Fisica e salute

macchine al servizio dei medici

Materiale originario a cura della Dr.ssa R. Rossi

Azienda Ospedaliera di Parma

Consulenza medica da parte della Dr.ssa Maddalena Zanardelli

Ospedale Maggiore - Policlinico di Milano

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

Che cosa è

Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche

Radiazione visibile (laser)

Applicazioni chirurgiche

Radiazione ultravioletta

Fotochemioterapia

Radiofrequenze

Terapia ”fisica”

Accanto alle applicazioni delle radiazioni non ionizzanti nella terapia …

Risonanza magnetica

Imaging basato sull’assorbimento e

l’emissione di energia nel range

delle radiofrequenze

Ecografia Immagini generate dagli echi prodotti nell’interazione coi tessuti di un fascio

di ultrasuoni

… e nella diagnosi …

(oltre agli 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:

Radiologia tradizionale

TAC

Applicazioni angiografiche, vascolari

Imaging radiologico

Immagini della trasmissione attraverso il corpo di un fascio

di raggi X di frenamento prodotto da un apparecchio

Immagini della distribuzione nel corpo di un farmaco marcato con un

radionuclide emettitore di radiazioni o di positroni

Medicina nucleare

Radiazioni ionizzanti nella diagnosi:

Radiazioni ionizzanti in terapia:

Radioterapia

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

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

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)

Le immagini planari

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 undecompressore 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 KeVe+ + e- -> 2

Apparecchiature utilizzate nella diagnostica Medico-Nucleare

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.

•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)

•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.

L’obiettivo principale è riuscire a somministrare il massimo di dose al volume bersaglio (neoplasia) e nel contempo salvaguardare i tessuti sani circostanti.

neoplasia

L’ ideale sarebbe che tutta dose sia solo sul bersaglio, e non sui tessusi circostanti.

E’ UN SOGNO!

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).

LA DOSE ASSORBITA

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).

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.

BRACHITERAPIA

LE TECNICHE DI TRATTAMENTO RADIOTERAPICO

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

localizzare e ricostruire tridimensionalmente (partendo da immagini TAC) la parte anatomica da irradiare, con le sue caratteristiche di densita’

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

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.

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 energiaI 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

MEDICINA NUCLEARE e TERAPIA :

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

I primi compiti della fisica applicata alla medicina

La professionalita’ del fisico è necessaria per un utilizzo ottimale di queste

applicazioni cliniche

•introduzione e messa a punto di NUOVE TECNICHE diagnostiche e terapeutiche

• 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)

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

Negli attuali impieghi diagnostici delle radiazioni ionizzanti

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

RADIOTERAPIA

L’ATTIVITA’ DEL FISICO IN

Gli strumenti di lavoro del fisico medico (1)

Camere a ionizzazione, elettrometri, dosimetri a stato solido, fantocci,

sistemi di spettrometria,

workstations, sistemi informatici ...

...Rigore metodologico

curiosità

flessibilità

capacità di lavoro autonomo

apertura al lavoro in equipe anche con figure professionali diverse

(medici, tecnici, dirigenza aziendale)

***

analisi

sperimentazione

Consapevolezza della “missione” aziendale (si lavora in un ospedale, per i

pazienti e a volte a contatto con loro)

Gli strumenti di lavoro del fisico medico (2)