La gamma camera è l'apparecchiatura utilizzata in medicina nucleare per l'acquisizione delle immagini scintigrafiche. Queste ultime rappresentano visivamente la distribuzione nel corpo umano della radioattività emessa dai radiofarmaci iniettati nel paziente a scopo diagnostico o terapeutico.
Descrizione È costituita da due elementi fondamentali: il collimatore e un sistema di localizzazione fotonica. Il collimatore è costituito da una lastra di materiale assorbente (solitamente piombo) in cui sono praticati dei fori. In tal modo, possono passare attraverso i fori esclusivamente i raggi che si muovono nella direzione scelta, mentre i restanti verranno assorbiti. Esistono collimatori con diverse geometrie di fori (vedi sotto).
Lo spessore dei setti fra i fori e la lunghezza degli stessi determina da un lato la definizione spaziale del sistema e dall'altro l'efficienza di rilevazione (quanti fotoni del totale che raggiunge il collimatore sono rilevati dalla gamma camera). Differenti spessori e lunghezze sono quindi necessarie, a seconda dell'energia dei fotoni incidenti (fotoni più energetici attraversano un maggiore spessore di piombo), per raggiungere il miglior compromesso fra quantità di "rumore" presente nell'immagine finale (dovuta ad interazioni con fotoni non voluti, ad esempio che hanno subìto scatter compton) e intensità di segnale rilevata.
Geometrie dei collimatori:
PARALLEL-HOLE è costituita di fori paralleli e perpendicolari al cristallo. Proietta immagini delle reali dimensioni del paziente. Le tipologie più comuni sono: LEHR (Low Energy High Resolution). Utilizzato per fotoni a bassa energia (es. quelli emessi dal tecnezio-99 metastabile) in cui si vuole un'alta risoluzione spaziale a scapito dell'efficienza di rilevazione. LEAP o LEGP (Low Energy All Purpose o Low Energy General Purpose). Il collimatore a fori paralleli standard per fotoni a bassa energia MEAP o MEGP (Medium Energy All Purpose o Medium Energy General Purpose). Collimatore standard per fotoni a medie energie (es. quelli emessi dall'indio-111) HEAP o HEGP (High Energy All Purpose o High Energy General Purpose). Usato per fotoni ad alte energie (es. quelli emessi dallo iodio-131). CONVERGING-HOLE è dotata di fori convergenti. Permette di ingrandire l'immagine a scapito dell'ampiezza del campo di vista. FAN-BEAM ha fori convergenti lungo un asse e paralleli in un altro. Di solito è utilizzato per acquisizioni del cervello. DIVERGING-HOLE ha fori divergenti e permette di aumentare il campo di vista del cristallo. Le immagini acquisite con questi ultimi 2 tipi di collimatori sono quindi distorte e vanno corrette con apposito software dopo acquisizione (specie se si utilizza la metodica SPECT).
PIN-HOLE ingrandisce l'immagine acquisita a scapito del numero di conteggi acquisiti e dell'ampiezza del campo di vista (che aumenta con la distanza, a scapito dell'efficienza di rilevazione): utile nella diagnostica di piccoli organi come la tiroide.
Dopo il collimatore, vi è un cristallo scintillatore — solitamente di ioduro di sodio attivato al tallio: NaI(Tl) — che converte i raggi in scintille di luce di bassa intensità; queste scintille sono rilevate poi da sensori ad alta sensibilità, detti fotomoltiplicatori, che costituiscono il sistema di localizzazione fotonica e che restituiscono in uscita un fascio di elettroni il cui numero dipende dalla quantità di luce che li colpisce. Anche lo spessore del cristallo influisce sull'efficienza di rilevazione. Un cristallo più spesso permetterà infatti di rilevare meglio fotoni più energetici, ma porterà a una maggiore presenza di rumore nelle immagini ottenute con fotoni a bassa energia per scatter di questi ultimi all'interno del cristallo stesso. Oltre allo spessore, anche numero atomico e densità del cristallo influiscono su questo fenomeno. Il cristallo è molto sensibile all'umidità e dev'essere per tal motivo protetto da uno strato di alluminio. Sono inoltre presenti delle "finestre di luce" in vetro o quarzo. Nel processo di scintillazione il raggio gamma incidente sul cristallo fa passare un elettrone esterno dello stesso dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Il successivo ritorno dell'elettrone allo stato originario porta quindi all'emissione di energia sotto forma di luce visibile [processo questo svolto dal tallio nel cristallo NaI(Tl)].
Il fotomoltiplicatore è essenzialmente costituito da un tubo a vuoto la cui parte a contatto con la finestra di luce (fotocatodo) è rivestita di una sostanza che libera elettroni se colpita dalla radiazione luminosa. Il numero di questi elettroni è poi incrementato in maniera esponenziale ogni volta che questi colpiscono un dinodo all'interno del tubo stesso. Il segnale elettrico in uscita da tutti i fotomoltiplicatori è proporzionale all'energia del fotone incidente sul cristallo. Complessi sistemi hardware e software si occupano poi di stimare posizione ed energia del segnale rilevato creando l'immagine vera e propria. L'energia del fotone incidente è come già visto importante per ottenere un'immagine senza rumore; il sistema quindi, eliminando dall'acquisizione i segnali con energia molto diversa da quella di interesse, permette di eliminare sia la radiazione di fondo naturale sia ad esempio tutti i fotoni che hanno subìto scatter. La capacità del sistema di discriminare le energie dei fotoni è detta risoluzione energetica, è espressa come ΔE/E (intervallo di energia di errore rispetto all'energia di picco considerata) ed è pari al FWHM (Full Width Half Maximum cioè larghezza del picco a metà della sua altezza) del picco stesso fratto l'energia di riferimento. La risoluzione spaziale del sistema è invece definita come il FWHM dell'immagine ricostruita di una sorgente puntiforme (la sorgente puntiforme non avrà l'aspetto di un punto nell'immagine finale ma i suoi conteggi saranno dispersi attorno al suo centro a formare un picco). Tale valore dipende dall'energia dei fotoni incidenti, dallo spessore del cristallo, dal numero di fotomoltiplicatori e anche dal complesso sistema di elaborazione a valle del sensore.
Un'altra tipologia di rilevatori è quella a semiconduttore. Questi, quando vengono colpiti da un fotone gamma di energia inferiore a 1MeV, generano al loro interno una coppia elettrone-lacuna e quindi un segnale elettrico misurabile (avviene anche una "moltiplicazione" di queste coppie in quanto il primo elettrone prodotto ionizza il materiale in cui si trova, ionizzazione che è più intensa per fotoni di energia più alta). Questi rilevatori mostrano una maggiore risoluzione spaziale ed energetica con pari efficienza di rilevazione. Questo sistema consente quindi di rilevare direttamente l'interazione gamma senza produrre fotoni ad energia minore come nei vecchi sistemi che degradano il segnale. Inoltre la risoluzione spaziale in questo caso è limitata solo dalla grandezza dei singoli elementi di cui è costituito il rilevatore. I principali materiali utilizzati sono il CdTe (Cadmio-Tellurio) ed il CdZnTe (Cadmio-Zinco-Tellurio)
Procedimento Il paziente radioattivo viene posto sul lettino al di sotto della gamma camera. I fotoni gamma in uscita dopo aver attraversato il collimatore sono convertiti in scintille di luce rilevate dal fotomoltiplicatore. Un insieme di circuiti permette di rigettare i segnali che non sono all'interno della finestra energetica prescelta, eliminando così i fotoni Compton che provocherebbero un peggioramento della qualità dell'immagine.
Tale strumento permette inoltre l'acquisizione di immagini 3D mediante la metodica SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) a cui può essere anche abbinata un'acquisizione TC nei tomografi più moderni (SPECT-TC) in modo da garantire una migliore localizzazione anatomica dei reperti e permettere la correzione per l'attenuazione delle immagini. Tale correzione consente di migliorare la qualità delle immagini ottenute stimando l'attenuazione dei fotoni emessi dai reperti da parte del corpo stesso del paziente.
Modalità di acquisizione con gamma camera La gamma camera è in grado di acquisire immagini sia 2D (planari) sia 3D (utilizzando la metodica SPECT, anche eventualmente ricorrendo alla sincronizzazione con un segnale esterno; in tali casi l'acquisizione è detta gated. Le acquisizioni 3D sono trattate nella voce SPECT). Le immagini planari possono essere acquisite come statiche (segmentarie e total body), dinamiche o anch'esse gated.
I modelli di gamma camera dedicati allo studio del cuore (gamma camere cardiodedicate) acquisiscono le immagini già in modalità 3D utilizzando collimatori specifici e rilevatori a semiconduttore. Rispetto alle gamma camere tradizionali sono in grado di produrre immagini di migliore qualità, somministrando un'attività minore al paziente ed in minor tempo. Altro vantaggio è la migliore risoluzione energetica, che facilita gli studi con doppio tracciante.
Acquisizione statica segmentaria È utilizzata per acquisire immagini di specifici organi (es. tiroide) oppure per acquisire immagini di segmenti corporei dopo un'indagine total body (ad esempio per sproiettare strutture poco discindibili alle immagini 2D o per eseguire acquisizioni tardive). Con questo protocollo di acquisizione la testata della gamma camera ed il lettino sono fermi e la testata acquisisce quindi i fotoni provenienti da una precisa zona dell'organismo, senza poterne definire la profondità. La durata dell'acquisizione può essere definita sia come un tempo in secondi sia come un numero preciso di conteggi da acquisire, l'immagine inoltre può essere specchiata o ruotata ed è possibile definire a priori anche il Campo di Vista (FOV) incluso nell'immagine e la matrice (che ne definisce la risoluzione spaziale).
Acquisizione total body Questo protocollo si utilizza per acquisire immagini di tutto il corpo (come anche per acquisire immagini da regioni più estese del FOV della gamma camera). Utilizzando gamma camere a doppia testa ed un lettino che si muove a velocità costante è possibile acquisire rapidamente in questo modo un'immagine anteriore ed una posteriore di tutto l'organismo in contemporanea. Come per l'acquisizione segmentaria anche qui è possibile definire una matrice, un FOV, una rotazione ed un ribaltamento su un asse dell'immagine; mentre il tempo di acquisizione è definito dalla velocità di movimento del lettino e dalla distanza che questo deve percorrere. Un'immagine total body può essere acquisita sia con un movimento continuo del lettino sia acquisendo separatamente diversi segmenti (frapponendo fra essi un minimo di sovrapposizione) che vengono poi "montati" assieme dalla workstation di elaborazione.
Acquisizione dinamica Come l'acquisizione statica permette di studiare un solo segmento del corpo, ma osservando come il radiofarmaco, una volta iniettato, si distribuisce nel tempo (un utilizzo molto frequente è nella scintigrafia ossea trifasica). Con questo protocollo il singolo esame è diviso in fotogrammi (frame) e la sua durata è definita dal numero di frame moltiplicato per la durata del singolo fotogramma. Come per l'acquisizione statica segmentaria è possibile definire una matrice, un FOV, un asse di ribaltamento ed una rotazione dell'immagine.
Acquisizione gated planare