SPECT e PET/CT: Física básica, radioproteção e dosimetria

SPECT e PET/CT: física básica,
radioproteção e dosimetria interna
Tadeu Takao Almodovar Kubo, MSc
Físico Médico

XII Semana da Física Médica - USP/RP - 30 de setembro a 4 de outubro
terça-feira, 29 de outubro de 13

Não existe conﬂito de
interesse nesta apresentação


Técnicas de imagem
Tomografia
Computadorizada

Ressonância
Magnética

Medicina Nuclear
PET/CT

Resolução:

Anatomia

Funcional

raios X


Medicina Nuclear
SPECT

Aplicações
Medicina Nuclear
Diagnóstico

Terapia

- Coração
- Ósseo
- Oncologia
- ...

-Tireóide
-T. Neuroendócrinos
-Radiosinovectomia
-...


Medicina Nuclear


Diagnóstico

Medicina Nuclear

Terapia


SPECT e SPECT/CT

Diagnóstico

Medicina Nuclear

Terapia

PET e PET/CT


SPECT e SPECT/CT

Planejamento de
tratamentos

Diagnóstico

Terapia

PET e PET/CT

Medicina Nuclear

Terapia com
radionuclídeos


Medicina Nuclear
Diagnóstico


Aplicações
Diagnóstico


Equipamentos
SPECT

PET/CT


GE healthcare, Siemens Healthcare

Equipamentos
SPECT

Ventri - GE

Discovery NM530 - GE

PET/CT

Biograph 16 Hi-Rez - Siemens


GE healthcare, Siemens Healthcare

Diagnóstico


CDPI - Medicina Nuclear
Unidade MD.X

Av das Américas, 6305, lj213

http://www.mdx.com.br/localizacao.htm

Instalação


Medicina Nuclear - CDPI - MD.X

Instalação


Instalação - S. Administração

Text



Instalação - Entrada



Instalação - S. Administração



Instalação - Radiofarmácia



Tipos de emissão
Desintegração
alfa

Desintegração
alfa
de
um
núcleo
de
Urânio


Tipos de emissão
Desintegração
alfa

Desintegração
alfa
de
um
núcleo
de
Urânio

++


Tipos de emissão
Desintegração
Beta

n

p+e

p


n + e+

Tipos de emissão
Desintegração
gama


OEM


Pesquisa de imagens google

Qual a principal diferença
entre raios X e raios γ ?


Qual a principal diferença
entre raios X e raios γ ?
ORIGEM


Blindagem


Radionuclídeos


Gerador de Tecnécio
99mTc


www.ipen.br

Eﬁciência das eluições

~80-90%

“Equilíbrio”
Equilíbrio transiente
pai (66 h) > ﬁlho (6,02 h)


Radioatividade
Número desintegrações nucleares que ocorrem em um certo intervalo de tempo.

λ; constante de decaimento.
dNt ;número de átomos que decaem.
dt; intervalo de temo que ocorre o decaimento.

Unidades:
Bq = [s-1]
1 curie (Ci) = 3700x1010 Bq

Physics

in Nuclear Medicine - M. Phelps 2003

Decaimento radioativo

Meia-vida de aproximadamente 30 anos


Meia-vida de 8 dias


Meia-vida
99mTc
~6,02 h


Registro



Registros/Testes



Mo-99 x Tc-99m



Mo-99 x Tc-99m

0,15 uCi/mCi Mo-99/Tc-99m



Marcação (mibi)

Banho Mariana

Calibrador de dose



Cardíaco (MIBI)

R$ 791,59 (SUS)
R$ 955,61



“Cofre” gerador

Anteparo

Transportador de seringas




Lixeira

Descarte de perfurocortantes
Pia com 40 cm de profundidade



Armário de Rejeitos

Identiﬁcações
Depósito de geradores


Administração do
radiofármaco


Blindagem estrutural



Interação da radiação com a matéria


Powsner, Essentials of nuclear medicine, 2006

Interação da radiação com a matéria

Produção
de pares

Efeito
Fotoelétrico

Efeito
Compton



Atenuação

I=I0e-(µ/ƿ).x



Atenuação


NIST

Sala de pacientes Injetados



Sala de pacientes injetados


Sala de pacientes Injetados


Sala de Exames



Como as imagens são
formadas?
Tomograﬁa Computadorizada

Fenômeno de transmissão


Como as imagens são
formadas?
SPECT

Fenômeno de emissão



SPECT
SPECT (Single Photon Emission Coputed Tomography)

gecommunity.gehealthcare.com; Essentials


of Nuclear Medicine

Colimadores


Colimadores
Imagens planares



Colimadores
Imagens planares


Site: NuclearFields

Cristais
Imagens planares


Fotomultiplicadoras


Fotomultiplicadoras
Imagens planares



Fotomultiplicadores
Imagens planares



Janelas de energia
Imagens planares



Matrix
Imagens planares



Bits e tons de cinza
1
bit

4
bits

2
tons
de

cinza

8
bits
=
1
byte

16
tons
de

cinza


256
tons
de

cinza

Espaço e armazenamento
Exemplo
Tamanho
de
matriz:
1024
x
1024
Profundidade:
8
bits
=
1
byte(256
tons
de
cinza)
Tamanho
da
imagem:
1024
x
1024x
1
=
1.048,576
bytes
=
1
MByte


Conhecer o equipamento
QA & QC


Medicina Nuclear
Dosimetria !?


Dose !?

onde Dβ é a dose in rad, C é a concentração do nuclídeo no tecido em microcuries por
grama,

é a média da energia emitida por decaimento do nuclídeo, T é a meia-vida do

nuclídeo no tecido e o fator 73,8 é o fator de conversão de unidades (STABIN, 2008).


KUBO, TTA, 2012 IRD/CNEN

Dose !?

onde Dt é a taxa de dose no alvo de interesse (Gy/s ou rad/h), = atividade (MBq ou μCi)
na região da fonte S, = número de radiações com energia emitidas por transição nuclear,
Ei = energia da radiação para a i-ésima radiação (MeV), fi = fração de energia emitida em
uma região da fonte que é absorvida na região do alvo, , massa (kg ou g) da região do
alvo, e k = constante de proporcionalidade (Gy.kg/MBq.s.MeV ou rad.g/μCi.h.MeV).



Dose !?



MIRD 16


Média geométrica (dosimetria)
MIRD 16
CT = CFP - CEsqP - CDirP


MIRD 16
- Posição reprodutível;
tj

t - velocidade de varredura:1,67 mm/s;

- detectores diametralmente opostos180º;
- matriz 256 x 1024;
- Janelas de energia (FP, EsqFP e DirFP);
- Colimador MEGP;

A) Sem paciente

MIRD 16

*mesmo protocolo de aquisição utilizado para a terapia do
paciente
Imagem de varredura do ﬂood


MIRD 16
B) Com paciente (antes da dose terapêutica)
paciente
Imagem de varredura do ﬂood sob o paciente


MIRD 16
B) Com paciente (antes da dose terapêutica)
paciente
Imagem de varredura do ﬂood sob o paciente

I
−µ jt j
T = =e
I0

MIRD 16
C) Com paciente (após a dose terapêutica)
paciente
Imagem de varredura do paciente

tj

t


MIRD 16
C) Com paciente (após a dose terapêutica)
paciente
Imagem de varredura do paciente

tj

t


IA ⋅ IP
MG j =
−µ jt j
e

D) Sem paciente

MIRD 16

paciente
Imagem de varredura da fonte de referência


D) Sem paciente

MIRD 16

paciente
Imagem de varredura da fonte de referência

fj
A j = MG j ⋅
C
“fj não varia significativamente
de 1, desde que a densidade
de onde está a fonte ou a
profundidade no corpo sejam
grandes” (MIRD 16)

Método de vistas conjugadas - MIRD 16

t

tj

IA ⋅ IP
MG j =
−µ jt j
e

I
−µ jt j
T = =e
I0

fj
A j = MG j ⋅
C

Média geométrica

Transmissão

Atividade


Programas de imagens
Método de vistas conjugadas - MIRD 16

106

Massa dos órgãos

107

108

Superposição


Superposição

Solução - SPECT


Dinâmicas
Aquisições dinâmicas gastro


Processamento de sinais
Sinal Filtrado (butter)
ordem máxima 2

3
2
1
0
-1

Densidade de Potência Espectral

Densidade de Potência Espectral

-2

0

50

100

150
tempo (s)
Espectro de Potência

200

250

300

8
6
4
2
0

0

0.05

0.1

0.15

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25
0.3
Freqüência (Hz)
Espectro de potência após a Auto-correlação

0.35

0.4

0.45

0.5

0.35

0.4

0.45

0.5

2000
1500
1000
500
0

0.2

0.25
Freqüência (Hz)

0.3


Processamento de sinais
Curvas após filtragem e média móvel
140
proximal
medio
distal

120

Amplitude

100

80

60

40

20
0

50

100

150
Tempo(s)


200

250

Amostragem x Frequência
Teorema de Nyquist

taxa de amostragem > 2 * f. de interesse

Antro gástrico
3 ciclos/minuto = 0,05Hz
Contratilidade duodenal
12 ciclos/minuto = 0,2Hz

114

Medicina Nuclear
SPECT


SPECT


SPECT

Objeto

Senograma


SPECT


SPECT (ﬁltros)


Filtros
Domínio espacial = contagens por pixel

Domínio da frequência = na forma de senóides


Domínio espacial

Suavização por 9 pontos (smoothing)

Domínio espacial
Filtro Kernel


Domínio espacial
Retroprojeção após
a aplicação do ﬁltro de
contraste de bordas


Domínio das frequências
Ajustes de curvas



Artefato, “efeito” estrela


Métodos Iterativos
Sucessivas estimativas

OS-EM 60 (120 projeções)vezes mais rápido.

IEEE TNS, vol43,3,1996

Medicina Nuclear
SPECT - Dosimetria !?



IEEE TNS, vol43,3,1996

SPECT (detector de estado sólido)

Redução - 50% da atividade administrada
- 50% do tempo de exame

NEMA, IEC e IAEA
NEMA - National Electrical Manufacturers Association

NEMA - www.nema.org

NEMA, IEC e IAEA
NEMA - National Electrical Manufacturers Association

NEMA - www.nema.org

NEMA - NU*

NEMA, IEC e IAEA
IEC - Iternational Electrotechnical Comission

IEC - www.iec.ch

NEMA, IEC e IAEA
IEC - Iternational Electrotechnical Comission

61948-*
IEC - www.iec.ch

NEMA, IEC e IAEA
IAEA - Iternational Atomic Energy Agency

IEC - www-pu.iaea.org


Medicina Nuclear
Radioproteção


Brasil (CNEN/ANVISA)
CNEN - Consulta pública: “Requisitos de Segurança e
Proteção Radiológica para Serviços de Medicina
Nuclear” 18/04/2012 a 16/06/2012
ANVISA - RDC 38 - “Disposições sobre a instalação
e o funcionamento de serviços de Medicina Nuclear
“in vivo”


Brasil (CNEN)
Consulta pública: “Requisitos de Segurança e Proteção Radiológica
para Serviços de Medicina Nuclear” 18/04/2012 a 16/06/2012


Limites de dose anuais


Monitoração

Dosímetros

Detectores GM


“A Study on the Distribution of Occupational Doses in PET”A.L.S.L. Kubo1 e C.L.P. Maurício1Instituto de
Radioproteção e Dosimetria (IRD/CNEN)/Serviço de Monitoração Individual Externa, Rio de Janeiro, Brazil


Princípios de radioproteção
Justificação
5.4.1.1 Nenhuma prática ou fonte associada a essa prática será aceita pela CNEN, a não ser que
a prática produza benefícios, para os indivíduos expostos ou para a sociedade, suficientes para
compensar o detrimento correspondente, tendo-se em conta fatores sociais e econômicos, assim
como outros fatores pertinentes.
5.4.1.2 As exposições médicas de pacientes devem ser justificadas, ponderando-se os benefícios
diagnósticos ou terapêuticos que elas venham a produzir em relação ao detrimento
correspondente, levando-se em conta os riscos e benefícios de técnicas alternativas disponíveis,
que não envolvam exposição.
5.4.1.3 Com exceção das práticas com exposições médicas justificadas, as seguintes práticas
não são justificadas, sempre que, por adição deliberada de substâncias radioativas ou por
ativação, resultem em aumento de atividade nas mercadorias ou produtos associados:
•a) as práticas que envolvam alimentos, bebidas, cosméticos ou quaisquer outras mercadorias ou
produtos destinados a ingestão, inalação, incorporação percutânea ou aplicação no ser humano;
•b) as práticas que envolvam o uso frívolo de radiação ou substâncias radioativas em
mercadorias ou produtos, estando incluídos, desde já, brinquedos e objetos de joalheria ou de
adorno pessoal;
•c) exposições de pessoas para fins de demonstração ou treinamento.

Otimização
5.4.3.1 Em relação às exposições causadas por uma determinada fonte associada a uma prática,
salvo no caso das exposições médicas, a proteção radiológica deve ser otimizada de forma que a
magnitude das doses individuais, o número de pessoas expostas e a probabilidade de ocorrência
de exposições mantenham-se tão baixas quanto possa ser razoavelmente exeqüível, tendo em
conta os fatores econômicos e sociais. Nesse processo de otimização, deve ser observado que as
doses nos indivíduos decorrentes de exposição à fonte devem estar sujeitas às restrições de dose
relacionadas a essa fonte.
5.4.3.2 Nas avaliações quantitativas de otimização, o valor do coeficiente monetário por unidade de
dose coletiva não deve ser inferior, em moeda nacional corrente, ao valor equivalente a US$ 10000/
pessoa.sievert.
5.4.3.3 A menos que a CNEN solicite especificamente, a demonstração de otimização de um
sistema de proteção radiológica é dispensável quando o projeto do sistema assegura que, em
condições normais de operação, se cumpram as 3 (três) seguintes condições:
•a) a dose efetiva anual média para qualquer IOE não excede 1 mSv;
•b) a dose efetiva anual média para indivíduos do grupo crítico não ultrapassa 10 uSv;
•c) a dose efetiva coletiva anual não supera o valor de 1 pessoa.Sv.

Limitação de dose individual
5.4.2.1 A exposição normal dos indivíduos deve ser restringida de tal modo que nem a dose
efetiva nem a dose equivalente nos órgãos ou tecidos de interesse, causadas pela possível
combinação de exposições originadas por práticas autorizadas, excedam o limite de dose
especificado na tabela a seguir, salvo em circunstâncias especiais, autorizadas pela CNEN.
Esses limites de dose não se aplicam às exposições médicas.



Portaria
453



NORMA-NR 32
MINISTÉRIO DO TRABALHO

16 de novembro de 2005



“Não é efetivamente necessário o afastamento de trabalhadoras em período
gestacional do trabalho com radiação, porém, de acordo com a norma NR 32, não é
permitido a estas trabalhadoras grávidas atuarem com radiação.”


• 3.1 RESTRIÇÃO DE DOSE 3.01PR-04/2011
• Com a finalidade de garantir um nível adequado de proteção individual para cada IOE, deve
ser estabelecido, como condição limitante do processo de otimização da proteção radiológica,
um valor de restrição de dose efetiva, levando em consideração as incertezas a ela
associadas, relativa a qualquer fonte ou instalação sob o controle regulatório.
• 3.2 NÍVEIS DE REGISTRO E INVESTIGAÇÃO
• O nível de registro para monitoração individual mensal de IOE é de 0,20 mSv para dose
efetiva: todas as doses maiores ou iguais a 0,20 mSv devem ser registradas, embora possa
ser feito também o registro das doses abaixo desse nível. Níveis operacionais para fins de
registro de monitoração em períodos inferiores ou superiores ao período mensal devem ser
submetidos à aprovação da CNEN.
• O nível de investigação para monitoração individual de IOE deve ser, para dose efetiva, 6 mSv
por ano ou 1 mSv em qualquer mês.
Para dose equivalente, o nível de investigação para pele, mãos e pés é de 150 mSv por ano
ou 20 mSv em qualquer mês. Para o cristalino, o nível de investigação é de 6 mSv por ano ou
1 mSv em qualquer mês.
• (alterado pela Resolução CNEN no 119/2011, D.O.U. 01.12.2011)

1.2.5 Exclusão
a) Estão excluídas do escopo desta Norma quaisquer exposições cuja intensidade
ou probabilidade de ocorrência não sejam suscetíveis ao controle regulatório, a
critério da CNEN, ou aqueles casos que a CNEN vier a considerar que estas
diretrizes não se aplicam.
b) As práticas de radiodiagnóstico médico e odontológico são regulamentadas por
Portaria do Ministério da Saúde.



Tomograﬁa
computadorizada


Espalhamento


EPI - Equipamento de proteção individual



Boas práticas
Boas práticas de higiene
“Nunca coma, beba, fume, manuseie lentes de contato, aplique cosmético, ou tome
medicamentos no laboratório. Mantenha os alimentos, bebidas, cosméticos, etc fora
do laboratório” (CNEN)
Sempre após manipular material radioativo deve-se jogar a luva e lavar as mãos com
sabão.


Tempo, distância e
blindagem


Tempo


Distância


Medicina Nuclear
PET/CT


PET
Positron Emission Tomography


PET
PET (Pósitron Emission Tomography)


Computacion y Sistemas. Vol.7 No. 3 pp.167-174;

PET



PET


70


PET


70
X


PET


Y

70
X


PET


Y

70
X

Z

PET

186

PET

Retroprojeção da LOR

TOF - “time of ﬂight”

Degradação da imagem
PVE - Efeito de Volume Parcial


“Matemáticos”

Medidas específicas de cada paciente que influenciam nos valores de SUV:
-Área da superfície corporal;
-Massa magra (Kg);
-Massa total (Kg) – mais utilizada como referência e intercomparação;


Métodos comuns (SUV)
• Há duas maneiras mais comuns de reportar o SUV:
– SUV médio: incorpora informações de múltiplos voxels tornando-se
menos sensível ao ruído.
• Discussão: varia de acordo com a ROI, ou seja, é sensível ao
observador;
– SUV máximo: é o maior valor dentro de uma ROI, ele independe da ROI,
assumindo que o voxel de maior concentração está incluído.
• Discussão: é mais suscetível ao ruído. O SUVmax é mais utilizado
porque ele é menos dependente do observador e mais reprodutível do
que o SUV médio.

– SUVpico/peak : envolve os valores médios dos voxels que estão na
vizinhança do voxel de maior atividade. “Suavização dos valores”
• Discussão: utilizar o SUV peak é como adicionar uma suavização
extra na imagem. (Não é implementado e/ou utilizado na práica clínica
e há variações de métodos para este mesmo significado) ;


Fatores técnicos
• Varibilidade
entre
os
equipamentos;
–resolução
espacial
(PVE);


Degradação da imagem
• Varibilidade
entre
os
equipamentos;
–resolução
espacial
(PVE);


Fatores técnicos (SUV)
• Parâmetros
de
reconstrução:
–Tamanho
da
matriz
da
imagem;
–“Suavização
da
imagem”
(FWHM);
–“Campo
de
visão”
-‐
Field
of
View
(FOV);
–
TOF
x
non-‐TOF;
–Número
de
iterações;
–Reformatação
da
matriz;

Fatores técnicos (SUV)
• Parâmetros
de
reconstrução:
–Tamanho
da
matriz
da
imagem;


Fatores técnicos
• Parâmetros
de
reconstrução:
–“Campo
de
visão”-‐
Field
of
View
(FOV);


Fatores técnicos
• Parâmetros
de
reconstrução:
–TOF
x
non-‐TOF


Fatores técnicos
• Parâmetros
de
reconstrução:
–Número
de
iterações;


Fatores técnicos
• Parâmetros
de
reconstrução:
– Número
de
iterações;


Fatores técnicos


Alguns artefatos


FDG


The Radioactive Patient
(95th percentile immediately after injection)
Contamination

External

saliva
perspiration
breath
urine

0.8

0.3

0.09

0.04 mSv/h

400 MBq 18F
0.1

0.5

1

2m

Benatar NA, Cronin BF, O Doherty M. Radiation dose rates from patients undergoing PET:
implications for technologists and waiting areas. Eur J Nucl Med 2000: 27: 583-9
Radiation Protection in PET/CT

19

“Auto - atenuação” do paciente


Sala de repouso de
pacientes injetados


Exposição


Tc-99m x F-18


Blindagem PET/CT


Controle de qualidade


Inspeção visual e integridade física
do equipamento
Objetivo: Analisar visualmente o sistema, estação de aquisição e de
processamento, e os dispositivos de armazenamento de dados e
verificar a ocorrência de danos ocasionados pelo transporte, falhas de
fabricação e de instalação.


Sincronismo dos relógios
Horário no
relógio da
radiofarmácia

=

Horário no
equipamento de
aquisição


Cross-calibration
Objetivo: obter os dados de eficiência do scanner. “Calibrar” o
equipamento com o calibrador de dose.

O procedimento varia entre os fabricantes
Ex.:
1) Calcular CCCF utilizando um fantoma de água preenchido com F-18
com uma quantidade conhecida de atividade (~1,5 mCi - 55,5 MBq),
protocolo de corpo inteiro para 1 posição de mesa com 100 M contagens
2) “Recalibrar” o fantoma de Ge-68 e o valor de calibração (ECF)
usando o CCCF
3) Normalizar e calibrar o equipamento para verificar a eficácia do
procedimento


Cross-calibration
Objetivo: obter os dados de eficiência do scanner. “Calibrar” o
equipamento com o calibrador de dose.

Atualizar a nova atividade da fonte
cilíndrica


Normalização
Objetivo: Procedimento para adquirir dados sobre a eficiência dos
detectores para uso em correção da sua não uniformidade, segundo
recomendação do fabricante


Normalização

Antes

Normalização

Antes

Depois

Veriﬁcação da estabilidade do
sistema de detectores
Objetivo: Verificar a constância do desempenho dos módulos
detectores. Teste também conhecido como verificação da
sensibildiade relativa por linha da resposta e adequação da
normalização dos detectores


Objetivo: Verificar a contância do desempenho dos módulos


Objetivo: Verificar a contância do desempenho dos módulos
Std QC x Daily QC
% detectores>3 SD


Uniformidade tomográﬁca
Objetivo: Testar a capacidade do sistema em medir uma mesma
atividade, independente de sua posição no campo de visão do
sistema.

Procedimento

• Utilizar ~4x a concentração

da atividade utilizada no
protocolo de varredura de
corpo inteiro
• A atividade utilizada deve ser
mesurada no calibrador de
dose e o horário da medida
deve ser anotado.
• fantoma deslocado 2,5 cm
do eixo axial;

Uniformidade tomográﬁca
Objetivo: Testar a capacidade do sistema em medir uma mesma
atividade, independente de sua posição no campo de visão do
sistema.
Procedimento

• deverão ser adquiridos ~20 milhões de contagens por corte e
reconstruídos com um ﬁltro rampa.

• rois de 1 x 1 cm2 deverão ser construídas e analisadas

Tanto por corte quanto para todo o volume


IAEA, Human health series nº1, 2009

Resolução espacial
Objetivo: medir e verificar a constância da resolução espacial do
sistema tomográfico com relação aos valores de referência.


Alinhamento PET/CT
Objetivo: avaliar a fusão das imagens PET/CT


Qualidade da imagem
Objetivo: mensurar o desempenho do equipamento simulando uma
varredura de corpo inteiro. Este teste utiliza esferas “quentes”e frias”
de diferentes tamanhos.

PET Scatter Phantom

NEMA/IEC Body Phantom


Qualidade da imagem

4:1
8:1


Qualidade da imagem

• 12 rois diâmetro 3,7 cm
• 1,5 cm de distância da
borda e das esferas internas

• ROIs concêntricas
•Contraste esferas “quentes”
e esferas “frias”



Controle de qualidade da TC


Futuro...?!


Obrigado!


tadeukubo@gmail.com

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