CERN Ukrainian Teacher Program 4 Dec — 10

CERN Ukrainian Teacher Program 4 Dec - 10 Dec 2016 High Energy Physics Applications for Medicine Oleksandr Dyomin Oleksandr. Dyomin@gmail. com

Метод ядерной медицины • Пациенту вводится 2 -х компонентный радиофармпрепарат — биологически активная часть + радионуклидный изотоп • Биоактивная часть вовлекается в физиологические процессы и накапливается в необходимом для диагностики или лечения месте. • Физическая аппаратура регистрирует распределение радиоактивной метки в пространстве и времени.

Siemens E-CAM

GE Infinia

Philips SKYLight

ОФЭКТ-1 (ИСМА)

ОФЭКТ-2 (ИСМА)

Фотоэлектронны е умножители (Tubes) PMT Сцинтилляционный кристалл Коллиматор

Детектирование сцинтилляции Сумма всех электрических сигналов пропорциональный значению энергии гамма-кванта Electrical Signals ФЭУ регистрируют свет сцинтилляции Видимый свет Гамма-квант Кристалл

Число событий Энергетическое окно Сбрасываем события за пределами окна Сумма сигналов всех ФЭУ = Энергия фотона (ke. V)

Кристалл и ФЭУ

Кристалл, световод и ФЭУ Оптическое сопряжение между световодом и ФЭУ, учитываемые на выходе Na. I(Tl) кристалл герметизирован из-за гигроскопичности

Сцинтиграфия Сканирование всего тела. Матрица 512 х512.

Параллельный коллиматор Детектор w l d l = толщина коллиматора d = диаметр отверстия t = толщина септы w = путь в свинце Септа t Для того, чтобы прохождение было < 5%, t ≥ 6 d/μ l – (3/μ)

Distance from the collimator θ The collimator attenuates photons falling outside an acute angle An increased area of the camera face is irradiated which increases blurring Acceptance angle is similar, sensitivity does not change with distance

Change in spatial resolution with distance from parallel hole collimator 9 mm 4 mm 0 20 40 60 80 100 mm Collimator to source distance

Maintenance of minimal patient : camera distance • Good patient and camera set up by technologist • Infra – red detectors • Impact detectors for safety

Другие коллиматоры Конвергентный • Увеличение • Искажение • Чувствительность увеличивается с Дивергентны й расстоянием • • Pinhole Уменьшает, но искажает • Увеличивает Устарел после появления гаммакамер с большим полем зрения • Зеркально отображает • Используется для маленьких органов

История ядерной медицины

Дьёрдь де Хевеши

Первая гамма камера 1958 г. Хол Ангер

Гамма-радиометры

Большая Белая Лошадь

Медицинские исследования Статическое исследование скелета с Tc 99 m-пирофосфатом. Передняя проекция. Маркерами указаны метастазы в ребре и плечевом суставе. Матрица 512 х512.

Медицинские исследования SPECT печени с радиоколлоидом. Холодный очаг в правой доле

Медицинские исследования Динамические кривые с областей почек (B), сердца (C), кровенаполненого органа (F) и тканевого фона (D)

Ангиография

Медицинские исследования Перфузионная ОФЭКТ головного мозга с Tc 99 m-HMPAO. Представлены исходные проекции, поперечный, саггитальный и фронтальный срезы. Cнижение перфузии в левой лобной обл.

ОСТЕОСЦИНТИГРАФИЯ

ОСТЕОСЦИНТИГРАФИЯ нормальное распределение 99 m. Tc-пирфотех в костной системе

ОСТЕОСЦИНТИГРАФИЯ интенсивная фиксация РФП при остеомиелите и раке предстательной железы

ОСТЕОСЦИНТИГРАФИЯ очаговое распределение 99 m. Tc-пирфотех в костной системе при раке предстательной железы

ОСТЕОСЦИНТИГРАФИЯ очаговое распределение 99 m. Tc-пирфотех в костной системе при раке грудной железы

ОСТЕОСЦИНТИГРАФИЯ многоочаговое распределение 99 m. Tc-пирфотех в костной системе и тотальное мелкоочаговое распределение РФП «суперскан» при раке предстательной железы

Тиреосцинтиграфия нормальное и патологическое распределение 99 m. Tcпертехнетата в щитовидной железе

тиреосцинтиграфия показания: 1. 2. 3. Атипичное (частично загрудинное) расположение щитовидной железы. Состояние после хирургического вмешательства и радиойодтерапии. С помощью тиреосцинтиграфии можно судить о радикальности операции и определить наличие минимального количества остаточной функционирующей тиреоидной ткани При узловом образовании щитовидной железы.

Тиреосцинтиграфия частично загрудинное расположение щитовидной железы

Тиреосцинтиграфия распределение 99 m. Tc-пертехнетата по типу «горячего» и «холодного» очага

Тиреосцинтиграфия узловой зоб

Тиреосцинтиграфия отсутствие фиксации 99 m. Tc-пертехнетата в проекции типично расположенной щитовидной железы после комплексного лечения

Динамическая реносцинтиграфия нормальная реносцинтиграмма

Динамическая реносцинтиграфия • Существует 4 патологических типа ренограмм: • 1) обструктивный • 2) паренхиматозный • 3) изостенурический • 4) афункциональный

Динамическая реносцинтиграфия обструктивный тип ренограмм

Динамическая реносцинтиграфия реносцинтиграммы при гидронефрозе и мочекаменной болезни (МКБ)

Динамическая реносцинтиграфия реноcцинтиграммы при пиелонефрите и врожденной аномалии левой почки

Динамическая реносцинтиграфия реносцинтиграммы при МКБ и гломерулонефрите и ХПН

Динамическая реносцинтиграфия афункциональный тип ренограммы Объединить?

Динамическая реносцинтиграфия отсутствие фиксации РФП в проекции левой почки при врожденной аплазии левой почки и левостороннем гидронефрозе

Перфузия миокарда

Stress-Rest исследование

Специализированная камера

Камера для исследования головного мозга

Annular detector Advantages • Continuous geometry • There are no movement of detector • Distance from object to detector is minimal

Медицинские изотопы Изотоп T 1/2 Орган 201 Tl 73 ч сердце 99 m Tc 6 ч ВСЁ 67 Ga 78 ч Сердце 131 I 8 дн почки, печень и др 189 Au 28. 7 м печень, лимфоузлы 111 In 2. 8 дн печень

Генератор технеция

Терапия • Радиойод (I 131) при раке щитовидной железы • Костные метастазы – Фосфор-32 – Стронций-89 (метастрон Амаршам) – Самарий-153

ПЭТ + Decay Proton becomes a neutron with ejection of a positron

+ Particle Radiation 511 ke. V Positron Range in tissue of a few millimetres • Both positron and electron are annihilated • 2 photons of 511 ke. V are created at 180 o to each other Electron 511 ke. V

Radionuclides for PET Radionuclide Half-life Range in Water (mm) Emax (Me. V) Maximum Mean Na-22 2. 6 yrs 0. 55 (2) (0. 5) I-124 4. 2 days 2. 13 (9) (3) Cu-64 12. 7 hrs 0. 66 (2. 4) (0. 6) F-18 109. 8 min 0. 63 2. 4 0. 6 Ga-68 68. 0 min 1. 90 8. 2 2. 9 Tc-94 m 52. 0 min 2. 44 (10) (4) C-11 20. 4 min 0. 96 4. 1 1. 1 N-13 10. 0 min 1. 19 5. 1 1. 5 O-15 2. 1 min 1. 74 7. 3 2. 5 Rb-82 1. 25 min 3. 40 14. 1 5. 9 Ref: Variety of sources

Фтор-дезокси-глюкоза

Manufacturers Gemini Biograph Discovery

PET Scanner • A ring of scintillation detectors supported in a fixed gantry • Operated in “coincidence mode” - only photons emitted from an annihilation event are recorded

Coincidence Detection Radiation detector gamma ray Coincidence circuitry • Restricts to only signals within a timing window to be passed on • Timing window may be controlled • Rejects “counts” from different decay events

Simple PET Coincidence • Creating a ring of detectors improves the quality of data for image reconstruction and sensitivity • But this is restricted to within a narrow ring of detectors

Additional rings of detectors • Adding rings of detectors improves sensitivity – More coverage of patient – Allows interaction between rings Wid e co ~20 verag e cm

PET Resolution • Large detectors leads to poor resolution

PET Scanner • Smaller detectors improve the resolution • Practical limitation on the size that individual detectors can be manufactured

PET Scanner • Smaller detectors improve the resolution • Practical limitation on the size that individual detectors can be manufactured • Solution is to create a detector block with multiple detector elements

Modern PET Scanner • Long axial field of view (~20 cm) and small detector size high sensitivity high resolution • Many expensive detectors high cost! ~ $1 – 1. 5 m

Typical PET detector block • 8 x 8 small crystals (4 mm) glued to 4 PM tubes • Cuts of different depths creating a unique signature • Axial FOV are greater than 15 cm, requiring up to 32 rings of blocks

PET Detector Block Scintillation Crystal e. g. LSO 8 x 8 voxels 4 x Photomultiplier tubes Electric current

PET Detector Block Electric currents Cuts of different depths create a unique signature

2 D → 3 D • Septa in place for 2 D scanning • Septa withdrawn for 3 D scanning • Advances in detector materials and reconstruction mean that PET scanners are now all 3 D

• Afterglow • Affects the event detection rate • 0. 6 – 300 ns for common scintillators Light output Scintillation Light Decay Time (ns)

Ref: PET, Basic Science and Clinical Practice. Springer Physical Properties of Scintillators Crystal µ(cm-1) Decay time (ns) Relative Light (%) Application Na. I(Tl) 0. 34 230 100 Early scanners BGO 0. 95 300 15 GE medical LSO 0. 87 40 75 Siemens LYSO 0. 83 40 ~85 Philips To. F GSO 0. 70 60 25 Philips Ba 2 F 0. 45 0. 8 (15%), 640 (85%) 28 Cs. F ~0. 40 2. 5 5 La. Br 3 ~0. 48 35 150 Studied in early To. F systems In To. F development

Time of flight • Time difference between detection of 2 photons helps localisation • Needs very fast light decay in detector (speed of light ~ 30 cm/ns)

Time of Flight • To completely negate the need for image reconstruction, need timing resolution of 30 ps • Not available but can get few hundred ps • Improves image quality for large patients • Philips Medical Systems: Tru. Flight with LYSO crystals