Università del Tempo Libero
Stefano Covino
INAF / Osservatorio Astronomico di Brera
Vimercate, marzo-aprile 2006
Fisica e salute
macchine al servizio dei medici
Consulenza medica da
parte della Dr.ssa
Maddalena Zanardelli
Ospedale Maggiore Policlinico di Milano
Materiale originario a
cura della Dr.ssa R. Rossi
Azienda Ospedaliera di
Parma
Che cosa è
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
Applicazioni chirurgiche
Fotochemioterapia
Radiofrequenze
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 possibilita’ 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
Attualmente l’uso delle radiazioni ionizzanti è
fondamentale nei processi di diagnosi e di terapia
Radiazioni ionizzanti nella diagnosi:
Imaging
radiologico
Radiologia tradizionale
TAC
Applicazioni
angiografiche, vascolari
Immagini della trasmissione
attraverso il corpo di un fascio
di raggi X di frenamento
prodotto da un apparecchio
Radiazioni ionizzanti nella diagnosi:
Medicina nucleare
Immagini della distribuzione nel
corpo di un farmaco marcato con un
radionuclide emettitore di radiazioni
o di positroni
Radiazioni ionizzanti in terapia:
fasci di radiazioni di alta energia
(normalmente X, , 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 quantità di energia alle cellule per distruggerle
La diagnostica con i 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 più comuni, ( pellicola radiografica
e recettori ottici a schermo fluorescente) si vanno sostituendo
modalità che permettono più 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 un’immagine (digitale) in
2 dimensioni della sezione del paziente indagata.
Acquisizione a spirale
QuickTime™ e un
decompressore Cinepak
sono necessari per visualizzare quest'immagine.
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.
É 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".
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.
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.
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.
L'uso di radionuclidi emittenti positroni
(elettroni positivi), come il Carbonio-11,
l'Azoto-13, l'Ossigeno-15, il Fluoro-18,
permette di marcare le molecole biologiche
sostituendo uno o più isotopi stabili con il loro
isotopo radioattivo, con il pregio di non
modificarne in alcun modo le altre
caratteristiche fisiche e chimiche,
mantenendo quindi invariate la
biodistribuzione e la funzione.
Gli isotopi PET sono emettitori di
positroni (e+ )
Il positrone interagisce con un
elettrone presente nel corpo del
paziente ed emette 2 fotoni gamma ()
in coincidenza di energia pari a 511 KeV
e+ + e- -> 2
Apparecchiature utilizzate nella diagnostica Medico-Nucleare
•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 è 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, già
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.
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’ ideale sarebbe che
tutta dose sia solo sul
bersaglio, e non sui
tessusi circostanti.
neoplasia
E’ UN SOGNO!
LE TECNICHE DI TRATTAMENTO RADIOTERAPICO
RADIOTERAPIA ESTERNA CON
FASCI COLLIMATI
Consiste nell’irradiazione del
paziente con sorgenti di
radiazioni esterne. Il fascio
prodotto collimato viene diretto
verso il focolaio tumorale.
Ne sono un esempio le terapie
effettuate con acceleratore
lineare (X di energia fino a 25
MeV, elettroni di alta energia),
con la cobaltoterapia (gamma di
energia circa 1 MeV) e con la
roentgenterapia (X di energia
fino a circa 300 keV).
LE TECNICHE DI TRATTAMENTO RADIOTERAPICO
BRACHITERAPIA
impiega isotopi radioattivi (Cs137, Ir192, I125…) che
vengono posizionati a contatto o all’interno di una
lesione neoplastica. É 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 perchè richiede una grande accuratezza nel determinare
la dose somministrata sia agli organi bersaglio che ai tessuti
sani, il processo radioterapico è 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, cioè
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.
MEDICINA NUCLEARE e TERAPIA :
Si somministrano, generalmente radiofarmaci allo scopo di ottenere la
loro localizzazione nelle zone del corpo da sottoporre a terapia e di
cedere loro “tutta” la loro energia
I radiofarmaci che vengono usati in terapia sono diversi rispetto a
quelli usati in diagnostica perchè emettono radiazioni beta che
dissipano tutta la loro energia in uno spazio molto piccolo (<1 cm).
Esempi di applicazioni sono:
la terapia dell'ipertiroidismo e del carcinoma tiroideo, con I131;
in campo reumatologico: la terapia intra-articolare della sinovite
cronica da artrite reumatoide, con Y90;
la terapia delle metastasi ossee con Sr89;
la terapia con anticorpi monoclonali, peptidi e difosfonati marcati
con y90, Re 186, Re 188, Sm153
I primi compiti della fisica applicata alla medicina
Conoscere e quantificare le interazioni
delle radiazioni ionizzanti con la
materia vivente allo scopo di
•padroneggiare il loro utilizzo per
produrre immagini o attuare terapie
•proteggersi dagli effetti dannosi
indesiderati prodotti da tali interazioni
La professionalita’ del fisico è necessaria per un utilizzo
ottimale di queste applicazioni cliniche
• verifica e mantenimento e miglioramento della QUALITA’
• verifica, mantenimento e miglioramento della SICUREZZA
nell’uso delle radiazioni (sia per il paziente che per
l’operatore)
•introduzione e messa a punto di NUOVE TECNICHE
diagnostiche e terapeutiche
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 è 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
L’ATTIVITA’ DEL FISICO IN
RADIOTERAPIA
definizione delle caratteristiche tecniche,
installazione, messa in funzione delle apparecchiature
che producono radiazioni ionizzanti e monitoraggio delle
prestazioni
piani di trattamento radioterapici (2 e 3d) per
trattamenti esterni e brachiterapia;
gestione tecnica e controlli di qualità delle
apparecchiature di radioterapia (telecobaltoterapia,
acceleratori, simulatore, unità di brachiterapia)
dosimetria dei fasci radianti e delle sorgenti
radioattive;
dosimetria del paziente e procedure di set-up;
gestione delle immagini.
Radioprotezione degli operatori
Gli strumenti di lavoro del fisico medico (1)
Camere a ionizzazione,
elettrometri, dosimetri
a stato solido, fantocci,
sistemi di
spettrometria,
workstations, sistemi
informatici ...
Gli strumenti di lavoro del fisico medico (2)
analisi
...Rigore metodologico
curiosità
flessibilità
capacità di lavoro autonomo
apertura al lavoro in equipe anche
con figure professionali diverse
(medici, tecnici, dirigenza aziendale)
***
Consapevolezza della “missione”
aziendale (si lavora in un ospedale, per i
pazienti e a volte a contatto con loro)
sperimentazione
