PET : aceleradores, ciclotrón y radiaciones Gabriel González Sprinberg Instituto de Física, Facultad de Ciencias Montevideo Uruguay

Aceleradores Partículas cargadas se aceleran por campos eléctricos y se deflectan por campos magnéticos EN MEDICINA: Radioterapia: electrones/fotones hasta algunos MeV Aceleradores lineales Bombas de cobalto Ciclotrones (PET) EN INVESTIGACIÓN: eV - TeV !!!! Ciclotron : trayectoria espiral, MeV Aceleradores lineales: trayectoria lineal, GeV Synchrotron : trayectoria circular, TeV o rayos X

Aceleradores

Aceleradores

Aceleradores Fermilab – Chicago : p + p, 1 TeV

Aceleradores LHC: p+p 14 TeV !!!!

Aceleradores

Aceleradores ATLAS: A Toroidal Lhc ApparauS 7000 toneladas 25 m diámetro 46 m largo

Aceleradores ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS 7000 toneladas 25 m diámetro 46 m largo

Aceleradores International Linear Collider 40 km Electrón – Positrón Energías TeV Japón (?)

Aceleradores Synchrotron: rayos X Cristalografía, Bioquímica, proteinas Semiconductores Imagenologia Materiales

Aceleradores TRIUMF: VANCOUVER, Ciclotrón p MeV Diámetro 18 m, imán 4000 ton campo 0.46 T, radiofrecuencia 23 MHz 94 kV corriente del haz 200 μA Experimentos: Física de muones, kaones Isótopos exóticos Nucleosíntesis Experimentos β-NMR - Nuclear magnetic resonance using beta emission for studies in materials science.[2]beta emission[2] 8PI - Studying nuclear structure via beta emission using an array of HPGe and optionally, either plastic or silicon detectors. [3]beta emission[3] DRAGON - Studies of stellar nucleosynthesis in the conditions of nova and supernova using a recoil mass spectrometer.[4]novasupernovamass spectrometer[4] DSL - Doppler shift measurements of isotope lifetimes.[5]Doppler shift[5] HERACLES - Multi detector array previously used at Chalk River Laboratories and the Texas A&M cyclotronChalk River Laboratories TITAN - Ion trap for nuclear and atomic studies [6]Ion trap[6] TRINAT - Neutral ion trap [7][7] TUDA - A general purpose facility for studying nuclear reactions of astrophysical significance with solid state detectors.[8]solid state detectors[8] TACTIC - An ionization chamber with full track reconstruction capabilities for studying reactions of astrophysical importance.[9]ionization chamber[9] The ISAC II expansion uses a superconducting linear accelerator to accelerate heavier isotopes to higher energies.superconducting ISAC II experiments include EMMA - Heavier isotope recoil mass spectrometer [10][10] TIGRESS - Gamma ray spectrometer [11]Gamma rayspectrometer[11] Medical Physics and Isotope Production TRIUMF is partnered with MDS Nordion to produce isotopes for use in medical imaging and diagnostics using proton beams from theMDS Nordion main cyclotron and four smaller cyclotrons. Short lived isotopes are produced for use in PET at the UBC hospital. Radioactive tracersPET are also produced for use in a wide range of research including chemistry and biology. As well proton beams are used to treat ocular melanoma at TRIUMF.ocular melanoma

Aceleradores

Aceleradores PRIMERA IMAGEN DE PET FUE TOMADA EN EL CERN EN 1977

Aceleradores PREMIO NOBEL EN FÍSICA

Ciclotrón Ciclotrón: aceleradores de protones / deuterones que, por acción de campos eléctricos (alta frecuencia) y magnéticos (deflectores), con energías típicas de 10 –20 MeV protones 5 –10 MeV deuterones producen partículas cargadas (e -, H +, D +, T +, He ++ ) que inciden sobre blancos (núcleos de Be, Ne, O, C) Campos magnéticos: electroimanes que imprimen trayectorias circulares a las partículas

Ciclotrón Las partículas se desplazan dentro de dos electrodos huecos en forma de D contenidos dentro de una cámara con vacío, entre los polos de un electroimán.Las partículas se desplazan dentro de dos electrodos huecos en forma de D contenidos dentro de una cámara con vacío, entre los polos de un electroimán. El campo magnético es vertical, mientras que el campo eléctrico acelerador es horizontal y se establece entre los dos electrodos huecos.El campo magnético es vertical, mientras que el campo eléctrico acelerador es horizontal y se establece entre los dos electrodos huecos. En el centro del aparato está la fuente de iones constituida por un filamento incandescente que provoca la ionización de la débil corriente gaseosa de alimentación que circula por la fuente. Bajo la acción del campo magnético vertical, las partículas cargadas describen una trayectoria circular dentro del plano horizontal en que se hace actuar un campo eléctrico acelerador.En el centro del aparato está la fuente de iones constituida por un filamento incandescente que provoca la ionización de la débil corriente gaseosa de alimentación que circula por la fuente. Bajo la acción del campo magnético vertical, las partículas cargadas describen una trayectoria circular dentro del plano horizontal en que se hace actuar un campo eléctrico acelerador.

Ciclotrón f = B q / 2 π m;f r = f (1-v 2 /c 2 ) 1/2 Cyclotron Synchrocyclotron

Ciclotrón E MeV Oxígeno 15 Vida meda corta (T½=2.05 min) para PET. Se obtiene en ciclotrones muy compactos para uso hospitalario. Haz de deuterones 3.8 MeV de hasta 60 µA inciden en el blanco. Blanco gaseoso (99% N 2, 1% O 2 ) aislado en vacío por ventana de 7.5 µm de titanium en la que el haz pierde 0.35 MeV. La energía de entrada en el blanco gaseoso es de cerca de 3.4 MeV. Datos técnicos MEAN MAGNETIC FIELD 1.9 TESLA RADIUS OF POLES M POWER 13.5 kW RF FREQUENCY 30 MHz RF POWER 10 kW NUMBER OF DEES 2 DEE ANGLE 90 DEGREES DEE VOLTAGE kV RUNTIME hrs/yr

Ciclotrón BLANCOS

Ciclotrón

Ciclotrón

Ciclotrón

Ciclotrón

Núcleos inestables DECAIMIENTO GAMMA: ENERGÍAS TÍPICAS MeV electron

Núcleos inestables

DECAIMIENTO ALFA: ENERGÍAS TÍPICAS MeV

Positrones y decaimiento beta Electrón: masa 511 KeV/c 2, carga “negativa” Positrón; antipartícula, igual masa, carga “positiva” (Anderson 1935) Predicción de la ecuación de DIRAC en 1929 (Premio Nobel 1933) Un par electron-positron se aniquila en reposo produciendo dos fotones, emitidos en direcciones opuestas, cada uno con energía de 511 KeV. Los positrones provienen de núcleos atómicos inestables que, en sus decaimientos hacia un estado estable, los emiten: DECAIMIENTO BETA En vacío: n p + e - + neutrino β - En un núcleo: p n + e + + neutrino β +

Positrones y decaimiento beta

PROCESO DE TRES CUERPOS: LA ENERGÍA DEL “RAYO” BETA NO ES FIJA

Positrones y decaimiento beta ANIQUILACIÓN DE UN POSITRÓN PROVENIENTE DE DECAIMIENTO BETA: PRODUCCIÓN DE UN PAR DE FOTONES

Positrones y decaimiento beta ANIQUILACIÓN DE UN POSITRÓN PROVENIENTE DE DECAIMIENTO BETA: 1.EL POSI´TRÓN RECORRE ALGUOS MILÍMETROS ( 2- 3 mm ) HASTA DEGRADAR SU ENERGÍA (DEL ORDER DEL MeV). 2. SE FORMA UN ESTADO LIGADO ELECTRÓN-POSITRÓN: POSITRONIO, DE VIDA MEDIA MUY CORTA ( / SEC. ). 3. EL POSITRONIO DECAE ANIQUILÁNDOSE EL PAR Y PRODUCIENDO UN PAR DE FOTONES DE ENERGÍAS 511 KeV ( m e c 2 = 511 KeV ). 4. EL PAR DE FOTONES ES DETECTADO EN COINCIDENCIA ( 10 ns ).

Positrones y decaimiento beta

Detección de coincidencias

Positrones y decaimiento beta Las regiones con mayor concentración de actividad producen más líneas de coincidencia La actividad se puede medir y cuantificar Se miden algunos miles de eventos, recogidos en pocos segundos

Positrones y decaimiento beta Los cristales tienen alto Z y densidad Alta eficiencia en detección de fotones de 511 KeV. Cristales de mm tienen una eficiencia del 70% : la eficiencia de coincidencias es 50%. La eficiencia final respecto del número de pares de fotones producidos es del orden del 3%. La resolución espacial es 4 mm.

PET Positron Emission Tomogaphy (1998, U. Pittsburgh) Medir la concentración de emisores de positrones (C-11, O-15, N-13) en moléculas orgánicas marcadas con estos isótopos. Medición del metabolismo in vivo. Imágenes Diagnóstico (PET scanners/CT = metabólico/anatómico) Ciclotrón Isótopos Trazadores

PET

PET

PET

PET

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl).

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl). Eficiencia del detector y sensibilidad del scanner

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl). Resolución espacial del detector

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl). Tiempo muerto del detector y rechazos aleatorios

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl). Sensibilidad y resolución

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl). resolución espacial y en energía

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl). Mejora rechazos de eventos

Tomógrafos-Centelladores Cada fabricante de tomógrafos utiliza un material como cristal centelleador. Los cristales de BGO (Germanato de bismuto) se han venido utilizando ampliamente en los tomógrafos PET desde finales de los años 70, debido a su mayor poder de frenado para los fotones de 511 keV, en comparación con los cristales de NaI(Tl). Facilita su empleo, confiabilidad y cosotos de service

Tomógrafos-Centelladores

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Tomógrafos-Centelladores

Tomógrafos-Centelladores

Tomógrafos-Centelladores COINCIDENCIAS Y ERRORES

Tomógrafos-Centelladores

Emisores de positrones RNT 1/2 Molécula Uso 11 C m CO 2 Metab.Cardíaco CO Vol. Sang. PIB Alzheimer 13 N 9.96 m NH 3 15 O 2.07 m O 2 Metab. O 2 H 2 O Flujo Sang. 18 F m FDG Oncología Epilepsia Psiquiatría

Isótopos de uso común

Fluor 18: emisor beta + FDG

Isótopos de uso común Fluor 18: emisor beta + FDG

Producción RNReacciónPrecursor Producto 11 C 14 N(p,  ) 11 C 14 N 2 (gas) 11 CO 2 13 N 13 C(p,n) 13 N 13 CO 2 gas 13 NH 3 16 O(p,  ) 13 NH 2 16 O 13 NH O 15 N(p,n) 15 O 15 N 2 (gas) 15 O 2 14 N(d,n) 15 O 14 N 2 (gas) 15 O 2 18 F 18 O(p,n) 18 F H 2 18 O 18 F – 20 Ne(d,  ) 18 FNe (1% F 2 ) 18 F-F (F 2 ) 20 Ne(d,  ) 18 FNe (5% H 2 )H 18 F (Henia Balter)