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23/04/2012
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La tomografia ad
emissione di positroni
Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
Presupposti fisici:
Radionuclidi a breve emivita (es. 18Fluoro, 15Ossigeno) che
decadono ed emettono positroni
Positroni ed elettroni (stessa massa, carica opposta) annichilano e
danno origine a due raggi in direzione diametralmente opposta,
rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET)
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Lo Studio in vivo del Metabolismo del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
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Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
• 18FDG per misurare il metabolismo glucidico
• H215O per misurare il
flusso ematico
misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato
distretto cerebrale
Caratteristiche distintive
• emivita (min) • tempo di osservazione (min) • durata singolo studio (min) • numero di studi possibili
nella stessa sessione PET
18FDG H215O
110
45
65
1-2
2
1 - 4
1 - 4
> 10
Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positrone-emittenti
Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare:
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H O
HO-CH2
OH
H
H
OH
HO
H
OH
H
( 18F )
[18F]deossi-
glicogeno
[18F]glicolipidi
[18F]glico-
proteine [18F]UDPDG
[18F]deossiglucosio-1-P
[18F]deossiglucosio-6-P
glucosio-6-P
fruttosio-6-P
CO2 + H2O
Tessuto cerebrale Plasma
[18F]deossiglucosio
Bar
rier
a em
ato-e
nce
fali
ca
[18F]deossi-
glucosio
glucosio glucosio
Il modello del 18Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale
precursori prodotti metabolici
K*2
K*1
K1
K2
K*3
K3
esochinasi fosfoglucosio
isomerasi
esochinasi
glucosio 2-deossi-D-glucosio
H O
HO-CH2
OH
H
H
H
HO
H
OH
H
G-6-Pasi
Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
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Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche
• Condizione di riposo
• Effetti della stimolazione
sensoriale visiva
occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scena complessa
0
10
20
30
40
50
60
Corteccia Visiva
aum
ento
% d
el m
eta
bolis
mo
del glu
cosi
o
Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche
18FDG -glucosio
18F-fluorodopa
18F-fluoroetilspiperone
Anziano
Sano
Malato
AD
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Adapted from Gusnard & Raichle (2001)
Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche
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Perché la PET??
• Può usufruire di un numero illimitato di traccianti
• È un metodo quantitativo
• Ha alta sensibilità
• Ha un’elevata “risoluzione chimica”
• Ha una risoluzione spaziale discreta (2 mm)
PET: Metodologia
La raccolta dei dati e i metodi di analisi dipendono dallo studio in questione
• Immagine semiqualitativa singola (immagine statica clinica)
• Analisi più dettagliate richiedono un’acquisizione dinamica (elaborazione di un modello, campionamento ematico, ecc.
– Confronto tra gruppi a riposo
– Attivazione vs condizione di riposo
– Confronto tra attivazioni di gruppi diversi
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PET statica semiqualitativa singola
La tomografia ad
emissione di positroni
tra applicazioni
cliniche…
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• Patologie neurodegenerative
– caratterizzazione clinica
– diagnosi differenziale
– tipizzazione
– evoluzione
• Tumori
– grading
– post-operatorio
– follow-up
• Epilessia
• Dolore cronico
• Disturbi del movimento
• Trauma
• Patologia ischemica e cerebrovascolare
• Patologie Infettive
• Mapping funzionale prechirurgico
Utilità studi PET cerebrali
Il ruolo della PET nelle patologie neurologiche
Epilessia
Parkinson
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Studio in vivo nell’Uomo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Formazioni
Neoplastiche Cerebrali Diagnostica Molecolare in Vivo
• La misurazione del metabolismo cerebrale del glucosio consente di:
• determinare la natura (benigna/maligna) della neoformazione
• determinarne il grado di anaplasia ( anaplasia consumo glucosio)
• valutare nel tempo gli effetti della terapia e la presenza di eventuali
recidive
• Cellule neoplastiche:
replicazione cellulare attività metabolica di sintesi
attività glicolitica
Il ruolo della PET nelle patologie neurologiche
Traumi Cranici
Corea di Hungtinton
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Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle
Malattie Neurodegenerative: la Demenza di Alzheimer
• Progressivo e globale decadimento delle funzioni cognitive (memoria linguaggio,
ragionamento, pensiero astratto, ecc.)
Le riduzioni dei valori di
metabolismo glucidico in
pazienti con malattia di
Alzheimer:
• prevalenti nelle regioni
della neocorteccia
associativa dei lobi
parietale, temporale e
frontale
• si aggravano con il
progredire della malattia
• correlano con il quadro di
disfunzione cognitiva e, in
alcuni casi, possono
precedere e predirre il
successivo sviluppo dei
deficit neuropsicologici
SOGGETTO
NORMALE
DEMENZA
INIZIALE
DEMENZA
MODERATA
DEMENZA
GRAVE
Alzheimer’s Disease: Diagnosi
M 65 yrs
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Alzheimer’s Disease: Evoluzione
Alzheimer’s Disease: Correlazione con la clinica
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La PET nella valutazione della demenza: Predire l’evoluzione
Silverman DHS et al., JAMA, 2001
La PET nella valutazione della demenza: Quale tipo di decadimento cognitivo?
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Demenza Fronto-temporale
F 70 yrs
Visual Variant
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Nordberg A., The Lancet Neurology, 2004
Healthy olders
AD
PET – quali frontiere per la neuropatologia?
HC
AD
MCI
MCI/AD
Sabri O., Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2008
ß-amiloide Recettori nicotinici
• Patologie neurodegenerative
– caratterizzazione clinica
– diagnosi differenziale
– tipizzazione
– evoluzione
• Tumori
– grading
– post-operatorio
– follow-up
• Epilessia
• Dolore cronico
• Disturbi del movimento
• Trauma
• Patologia ischemica e cerebrovascolare
• Patologie Infettive
• Mapping funzionale prechirurgico
Utilità studi PET cerebrali
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La valutazione in acuto di immagini strutturali e/o metabolico-funzionali è orientata all’identificazione delle lesioni che
necessitano di una terapia chirurgica d’urgenza
Trauma - TAC e RMN
La valutazione funzionale in acuto può contribuire alla definizione dei processi patofisiologici iniziali, alla valutazione dell’intervento terapeutico e al potenziamento delle strategie d’intervento
Trauma - DTI/PET/sRMN
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• Patologie neurodegenerative
– caratterizzazione clinica
– diagnosi differenziale
– tipizzazione
– evoluzione
• Tumori
– grading
– post-operatorio
– follow-up
• Epilessia
• Dolore cronico
• Disturbi del movimento
• Trauma
• Patologia ischemica e cerebrovascolare
• Patologie Infettive
• Mapping funzionale prechirurgico
Utilità studi PET cerebrali
Stroke - PET
• Valutare la funzionalità residua di ogni paziente
• Comprendere i meccanismi d’azione delle varie
terapie riabilitative o della risposta del paziente
alle stesse al fine di una migliore scelta
individuale
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• Patologie neurodegenerative
– caratterizzazione clinica
– diagnosi differenziale
– tipizzazione
– evoluzione
• Tumori
– grading
– post-operatorio
– follow-up
• Epilessia
• Dolore cronico
• Disturbi del movimento
• Trauma
• Patologia ischemica e cerebrovascolare
• Patologie Infettive
• Mapping funzionale prechirurgico
Utilità studi PET cerebrali
PET – ruolo nelle infezioni
Toxoplasmosi
Linfoma
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La PET cerebrale
tra applicazioni cliniche
… e di ricerca
Analisi dei dati: postprocessing
reconstruction registration smoothing
Rationale: ipotesi
sperimentale
Preprocessing e sessione
sperimentale
Interpretazione dei risultati,
correlazione con dati
comportamentali e verifica
dell’ipotesi
Paradigma sperimentale
Selezione, screening,
test psicologici e
comportamentali
Esperimenti PET
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Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
SELEZIONE DEL CAMPIONE
• Selezionare le caratteristiche di genere (maschi o femmine), età (giovani o anziani), educazione, anamnestiche (patologie o farmaci che interferiscono col metabolismo cerebrale)
• Selezionare il campione in base al compito sperimentale (es. selezione con Betts Questionnaire per studio di visual imagery)
• Training preliminare (attenzione ai bias introdotti dalla performance)
• Feedback della performance durante il compito!
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Metodologia PET: confronto tra gruppi
GRUPPO A GRUPPO B
IMMAGINE RISULTATO
NORMALIZZAZIONE SPAZIALE
ANATOMICA (Talairach
e Tournoux
Atlas)
#1
#2
#3
#4
#5
…n
ANALISI STATISTICA
(ANOVA, T-TEST, CORRELAZIONE)
Metodologia PET: Attivazione vs condizione di riposo
ATTIVAZIONE RIPOSO CONTROLLO
IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE
NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas)
IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA
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La sottrazione cognitiva è nata con gli esperimenti di reazione motoria (F. C. Donders).
Assunzione della inserzione pura: Si può inserire una componente nel compito sperimentale senza interferire con le altre componenti (N.B. grosso limite inerpretativo!)
Esempio: T1: Premi un bottone quando appare una luce T2: Premi un bottone quando appare una luce verde ma non rossa T3: Premi il bottone sinistro quando appare una luce verde e il bottone
destro quando appare una luce rossa T2 – T1 = tempo per fare una discriminazione tra colori T3 – T2 = tempo per prendere una decisione F. C. Donders
Paradigma sperimentale
Logica della sottrazione
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PET - applicazioni cliniche
Oncologiche
Cardiache
Cerebrali
Malattie Infettive
Farmacologiche
Metaboliche
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40 minutes after injection with FDG, normal uptake in brain (Br) and in myocardium (C) and renal excretion into the urinary bladder (B) are visible. Also seen is a tumor (T) in the lungs, that takes up more FDG than the surroundings tissues
Role of PET in oncology
PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione
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Tumore primitivo (melanoma)
Replicazioni Metastatiche
PET-FDG: stadiazione e ricerca repliche
La PET Whole-body con un precursore della serotonina marcato con 11C (5-
hydroxytriptophan-5-HTTP) usato come tracciante, dimostra un carcinoide
bronchiale a secrezione ectopica di ACTH con metastasi al polmone
PET-FDG: ricerca lesione primaria
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PET-FDG: stadiazione
PET-FDG: stadiazione
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Role of PET in oncology
Post-therapy 18F-FDG PET/CTstudy of same patient
There is no appreciable FDG uptake in mediastinum (especially in transverse and sagittal images) to suggest residual lymphoma.
Note intense 18F-FDG uptake in bone marrow in shoulder joints, sternum, and thoracic vertebrae, consistent with post-therapy reactive bone marrow changes.
Role of PET in oncology: therapeutic evaluation
A 45-y-old man with NHL (diffuse large cell) underwent 18FDG PET/CT before and after completion of chemotherapy
Pretherapy 18FFDG PET/CT images reveal intense uptake in right supraclavicular region and right anterior mediastinum. Note physiologic uptake in myocardium.
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Esame PET
Linfoma di Hodgkin
Esame PET
Post-trattamento
PET-FDG: verifica della terapia
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Role of PET in infectious diseases
A patient with fever of unknown origin
FDG PET coronal images (left) show increased FDG uptake in the large thoracic vessels and
arteria carotis communis (arrows), suggesting arteritis
The arteria temporalis could not be visualized due to the proximity of the brain (subsequently
arteria temporalis biopsy revealed giant cell arteritis)
A follow-up scan (right) 6 weeks after initiation of corticoid therapy shows a decrease in the
inflammatory process.
Role of PET in infectious diseases
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Il ruolo della PET nelle patologie cardiache:
quando il miocardio è ibernato
Confronto tra esame PET e scintigrafia perfusionale
Il ruolo della PET nelle patologie cardiache:
quando il miocardio è ibernato
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![Tumori renali in età ped.2 x studenti [modalità compatibilità] · Caratteristiche generali ... • Istologia favorevole - assenza anaplasia - anaplasia nello stadio I • Istologia](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/5c65888c09d3f2876e8cc8e4/tumori-renali-in-eta-ped2-x-studenti-modalita-compatibilita-caratteristiche.jpg)
