Lezione 7 - Cenni di fisica medica

Acceleratori in campo medico
Marina Cobal
Università di Udine
Che cos’e’
Al di la’ della ovvia considerazione che la
FISICA MEDICA
comprende tutti i campi della fisica
applicata alla medicina,
al suo interno la
FISICA DELLE RADIAZIONI
UTILIZZATE A SCOPO MEDICO
ha storicamente giocato e continua a giocare
un ruolo particolare e privilegiato, tanto da
IDENTIFICARSI QUASI
COMPLETAMENTE CON ESSA
Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche
Accanto alle applicazioni delle radiazioni non ionizzanti
nella terapia …
Radiazione
visibile (laser)
Radiazione
ultravioletta
Radiofrequenze
Applicazioni chirurgiche
Fotochemioterapia
Terapia ”fisica”
… e nella diagnosi …
Risonanza
magnetica
Imaging basato
sull’assorbimento e
l’emissione di
energia nel range
delle radiofrequenze
(oltre agli ultrasuoni)
Ecografia
Immagini generate
dagli echi prodotti
nell’interazione coi
tessuti di un fascio
di ultrasuoni
… sono soprattutto le radiazioni ionizzanti ad avere
ampie applicazioni in medicina
La correlazione fra la fisica delle radiazioni ionizzanti e la medicina è
praticamente concomitante con la loro scoperta
1895 : Wilhelm Conrad Röentgen scopre i raggi X
e la possibilità di ottenere delle radiografie
1896 : il medico Victor Despeignes (a Lione) annuncia il primo
trattamento del cancro con i raggi X.
1898 : Pierre e Marie Curie scoprono il radium
1905: Viene riconosciuta a livello scientifico l’azione
benefica del trattamento col radium dei tumori della
pelle
Raggi X
Radiografia
Radiografia Moderna
Diagnostica con raggi X
Un fascio di raggi X di
frenamento che incide sul
corpo ne esce rimodulato
a seguito delle diverse
interazioni con i vari
tessuti.
Un recettore di immagini
posto a valle del corpo
permette di tradurre in
immagine il contenuto di
informazioni in esso
presente
Le immagini planari
Ai recettori di immagini piu’ comuni, ( pellicola radiografica e
recettori ottici a schermo fluorescente) si vanno sostituendo
modalita’ che permettono piu’ facilmente acquisizioni digitali
(rivelatori a stato solido, semiconduttori, fosfori)
La tomografia assiale computerizzata
Una sorgente di raggi X ruota attorno al paziente in modo solidale ad una
schiera di rivelatori
In corrispondenza di ogni posizione della sorgente (e conseguentemente
della schiera di rivelatori) viene registrato il profilo di attenuazione
ottenuto a seguito dell’attraversamento del corpo di un fascio sottile di
raggi x da essa emesso.
L’elaborazione delle informazioni contenute in ogni profilo permette di
ottenere una immagine (digitale) in 2 dimensioni della sezione del
paziente indagata.
Sfumatura tomografica
Tomografia assiale computerizzata
La diagnostica medico-nucleare
Al contrario delle immagini radiologiche, che
vengono ottenute sfruttando l'attenuazione del
fascio di radiazioni X da parte dei tessuti interposti
tra l'apparecchiatura che le ha prodotte e il sistema
di rilevazione, le immagini medico-nucleari
vengono ottenute per mezzo della rilevazione di
radiazioni emesse da radiofarmaci distribuiti
nell'organismo.
E' quindi il paziente che emette le radiazioni
gamma o X che vengono registrate da apposite
apparecchiature (gamma-camere, PET)
in grado di ricreare l'immagine corrispondente.
Dal termine "scintillazione", che definisce il
fenomeno fisico sfruttato da queste apparecchiature
le immagini vengono dette "SCINTIGRAFIE".
Immagini della distribuzione nel
corpo di un farmaco marcato con un
radionuclide emettitore di
radiazioni γ o di positroni
Radiazioni ionizzanti in terapia
fasci di radiazioni di alta energia
(normalmente X, γ, elettroni, in alcuni centri
di ricerca protoni o ioni) prodotti da
radionuclidi o da acceleratori di particelle
Radioterapia
Sorgenti radioattive sigillate introdotte in
via permanente o temporanea all’interno
del corpo
Sorgenti radioattive non sigillate veicolate
all’interno del corpo da farmaci o da
anticorpi
cedono grandi quantita’ di energia alle cellule per distruggerle
Le varie metodiche medico nucleari prevedono la somministrazione ai
pazienti di un radiofarmaco (un radionuclide + una molecola), scelto
opportunamente in modo che si concentri nell'organo oggetto di studio o
che permetta di seguire nel tempo una particolare funzione biologica
La distribuzione nell'organismo del radiofarmaco dipende dalla
costituzione chimico-fisica dello stesso, dalla via di somministrazione,
dalla capacità di attraversare barriere biologiche, dalle condizioni
metaboliche del paziente.
Le metodiche medico nucleari hanno avuto
ed hanno un ruolo di primaria importanza
nella RICERCA BIOMEDICA.
Di particolare interesse, a questo riguardo,
sono le nuove possibilità fornite dalla
tomografia ad emissione di positroni (PET)
che può utilizzare le stesse molecole che
normalmente entrano nel metabolismo dei
tessuti, come ad esempio il glucosio, il
carbonio, l’ossigeno e l’azoto.
La immagini scintigrafiche
esprimono la distribuzione
spaziale o spazio-temporale
del radiofarmaco.
Le informazioni ricavate sono
esprimibili anche in forma di
parametri numerici,
permettendo di ottenere dati
di ordine quantitativo.
La peculiarità di queste
immagini è, quindi, di essere
"funzionali", cioè
l'espressione morfologica di
una funzione vitale.
Tomografia a emissione di positroni
PET
SPECT
Apparecchiature Medico-Nucleari
• gammacamera per uso generale
a testata unica o a testate multiple
a cristallo scintillatore (ioduro di
sodio - Na(I))
• gammacamera con elettronica di
rivelazione in coincidenza e
cristallo spesso a NaI(Tl)
• Tomografo PET (BGO)
Ciascuno di questi apparecchi e’ collegato
con un sistema di elaborazione, che è
componente essenziale del sistema di
rivelazione, in quanto ne gestisce la
regolazione, le modalità di funzionamento e
di acquisizione, l'elaborazione delle varie
indagini e la riproduzione delle immagini.
Fusione di immagini
Morfologiche e Funzionali PET-TC
… e perciò, gia’ dall’inizio del
secolo sono state utilizzate per
la terapia dei tumori
1933 - Ex voto di un
paziente guarito da un
trattamento di
cobaltoterapia
La Radioterapia
La radioterapia è quella branca della medicina specialistica
che impiega le radiazioni ionizzanti per produrre un effetto
radiobiologico distruttivo sul tessuto neoplastico.
Trattamento del cancro
Cosa è un tumore
Come funziona la radioterapia?
La dose assorbita
E’ il rapporto tra l’energia ceduta dalle radiazioni ionizzanti alla
materia in un dato elemento di volume e la massa M di tale volume
(energia per unità di massa).
L’obiettivo principale è
riuscire a somministrare
il massimo di dose al
volume bersaglio
(neoplasia) e nel
contempo salvaguardare
i tessuti sani circostanti.
L’andamento ideale
della dose sul volume
bersaglio.
neoplasia
E’ UN SOGNO!
Dose
Dose: è l’energia media ceduta
dalle radiazioni ionizzanti
in una data unità di massa
(fonte: Prof. U.Amaldi)
Si misura in Gray (Gy)
1 Gy= 1J/1Kg
Effetto biologico delle radiazioni
ionizzanti
Quando una cellula viene
irradiata gli atomi delle molecole
che la compongono vengono
“ionizzati”.
Se in seguito a questo il DNA
viene danneggiato, anche la
cellula subisce un danno.
Esiste una certa capacità di
autoripararsi, ma a volte il danno
può essere così grave da
portare alla morte cellulare…
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Esempio di danni al DNA e
“aberrazione” dei cromosomi
Singola
rottura del
Filamento
Doppia
rottura del
Filamento
Ricombinazione
delle specie
ioniche
Ionizzazione
Formazione
di radicali
Effetti acuti
Sindrome
da radiazione
Riparazione
Enzimatica
del danno
al DNA
Danno
al DNA
Morte
cellulare
Effetti
evolutivi
Mutazioni
Genetiche
(al DNA)
Irradadiazione
delle cellula
Effetti
tardivi
Effetti
ereditari
cellule germinali
cellule somatiche
trasformazioni
oncogeniche
Eccitazioni
atomiche e
Tumore
molecolari
calore
SECONDO
> MINUTI-ORE >
GIORNI
> SETTIMANE >
MESI
> ANNO
> GENERAZIONI
Tecniche di trattamento radioterapico
BRACHITERAPIA
impiega isotopi radioattivi (Cs137, Ir192, I125…)
che vengono posizionati a contatto o all’interno
di una lesione neoplastica .E’ indicata per il
trattamento di tumori con estensione limitata e
circoscritta situati in regioni anatomiche
facilmente accessibili.
RADIOTERAPIA INTRAOPERATORIA
(tecnica in espansione)
Consiste nell’irradiazione del paziente
durante l’intervento chirurgico con
sorgenti di radiazioni esterne (elettroni
di alta energia).
L’ Iter Radioterapico
Proprio perche’ richiede una grande accuratezza nel
determinare la dose somministrata sia agli organi bersaglio
che ai tessuti sani, il processo radioterapico e’ estremamente
complesso.
Bisogna infatti
localizzare e ricostruire
tridimensionalmente (partendo da
immagini TAC) la parte anatomica
da irradiare, con le sue
caratteristiche di densita’
L’ Iter Radioterapico
• Realizzare il piano di trattamento,
cioe’ scegliere l’energia del fascio
radiante più adeguata e la migliore
geometria dei campi di irradiazione
necessaria a dare la dose prescritta dal
medico schermando se possibile i
tessuti sani (Il fisico fa queste cose
utilizzando evoluti sistemi di calcolo)
• Verificare durante il trattamento se
la dose pianificata corrisponde a
quella effettivamente erogata e se il
posizionamento del paziente si
mantiene corretto.
Terapia conformazionale
Dose-Effetto
Adroterapia
Adroterapia
(fonte: Prof. U.Amaldi)
Fasci di energia diversa depositano energia a profondità
diverse nel tessuto→ rilascio di dose modulato lungo la direzione
del fascio
Progetto CATANA
Risultati clinici
CNAO
Centro di Eccellenza
Negli attuali impieghi diagnostici delle radiazioni ionizzanti
IL FISICO
• Misura le dosi da radiazioni ionizzanti ai pazienti e ai lavoratori suggerendo e
adottando misure per la loro ottimizzazione
• Controlla le prestazioni delle installazioni, degli apparecchi di misura, e di calcolo
• Assicura la sicurezza radiologica dei pazienti, del personale e del pubblico
• Attua le norme di radioprotezione ed e’ responsabile della stesura delle procedure
autorizzative per l’impiego di materiale radioattivo
• Partecipa alla scelta dei materiali e delle attrezzature e all’introduzione di nuove
tecnologie
• Contribuisce allo sviluppo, alla realizzazione, all’ottimizzazione dei protocolli
d’esame, alla messa in opera di tecniche particolari e innovative di indagine
• Da’ supporto all’utilizzo dei software
•  E’ coinvolto nella formazione del personale