Prof. Dr.
João Eduardo Irion
Faculdade de
Medicina
Universidade
Federal de Santa Maria – RS – BR
Médico
Nuclear
Serviço de
Medicina Nuclear de Santa Maria
jirion
@terra.com.br
joaoeduirion.blogspot.com.br
A HISTÓRIA DO PÓSITRON
Em 1928, Paul Dirac previu a existência de uma partícula com massa igual
a do elétron, mas com carga positiva. Em 1932, pretendendo estudar raios
cósmicos, Carl Anderson no California Institute of Tecnology em Pasadena
construiu uma grande câmera de nuvens e a colocou dentro de um magneto. Na
metade dessa câmera ele colocou uma lâmina de chumbo de seis milímetros de
espessura para atenuar a velocidade das partículas e estudar a mudança da
trajetória acima, antes e depois da passagem pela lâmina. Depois de obter mais
de 1.000 fotografias, ele encontrou em 15 delas, passando pela lâmina,
partículas com carga positiva. Anderson mediu a massa das partículas e verificou
que eram mais leves do que os prótons. Constatou também que elas tinham carga
unitária positiva e as denominou pósistrons.
Em 1933, Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini confirmaram previsão de
Dirac e o achado do pósitron por Anderson. Eles foram além e colocaram a câmera
de nuvens entre dois contadores Geiger-Muller e constataram que alguns raios
passavam simultaneamente pelos dois detectores. Eles fizeram cerca de 700
fotografias e identificaram 14 trajetórias de partículas de alta energia cujo
deslocamento indicava ter carga positiva, pensando, então, que o pósitron era o
resultado da colisão de duas ondas de muito alta energia, fato, mais tarde,
conhecido como anulação dos pares de elétrons e pósitrons ou partículas β+.
APLICAÇÕES MÉDICAS DA
ANIQUILAÇÃO PÓSITRON-ELÉTRON
O acrômio PET oriundo das iniciais da expressão em inglês “Positron Emission Tomography” foi criado por Michael
Phelps.
O primeiro uso de
nuclídeos emissores de pósitron foi relatado por Gordon L. Brownell William H.
Sweet at Massachusetts General Hospital (MGH) em 1951. Nesse mesmo ano, F.
R.Wrenn Jr., M.L. Good e P. Handler descreveram e publicaram na revista Science
um trabalho em que usaram a anulação de pósitron para localizar tumores cerebrais.
Essas duas publicações independentes representam as primeiras tentativas de
registrar os dados fornecidos pelos pósitrons em procedimentos médicos.
O protótipo projetado e
construído por Brownell usava dois detectores de iodeto de sódio em oposição
para registrar a coincidência da radiação originada da anulação
pósitron/elétron. Em 1952, já na segunda versão do equipamento, eles obtiveram
a primeira imagem bidimensional de um tumor cerebral. Entre 1952 e 1962, o aparelho
foi aperfeiçoado com o uso de detectores múltiplos. Em 1971, eles construíram a
versão denominada PC-I e depois o PC- II, aptos para obter imagem planas
paralelas e imagens tomográficas transversais. Esses detectores usaram a
técnica de retroprojeção criada em 1970, por Chesler, também da equipo do MGH. Em 1978, The Cyclotron Corporation (TCC) fabricou e
vendeu alguns tomógrafos baseados no projeto de Brownell. Eram aparelhos que
usavam duas cabeças em oposição com grandes detectores de NaI(Tl) e que rodavam
ao redor do objeto. A seguir a TCC substituiu o NAi(Tl) pelo cristal BGO
(germanatado de bismuto) e fabricou apenas um aparelho com essa tecnologia.
Em 1959, Anger, usando o princípio da detecção por
coincidência criou uma câmera de pósitrons.
Até
meados da década de 70, o desenvolvimento do PET manteve-se estacionário,
prejudicado pela falta de técnica de reconstrução da imagem e, ainda, pela capacidade
limitada de computadores de então, mas isso começou a mudar depois da criação
do SPECT e da tomografia computadorizada com raio-X e com o desenvolvimento das
técnicas de reconstrução por retroprojeção e o desenvolvimento da informática.
Nos
primeiro tomógrafos PET, o conjunto de detectores realizava movimentos de
rotação e de translação em torno do objeto alvo. A disposição dos detectores em
hexágonos ou cilindros eliminou e necessidade desse movimento. Isso começou em
1973, quando James Robertson do Brookhaven National Laboratory criou o primeiro
tomógrafo com 32 detectores formando um anel, embora não obtivesse boas
imagens.
Em
1973, Michael E. Phelps construiu o primeiro tomógrafo PET conhecido como PETT
I, na Washington University, sem obter sucesso na produção de cortes transversais.
Nesse ano, Mike Phelps Michel M. Ter-Pogossian
e Edward Hoffman da Washington University iniciaram com a EG&G ORTEC uma
companhia spin-off do Oak Ridge National Laboratory, o projeto do PETT II, com
24 detectores de NaI(Tl) dispostos em hexágono, realizando a reconstrução da
imagem com um algorítimo mais avançado.
Phelps
batizou o tomógrafo com o nome de “Positron Emission Transaxial Tomography” (de
acrômio PETT), que mais tarde simplificou para PET porque o aparelho fazia outros
cortes, além dos cortes transaxiais. O PETT II foi concluído em dezembro de
1973, e as primeiras imagens foram feitas em janeiro de 1974. Um mês depois foi construído o modelo PETT II ½ e
ambos os tomógrafos foram usados para a obtenção de imagens em animais. Mike
Phelps e Ed Hoffman concluíram, a seguir, o PET III formado por 48 detectores
de NaI(Tl) com diâmetro de 50mm em disposição hexagonal com um computador controlando
o movimento dos detectores, do gantry e da mesa e também para reconstruir as
imagens. O PET III foi usado em humanos para medir fluxo sanguíneo, o metabolismo com oxigênios, da glicose e da
tomografia óssea com F-18. Ele serviu de base para a EG&G ORTEC fabricar o
primeiro tomógrafo comercial com o nome ECAT II um acrômio significando
Emission Computed Axial Tomograph, dotado de 96 cristais de NaI(Tl) de 3.75 cm
e do computador PDP-11 com 32 Kb de memória.
OS CRISTAIS USADOS NO PET
O
único cristal detector disponível nos anos 1970 era o NaI(Tl) cuja desvantagens
eram a dificuldade de fabricação pela natureza higroscópica do sal e limitação de
sua eficiência na captação da radiação de alta energias de 511 KeV dos raios γ.
A virtude do cristal era o alto rendimento luminoso e o rápido tempo de decaimento
da cintilação de coincidência. O cristal conhecido como germanato de bismuto
(Bismuth-Germanato ou BGO) é mais denso porque tem um número atômico alto. Nester
e Huang determinaram as propriedades de cintilação do BGO em 1975, concluindo
que ele era um cristal excelente para uso no PET. Cho e Derenzo criaram o
primeiro tomógrafo que usou BGO.
Outro
cristal usado nos tomógrafos é o oxiortosalicitalo de lutécio - LSO que foi descoberto entre 1989 e 1992
e patenteado por Charles Melcher da Schlumberger Technology Corporation.
A
comparação entre os três cristais mostra que o BGO é mais denso que o NaI(Tl),
mas tem somente quinze por cento da luz produzida pelo NaI(Tl) e tem decaimento
relativamente lento com tempo de 300 nanosegundos contra 230 nanosegundos do
NaI(Tl). Já o LSO tem densidade um pouco maior que a do BGO e produz cinco
vezes mais luz, com um tempo de decaimento 7.5 vezes mais rápido (40
nanosegundos) que do que BGO. A combinação dessas qualidades torna esse cristal
ideal para o PET, mas o uso é limitado por seu alto custo.
O
primeiro tomógrafo PET com LSO, o microPET, foi projetado e fabricado por Simon Cherry da UCLA, para pesquisa em
pequenos animais.
Em
fevereiro de 1999, o Max Planck Institute, Köln, na Alemanha recebeu o primeiro
tomógrafo cerebral HRRT para uso humano com aproximadamente 120.000 pequenos
cristais de LSO.
OS BLOCOS DE DETECTORES.
No início do PET, cada cristal
estava acoplado a uma válvula fotomultiplicadora. Em 1984, a Scanditronix projetou um tomógrafo na qual havia
dois cristais para uma só fotomultiplicadora, um era cristal BGO e o segundo
era cristal de ortosilicato de Gadolineo (GSO). Essa técnica deu início ao uso de mais de um cristal acoplado com um
só tubo fotomultiplicador conhecida como detectores em bloco, tornando possível
a fabricação de tomógrafos PET de alta resolução com custo mais reduzido.
A SÍNTESE DO FDG
As
primeiras imagens no PET III foram obtidas na Washington University usando
glicose marcada com C-11, água marcada com O-15 e amônia marcada com N-13 para
o fluxo sanguíneo e marcada com O-15 para o metabolismo do oxigênio.
Depois de usarem a 14
C-desoxyglicose para autorradiografias afim de determinar o consumo da glicose em
cérebro de rato, Lou Sokoloff (ilustr. nº 43)e Mark Reivich usaram a glicose
marcada com F-18 no PET.
Ilustração 1 – Lou Sokoloff
Em 1978, Joanna Fowler do
grupo Brookhaven sintetizou a 2-fluoro-deoxi-D-glicose (2-FDG) marcada com
F-18. A primeira imagem com FDG foi feita na University of Pennsylvania no Mark
IV, um tomógrafo SPECT. A grande virtude
da 2-FDG foi estimular o uso do PET em estudos funcionais do cérebro. Os
primeiros testes em seres humanos foram feitos em agosto de 1976 por Abass Alavi na University of Pennsylvania, quando injetou o radiofármaco em
dois voluntários para obter imagens cerebrais num sistema SPECT e para
demonstrar a concentração cerebral da FDG. Mais tarde en 1979, já com o
tomógrafo PET ECAT II Sokoloff e Reivich, Phelps
e Kuhl usaram a 2-FDG para obter imagens tomográficas em seres humanos,
passando esse a ser o principal método de imagens funcionais do sistema nervoso
nos anos seguintes. Em 1981, Phelps publicou um artigo na revista Science,
mostrando a ativação diferencial de várias partes do cérebro em tarefas como
ler, falar, e outras que causou grande impacto e deu início ao uso do PET em
neurociências
Em 1986, K. Hamacher K.
H.H. Coenen H.H e Stocklin G. da Jülich na Alemanha criaram o método atualmente
usado de síntese da FDG, usando uma reação nucleofílica.
O CONJUNTO PET, CÍCLOTRON
E A QUÍMICA AUTOMATIZADA PARA USO MÉDICO
No
início de 1984, George Hendry da The Cyclotron Corporation (TCC) projetou um modelo de minicíclotron de 11 MeV, com o acrônio
RDS112 (Radioisotope Delivery System). O RDS era blindado para neutros e
radiação γ e podia fazer, gaz marcado com 11C, água com 15 O e gás com 13 N H3.
O primeiro RDS foi enviado para Jerry Nickles na University of Wisconsin em
1986.
Em
1985, Satyamurthy, Barrio and Padgett da UCLA criaram o sistema eletrônico
controlado por computador para fazer a síntese de FDG e dos traçadores
moleculares e para usar a tecnologia da radiofarmácia, suprindo as necessidades
dos serviços clínicos. A partir daí várias companhias passaram a fornecer
cíclotrons e a tecnologia da automatização da produção de radiotraçadores
moleculares.
A geração mais recente de
tomógrafos usa tecnologia que produz imagens com baixo ruído e alta resolução
nos aparelhos e são chamados TOF-PET. Esses equipamentos têm capacidade para
avaliar o fenômeno chamado “time-of-flight”
(TOF) que consiste em medir o tempo de percurso de cada fóton, resultante da
anulação do par pósitron-elétron e localizar sua origem ao longo da linha de
resposta (em inglês Line of Respost – LOR), sigla usada para designar a
trajetória dos dois fótons resultantes da anulação.
Quando um radioisótopo
decai por emissão de um pósitron, ele se anula com um elétron vizinho, dando
origem a um par de fótons (com energia de 511-keV) que são emitidos simultaneamente
em direções opostas, próximas de 180°, ambos descrevendo a trajetória linear
chamada de linha de resposta. Esses equipamentos usam detectores muito rápidos
e sistemas de processamentos eletrônicos capazes de mediar a diferença de tempo
entre a chegada de cada fóton em cada detector.
Quando os dois fótons são
detectados no tomógrafo PET, o evento é chamado de coincidência, fornecendo o
sinal necessário para formar a imagem. Quando a anulação ocorre no meio da
linha de resposta, ambos os fótons chegam aos detectores ao mesmo tempo, mas se
a anulação não aconteceu no meio da LOR o fóton que percorre a trajetória menor
chega mais cedo ao detector.
No tomógrafo TOF-PET, a
diferença de tempo ΔT entre a
detecção de cada fóton é medida por detectores rápidos e por meios eletrônicos
e a informação é usada para localizar o ponto da LOR onde a anulação ocorreu e assim
é utilizada na formação da imagem. Os primeiros tomógrafos TOF-PET foram
criados no início de 1980 na Washington University e na University of Texas.
Neles foram usados cristais de fluoreto de césio ou de fluoreto de bário, mas o
baixíssimo tempo de resolução (menor que nanosegundos) necessário para melhorar
a qualidade da imagem só tornou-se realidade recentemente com a construção de
tomógrafos TOF para uso clínico, graças aos avanços tanto na alta sensibilidade
dos detectores como na eletrônica.
A Philips Medical System
produziu o tomógrafo TOF-PET/CT, denominado GEMINI TF, testou o equipamento em
novembro de 2005 na University of Pennsylvania e o lançou no comércio em junho
de 2006.
AS IMAGENS HÍBRIDAS.
A medicina Nuclear começou
como uma especialidade de não-imagem e evoluiu para o uso de imagens com a
invenção do cintilógrafo linear. As cintilografias obtidas nos cintilógrafos lineares
tinham tamanho real e isso permitia sua superposição com as radiografias. Esse
procedimento existiu nos primórdios da especialidade e deu origem ao conceito de
imagem hibrida ou de imagem anatomometabólica.
A correlação entre
cintilografias e radiografias desapareceu com as imagens adquiridas na câmera
de Anger que são miniaturas criadas por computador.
O advento da tomografia
computadorizada e do SPECT nos anos 80 renovou o interesse pelas imagens híbridas
porque ambas são geradas por técnicas digitais e podem ser manipuladas,
incluindo rotação, translação e reescalonamento. As imagens híbridas começaram
a ser mais usadas em processos neurológicos, mas também são úteis nos casos em
que a distribuição dos radiotraçadores nas cintilografias não fornece boas
informações anatômicas. Hoje as imagens híbridas têm aplicações no planejamento
da conduta neurológica, na conduta oncológica e no planejamento da
radioterapia.
O conceito de registro e
fusão de imagens levou ao desenvolvimento dos scanners híbridos. A GE Medical
Systems foi a primeira a vender uma câmera SPECT dotada de uma ampola de
raios-X capaz de fornecer imagens de CT com baixas doses de raios-X. Esse aparelho
recebeu o nome de “Hawkeye” (olho de lince) e foi imediatamente usado em
oncologia.
A integração SPECT-CT precedeu
a a integração PET-CT. O desenvolvimento do primeiro sistema combinado PET-CT
para diagnóstico foi desenvolvido por D. W. Townsend, T. Beyer e T. Brun no ano 2000 e revolucionou a imagem
hibrida. As primeiras versões desses equipamentos incluíam tomógrafos PET com
anéis ainda parciais, mas logo foram usados tomógrafos PET com múltiplos detectores
disposotos em anéis e depois em cilindros. O primeiro equipamento comercial
PET-CT foi fabricado no ano 2001 com o nome de LS Disicovery da GE Medical
Systems.
O desenvolvimento seguinte
foi a integração no PET-CT do hardware e da plataforma do sofware. A partir de
2006 a 2008 os avanços das imagens híbrida incluem a integração TOF-PET-CT.
A integração PET-MRI num
único scanner representa o ápice da combinação, isto é, a imagem molecular
metabólica do PET integrada com a informação anatômica da MRI. O desenvolvimento
dessa integração para uso clínico exigiu a solução de problemas técnicos, o
principal deles é o fato de que os tubos fotomultiplicadores do PET são
afetados pelo campo magnético do MRI que provoca o desvio do curso dos elétrons
nas válvulas. Obstáculos como esse levaram as pesquisas sobre PET-MRI para
aparelhos apenas para estudos em pequenos animais, mas a Siemens mostrou um trabalho
sobre o primeiro sistema integrado PET-MRI para uso humano no The Radiological
Society of North America Meeting em 2006 contendo as primeiras imagens adquiridas
com um protótipo PET-MRI. Esse aparelho foi construído com cristais de oxalato
de lutécio (lutetium-oxalate - LSO) acoplados a novos fotocatódios de
avalanche, usados no lugar das válvulas fotomultiplicadoras.
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