Imagens por Medicina Nuclear

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Imagens em Medicina Nuclear
Princípios de Imagens Médicas
Graduação em Física Médica
• Exemplos de Diagnóstico
– Raio-X Convencional
– Tomografia Computadorizada de 
Raios-X (CT)
– Ultra-sonografia
– Imagem por Ressonância Magnética
– Imagem de Radioisótopos
• Exemplos de Terapia
– Raios-X e Gama (γ)
– Braquiterapia
– Radioisótopos
Administrar uma dose de radiação na 
tentativa de curar uma doença.
• Remoção de Células Cancerígenas
• Impedir a Proliferação
• Medida Paliativa
Principal Aplicação – Terapia de câncer 
Combinação de Métodos de Tratamento:
• Cirurgia Remoção de Partes do Tumor
• Quimioterapia Matar células e Prevenir a Proliferação
• Imunoterapia Aproveitamento do Sistema de Defesa
• Radioterapia Matar Células Cancerígenas
Radioterapia – O Básico
As Células Tumorais não estão Isoladas
• Tecidos Sadios também receberão uma alta 
dose de radiação.
Tecido Sadio
Tumor100%
50%
0% DoseDo
P
r
o
b
a
b
i
l
i
d
a
d
eRelação de 
Morbidade
Radioterapia - O Básico
Células têm Diferentes Radiosensibilidades
Irradiação: Raios de partículas carregadas ou 
neutras
Braquiterapia: Fontes Encapsuladas a uma curta 
distância do tumor 
Medicina Nuclear: Fontes Expostas de Radionuclídeos, 
em contato direto com o órgãos ou com 
o sangue.
• exemplo: 131I para o tratamento da Glândula Tireóide
Radioterapia - O Básico
A Importância de Imagens no 
Tratamento Radioterápico
A Importância de Imagens no 
Tratamento Radioterápico
Annals of Nuclear Medicine, 17(6), 475-480 (2003)
Imagem de
Raios-X, CT
Transmissão: de Raios-X
Projeção da atenuação das 
propriedades dos tecidos
(+ reconstrução de 
imagem):
Detalhes anatômicos 
Emissão: raios-gama.
Projeção da distribuição de 
radiofármacos pelos tecidos
(+ reconstrução de imagem):
Informação funcional,
Processos metabólicos
e anatomia
Imagem de
Radioisótopos
Resumo Histórico
Medicina Nuclear:
Terapêutica e Diagnóstica pelo uso de Substâncias Radioativas
Radioatividade:
Radioisótopos que ocorrem Naturalmente, descobertos em 
1896 por Becquerel
O primeiro radioisótopo artificial foi produzido pelos Curies
em 1934 (32P)
1947 - Kohman: “Radionuclídeo” = núcleos de tempo de vida 
médio mensuráveis 
1949 – A primeira imagem de radionuclídeo (131I ) por Cassen
absorção na glândula tireóide
1957 - Câmera de Anger (Imagem Planar)
1977 – Kayes & Jaszczak desenvolvem o SPECT
independentemente
1976 – O primeiro PET comercial (Phelps & Hoffman)
Definições
Isótopos: Núcleos de mesmo Número Atômico 
Z mas diferente Número de Nêutrons (N) e, 
conseqüentemente, Número de Massa (A):
B115 Símbolo AtômicoNúmero Atômico
Número de Massa
ü 12C 13C 14C
ü 1H 2H 3H
Estabilidade de Isótopos
Quantos isótopos pode ter um elemento? Um átomo 
pode ter quantos nêutrons?
Não; existe um número ideal de combinações de 
nêutrons e prótons, na qual as forças nucleares 
aparentemente se balanceiam melhor. 
Elementos mais leves tendem a ter o mesmo número de 
prótons que de nêutrons. Os mais pesados 
aparentemente precisam de mais nêutrons que prótons. 
Desse modo, isótopos com poucos, ou muitos nêutrons, 
podem existir por algum tempo, mas são instáveis.
ü Por que o núcleo permanece unido?
ü De onde vem a Força Nuclear?
ü Quarks - Modelo de Gell-Mann & George Zweig (1963)
ü Existem 3 tipos de Quarks (u,d,s)
ü [(u,2/3e), (d,-e/3), (s,-e/3)]
ü Próton = uud
ü Nêutron = udd; 
ü píons, kaons
ü Estabilidade do Núcleo
ü No. Prótons = No. Nêutrons -- até Z=20
ü Z>20, maior No. de Nêutrons
ü Instabilidade = Decaimento
Estabilidade do Núcleo
Isótopos
• Alguns Isótopos são Estáveis.
• Os Isótopos Instáveis são os que produzem 
radioatividade.
• Em geral as reações Nucleares são seguidas pela 
emissão de partículas de três tipos:
– alfa
– beta
– gama
• Os nomes foram dados por razões históricas
Isótopos Radioativos
Existem 2 tipos de isótopos radioativos:
1. naturais: (Becquerel 1896). Todo 
elemento, depois do Bi (83) é radioativo.
2. induzidos: produzidos pelo 
bombardeamento de partículas sobre núcleos.
Partículas que são emitidas em 
decaimanetos radioativos (naturais)
1. Partícula alfa: 24He ou 24a
Ø Núcleo de He bastante energético
Ø Bastante ionizável na matéria
Ø Baixo poder de penetração, lento (10% da 
velocidade da Luz)
He Th U 42
234
90
238
92 +→
Partículas que são emitidas em 
decaimentos radioativos (naturais)
2. Emissão Beta: -10b, -10e
Ø Elétrons de Alta velocidade emitido pelo núcleo, se 
movem a 90% da velocidade da luz.
Ø Como sai um Elétron do Núcleo?
– Nêutron decai em um próton e um elétron…
Ø Um poder de penetração maior e um menor poder 
de ionização que as partículas alfa.
e ON 01-
16
8
14
7 +→
Partículas que são emitidas em 
decaimentos radioativos (naturais)
3. Raios gama: g :
Ø Radiação eletromagnética de comprimento de onda 
muito pequeno: muito energético.
Ø Poder de penetração alto e muito energético.
Ø A maioria dos decaimentos radioativos emitem 
raios gama assim como outras partículas.
γ Tc Tc 9943m9943 +→
Radiação Ionizante
As radiações Alfa, beta e gama são radiações 
ionizantes.
Alfa e Beta não são tão perigosas, a não ser 
que sejam ingeridas – causam danos na 
pele e olhos.
A radiação Gama, pelo poder de penetração, 
pode causar muito dano interno.
A Atividade Nuclear
O decaimento radioativo é descrito por: 
N(t), N0: número de radionuclideos em 
T = 0 e λ: constante de decaimento [1/t]
Atividade A = média da razão de decaimento [decaimento por segundo]
0( )
tN t N e λ−=
1/ 2
0.693T λ=
99mTc
( ) ( ) ( ) ( ) 0 tdN tA t N t A t A edt λλ −= − = ⇒ =
Radionuclídeos de Uso Clínico
A maioria dos isótopos radioativos naturais não são utilizados 
clinicamente por não possuírem um T1/2 adequado.
Isótopos radioativos artificiais produzidos pelo bombardeamento 
de isótopos estáveis com fótons de alta energia ou partículas 
carregadas.
Essas partículas podem ser produzidas em Aceleradores Lineares
1/ 2 2.5d99 99T mMo Tc e ν= −⎯⎯⎯⎯→ + +
Radiofármaco
Radionuclídeos são ligados a fármacos específicos a 
alguma atividade metabólica (câncer, perfusão do 
miocárdio, perfusão cerebral)
Emissor de Gama
99mTc-Sestamibi (Perfusão do Miocárdio, câncer)
99mTc-marcado hexamethyl-propyleneamine
(Perfusão Cerebral)
99mTc-marcado perterchnetato (Sistema 
Digestivo)
Utilização do Tecnécio 99 
i) O seu tempo de vida médio é de 6 horas. Tempo longo o 
suficiente para que a investigação seja realizada, e não é tão 
longa a ponto de expor o paciente a altas doses de radiação.
ii) Não existe a emissão de partículas alfa ou beta. Se esse 
fosse o caso, elas seriam absorvidas pelo paciente, 
aumentando a dose recebida pelo paciente, não estando, no 
entanto, contribuindo nada para a formação das imagens.
iii) Pode ser incorporado em um grande número de fármacos.
v) Relativamente barato.
Ciclotron
O Ciclotron GE PETtrace, específico para a produção de 
radionuclídeos a serem utilizados em Medicina Nuclear.
Física do Ciclotron
qB
p
qB
vmr == .
m
qB=ω
E
qBc2=ω
Detecção da Radiação Gama
Detectores de Cintilação mais comumente utilizados:
Cristais: NaI(Ti), BGO, CsF, BaF2 
Critério: Tempo de resposta, eficiência e poder de resolução na energia. 
Detectores de Coleção de íons (Câmaras de Ionização) – não são utilizados 
devido a sua baixa eficiência e resposta lenta.
Detectores Semicondutores (Diodos): Resolução energética excelente, 
resposta rápida, mas pequenos e caros.
Gama Câmara
Colimador
paralelo ou divergenteNaI:Tl scintilador
6 - 25 mm
Guia
Proteção deChumbo
Circular, diam. 0.2 - 0.6 m,
ou
Retangular - 0.5 x 0.6 m2
PMTs
Imagem de Radioisótopos: um 
Exemplo; Cintilografia Planar
Radiofármaco
Detectores 2D
Gama câmeraColimadores, cruciais para a formação das 
imagens
Emissão
Cintilografia Planar
Fósforo marcado com 99mTc,
injetado na corrente sangüínea,
é transportado para os ossos,
produzindo uma visão do esqueleto.
Esse método é muito usado, por
exemplo, para determinar estados 
de metástase
Outros Exemplos de Radionuclídeos
¾ Iodo 131
¾ Emite partículas beta e raios gama.
¾ Doses moderadas podem ser usadas no tratamento de 
hiper-tireoidismo pela morte de algumas células sadias, 
reduzindo, assim, a sua atividade.
¾ Em doses mais elevadas, pode ser usado no tratamento 
de câncer de tireóide.
Iodo no Tratamento da Tireóide
Gama Câmara
Radiofármaco
Duas Câmeras
(girando)
Também de 3 Câmeras
Single Photon Emission CT
Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
Contagem de Fóton Único:
Janelamento (reduz o espalhamento)
Estatística de Contagem limitado pela 
dose de radiação do paciente
~ 30 min exame com a câmara
Primeiro SPECT - 1963 (Mar IV), usando uma 
rede de detectores
Rotação, Translação
Alta razão de Contagem
Muitos Componentes
A maioria de fatia única
Câmera de Gira:
Várias Fatias
Sistema de Muitas Câmeras 
Colimadores Ø Propósito: Formação da Imagem 
Ø Colimador Paralelo
Mais simples e comum 
Magnificação 1:1
Ø Resolução
Ø Contraponto: Resolução x Eficiência
( )2a d z bR
d
+ +=
Aparelho de SPECT
Imagem de SPECT
A distribuição de um agente radioativo dentro do corpo pode ser 
mapeada, sendo proporcional à sua concentração.
Métodos de projeção ou Tomográficos
Imagem funcional de Metabólitos
Funções Cerebrais, Perfusão Cerebral,
Perfusão do Miocárdio, Dinâmica Gástrica,
Detecção de Tumor (metástases) 
Características:
SPECT e Epilepsia
Imagem de Ressonância
Estrutural
Interictal
SPECT
Ictal
SPECT
SPECT e algumas Desordens 
Neurológicas e Psiquiátricas
AVC à Direita Alzheimer
hipoperfusão difusa
Trauma cerebral no PFC esquerdo Depressão
Aumento da atividade límbica e redução 
pré-frontal e do lobo temporal
SPECT Cardíaco
Perfusão do Miocárdio Normal
em stress e repouso
Doença da Artéria Coronária
em stress e repouso
Imagens de SPECT exibem perfusão
normal (brilho, forma de “donut”) 
tanto em repouso quanto stress
Imagens de SPECT exibem perfusão
alterada (em forma de ferradura)
em especial durante stress.
SPECT Gástrico
Positron Emission Tomography
(PET)
9 Início em 1970
9Resolução Espacial
(1970) ≅ 2 cm
(1990) ≅ 4 mm
9 200 Centros de Pesquisa
9Baseado na Produção de Pósitrons
Pósitrons e Aniquilação
¾ O que são Pósitrons?
¾ Eles, depois de produzidos, podem ser 
aniquilados pela presença de elétrons:
⇒ Dois fótons gama são produzidos 
nessa aniquilação, cada um com 
energia de 511 keV, e que viajam em 
direções diametralmente opostas -
180°
Reação de 
Decaimento em 
um Pósitron
Reação de Aniquilação
e+ + e- = 180°
e+
18F
• 2 Fótons de 511 keV
• Emitidos Simultaneamente
• Com um ângulo de 180°
Aquisição e Processamento
Concentração Diferencial
Detectores à Base de Bismuto e Gemânio
Detecção Coincidente 
Septa
Detectores
BGO + PM
Anel Detector 
(diam. Inter. ~ 0.8 m)
Detecção Coincidente
Positron Emission Tomography
Radiofármacos Comuns em PET
Radiofármaco T1/2 % Uso Clínico
• Fluor18 / FDG 110 min. 95%
• Nitrogênio - Amônia 10 min. 2%
• Carbono 11 20 min. 1%
• Oxigênio 15 - água 2 min. 2%
• Nota: FDG (fluorodeoxiglicose) ainda é o único Radiofármaco prático 
para fins de distribuição comercial para laboratórios que não possuem um 
ciclotron dedicado, uma vez que o seu tempo de vida médio é de 
aproximadamente 2 horas.
Aparelho e Imagem de PET
9 Nesse estudo, o paciente foi diagnosticado como tendo 
um tumor no estágio IIB, baseado nas imagens de CT. 
Sendo assim, foi indicado à radioterapia intensiva.
9 O exame de PET confirmou o nodo mediastinal
(esquerda), mas também encontrou áreas de metástase não 
diagnosticadas na adrenal esquerda (centro)
9 Além disso, ficou evidenciado uma lesão no lobo 
hepático (direita).
Aplicações Clínicas
• Oncologia:
– Detecção de Tumor, diferenciação de tecido, grau de Tumor, estágio 
da doença.
– Determinação do tratamento mais apropriado.
– Monitorização da resposta à terapia. 
• Medidas quantitativas.
– Evolução longa: detecção de doenças suspeitas de recorrência.
• Neurologia
– Diferenciação da recorrência de tumor e necrose por radioterapia.
– Localização de foco epiléptico em Epilepsia Parcial Complexa.
• Cardiologia
– Avaliação da Viabilidade do Miocárdio.
• Gastroenterologia
– Avaliação da Fisiologia Intragástrica.
PET e Cocaína
Sem Cocaína Com Cocaína
Avaliação dos Níveis 
de Dopamina no 
cérebro.
PET e MRI