PET aceleradores ciclotrn y radiaciones Gabriel Gonzlez Sprinberg

PET : aceleradores, ciclotrón y radiaciones Gabriel González Sprinberg Instituto de Física, Facultad de Ciencias Montevideo Uruguay gabrielg@fisica. edu. uy 1

Aceleradores Partículas cargadas se aceleran por campos eléctricos y se deflectan por campos magnéticos EN MEDICINA: Radioterapia: electrones/fotones hasta algunos Me. V l l l Aceleradores lineales Bombas de cobalto Ciclotrones (PET) EN INVESTIGACIÓN: e. V - Te. V !!!! Ciclotron : trayectoria espiral, Me. V Aceleradores lineales: trayectoria lineal, Ge. V Synchrotron : trayectoria circular, Te. V o rayos X 2

Aceleradores 3

Aceleradores 4

Aceleradores Fermilab – Chicago : p + p , 1 Te. V 5

Aceleradores LHC: p+p 14 Te. V !!!! 6

Aceleradores 7

Aceleradores ATLAS: A Toroidal Lhc Apparau. S 7000 toneladas 25 m diámetro 46 m largo 8

Aceleradores ATLAS: A Toroidal Lhc Apparatu. S 7000 toneladas 25 m diámetro 46 m largo 9

Aceleradores International Linear Collider 40 km Electrón – Positrón Energías Te. V 2015 - 2020 Japón (? ) 10

Aceleradores Synchrotron: rayos X • Cristalografía, • Bioquímica, proteinas • Semiconductores • Imagenologia • Materiales 11

Aceleradores TRIUMF: VANCOUVER, Ciclotrón p - 520 Me. V Diámetro 18 m, imán 4000 ton campo 0. 46 T, radiofrecuencia 23 MHz 94 k. V 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] 8 PI - 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 include EMMA - 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. 12

Aceleradores 13

Aceleradores PRIMERA IMAGEN DE PET FUE TOMADA EN EL CERN EN 1977 14

Aceleradores PREMIO NOBEL EN FÍSICA 15

Ciclotrón: aceleradores de protones / deuterones que, por acción de campos eléctricos (alta frecuencia) y magnéticos (deflectores), con energías típicas de 10 – 20 Me. V protones 5 – 10 Me. V 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 16

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. • 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. 17

Ciclotrón f = B q / 2 π m; fr= f (1 -v 2/c 2)1/2 Cyclotron Synchrocyclotron 18

Ciclotrón E 10 -20 Me. V 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 Me. V 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 Me. V. La energía de entrada en el blanco gaseoso es de cerca de 3. 4 Me. V. Datos técnicos MEAN MAGNETIC FIELD RADIUS OF POLES POWER RF FREQUENCY RF POWER NUMBER OF DEES DEE ANGLE DEE VOLTAGE RUNTIME 1. 9 TESLA 0. 259 M 13. 5 k. W 30 MHz 10 k. W 2 90 DEGREES 17 -20 k. V 300 -800 hrs/yr 19

Ciclotrón BLANCOS 20

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Núcleos inestables DECAIMIENTO GAMMA: ENERGÍAS TÍPICAS Me. V electron 25

Núcleos inestables 26

Núcleos inestables DECAIMIENTO ALFA: ENERGÍAS TÍPICAS Me. V 27

Positrones y decaimiento beta Electrón: masa 511 Ke. V/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 Ke. V. 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 βEn un núcleo: p n + e+ + neutrino β+ 28

Positrones y decaimiento beta 29

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Positrones y decaimiento beta 31

Positrones y decaimiento beta 32

Positrones y decaimiento beta PROCESO DE TRES CUERPOS: LA ENERGÍA DEL “RAYO” BETA NO ES FIJA 33

Positrones y decaimiento beta ANIQUILACIÓN DE UN POSITRÓN PROVENIENTE DE DECAIMIENTO BETA: PRODUCCIÓN DE UN PAR DE FOTONES 34

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 Me. V). 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 Ke. V ( me c 2 = 511 Ke. V ). 4. EL PAR DE FOTONES ES DETECTADO EN COINCIDENCIA ( 10 ns ). 35

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Positrones y decaimiento beta Detección de coincidencias 37

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 38

Positrones y decaimiento beta • Los cristales tienen alto Z y densidad • Alta eficiencia en detección de fotones de 511 Ke. V. • 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. 39

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 40

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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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). 45

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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). Eficiencia del detector y sensibilidad del scanner 46

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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). Resolución espacial detector 47

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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). Tiempo muerto del detector y rechazos aleatorios 48

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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). Sensibilidad y resolución 49

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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). resolución espacial y en energía 50

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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). Mejora rechazos de eventos 51

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 ke. V, en comparación con los cristales de Na. I(Tl). Facilita su empleo, confiabilidad y cosotos de service 52

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Tomógrafos-Centelladores COINCIDENCIAS Y ERRORES 57

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Emisores de positrones RN T 1/2 Molécula Uso 11 C 20. 40 m CO 2 CO PIB Metab. Cardíaco Vol. Sang. Alzheimer 13 N 9. 96 m NH 3 15 O 2. 07 m O 2 H 2 O Metab. O 2 Flujo Sang. 18 F 109. 80 m FDG Oncología Epilepsia Psiquiatría 59

Isótopos de uso común 60

Isótopos de uso común FDG Fluor 18: emisor beta + 61

Isótopos de uso común FDG Fluor 18: emisor beta + 62

Producción RN Reacción 11 C 14 N(p, a)11 C 14 N 13 C(p, n)13 N 13 CO 13 NH 15 N 15 O 16 O(p, a)13 N 15 O 15 N(p, n)15 O 14 N(d, n)15 O 18 F 18 O(p, n)18 F 20 Ne(d, a)18 F Precursor 2 (gas) 2 gas H 216 O (gas) 14 N (gas) 2 2 H 218 O Ne (1% F 2) Ne (5% H 2) Producto 11 CO 2 3 13 NH + 4 15 O 2 2 18 F – 18 F-F (F 2) H 18 F 63