O documento fornece um resumo sobre Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET), descrevendo: 1) O princípio físico por trás do PET, envolvendo a aniquilação elétron-pósitron e a emissão de fótons gama; 2) Os radioisótopos utilizados no PET e sua produção em ciclotrons; 3) Como o PET é utilizado em aplicações médicas como oncologia e neurologia.

1. PET – POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY PROFESSOR RODRIGO PENNA

2. Professor Rodrigo Penna Sítio na internet: www. fisicanovestibular .com.br Blog: www.quantizado.blogspot.com Link para currículo no Sistema Lattes: http://lattes.cnpq.br/6150368513460565 EMAILs [email_address] [email_address]

3. INTRODUÇÃO Os exames PET são relativamente recentes, e a técnica vem sendo implementada com maior destaque a partir da década de 90. Na verdade, o PET é uma das técnicas de um conjunto que é chamado de Medicina Nuclear. Envolve uma tecnologia sofisticada e, claro, altos custos e investimento pesado. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

4. A FÍSICA Desde o início do século XX já se propunha a existência da chamada antimatéria: a cada partícula corresponderia uma antipartícula irmã. O pósitron é a antipartícula do elétron . Possuem a mesma massa (pequena) e cargas iguais e opostas: como o nome já sugere, o pósitron é positivo . Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

5. ANIQUILAÇÃO Quando um par elétron-pósitron se encontra, eles se aniquilam, e surgem dois fótons de radiação  de energia 511KeV . Professor Rodrigo Penna Observe que os dois fótons saem em direções opostas, a partir da aniquilação. O PET se baseia neste princípio.

6. PRODUÇÃO DE RADIONUCLÍDEOS Da mesma forma que na Cintilografia (SPECT) é necessário produzir uma fonte de radiação adequada ao exame. No caso do PET , o radioisótopo é produzido com um acelerador Ciclotron . No Brasil, o IPEN cuida da produção em São Paulo. Não dá tempo! ( meia-vida muito curta !) de transportar para outro estado. O exame tem que ser feito lá mesmo. Professor Rodrigo Penna

7. ESQUEMA DO CICLOTRON Professor Rodrigo Penna

8. OS CICLOTRONS - Brasil Professor Rodrigo Penna I - Produção e Injeção : Ocorre a formação de íons negativos (plasma) e são injetados axialmente no interior, precisamenteno centro da câmara de aceleração (tanque). Esta etapa é constituída principalmente pelo Sistema de Fonte de Íons e de Injeção; II - Aceleração e Extração : Os íons são colocados em movimento circular e acelerados, fornecendo energia aos íons negativos. Em seguida são transformados em íons positivos, e então extraídos do tanque numa órbita específica. Esta etapa é constituída pelos sistemas Magnético, de Radiofreqüência e de Extração. III - Transporte : Nesta etapa os íons positivos extraídos são conduzidos através das Linhas de Transporte de Feixe até o alvo específico. Esta etapa é constituída pelo Sistema de Transporte de Feixe; IV. Preparação e Irradiação : São realizados os preparativos de montagem do porta-alvo específico e o respectivo bombardeamento com íons positivos (feixe de prótons) do material-alvo a ser irradiado, resultando no radioisótopo. Esta etapa é constituída pelo Sistema de Porta-Alvos.

9. CICLOTRON AUSTRÁLIA Atualmente, mais de 120 ciclotrons para aplicação médica se encontram em operação espalhados pelo mundo. 3 na Austrália. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

10. OS RADIONÚCLIDEOS Professor Rodrigo Penna AUSTIN, AUSTRÁLIA Produzidos num ciclotron com feixe de prótons de 10MeV ou feixe de dêuterons de 5MeV . Radionuclides Nuclear reaction Production yield Oxygen-15 14 N(d,n) 15 O 300mCi (12GBq) Nitrogen-13 16 O(p,  ) 13 N 100mCi (4GBq) Carbon-11 14 N(p,  ) 11 C 800mCi (32GBq) Fluorine-18 18 O(p,n) 18 F 800mCi (32GBq)

11. CURVA DE ESTABILIDADE Professor Rodrigo Penna

12. OS RADIOFÁRMACOS Professor Rodrigo Penna Radiotracers & radiopharmacuticals Examples of biomedical applications 15 O-oxygen oxygen metabolism 15 O-carbon monoxide blood volume 15 O-carbon dioxide blood flow 15 O-water blood flow 13 N-ammonia blood flow 18 F-FDG glucose metabolism 18 F-FMISO hypoxic cell tracer 11 C-SCH23390 dopamine DI receptor 11 C-flumazenil benzodiazepine receptor

13. A RADIOFARMÁCIA APARELHAGEM SOFISTICADA Professor Rodrigo Penna

14. MEIA-VIDA T 1/2 MUITO CURTA ! Observe na tabela a meia-vida de cada radioisótopo utilizado em PET. Seus valores são de fato muito baixos para que possam ser transportados para longe do local de produção. Professor Rodrigo Penna

15. UTILIZAÇÃO DO PET - 1 Estudo da viabilidade do miocárdio (Austin). Pacientes com conhecida e diagnosticada doença aguda no coração. A técnica PET demonstrou maior eficiência que a cintilografia com Tálio ( SPECT ) no diagnóstico da viabilidade do miocárdio. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

16. Neurociência e Psiquiatria . Estudo para o entendimento da bioquímica dos processos e funções cerebrais (sofisticados!). Epilepsia, doenças neurodegenerativas como os conhecidos mal de Alzheimer e Parkinson . Tem sido usado para estudo do metabolismo em áreas específicas do cérebro. UTILIZAÇÃO DO PET - 2 Professor Rodrigo Penna

17. UTILIZAÇÃO DO PET - 3 Oncologia . Permite o estudo do metabolismo tumoral . Diagnóstico de vários tipos de tumores em estágios iniciais , o que potencializa em muito os prognósticos positivos de tratamento. Tem sido usado em estudos e testes para novas drogas contra o câncer . Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

18. PRINCÍPIOS BÁSICOS - 1 Professor Rodrigo Penna

19. DESCRIÇÃO - 1 Um radiofármaco específico é produzido e administrado no paciente. Dentro do paciente, um núcleo pai sofre um decaimento  + : 1 próton decai em 1 nêutron, 1 pósitron e um neutrino. O pósitron encontra um elétron e sofre uma aniquilação . Dois fótons de 511KeV são emitidos. Professor Rodrigo Penna

20. PRINCÍPIOS BÁSICOS - 2 Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

21. DESCRIÇÃO - 2 Numa câmara PET, os detectores (cristais cintiladores como na cintilografia!) são construídos em posições opostas . Os cristais opostos detectam então as chegadas dos dois fótons de 511KeV emitidos em sentidos opostos . Somente os eventos coincidentes são contados para efeito de geração de imagem. Professor Rodrigo Penna

22. OS CRISTAIS DETECTORES Ao contrário da Cintilografia, onde se usa mais comumente o NaI(Tl), muitos sistemas PET atualmente usam o cristal de germanato de bismuto (Bi 4 Ge 3 O 12 – BGO ). Suas vantagens são uma maior eficiência para os fótons de 511KeV do PET. Apesar de sua saída de luz ser de apenas cerca de 12 a 14% do NaI(Tl) , o BGO é mais denso e tem e tem um maior peso atômico. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

23. CORREÇÃO DA ATENUAÇÃO Professor Rodrigo Penna

24. DESCRIÇÃO - 3 Após a aniquilação, os dois fótons opostos não percorrem caminhos iguais no interior do paciente: um deles sempre vai enfrentar um caminho maior e neste trajeto sofrer uma maior atenuação . Este efeito precisa ser levado em conta. Cálculos matemáticos sofisticados , realizados por computador , corrigem este efeito para melhorar a qualidade da imagem. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

25. ERROS NAS CONTAGENS Professor Rodrigo Penna LOR = LINHA DE RESPOSTA, em inglês.

26. DESCRIÇÃO - 4 Um outro efeito que pode contribuir para a perda de qualidade da imagem a ser gerada é que nem sempre os detectores contam um evento (aniquilação) corretamente. Isto pode ocorrer por espalhamento do fóton ou até aleatoriamente , isto é, por coincidência. Assim, este problema também precisa ser tratado. Professor Rodrigo Penna

27. COLIMADORES - 1 Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

28. COLIMADORES - 2 Professor Rodrigo Penna

29. Os efeitos devidos aos espalhamentos dos fótons podem ser minimizados através do uso de colimadores . A programação do computador, para cada tipo diferente de imagem a ser gerada, pode contabilizar como verdadeira e correta as contagens para determinados colimadores. Podem ser geradas imagens bi ou tridimensionais . DESCRIÇÃO - 5 Professor Rodrigo Penna

30. AS CÂMARAS PET AUSTRÁLIA Austin & Repatriation Medical Centre Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

31. MAIS CÂMARAS Professor Rodrigo Penna

32. O EXAME Professor Rodrigo Penna

33. PET - CT A grande vantagem de PET em relação à cintilografia convencional e aos demais exames de diagnóstico por imagem como Tomografia Computadorizada, Ressonância e Ultra-som, é que o método é capaz de detectar com enorme precocidade mínimas áreas de tumor (até 4 mm) que não podem ser vistas nos demais exames, senão tardiamente, quando o tumor já apresenta grandes dimensões e portanto maior gravidade para o paciente. Apesar das imagens de PET serem altamente informativas da presença do tumor, muitas vezes não se consegue identificar com precisão a localização das mesmas em um determinado órgão . Os aparelhos de PET de última geração foram portanto concebidos híbridos, isto é, com a associação em um mesmo equipamento, do PET que é chamado de um método metabólico com um tomógrafo convencional (CT) que é um método morfológico. Tal associação (PET + CT = PET-CT ) permite então que se localize com grande precocidade e com alta precisão as pequenas lesões tumorais. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

34. INFORMAÇÕES Custo: US$4.000 (USA); R$3.000 aqui. Exame diagnóstico por imagem que mais cresceu nos EUA nos últimos 2 anos. Apesar de caro, estudos demonstram uma boa relação custo benefício . Afinal, o PET pode ajudar a evitar biopsías e outros procedimentos invasivos, como cirurgias. Nos EUA a economia chega a milhões de dólares! Professor Rodrigo Penna

35. IMAGENS – Falso positivo! Paciente mujer de 45 años de edad sometida a cuadrantectomía y linfadenectomía por carcinoma de mama izquierda. Recibió quimio y radioterapia posteriormente. Ante elevación de marcadores tumorales se realiza PET-FDG mostrando captaciones en porción anterior de bases de ambos hemitórax próximos a mediastino no confirmadas en TAC y con ecocardiograma normal. Un nuevo PET-FDG de control con fusión PET-TAC, confirma el origen cardíaco fisiológico de las captaciones iniciales Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

36. IMAGEM 2 Paciente de 37 años de edad diagnosticado de linfoma de Hodgkin tipo celularidad mixta estadio clínico II-B con voluminosa afectación mediastínica. Recibió quimioterapia, y radioterapia de mediastino, con estudios PET-FDG y galio-67 normales. En PET-FDG de control ocho meses después se objetivó lesión hipermetabólica en región paratraqueal inferior izquierda Los estudios TAC de control fueron normales. PET-FDG a los 3 meses, dentro de la normalidad. La actividad observada en PET-FDG era captación normal en cavidades cardíacas. Professor Rodrigo Penna

37. SUSPEITA DE REINCIDÊNCIA DE CÂNCER RETAL Professor Rodrigo Penna

38. Professor Rodrigo Penna

39. Carcinoma Pulmonar COMPARAÇÃO ENTRE IMAGENS Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

40. Cintilografia - carcinoma Professor Rodrigo Penna

41. PET - carcinoma Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br

42. Carcinoma Epidermoide Faringo-Laringeo Professor Rodrigo Penna

43. BIBLIOGRAFIA Austin & Repatriation Medical Centre, centro médico da Austrália, site http://www.petnm.unimelb.edu.au/ em 10/11/04. The Essential Physics of Medical Imaging , Bushberg, Seibert, Leidholdt e Boone, Ed. Lippincott Williams & Wilkins - tem na biblioteca da escola. Guia Prático de Medicina Nuclear , tem na biblioteca. IPEN, site http://www.ipen.br/ em 12/11/04. Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos , Luiz Tauhata, Ivan P. A. Salati, Renato Di Prinzio e Antonieta R. Di Prinzio, IRD, CNEN. Também está disponível gratuitamente na internet no site http://www.ird.gov.br/tauhata/FundamentosCORv5.pdf (ou http://www.ird.gov.br/ ) em 08/08/2004. Sociedade Espanhola de Medicina Nuclear, site http://www.semn.es/ em 18/11/04. Professor Rodrigo Penna www.fisicanovestibular.com.br