permite estimar la posición de la interacción y
la energía depositada.
Los
fotones γ con energías distintas a la emisión primaria del
radioisótopo utilizado son rechazados. La presencia de estos fotones
indica que el fotón primario ha sufrido una interacción dentro del
paciente, en el colimador o en el detector, haciendo que se disperse.
Estos fotones de menor energía reducen la calidad de la imagen.
La imagen digital formada por la Cámara γ se representa sobre una
grilla de píxeles. El valor asignado a cada píxel (brillo) se
relaciona con el número de fotones γ que han sido detectados a través
de la extensión asignada al píxel. Así, la imagen es un histograma de
posiciones espaciales de todas las cuentas detectadas.
Tomografía Computada de Emisión de Fotón Único, SPECT
Se basa en el mismo principio físico de detección que la Cámara γ. La
información se obtiene adquiriendo proyecciones del órgano o región de
interés desde distintos ángulos, que luego son utilizadas para la
reconstrucción de la imagen.
Las imágenes tomográficas difieren de las planares en que cada píxel
(elemento de graficación) o voxel (elemento de volumen) representa un
parámetro medible sobre un punto en el espacio solamente, contrario
del píxel de la imagen planar que representa el resultado de la
integración del parámetro de todas las posiciones a lo largo de un
volumen sobre una línea a través del objeto.
Tomografía por Emisión de Positrones, PET
En este caso, los positrones emitidos desde el paciente recorren una
distancia corta en el tejido (rango), disipando por choque su energía
cinética, y al alcanzar la velocidad térmica se aniquilan con
electrones del tejido, produciendo dos fotones de 511 keV con
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direcciones opuestas (180° ± 0,6°). La línea en la cual se produjo la
emisión queda definida electrónicamente por la línea formada por la
interacción de ambos fotones con el cristal correspondiente. La
colimación es, por tanto, electrónica.
El sistema detector es similar al utilizado en SPECT y Cámara γ:
cristal de centelleo (en este caso, deben ser más densos debido a la
energía
de
los
fotones
a
detectar),
un
fotocátodo
y
tubos
fotomultiplicadores.
Para analizar las señales de los detectores, se emplea lógica de
coincidencias. Cada vez que un fotón llega a un cristal, se abre una
ventana de tiempo; si dentro de esa ventana se produce la llegada de
otro fotón a algún cristal, el evento se cuenta como válido, y se
determina la línea de respuesta del evento (LOR).
Diferencias entre PET- SPECT
Existen varias diferencias entre PET y SPECT.
Una de las fundamentales es el
usa radiofármacos marcados con
los estudios PET requieren que
positrones (los más utilizados
tipo de radioisótopo utilizado: SPECT
emisores γ (como el Tc-99m y el I-131);
el radioisótopo sea emisor de
son el F-18 y el O-15).
Los radiofármacos utilizados en SPECT son de producción más sencilla
y de menor costo. Los radiofármacos para PET deben fabricarse al
momento de realizarse el estudio, dado que los radionucleidos son de
período muy corto), lo que conlleva a tener infraestructura apropiada,
aumentando el costo de la instalación.
Debido a los niveles de energía de la radiación γ emitida (hasta 250
keV), el cristal de centelleo más usado para SPECT es el de NaI(Tl).
En los sistemas PET, suele utilizarse el BGO, que tiene una mayor
eficiencia de detección de los fotones de 511 keV producto de la
aniquilación.
Tipos de Estudios
Como ya se ha dicho, los tres equipos
estudios funcionales y metabólicos.
se
utilizan
para
realizar
Los estudios con SPECT se utilizan para la detección de lesiones de
bajo contraste en órganos macizos (hígado, cerebro) o pequeños
(corazón, cabeza femoral, lesiones óseas líticas), además estructuras
internas o pequeñas del cráneo. También son muy utilizados para el
estudio de la perfusión miocárdica y para el diagnóstico de
enfermedades en arterias coronarias.
Los estudios con PET se utilizan para diagnóstico y caracterización de
neoplasias, perfusión miocárdica, detección de epilepsia, etc.
Parámetros Característicos de las imágenes
Resolución en energías
Describe la eficiencia del detector para reconocer si un fotón
pertenece o no al fotopico; es decir, la capacidad del detector para
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separar dos picos de energías distintas. Depende de parámetros
estadísticos. Se determina como un porcentaje de la relación entre el
ancho del fotopico a la mitad de su valor máximo, FWHM (∆E) y la
energía máxima del fotopico (E):
Renergias (%) = (∆E/E).100
Resolución espacial
Se define como la menor distancia a la que hay que colocar dos fuentes
para reconocerlas como independientes. La resolución espacial depende
de la distancia fuente–detector, de la actividad de la fuente, la
distancia fuente-colimador, de la geometría del colimador, etc.
En el caso de las Cámaras γ y los sistemas SPECT, la resolución
espacial, Resp, tiene dos componentes: la resolución aportada por el
colimador (Rcol) y la resolución intrínseca del sistema de detección
(Rintr). Rintr depende, a su vez, del tipo de cristal, su espesor, la
geometría de detección, etc.
Resp = √ (Rcol2 + Rintr2)
En el caso del sistema PET, además de la resolución intrínseca del
detector, deben tenerse en cuenta otras componentes de la resolución
espacial:
-
-
Rango del positrón. Se utiliza el valor del rango efectivo. Este
valor está determinado para los valores de la máxima energía de
los positrones, para los radioisótopos más utilizados. El valor
del rango es equivalente a la resolución espacial del rango.
Ángulo de emisión. Los fotones de aniquilación no son emitidos
siempre a 180o, debido al pequeño momento residual del positrón
cuando llega al final del rango. El efecto depende de la
separación de los detectores, D. Típicamente, se considera D =
80 cm.
R180 = 0.0022 D
La resolución del sistema PET es entonces la resultante de la suma de
cada componente: la resolución intrínseca, el rango y la linealidad a
180°:
Resp = √ (Rintr2 + Rrango2 + R1802)
Resolución temporal
Está relacionada con la capacidad del sistema de detectar dos fotones
sucesivos. Este tipo de sistemas tiene un período de tiempo, luego de
la absorción de un fotón, durante el cual no es posible detectar otro
fotón. Este tiempo se conoce como tiempo muerto, y es determinante
para la detección de fotones a altas tasas de emisión.
Uniformidad de respuesta
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Evalúa la
importante
magnifica
calibrarse
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respuesta del detector en distintos puntos del campo. Es
la correcta calibración de este parámetro, dado que se
durante la reconstrucción, generando artefactos. Debe
la amplitud para cada energía en cada tubo.
Eficiencia de detección
Se refiere al porcentaje de radiación que se convierte en señal útil
en el detector. Depende de cuatro factores principales: la eficiencia
geométrica, dada por el tamaño del detector y la distancia fuentedetector; la eficiencia intrínseca del detector, función del espesor
del detector y del tipo y energía de la radiación; la fracción de
señal de salida del detector, en la que incide el uso del analizador
de altura de pulso; la absorción y dispersión de la radiación.
Problemas
1. Se realiza un estudio con una Cámara γ, en el cual se obtienen dos
imágenes de la misma estructura en condiciones idénticas: la primera
con una fuente de Cs–137, y la segunda con una de Tc–99m. De la
calibración del equipo, se tienen los espectros de ambos radiosiótopos
(figuras 1 y 2). Determine las resoluciones en energía en ambos casos.
¿Para qué valores de energía es válida la resolución hallada? ¿Con
cuál tendrá mayor contraste la imagen? Justifique.
2. Durante una calibración con una fuente de Tc–99m, se prueban
cristales de INa(Tl) con espesores entre 6,4 y 12,7 mm, utilizados
comúnmente para Cámara γ. Suponga que todas las mediciones se realizan
en las mismas condiciones. Para los valores límite de este rango:
a. Determinar la resolución espacial intrínseca.
b. Determinar el rango de eficiencia de detección en el fotopico y la
c.
variación máxima entre ambos valores.
El espesor de los cristales utilizados comúnmente para un fotopico de
500 keV está entre 0,64 cm y 0,95 cm. Determine la eficiencia de la
detección. Justifique los valores hallados.
3. En el estudio del Problema 1 se utiliza un colimador de agujeros
paralelos. La profundidad de los órganos se encuentra entre 5 y 10 cm.
Considerar una resolución intrínseca de 0, 4 y 8 mm para realizar las
comparaciones.
a. ¿Cuál será la resolución del sistema en cada caso?
b. ¿Cuál será la resolución del colimador en cada caso?
c. ¿Qué puede decir sobre el aporte de la resolución intrínseca a la
resolución del sistema?
4. A partir de los datos de la Tabla 14.1, determine y analice la
relación entre la resolución y la eficiencia del colimador para
distintos tipos de colimadores.
5. Analice, para valores de profundidad entre 5 y 10 cm, la resolución
y eficiencia geométrica para distintas geometrías de colimadores.
Determine la mejor combinación.
6. Para un estudio de PET, se utilizan distintas fuentes emisoras de
positrones: Ga–168, C–11, I–124. La separación del arreglo de
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a.
b.
c.
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detectores discretos es de 80 cm, y la resolución intrínseca del
detector es de 3 mm.
¿Cuál será la resolución del sistema en cada caso?
Determine la fracción de
los componentes de esa resolución. Saque
conclusiones.
En función del valor de la resolución, ¿qué radionucleido utilizaría?
¿Qué otras características debería tener en cuenta?
7. En un Centro de Medicina Nuclear se realizan estudios de
diagnóstico con SPECT. El equipo cuenta con un cristal de centelleo de
INa(Tl). El radionucleido más utilizado es el Tc–99m. Se necesita
estudiar la resolución espacial del sistema en función de la
diferencia de peso de los pacientes. Para esto, se considerarán
variaciones en la distancia fuente–colimador. El espesor del cristal
es de 1,27 cm. Considerando que para un paciente la distancia
aumentará de los valores típicos a 14 cm, muestre cómo variará la
resolución del sistema en este caso. Exprese el resultado en función
de los valores típicos. ¿Empeora o mejora la resolución del sistema si
se utiliza un cristal de mayor espesor? Justifique.
8. En un Servicio de Radiodiagnóstico se realizan estudios con Tc-99m,
utilizando un SPECT. El cristal del detector es de INa(Tl), y tiene un
espesor de 2,54 cm. Se utilizan colimadores de agujeros paralelos, con
una distancia fuente – colimador de 10 cm.
a. Determine la resolución en energías. ¿Para qué radioisótopos es
válido el valor obtenido? ¿En qué rango de energías? Justifique.
b. Determine la resolución espacial del colimador y la del sistema.
Analice cómo interviene cada componente en la resolución, y como se
relaciona con la eficiencia.
Figura 1
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Figura 2
Figura 3
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Figura 4
Figura 5
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Figura 6
Figura 7
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Tabla 14.1 (Cherry et al, Pg 225, 4th Ed)
Tabla 18.1 (Cherry et al, Pg 313, 4th Ed)
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