pet : aceleradores, ciclotrón y radiaciones gabriel gonzález sprinberg instituto de física,...

PET :PET : aceleradores, ciclotrón y radiacionesaceleradores, ciclotrón y radiaciones

Gabriel González SprinbergInstituto de Física, Facultad de Ciencias

Montevideo Uruguay

gabrielg@fisica.edu.uy

AceleradoresAceleradores

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, MeVAceleradores lineales: trayectoria lineal, GeVSynchrotron : trayectoria circular, TeV o rayos

X

AceleradoresAceleradores

AceleradoresAceleradores

AceleradoresAceleradores

Fermilab – Chicago : p + p , 1 TeV

AceleradoresAceleradores

LHC: p+p 14 TeV !!!!

AceleradoresAceleradores

AceleradoresAceleradores

ATLAS: A Toroidal Lhc ApparauS7000 toneladas25 m diámetro

46 m largo

AceleradoresAceleradores

ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS7000 toneladas25 m diámetro

46 m largo

AceleradoresAceleradores

International Linear Collider

40 km

Electrón – Positrón

Energías TeV

2015- 2020 Japón (?)

AceleradoresAceleradores

Synchrotron: rayos X

• Cristalografía, • Bioquímica, proteinas• Semiconductores• Imagenologia• Materiales

AceleradoresAceleradores

TRIUMF: VANCOUVER, Ciclotrón p - 520 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, kaonesIsótopos exóticosNucleosíntesis

Experimentos

β-NMR - Nuclear magnetic resonance using beta emission for studies in materials science.[2] 8PI - Studying nuclear structure via beta emission using an array of HPGe and optionally, either plastic or silicon detectors. [3] DRAGON - Studies of stellar nucleosynthesis in the conditions of nova and supernova using a recoil mass spectrometer.[4] DSL - Doppler shift measurements of isotope lifetimes.[5] HERACLES - Multi detector array previously used at Chalk River Laboratories and the Texas A&M cyclotron TITAN - Ion trap for nuclear and atomic studies [6] TRINAT - Neutral ion trap [7] TUDA - A general purpose facility for studying nuclear reactions of astrophysical significance with solid state detectors.[8] TACTIC - An ionization chamber with full track reconstruction capabilities for studying reactions of astrophysical importance.[9] The ISAC II expansion uses a superconducting linear accelerator to accelerate heavier isotopes to higher energies.ISAC II experiments includeEMMA - Heavier isotope recoil mass spectrometer [10] TIGRESS - Gamma ray spectrometer [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 the main cyclotron and four smaller cyclotrons. Short lived isotopes are produced for use in PET at the UBC hospital. Radioactive tracers 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.

AceleradoresAceleradores

AceleradoresAceleradores

PRIMERA IMAGEN DE PET FUE TOMADA EN EL CERN EN 1977

AceleradoresAceleradores

PREMIO NOBEL EN FÍSICA

CiclotrónCiclotrón

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 Campos magnéticos: electroimanes que imprimen trayectorias circulares a las partículascirculares a las partículas

CiclotrónCiclotrón

• Las partículas se desplazan dentro de dos electrodos huecos en forma de 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 D contenidos dentro de una cámara con vacío, entre los polos de un electroimán.electroimán.

• El campo magnético es vertical, mientras que el campo eléctrico El campo magnético es vertical, mientras que el campo eléctrico acelerador es horizontal y se establece entre los dos electrodos huecos.acelerador es horizontal y se establece entre los dos electrodos huecos.

• En el centro del aparato está la fuente de iones constituida por un En el centro del aparato está la fuente de iones constituida por un filamento incandescente que provoca la ionización de la débil corriente filamento incandescente que provoca la ionización de la débil corriente gaseosa de alimentación que circula por la fuente. Bajo la acción del gaseosa de alimentación que circula por la fuente. Bajo la acción del campo magnético vertical, las partículas cargadas describen una campo magnético vertical, las partículas cargadas describen una trayectoria circular dentro del plano horizontal en que se hace actuar un trayectoria circular dentro del plano horizontal en que se hace actuar un campo eléctrico acelerador.campo eléctrico acelerador.

CiclotrónCiclotrón

f = B q / 2 π m; fr= f (1-v2/c2)1/2

Cyclotron Synchrocyclotron

CiclotrónCiclotrón

E 10-20 MeVOxígeno 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% N2, 1% O2) 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 TESLARADIUS OF POLES 0.259 MPOWER 13.5 kWRF FREQUENCY 30 MHzRF POWER 10 kWNUMBER OF DEES 2 DEE ANGLE 90 DEGREESDEE VOLTAGE 17-20 kVRUNTIME 300-800 hrs/yr

CiclotrónCiclotrón

BLANCOS

CiclotrónCiclotrón

CiclotrónCiclotrón

CiclotrónCiclotrón

CiclotrónCiclotrón

Núcleos inestablesNúcleos inestables

DECAIMIENTO GAMMA: ENERGÍAS TÍPICAS MeV

electron

Núcleos inestablesNúcleos inestables

Núcleos inestablesNúcleos inestables

DECAIMIENTO ALFA: ENERGÍAS TÍPICAS MeV

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

Electrón: masa 511 KeV/c2, 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 betaPositrones y decaimiento beta

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

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

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

ANIQUILACIÓN DE UN POSITRÓN PROVENIENTE DE DECAIMIENTO BETA:

PRODUCCIÓN DE UN PAR DE FOTONES

Positrones y decaimiento betaPositrones 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 ( 10-7 / 10-10 SEC. ).

3. EL POSITRONIO DECAE ANIQUILÁNDOSE EL PAR Y PRODUCIENDO UN PAR DE FOTONES DE ENERGÍAS 511 KeV ( me c2 = 511 KeV ).

4. EL PAR DE FOTONES ES DETECTADO EN COINCIDENCIA ( 10 ns ).

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

Detección de coincidencias

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

• Las regiones con mayorconcentración de actividadproducen más líneas de

coincidencia

• La actividad se puedemedir y cuantificar

• Se miden algunos miles de eventos, recogidos en pocos segundos

Positrones y decaimiento betaPositrones y decaimiento beta

• Los cristales tienen alto Z y densidad

• Alta eficiencia en detección de fotones de 511 KeV.

• Cristales de 25-30 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.

PETPET

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

PETPET

PETPET

PETPET

PETPET

Tomógrafos-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-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-CentelladoresTomógrafos-Centelladores

Tomógrafos-CentelladoresTomógrafos-Centelladores

Tomógrafos-CentelladoresTomógrafos-Centelladores

Tomógrafos-CentelladoresTomógrafos-Centelladores

Tomógrafos-CentelladoresTomógrafos-Centelladores

COINCIDENCIAS Y ERRORES

Tomógrafos-CentelladoresTomógrafos-Centelladores

Emisores de positronesEmisores de positrones

RN T1/2 Molécula Uso

11C 20.40 m CO2 Metab.Cardíaco CO Vol. Sang.

PIB Alzheimer

13N 9.96 m NH3

15O 2.07 m O2 Metab. O2

H2O Flujo Sang.

18F 109.80 m FDG OncologíaEpilepsia

Psiquiatría

Isótopos de uso comúnIsótopos de uso común

Isótopo EMAX (MeV) t1/2 (min) Rango en Agua (mm)

Max Min

18F 0.633 109.8 2.4 0.611C 0.959 20.4 4.1 1.115O 1.738 2.03 7.3 2.513N 1.197 9.96 5.1 1.582Rb 3.40 1.25 14.1 5.9

Isótopos de uso comúnIsótopos de uso común

Fluor 18: emisor beta +

FDG

Isótopos de uso comúnIsótopos de uso común

Fluor 18: emisor beta +

FDG

ProducciónProducción

RN Reacción Precursor Producto

11C 14N(p,)11C 14N2 (gas) 11CO2

13N 13C(p,n)13N 13CO2 gas 13NH3

16O(p,)13N H216O 13NH4

+

15O 15N(p,n)15O 15N2 (gas) 15O2

14N(d,n)15O 14N2 (gas) 15O2

18F 18O(p,n)18F H2

18O 18F – 20Ne(d,)18F Ne (1% F2) 18F-F (F2)20Ne(d,)18F Ne (5% H2) H18F

(Henia Balter)