Universit del Tempo Libero Stefano Covino INAF Osservatorio

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 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 radiazionizzanti ad avere ampie applicazioni in medicina

La correlazione fra la fisica delle radiazionizzanti 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 radiazionizzanti è fondamentale nei processi di diagnosi e di terapia

Radiazionizzanti 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

Radiazionizzanti nella diagnosi: Medicina nucleare Immagini della distribuzione nel corpo di un farmaco marcato con un radionuclide emettitore di radiazioni o di positroni

Radiazionizzanti 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

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 (g) in coincidenza di energia pari a 511 Ke. V e+ + e- -> 2 g

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 Na. I(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 radiazionizzanti per produrre un effetto radiobiologico distruttivo sul tessuto neoplastico.

LA DOSE ASSORBITA E’ il rapporto tra l’energia ceduta dalle radiazionizzanti 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 Me. V, elettroni di alta energia), con la cobaltoterapia (gamma di energia circa 1 Me. V) e con la roentgenterapia (X di energia fino a circa 300 ke. V).

LE TECNICHE DI TRATTAMENTO RADIOTERAPICO BRACHITERAPIA impiega isotopi radioattivi (Cs 137, Ir 192, I 125…) 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 I 131; ·in campo reumatologico: la terapia intra-articolare della sinovite cronica da artrite reumatoide, con Y 90; ·la terapia delle metastasi ossee con Sr 89; ·la terapia con anticorpi monoclonali, peptidi e difosfonati marcati con y 90, Re 186, Re 188, Sm 153

I primi compiti della fisica applicata alla medicina Conoscere e quantificare le interazioni delle radiazionizzanti 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 radiazionizzanti IL FISICO • Misura le dosi da radiazionizzanti 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 radiazionizzanti e monitoraggio delle prestazioni ¬ piani di trattamento radioterapici (2 e 3 d) 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