Fisica e Medicina: dai raggi X all’ adroterapiaA. Fontana, INFN & Università di PaviaX 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

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

che applicano giornalmente nella ricerca,

a favore di una migliore qualità della vita!

Trasferendo le loro scoperte e competenze,

Premessa

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

• 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

Crema

Radioattiva 1932

MATERIA

Due tipi di radiazioni ionizzanti:

- elettromagnetiche

- corpuscolari (particelle)

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

c=299 792 458 m/s velocità della luce

h=6.626 10-34 J s costante di Planck

1 eV=1.602 10-19 J elettronvolt

• nuclei ioni

• electroni • muoni (da raggi cosmici)

• adroni : - protoni

- neutroni

- mesoni (da raggi cosmici)

- nuclei (ioni)

RADIOTERAPIA

PARTICELLE

ADROTERAPIA

Il punto di partenza

Novembre 1895: scoperta dei raggi X

Dicembre 1895: prima radiografia

Wilhelm Conrad Roentgen

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)

Radiografia della mano della

moglie di Roentgen

Unità di misura di dose:

1 Gy (Gray)=1 J/Kg

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

Che cosa succede a un fascio di fotoni?

Coefficiente m di attenuazione:

• dipende da materiale (Z)

• dipende da densità

• dipende da energia fotoni

I raggi X interagiscono con la materia

con diversi meccanismi:

• Effetto Compton

• Effetto foto-elettrico

• Produzione di coppie elettrone-positrone

(soglia 2x511 keV)

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

• interazione con strutture atomiche e molecolari• rilascio di energia con rottura di legami• produzione di cariche elettriche in moto (ioni)

ionizzazione

assorbimento:

• Linear Energy Transfer (LET)

• radiazioni a modesto LET (X, gamma, elettroni)• radiazioni a grande LET (protoni, ioni nucleari)

• perdita progressiva di energia fino all’arresto (range R)• LET dipende da E, densità, Zmateria

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

…studente di Ernst

Rutherford

I neutroni vengono usati oggi per:

- produrre alcuni radio isotopi

utili per diagnosi e terapia

- curare alcuni tumori (tecnica BNCT)

Scoperta del positrone: 1932

Carl D. Anderson

(Caltech)

Scoperta dell’ antimateria, prevista teoricamente nel 1928 da Dirac

Il positrone e’ alla base della moderna tecnica

di diagnosi PET: Positron Emission Tomography.

Scoperta dell’ efficacia dei neutroniI «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

Aeroporto di Ginevra

acceleratore

LHC

CERN sito principale

Acceleratore SPS

Sito CERN 2

Una struttura in evoluzione per un Migliore rendimento

PS 1959

SPS 1976

LEP/LHC 1989/2007

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

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

Tomografia

il fascio di raggi X ruotante esplora

da

differenti

“numerose”

angolazioni

che è collocata al centro del ventaglio del fascio

la regione

anatomica

interessata

Nella TAC

Funzionamento TAC

Serie di radiografie in

sequenza

La TAC (ovvero CT)

è una sonda intracorporea

“a spirale”

Tomografia Assiale Computerizzata

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.

emettendo due fotoni

collimati di energia fissa

(511 keV) che possono

essere rivelati

PET

Un radionuclide iniettato in

vena

emette un positrone

che si annichila in circa 1-2

mm con un elettrone del

materiale

Tomografia ad emissione di positroni

I positroni emessi dai radionuclidi si annichilano in due

fotoniche 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°

Annichilazione

11C 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

I radionuclidi sono isotopi emettenti e+ (che vengono prodotti

mediante ciclotroni) si utilizzano di solito isotopi di elementi

biologici

Radionuclidi

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

Fascio X

Livello di dose

Bersaglio

Elevata dose ai tessuti sani

in prossimità del tumore

Problema per tumori profondi.

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 ~ 1990

- terapia con acceleratore per solo protoni

- terapia con acceleratore per solo ioni

- terapia con protoni e ioni nello stesso acceleratore

Mappa dell’ adroterapia

PRINCIPALI CENTRI DI ADROTERAPIA

Loma Linda University Medical Center

• protosincrotrone 70 250 MeV

• 3 testate isocentriche ruotanti

10 m

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

7

0

CNAO

SALA ALIMENTATORI

- 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

Terapie in corso

diagnostica avanzata

sviluppo tecnologie avanzate

studi clinici

sviluppo piani di trattammento e analisi automatica delle immagini

FUSIONE IMMAGINI 3D, PET ON-LINE

TESTATA ISOCENTRICA, TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO PERIODICO (polmone, seno, mediastino)TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO CASUALE

IMPIEGO DELLA RETE DI CALCOLO “GRID”

studi radiobiologia

Sviluppi futuri

Medico FISICO

Impiego

Attrezzature

Gestione

immagini

Tecniche

di calcolo

INFORMATICO

INGEGNERE

CLINICO

MATEMATICO

INFORMATICO

Il fisico agisce da “interfaccia” tra il

medico,

la fisica e la tecnologia

Dosimetria

La professione di FISICO MEDICO

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

•ospedali pubblici

•ospedali privati

•universita’

•istituti di ricerca (es. ricerca sul cancro)

•libera professione nell’esercizio della

radioprotezione

•aziende del settore

•ARPA (fisica ambientale)

Concorso

pubblico (dopo

specialita’)

(ruolo dirigenziale)

Contratti a tempo determinato (a

volte anche prima del diploma di

specialita’)

Fisica e Medicina: dai raggi X all’ adroterapia

Prof. Ugo Amaldi

Fondazione TERA

Una bella sintesi dell’ interazione tra Fisica fondamentale

e diagnosi/terapia in Medicina

Grazie per l’ attenzione!

Contatto

andrea.fontana@pv.infn.it

www.pv.infn.it/~fontana