FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione V, )

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1 Anno Accademico Corso di Laurea in Tecniche Sanitarie di Radiologia Medica per Immagini e Radioterapia FISICA delle APPARECCHIATURE per MEDICINA NUCLEARE (lezione V, ) Marta Ruspa 1

2 Esercizio 9: il 59 Fe viene somministrato ai pazienti per diagnosticare le anomalie del sangue. Determinare il tempo di dimezzamento effettivo, essendo il periodo di dimezzamento del radionuclide di 46.3 giorni e il periodo di dimezzamento biologico di 65 giorni. 2

3 Esercizio 10:lo iodio 131 è usato nel trattamento delle disfunzioni tiroidee. Il suo tempo di dimezzamento è di 8,1 giorni. Se un paziente ingerisce 50 mg di 131 I che non vengono escreti dal corpo, quanti mg rimangono nel corpo del paziente dopo 60 giorni? Esercizio 11: che potenza libera una sorgente di 1 Ci che emetta particelle di energia media pari a 1 MeV? 3

4 Fisica della produzione di radionuclidi 4

5 Interazione neutroni-materia Massa pari a quella del protone, no carica elettrica particelle molto penetranti, difficili da schermare e da rivelare (spesso rivelati indirettamente conteggiando i fotoni o le particella cariche emesse per cattura neutronica) < 1 KeV: neutroni termici KeV: neutroni epitermici o di risonanza 100 KeV 10 MeV: neutroni veloci 10 MeV: neutroni relativistici Interazione nucleare con i nuclei del mezzo attraversato diffusione del neutrone incidente cattura del neutrone incidente con eventuale riemissione di neutroni, di fotoni gamma (n, ϒ) o di particelle cariche (n,p), (n,d), (n,α) 5

6 Fissione Energia di legama/nucleone bassa Il nucleo assorbe energia se viene superata un energia critica le forze repulsive possono sovrastare quelle attrattive e portare alla fissione in due frammenti spontanea solo per pochi radionuclidi molto pesanti ( 235 U) attivata da cattura neutronica neutroni termici neutroni veloci: energia cinetica contribuisce al superamento del livello critico 6

7 Produzione di radioisotopi 7

8 Produzione di radioisotopi 8

9 Reattori Radionuclidi di fissione Prodotti di attivazione (n,γ), (n,p) del materiale di contenimento o di target appositamente predisposti Per uso medico 99 Mo per fissione 51 Cr, 75 Se, 125 I, 131 I per attivazione 9

10 Attivita specifica 10

11 Attivita specifica Carrier Free Cioe quella che finora abbiamo chiamato attività 11

12 Esercizio 11: quanto vale l attivita specifica Carrier Free di un radioisotopo con T 1/2 di 24 h e numero di massa 50? 12

13 Attivita specifica No Carrier Added 13

14 Generatori Nella produzione con reattori la generazione di elementi della stessa specie chimica del bersaglio irradiato obbliga ad adottare tecniche di separazione particolari. Una tecnica molto diffusa consiste nello sfruttamento di cascate nucleari che possono fornire radioisotopi di interesse con l utilizzo dei cosiddetti generatori. E questo il caso della produzione di due radioisotopi di largo impiego 99m Tc 131 I 14

15 Decadimenti a cascata 15

16 Decadimenti a cascata equilibrio secolare E possibile disporre del radionuclide figlio a breve vita per un periodo di tempo che non dipende dal suo tempo di dimezzamento ma da quello piu lungo dell elemento padre. 16

17 Generatore di 99 mtc 17

18 Generatore di 99 mtc Il generatore 99 Mo- 99m Tc e costituito da una colonna cromatografica rappresentata da un piccolo cilindro di vetro, sigillato alle estremita e contenente allumina (Al 2 O 3 ) (fase fissa). La colonna e munita all estremita superiore ed inferiore di una via di accesso attraverso la quale e possibile far filtrare una certa quantita di soluzione fisiologica (fase mobile) che permette di asportare il 99m Tc: quest ultimo infatti e solubile in soluzione salina mentre il 99 Mo e insolubile e rimane pertanto adsorbito sulla colonna. Il 99 Mo, decadendo, da origine ad ulteriori quantita di 99 Tc, che possono essere in seguito nuovamente eluite tramite lo stesso procedimento. 18

19 Generatore di 131 I 19

20 Ciclotroni per uso medico Nei primi ciclotroni: due elettrodi cavi detti dees (dalla forma di D maiuscola), posti in una camera ad elevato grado di vuoto, tra i quali esiste una differenza di potenziale alternata, accelerano progressivamente particelle cariche. Una particella percorre un orbita di raggio r = m v/q B, essendo m la massa, v la velocita, q la carica e B il campo magnetico. Ad ogni rotazione l azione del campo elettrico aumenta progressivamente l energia cinetica, ovvero la velocita v, e quindi il raggio di rotazione aumenta corrispondentemente. Una volta raggiunto il raggio di rotazione massimo il fascio di particelle viene estratto e diretto sul bersaglio. Per vincere la repulsione elettrostatica dei nuclei degli atomi del bersaglio e penetrarvi occorrono particelle di dimensioni contenute, ovvero ioni leggeri; solitamente si usano protoni o deutoni o, soprattutto ultimamente, ioni negativi di idrogeno che solo al momento della estrazione vengono fatti passare attraverso sottili spessori di carbonio e trasformati in una corrente di ioni positivi 20

21 Ciclotroni per uso medico Per quanto riguarda i radionuclidi emettitori di positroni i principali tipi di materiale bersaglio sono gas e soluzioni acquose. I target sono composti di un corpo metallico, che contiene il vero e proprio materiale bersaglio ed ha la funzione di dissipare il calore prodotto nell assorbimento del fascio (problema rilevante soprattutto per i target liquidi che possono bollire). Nel caso della produzione di 18 F il bersaglio e acqua arricchita con l isotopo stabile 18 dell ossigeno. I materiali piu usati per i corpi target sono l argento e il titanio. 21

22 Produzione di isotopi β + emittenti 22

23 Scelta del radiofarmaco 23

24 Criteri di scelta Tempo di dimezzamento Modalita di decadimento Energia delle emissioni associate Trasformazione in un nuclide stabile Alta attivita specifica Alta purezza radionuclidica Selettivita rispetto all organo di interesse Tempo di diffusione Danno da radiazione Pronta disponibilita Basso costo di produzione 24

25 Radiafarmaci in diagnostica Tempo di dimezzamento deve essere compatibile con la durata del fenomeno biologico o fisiologico interessato: - valutazione polmonare T 1/2 ~ s ( 81m Kr, T 1/2 = 13 s) - captazione tiroidea T 1/2 ~ qualche ora ( 123 I, T 1/2 = 13 h) - analisi di funzionalita cardiaca T 1/2 ~ qualche minuto (ammoniaca marcata con 13 N, T 1/2 ~ 10 m) Modalita di decadimento indicati radioisotopi che decadono senza emettere particelle cariche, per ridurre la dose rilasciata; l emissione associata preferibile e l emissione γ di alta intensita, poco convertita internamente, possibilmente singola Energia delle emissioni associate tra 100 e 300 KeV per sfruttare le piu alte efficienze di rivelazione che si ottengono in questo intervallo energetico ( 123 I, 159 KeV, 83%; 99m Tc, 140 KeV, 90%; 81m Kr, 190 KeV, 65%) 25

26 Radiafarmaci in diagnostica β + emettitori Isotopi di bio-elementi! Non esistono isotopi dell idrogeno emittenti positroni ma il 18 F puo esserne un sostituto 26

27 Radioisotopi emettitori di positroni: FDG Il radiofarmaco piu utilizzato in assoluto e il fluoro deossiglucosio (FDG) che e un analogo del glucosio (C 6 H 12 O 6 ) avente il gruppo ossidrilico sul C 2 sostituito da un 18 F. L FDG viene incorporato nelle cellule utilizzando i medesimi sistemi di trasporto del glucosio. 18 F T 1/2 =109,8 min Studio del metabolismo dello zucchero. Aumentato utilizzo in cellule tumorali. 27

28 Radiofarmaci in terapia Tempo di dimezzamento piu lungo rispetto alla diagnostica, dell ordine dei giorni ( 89 Sr, T 1/2 = 50d; 131 I, T 1/2 = 8d) Modalita di decadimento per particella carica, di idonea energia per il rilascio locale di dose ( 89 Sr, 99.9% β) Energia delle emissioni associate l emissione elettromagnetica associata dovrebbe essere possibilmente assente per ridurre la dose ai tessuti circostanti e al personale ( 89 Sr, no γ) 28

29 Esercizio 12: dopo 24 ore la radioattivita di un radionuclide e 1/8 del suo valore iniziale. Quanto vale il suo tempo di dimezzamento? Esercizio 13: si determini l attivita di 10 grammi di 131 I (tempo di dimezzamento 8.1 giorni) 29

30 Testi consigliati Medicina nucleare nella pratica clinica Patron Editore, Bologna La fisica in medicina nucleare Patron Editore, Bologna Borsa Scannicchio, Fisica con applicazioni in biologia e medicina Edizioni Unicopli 30