Dalla Fisica alla Medicina:

alcune applicazioni

Flavio Marchetto

Istituto Nazionale di Fisica

Nucleare -Torino

http://www.to.infn.it/~fmarchet/torgnon/fisica_medica_torgnon.ppt

13 Marzo 2013 1 flavio marchetto

Alcuni campi che legano le

ricerche in Fisica alle

Applicazioni Mediche

• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)

• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)

• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni

• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio

• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)

• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)

• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni

• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio

Che cosa sono le radiazioni ionizzanti ?

bassa frequenza bassa energia alta frequenza alta energia

radiazioni ionizzanti

E = h n

~ 4.15 x 10-15

eV·s

frequenza

10 eV

Onde elettromagnetiche così come la luce visibile, ultravioletti, …

Che cosa sono le radiazioni ionizzanti (continua) ?

Fanno parte di una grande famiglia che comprende onde (massa

nulla) e particelle (massive) Onde:

• Radio (100 MHz, l~3 m) 10-7 eV

• Telefonini (1.8 GHz, l~15 cm ) 10-5 eV

• Forni a micro-onde (2.45 GHz) 10-5 eV

• Stufa a irraggiamento (infrarossi) (l ~10 mm) 0.1 eV

• Luce visibile (blu: n ~7· 1014 s-1 e l = 450 nm) 3 eV

• Ultra-violetti 5 eV

• Raggi X 20 eV – 104 eV

• Raggi g > 104 eV

• elettroni

• protoni, etc…

radiazioni non

ionizzanti

ionizzanti

c = velocità della luce = l n

Che cosa sono le radiazioni ionizzanti ? (continua)

1) raggi X e g: stessa forma di trasporto energia contraddistinte

soltanto dall’energia coinvolta X = basse energie (20 eV – 10 keV)

g = alte energie (> 10 keV)

2) elettrone (e)

3) protone (p)

4) muone (m)

...

particelle cariche

In Fisica medica sono largamente impiegate sia per:

Diagnostica: radiografia, TAC (tomografia

assiale computerizzata), PET

Trattamenti radioterapeutici

Le radiazioni NON ionizzanti sono invece caratterizzate da bassa

frequenza e di conseguenza bassa energia

telefonino ~ 1.8 GHz

forno a micronde ~2.45 GHz

Ritorniamo alle radiazioni ionizzanti e in particolare cerchiamo di

capire quale sia il loro impatto sulla vita animale

Raggi X e raggi g (ma anche p, m, e) penetrano nella materia

perdono energia nell’attraversare la materia che…

qual’e’ il meccanismo principale con cui cedono energia?

cedono alla materia attraversata

perdono energia nell’attraversare la materia che…

Schematizzazione dell’atomo:

• nucleo costituito da protoni e neutroni

• circondato da una nuvola elettronica

proiettile

ione positivo

Meccanismo della ionizzazione

• il proiettile urta uno degli elettroni dell’ atomo cedendogli parte della sua

energia

• l’elettrone urtato e’staccato dall’atomo

• lo stato finale consiste del proiettile deviato, l’elettrone liberato e dell’atomo che

e’ ora uno ione

elettrone

Effetti biologici della radiazione ionizzante

Attraverso la ionizzazione ed eccitazione delle molecole del tessuto

si provoca un danno cellulare:

danno diretto al DNA per rottura dei legami molecolari

danno indiretto con la ionizzazione delle molecole di H2O (65% del peso

corporeo) e produzione di radicali liberi H+ e OH- molto reattivi che

attaccano la cellula

radiazione

prima dopo

rottura della doppia elica e conseguente morte della cellula

Sommario

• Se la radiazione incidente ha abbastanza energia,

nell’attraversare la materia urta elettroni atomici e

conseguentemente ionizza gli atomi urtati

• Se la materia attraversata è una cellula allora il DNA può

essere danneggiato ( doppia elica rotta)

• Nella gran parte dei casi il DNA si autoripara

• oppure la cellula muore

• oppure (caso più pericoloso) avviene una mutazione

Conclusione: controllare, limitare e, in ultima

analisi, saper misurare la quantità di radiazione che

incide sul nostro corpo è di grande importanza

• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)

• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)

• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni

• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio

1. naturale: raggi cosmici, emissioni terrestri (rocce ) e

emissioni del cemento (casa)

2. artificiale : dovuta alle attivita’ umane essenzialmente legate

alla medicina

Oltre alla radioattivita' naturale, si e' soggetti

alla radiazione dovuta alle 'attivita' umane':

radiografie;

TAC, PET; 3dmodel.mpg

trattamenti radioterapeutici;

emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione,

non in Italia).

Unità di misura

Per la misura della quantità di radiazione che attraversa un corpo

si introduce la dose = energia E (rilasciata dalla radiazione nell

corpo di massa M) divisa per M

GIUSTIFICAZIONE INTUITIVA DELLA DEFINIZIONE

Una singola ionizzazione richiede un’energia media (33 eV) -> misurare l’energia rilasciata in

un oggetto di massa M fornisce indirettamente il numero di ionizzazioni

M

ED = Unità di dose: 1 Gray (Gy) = 1 Joule/kg

Dose equivalente ( per danno biologico) = Q · D

Dose equivalente ( per danno biologico) = Q · D

ove Q dipende dal tipo di radiazione

Q = 1 per fotoni, elettroni, muoni

Q = 20 per neutroni lenti

etc…

Unità di dose equivalente = Sievert (Sv)

Per fotoni, elettroni -> 1 Sv = 1 Gy

Dose totale annuale 2.2 mSv

87% naturale

13% artificiale

Contributi delle diverse sorgenti di radiazioni ionizzanti

Naturale (87%) Artificiale (13%)

In media: 2.2 mSv/anno con variazione da 0.4 a 4

mSv/anno (con punte a 50 mSv/anno) a seconda

delle aree

Italia : 0.5 (Ao) – 2.1 (Na) mSv/anno

Esami medici: 0.28 mSv/anno

Rilascio Centrali Nucleari: 0.03 mSv/anno

Raggi cosmici: 0.30 mSv/anno

Terrestre: 0.40 mSv/anno

Interno(cibo): 0.38 mSv/anno

Radon : 0.80 mSv/anno

gas emesso da

muri, pavimenti

Esempio di misura di radiazione

0,01

0,1

1

10

100

1000

01/0

5/8

6

01/0

5/8

7

01/0

5/8

8

01/0

5/8

9

01/0

5/9

0

01/0

5/9

1

01/0

5/9

2

01/0

5/9

3

01/0

5/9

4

01/0

5/9

5

01/0

5/9

6

01/0

5/9

7

01/0

5/9

8

01/0

5/9

9

01/0

5/0

0

01/0

5/0

1

01/0

5/0

2

Cs-137 (Bq/kg)

Dr. M.Magnoni – ARPA Ivrea

Il Cs137 nella carne bovina

piemontese

Esempio di strumento per la misura della radioattività

Rivelatore di radiazione

Amplificatore

USB per connettere al PC

Energia Energia

622 keV 1173 keV 1332 keV

Cs 137 Co 60

• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)

• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)

• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni

• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio

Alcuni cenni di diagnostica con

radiazioni ionizzanti

• Radiografia (raggi X)

•Tomografia assiale computerizzata (TAC)

•Positron emission tomography (PET)

Radiografia

Radiografia al torace: Dose equivalente = 0.02 - 0.1 mSv (equivalente a

circa 2 mesi di radioattivita' naturale.)

Tomografia assiale computerizzata (TAC)

TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 5-10 anni di

radioattivita' naturale.)

Ricostruzione tridimensionale della densità elettronica, dalla quale

si ricostruiscono gli organi anatomici

e+

g

g 18F-FDG

e-

e+

Tomografia ad emissione di

positroni (PET) Mappa tridimensionale dei processi

funzionali degli organi anatomici

Si introduce un radioisotopo (18F) in uno

zucchero (FDG) che viene messo in circolo

nel sangue.

Dose tipica: 7 mSv

PET a riposo

PET durante l’ascolto di musica

CT-PET eseguito contemporaneamente: lesione polmonare

prima

dell’associazione di

ambedue le

immagini

dopo

l’associazione

delle immagini

Ricapitolando:

La radiazione ionizzante di natura artificiale e’

prevalentemente da associarsi a attivita’ mediche

Diagnostica

• Radiografie

•TAC

•PET

Trattamenti radioterapeutici

• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)

• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)

• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni

• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio

Uso delle radiazioni per il trattamento

radioterapeutico

trattamento per i tumori:

tutte le cellule del bersaglio sono distrutte

dose somministrate da 50 Sv in su

Terapia dei tumori con radiazioni

100 %dei pazienti

Trattamento disponibile

45 %

Trattamento non

disponibile

55 %

Trattamenti locali

(chirurgia,radioterapia)

40 %

Trattamenti globali

(chemioterapia, etc)

5 %

Soltanto

Chirurgia

22 %

Con radioterapia

18 %

40 % dei

pazienti

trattabili

Come appare ….

collimatore

La testata inoltre puo’essere fatta ruotare attorno al paziente

Acceleratore = produce raggi X

collimatore costituito da

(50+50) lamelle che

vengono retratte per

lasciare un buco con

forma uguale al tumore

Per riassumere:

La strumentazione si puo’ schematizzare come segue:

generatore di

elettroni

lamina di Tungsteno

• in elettroni

• out fotoni

collimatore

tumore

paziente

misuratore quantita’

radiazione

Esempio di collimatore lamellare

Trattamenti radioterapeutici con particelle cariche

Particelle cariche: protoni, ioni (Carbonio,…)

Nel mondo qualche decina di centri

In Italia:

1) Catana a Catania per trattamento del melanoma

oculare (protoni)

2) CNAO a Pavia (protoni e ioni Carbonio)

3) Atrep a Trento in costruzione (protoni)

Tecnica: scanning.mpg

CNAO - Pavia

Acceleratore sincrotrone del CNAO a Pavia

Sistema di controllo dell’irraggiamento del paziente

(sviluppato presso l’Istituto di Fisica di Torino)

Pellicola radiografica impressionata

dal fascio di protoni