magic5-presxscuole_20100424

Applicazioni della FISICA
alla MEDICINA
MAGIC–5
Medical Applications on a Grid Infrastructure Connection
Ivan De Mitri – [email protected]
Dipartimento di Fisica dell’Università del Salento, e INFN Sezione di Lecce
Giorgio De Nunzio – [email protected]
Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università del Salento, e INFN Sezione di Lecce
MAGIC–5
Medical Applications on a Grid Infrastructure Connection
A collaboration of several
Universities,
Local INFN Section
and Hospitals
International Collaborations
Centro de Applicaciones Tecnologicas y
Desarrollo Nuclear (CEADEN) , Cuba
ALICE collaboration – CERN Ginevra
Collaborations with Industries
BRACCO Imaging, EURIX, I&T
Esempi di tecniche diagnostiche,
e legami con la Fisica…
Encefalografia (segnali elettrici)
Ecografia (onde sonore)
Radiografia (raggi X)
Scintigrafia (raggi g)
Positron Emission Tomography (positroni e raggi g)
Computed Tomography (Raggi X)
Nuclear Magnetic Resonance Imaging (onde radio)
…e una tecnica chimico-fisica
Elettroforesi bidimensionale per la proteomica (tecniche chimico-fisiche
per la separazione delle proteine)
Tecniche (radio)terapiche
Ecografia
Segnale
8 weeks
Trasduttore
Produzione di raggi X
Onde elettromagnetiche (“luce”) di lunghezza
d’onda compresa tra
10 nm e 1 pm
I raggi X vengono prodotti in dispositivi in cui
degli elettroni vengono accelerati e diretti contro
bersagli di diversi materiali
Un fascio monocromatico di raggi X che
attraversi un materiale omogeneo subisce
la riduzione di intensità espressa dalla
relazione di Bouguer :
I  x   I o e  x
I raggi X non assorbiti dall’oggetto in esame vengono rivelati
per mezzo di lastra fotografica o dispositivi più avanzati
CAD Station for Mammography
Massive Lesion Microcalcifications
MAGIC5
• Image Selection
• Image manipulation
• Metadata insertion
• Diagnosis insertion
• CAD execution
• Data Registration
• Data Search
• Installations
Hospitals:
Valdese (TO)
Palermo
Lecce
INFN-Universities:
Bari, Lecce, Napoli,
Palermo,Torino, Sassari
MAGIC5
Tomografia Assiale
Computerizzata (TAC)
Esempio di immagine tomografica
Analisi di CT polmonari
MAGIC5
Screening della
popolazione a rischio
CAD utile per
abbassare la
percentuale di Falsi
Negativi
MAGIC5
MAGIC5
MAGIC5
MAGIC5
Tomografia a Emissione di Positroni (PET)
Usa traccianti radioattivi ottenuti marcando molecole
normalmente presenti nei tessuti biologici (zuccheri, amminoacidi,
l’acqua e le molecole gassose in aria) con radionuclidi emettitori
di positroni b+.
• tempo di dimezzamento breve (decine di minuti): necessità di
disporre di un ciclotrone!
• isotopi di elementi costituenti la materia biologica:
18F-Fluorodeossiglucosio (18F-FDG), il tracciante più largamente
usato in PET, è un analogo del glucosio.
rivelazione in coincidenza
Magnetic Resonance Imaging
NMR (Risonanza Magnetica Nucleare)
• interazione tra lo spin nucleare dell’idrogeno e un campo magnetico esterno
• Ad un campo magnetico uniforme e costante si sovrappone un campo em variabile
della frequenza opportuna (per ottenere risonanza con i nuclei)
• Si misura l’assorbimento di energia della materia attraversata in corrispondenza della
frequenza della specie nucleare in questione (idrogeno,..)
• Vede la concentrazione di nuclei di idrogeno nei tessuti e, poiché l’idrogeno è
presente nel corpo umano prevalentemente come acqua, vede la concentrazione di
acqua nei tessuti.
NMR: principi di funzionamento (1)
Il nucleo dell’idrogeno (1H) è costituito da un singolo protone.
Ciascun protone possiede carica elettrica e momento angolare intrinseco o "spin“ (“ruota” attorno
al proprio asse). Il moto di rotazione produce un momento magnetico con orientamento parallelo
al momento angolare (momento di dipolo magnetico).
In assenza di campo magnetico esterno, i momenti magnetici sono disposti casualmente nello
spazio.
NMR: principi di funzionamento (2)
Quando il paziente viene immerso nel campo magnetico del tomografo RM, i
momenti magnetici associati ai nuclei di idrogeno nel corpo del paziente tendono ad
orientarsi lungo la direzione del campo magnetico (come l’ago di una bussola si
orienta verso una calamita).
Più precisamente, l’asse di spin ruota attorno alla direzione del campo magnetico
esterno, mantenendo con esso un angolo costante. Questo moto complesso è detto
moto di precessione, ed è simile al moto di una trottola attorno al campo gravitazionale
terrestre.
La frequenza di precessione (frequenza di Larmor) (numero di rotazioni in 1
secondo) è caratteristica del nucleo atomico ed è proporzionale al campo magnetico
applicato (nucleo di idrogeno, con Bo = 1 Tesla, fL = 43 MHz).
Il moto di precessione può avvenire in direzione parallela o anti-parallela a Bo. Alla
configurazione parallela corrisponde uno stato energetico inferiore, più stabile e
quindi più probabile. Il moto di precessione avviene con fasi di rotazione diverse
(se i momenti magnetici fossero le lancette di tanti orologi, queste segnerebbero ore
diverse).
NMR: principi di funzionamento (3)
Inviando al paziente immerso nel campo magnetico del tomografo RM un impulso
elettromagnetico con:
•
frequenza di oscillazione pari alla frequenza di Larmor,
•
campo magnetico oscillante B1 perpendicolare a B0 e di intensità molto minore
si induce il fenomeno di Risonanza Magnetica:
•
eccitazione dei nuclei (passaggio da configurazione parallela ad antiparallela
•
messa in fase dei moti di precessione
Quando l’impulso RF viene interrotto, i nuclei, interagendo con la materia circostante, tendono a
ripristinare il loro stato originale (come l’ago di una bussola torna ad indicare il polo nord
terrestre, allontanando la bussola da una calamita).
Durante questa fase il sistema restituisce l’energia assorbita, sotto forma di onde em alla
frequenza di Larmor, ma con tempi di rilassamento diversi a seconda delle interazioni in atto
(spin-reticolo, spin-spin)
Immagine RM di una stessa sezione tomografica del
cranio, pesata in DP (sinistra), T2 (centro) e T1
(destra): il contrasto tra i tessuti è prevalentemente
associato a differenze in DP, T1 e T2
Alzheimer: Segmentazione dell’ippocampo
Studio di immagini da risonanza magnetica (MRI)
ruotate à la Onishi
MAGIC5
Alzheimer: Individuazione dell’ippocampo
MAGIC5
Segmentazione della scatola
ippocampale
Misura del volume
Stima della quantità di liquido
cefalorachidiano
Confronto con informazioni
provenienti da analisi funzionali in
immagini PET
Analisi d’immagine di elettroforesi
bidimensionale per la proteomica
Le
immagini
di
elettroforesi
bidimensionale si ottengono tramite
una scansione ottica di un gel sul
quale è stato depositato un campione
biologico
(plasma,
urine,
ecc…)
contenente proteine, provocandone poi
la diffusione bidimensionale.
La diffusione è causata dall’applicazione di
un campo elettrico, che provoca una
migrazione delle proteine, lungo l’asse
orizzontale in base al PH, e lungo l’asse
verticale in base al peso molecolare.
Immagini utilizzate nell’ambito
della proteomica clinica per l’
individuazione
di
marker
tumorali e di altre malattie.
Principali tecniche utilizzate
“Coregistrazione”
fra immagini già
analizzate e
immagini ancora da
analizzare.
Studio della
forma degli
spot
Mappa di isotropia
(esempio: p map,
MD map)
Mappa di anisotropia
(esempio: q map,
FA map)
DTI e diffusione isotropica ed anisotropica
by A.Bizzi, Modified
Un sistema CAD per il glioma cerebrale in DTI (Diffusion Tensor Imaging)
Conclusioni
La ricerca di base molto spesso ha utili ed
immediate applicazioni alla vita di tutti i giorni
Lo sviluppo delle conoscenze nella fisica
moderna e delle tecnologie ad essa connesse
ha portato fondamentali contributi sia nelle
tecniche diagnostiche che nella terapia
Nuove tecniche sono continuamente messe a
punto per aumentare le prestazioni fornite
(risoluzione spaziale,..) e diminuire i rischi per il
paziente