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Fisica e Medicina: dai raggi X all’ adroterapia
A. Fontana, INFN & Università di Pavia
X Settimana della Scienza, Gallarate, 18 Marzo 2016
Tre temi conduttori lungo gli ultimi 120 anni:
• Ricerca di base
• Scoperta della radioattività, dei nuclei e delle particelle elementari
• Sviluppo di acceleratori e rivelatori
• Studi motivati da puro desiderio di conoscenza portano
ad applicazioni
• Diagnostica
• I raggi X
• La Tomografia Assiale Computerizzata (TAC)
• La Tomografia ad Emissione di Positroni (PET)
• Terapia
• I raggi gamma
• Protoni per la cura dei tumori
• Nuclei
Premessa
La medicina ha fatto veramente passi da gigante negli
ultimi 50 anni
Per gli apparati, le tecniche ed i metodi utilizzati sta
veramente diventando una scienza medica
Occorrono competenze multidisciplinari ed i fisici sono in
prima linea nella ricerca
Trasferendo le loro scoperte e competenze,
che applicano giornalmente nella ricerca,
a favore di una migliore qualità della vita!
CNAO: il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica di Pavia
SALA di TRATTAMENTO
(fascio orizzontale)
L’ acceleratore di particelle di CNAO
Radiazioni
Pericolose ma molto conosciute e ben studiate
•
Crema
Radioattiva 1932
Hiroshima e Nagasaki
• Three Mile Island
• Chernobyl
• Fukushima
Può essere utilizzata sia direttamente in
radioterapia sia come “visualizzatore”
all’interno del corpo (medicina nucleare e
diagnostica per immagini)
Veste protettiva utilizzata dai radiologi agli inizi del 1900
MATERIA
Due tipi di radiazioni ionizzanti:
- elettromagnetiche
- corpuscolari (particelle)
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
c=299 792 458 m/s
h=6.626 10-34 J s
velocità della luce
costante di Planck
1 eV=1.602 10-19 J
elettronvolt
PARTICELLE
RADIOTERAPIA
• nuclei
ioni
• electroni
• muoni (da raggi cosmici)
• adroni : - protoni
ADROTERAPIA
- neutroni
- mesoni (da raggi cosmici)
- nuclei (ioni)
Il punto di partenza
Novembre 1895: scoperta dei raggi X
Wilhelm Conrad Roentgen
Dicembre 1895: prima radiografia
La prima vera radiografia
Fatti importanti:
• I raggi X penetrano nella materia
• I raggi X sono assorbiti in modo diverso da ossa
e tessuto muscolare: deposito di energia (dose)
non quantificato all’ epoca.
• Tempo di esposizione: 15 minuti
• Moderna radiografia:
• Tempo di esposizione: da 1/50 a 1/25 di secondo
• Dose: <0.1 mSv (fondo naturale: 1-2 mSv/anno)
Unità di misura di dose:
1 Gy (Gray)=1 J/Kg
Radiografia della mano della
moglie di Roentgen
1 Sv=1 J/Kg (per tessuti biologici, tiene conto
del diverso effetto dato da diversa
radiazione: gamma, elettroni, protoni…)
La visione moderna
Tubo a raggi X:
Elettroni accelerati sotto vuoto interagiscono
con bersaglio metallico che irraggia fotoni
(quanti di radiazione)
Produzione di raggi X
Spettro di energia di raggi X
Interazione fotoni-materia
I raggi X interagiscono con la materia
con diversi meccanismi:
• Effetto Compton
• Effetto foto-elettrico
• Produzione di coppie elettrone-positrone
(soglia 2x511 keV)
Che cosa succede a un fascio di fotoni?
Coefficiente m di attenuazione:
• dipende da materiale (Z)
• dipende da densità
• dipende da energia fotoni
Tornando a Roentgen…
Molti raggi X si fermano
nella materia
A seconda della densità
e dell’ energia…
Si ha un deposito di dose
Interazione di adroni
Interazione di adroni
Energia depositata da fotoni e adroni
ASSORBIMENTO DELLA RADIZIONE NELLA MATERIA
assorbimento:
• interazione con strutture atomiche e molecolari
• rilascio di energia con rottura di legami
• produzione di cariche elettriche in moto (ioni)
ionizzazione
• Linear Energy Transfer (LET)
• perdita progressiva di energia fino all’arresto (range R)
• LET dipende da E, densità, Zmateria
• radiazioni a modesto LET (X, gamma, elettroni)
• radiazioni a grande LET (protoni, ioni nucleari)
Dosi di radiazione tipiche
Inizio della Fisica moderna e della Fisica medica
Henri Bequerel
(1852-1908)
1896
Scoperta della
radioattività naturale
1898
Scoperta del radio
Prime applicazioni alla cura dei tumori
Idea di base:
controllo locale
del tumore
1908: primo tentativo di cura di
tumori della pelle in Francia
(«Curietherapie»)
Invenzione del ciclotrone: 1930
Ernest Lawrence
(1901-1958)
Nucleo accelerato
in campo magnetico:
traiettoria a spirale
Ciclotrone moderno
presente in molti ospedali.
Anche Uni PV ne possiede
uno!
Copia visibile al CERN
Scoperta del neutrone: 1932
James Chadwick…
1891-1974
I neutroni vengono usati oggi per:
…studente di Ernst
Rutherford
- produrre alcuni radio isotopi
utili per diagnosi e terapia
- curare alcuni tumori (tecnica BNCT)
Scoperta del positrone: 1932
Scoperta dell’ antimateria, prevista teoricamente nel 1928 da Dirac
Carl D. Anderson
(Caltech)
Il positrone e’ alla base della moderna tecnica
di diagnosi PET: Positron Emission Tomography.
Scoperta dell’ efficacia dei neutroni
I «ragazzi di via Panisperna»: 1934
Utilizzo di iodio per diagnosi
iper-tiroidismo: 131I al posto di
127I, prodotto da Fermi per la
prima volta.
Il CERN: gli acceleratori
Una struttura in evoluzione per un
Migliore rendimento
LEP/LHC 1989/2007
SPS 1976
Sito CERN 2
PS 1959
Acceleratore SPS
CERN sito principale
Aeroporto di Ginevra
acceleratore
LHC
Dopo il CERN… un grande passo in avanti
In Fisica, ma anche in
• Diagnosi medica
• Terapia con radiazioni ionizzanti
Grazie anche allo sviluppo di 3
strumenti fondamentali:
• Acceleratori di particelle
• Rivelatori di particelle
• Computers
Tim Berners Lee, primo sito web, CERN 1990
Rivelatori: essenziali per la diagnostica
• Costituiscono gli «occhi» dei fisici
• Sviluppo impressionante negli ultimi 100 anni:
• A partire dalle lastre fotografiche e dalle camere a nebbia
si arriva fino a ATLAS e CMS del CERN
• Si basano su principi diversi: emissione di luce, ionizzazione
di un gas o di un semiconduttore
• Sono fondamentali per la diagnostica medica:
• TAC
• PET
Tomografia
Immagine analitica invece che immagine sintetica
ottenuta
ruotando sia il
tubo radiogeno
che la
“cassetta”
attorno ad un
asse passante
per il piano che
si vuole
analizzare
Funzionamento TAC
Nella TAC il fascio di raggi X ruotante esplora
da
differenti
“numerose”
angolazioni
la regione
anatomica
interessata
che è collocata al centro del ventaglio del fascio
Tomografia Assiale Computerizzata
Serie di radiografie in
sequenza
“a spirale”
La TAC (ovvero CT)
è una sonda intracorporea
CT e Numero di Hounsfield
Immagini di densità: livelli di grigio a seconda dell’ assorbimento
G. Hounsfield
Premio Nobel per la Medicina 1979
Misura del coefficiente di assorbimento per varie direzioni:
calcolo del numero di Hounsfield per ogni voxel.
Tomografia ad emissione di positroni
Un radionuclide iniettato in
vena
emette un positrone
che si annichila in circa 1-2
mm con un elettrone del
materiale
PET
emettendo due fotoni
collimati di energia fissa
(511 keV) che possono
essere rivelati
Annichilazione
I positroni emessi dai radionuclidi si annichilano in due
fotoni
che sarebbero perfettamente
collineari se la quantità di moto
totale delle due particelle fosse
nulla
La rivelazione deve essere
effettuata da un sistema di
coincidenza che rilevi i
due fotoni emessi a 180°
Radionuclidi
I radionuclidi sono isotopi emettenti e+ (che vengono prodotti
mediante ciclotroni) si utilizzano di solito isotopi di elementi
biologici
con t1/2 = 20.1’
13N
con t1/2 = 10.0’
15O
con t1/2 = 2.1’
18F
con t1/2 = 110’
FGD fluorodisossiglucosio
analogo al glucosio in cui è stato
inserito del 18F (beta emittente)
che può essere metabolizzato
11C
PET: un esempio
Terapia con raggi X
Rivelatori e computers: essenziali per la terapia
• Software sofisticati calcolano e verificano la dose prima del trattamento.
• Analisi di immagini TAC e PET, anche combinate.
Attualmente il piano di trattamento di un singolo paziente richiede alcune ore.
Problemi con terapia X
Livello di dose
Fascio X
Elevata dose ai tessuti sani
in prossimità del tumore
Problema per tumori profondi.
Bersaglio
Un esempio
Problemi con terapia X
Soluzione:
• Uso di molti fasci incrociati: Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT)
• Rischio di irraggiare organi sani, detti Organs At Risk (OAR)
La soluzione dell’ adroterapia
La soluzione dell’ adroterapia
Il principio base dell’ adroterapia
• Presenza del picco di Bragg: risparmio tessuti sani
• Adroni sono carichi: possibilità di scansione
• Ioni pesanti, come carbonio: miglior efficacia
Energia e corrente
• Perché protoni da 200 MeV e ioni C da 400 MeV/u?
• Range in acqua per protoni da 200 MeV: ~27 cm
• Penetrazione C da 4800 MeV: ~27 cm
• Perché una corrente di 1 nA?
• Prescrizione medica: 2 Gy per Kg per minuto
• = (2 J / 200 MeV) x (e) x (1/60 s) = 1 nA
(range)
ALTA TECNOLOGIA
precisione ≤ 1 millimetro !!
- necessaria grande accuratezza nel posizionamento
del paziente
- elevata precisione nel rilascio della dose
- controlli in tempo reale pre- e durante la terapia
- controllo dopo irraggiamento
- interventi di sicurezza
vincoli attuali: tumore statico
• gestione totalmente computerizzata dei sistemi
FASCI e CENTRI DEDICATI
• singoli fasci per adroterapia presso Centri di
ricerca in Fisica nucleare e delle particelle ~ 1985
(tempo dedicato alla adroterapia limitato)
• centri medici interamente dedicati alla adroterapia
- terapia con acceleratore per solo protoni
- terapia con acceleratore per solo ioni
- terapia con protoni e ioni nello stesso acceleratore
~ 1990
Mappa dell’ adroterapia
PRINCIPALI CENTRI DI ADROTERAPIA
Loma Linda University Medical Center
10 m
• protosincrotrone 70 250 MeV
• 3 testate isocentriche ruotanti
HIMAC : Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba
CNAO: il sincrotrone per protoni e ioni carbonio
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
• studio del progetto iniziato 1992 (CERN e INFN)
• acceleratore (sincrotrone) di protoni e di ioni carbonio
• sistema magnetico tradizionale
• 3 sale di trattamento
• fasci orizzontali e verticale (in una sala)
• sala separata dedicata ad attività di ricerca
• accurata progettazione edilizia
• progettazione sistemi di misura della dose
• progettazione sistemi di sicurezza
• sperimentazione su animali
• sistemi diagnostici integrati (TC, RM, PET)
• costruzione iniziata nel 2004, terminata nel 2008
• installazione e test alta tecnologia 2008-2011
• primi pazienti settembre 2011
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
15.12.2005
30.07.2006
SALA ALIMENTATORI
CNAO
7
0
Terapie in corso
- iniziata sperimentazione settembre 2011
(solo protoni 1 sala di trattamento)
- ottobre 2012 (terapie anche con ioni carbonio)
- 15-20 sessioni per paziente
- marzo 2013: 2a sala di trattamento attiva
- oltre 150 pazienti trattati (protoni e ioni C)
- dicembre 2013 ottenuta Marcatura CE
(termine sperimentazione)
- Servizio Nazionale iniziato dal 1° gennaio 2014
- inverno 2013/14: 3a sala di trattamento attiva
- Oggi: circa 30 pazienti al giorno in day-hospital
Sviluppi futuri
diagnostica avanzata
FUSIONE IMMAGINI 3D, PET ON-LINE
sviluppo tecnologie avanzate
TESTATA ISOCENTRICA,
TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO PERIODICO
(polmone, seno, mediastino)
TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO CASUALE
studi clinici
studi radiobiologia
sviluppo piani di trattammento e analisi automatica
delle immagini
IMPIEGO DELLA RETE DI CALCOLO
“GRID”
La professione di FISICO MEDICO
Dosimetria
Medico
Tecniche
di calcolo
MATEMATICO
INFORMATICO
Impiego
Attrezzature
INGEGNERE
CLINICO
Gestione
immagini
INFORMATICO
FISICO
Il fisico agisce da “interfaccia” tra il
medico,
la fisica e la tecnologia
Come si forma un fisico medico
Attraverso una specializzazione post-laurea presso una delle
SCUOLE DI SPECIALIZZAZIONE IN FISICA SANITARIA
presenti in Italia:
Università Cattolica di Roma
Università di Milano
Università di Bologna
Università di Pisa
Università di Torino
Università di Roma "Tor Vergata"
Università di Napoli "Federico II"
Università di Roma "La Sapienza"
Università di Firenze
Università di Messina
Università di Genova
Quali prospettive di lavoro ha un fisico medico
(ruolo dirigenziale)
•ospedali pubblici
Concorso
pubblico (dopo
specialita’)
Contratti a tempo determinato (a
volte anche prima del diploma di
specialita’)
•ospedali privati
•universita’
•istituti di ricerca (es. ricerca sul cancro)
•libera professione nell’esercizio della
radioprotezione
•aziende del settore
•ARPA (fisica ambientale)
Fisica e Medicina: dai raggi X all’ adroterapia
Una bella sintesi dell’ interazione tra Fisica fondamentale
e diagnosi/terapia in Medicina
Prof. Ugo Amaldi
Fondazione TERA
Grazie per l’ attenzione!
Contatto
[email protected]
www.pv.infn.it/~fontana