La fisica nella medicina Carlo Civinini INFN – Firenze.

La fisica nella medicina

Carlo CivininiINFN – Firenze

C. Civinini INFN-Firenze 2

Avrei preferito parlavi della fisica nella musica…

• … ma le applicazioni della fisica nella vita di tutti i giorni sono numerose, molto di più di quello che si pensa

• La medicina si basa moltissimo sulla biologia, sulla chimica, sulla farmaceutica, ma la fisica non ne è esclusa

• Principalmente la fisica si occupa di diagnostica, ma anche di terapia

09/05/2012


Diagnostica

Lo conoscete?

Si chiama Wilhelm Conrad RoentgenNel 1895 fa una scoperta, praticamente per caso

09/05/2012


Una scoperta quasi per caso…

• Come: Wilhelm lavorava con un tubo a raggi catodici (quella cosa che abbiamo, o meglio avevamo in tutte le case e che si chiama TV)

• Quando: 8 Novembre 1895• Cosa: scopre una cosa che nessuno prima di

lui aveva mai visto

09/05/2012


Tubo catodico

• Ma come funziona un tubo catodico?Vuoto (quasi)

Vetro a tenuta

HV+ -

anodo catodo

…qualcosa scorre

09/05/2012


Raggi catodici

• La ‘cosa che scorre’ si può quasi vedere• Fa muovere una piccola ruota• Illumina uno schermo• Si può curvare usando una calamita

• Insomma è una forma di materia: gli elettroni

09/05/2012


Raggi catodici

09/05/2012


Il tubo catodico di Roentgen

Questo è un tubo catodico con l’anodo piegato09/05/2012


Raggi X

• Roentgen fu incuriosito da una luminescenza che scaturiva da uno schermo

• Vide una lettera A brillare nell’oscurità del laboratorio quando il tubo era acceso anche se schermato da un foglio di carta nera

• Cercò di capire meglio: dal tubo veniva emesso un qualcosa che penetrava la carta ed eccitava la sostanza chimica con la quale era stata scritta la A

• Passò la mano davanti al foglio e vide…

09/05/2012


Raggi X

C’è da restare senza parole

Questa non è la mano di Roentgen ma quella di Anna-Berthe, la moglie,che tenne ferma la mano su una lastra fotografica per 15 minuti il 22 Dicembre 1895

09/05/2012


Radiografia• Sì, perché non solo Roentgen scopre che questi raggi

misteriosi penetrano il corpo umano, ma che una semplicissima lastra fotografica ne rimane impressionata e quindi si possono facilmente usare per indagare l’interno di un corpo umano senza ricorrere al bisturi

• Pubblica la scoperta su una rivista scientifica, senza nessuna foto

• Allo stesso tempo invia una quarantina di lettere ai maggiori esperti europei, una di queste, con alcune foto, capita tra le mani di un direttore di giornale, “Die Presse” di Vienna

• Il 5 Gennaio del 1896 Die Presse pubblica un articolo sull’argomento e si ‘scatena l’inferno’…

09/05/2012


Come si producono i Raggi X

Vuoto (quasi)

Vetro a tenuta

HV+ -

anodo catodo

…qualcosa scorre

Placchetta di metallo posta a 45o

Ra

gg i X

09/05/2012


Applicazioni dei Raggi X• Sono molto semplici da produrre: una palla di vetro soffiato e

una bobina per produrre l’alta tensione• Attraversano il corpo ma sono diversamente assorbiti dalla

materia che lo compone quindi le ossa e gli organi interni vengono messi in evidenza

• Insomma già alla fine del 1896, solo un anno dopo la scoperta, ci sono centinaia di tubi per Raggi X negli ospedali

• Roentgen non vuole brevettare la sua scoperta, è una manifestazione anche se misteriosa della natura e non pensa sia giusto appropriarsene; non vuole neppure che i raggi portino il suo nome

• Roentgen è stato il primo a ricevere il premio Nobel per la fisica (1901)

09/05/2012


Ma cosa sono i Raggi X?

• Sono prodotti dall’urto dei raggi catodici, che adesso sappiamo essere elettroni, con un bersaglio

• Nell’urto gli elettroni vengono bruscamente frenati e subiscono un processo dal nome un po’ incomprensibile: bremsstrahlung (si capisce che questa materia l’hanno studiata principalmente in Germania)

• Ma una particella carica come l’elettrone, se subisce una brusca accelerazione è obbligata dalle leggi della natura (elettromagnetismo) ad emettere una radiazione (elettromagnetica, appunto)

• Questa radiazione non è per niente misteriosa è solo luce

09/05/2012



• Ma la radiazione elettromagnetica ha tantissime ‘incarnazioni’– Onde radio– Raggi infrarossi– Luce visibile– Raggi ultravioletti– Raggi X– Raggi g

• L’unica differenza risiede nella lunghezza d’onda della radiazione

09/05/2012



Radiazione con lunghezza d’onda molto piccola è composta da ‘fotoni’ ad altissima energia: si tratta dei raggi X oppure dei raggi g09/05/2012


La storia completa…

Ai raggi X prodotti per ‘frenamento’ si Sovraimpongono altri raggi X.Questi portano informazioni moltoimportanti sulla struttura degliAtomi.Ma questa è un’altra storia

09/05/2012


Come si cattura una immagine X?

• Semplice: con una lastra fotografica• Ma da qualche anno esistono oggetti nominati

‘calcolatori’ che amano gestire informazioni (e le ‘immagini’ informano e come)

• Certo le immagini non possono essere semplicemente delle lastre fotografiche occorre parlare il linguaggio dei calcolatori ed interagire con loro tramite immagini ‘digitali’

• Ogni quadratino di una immagine (pixel) viene convertito in un numero a seconda del suo colore o della sua ‘scala di grigi’

09/05/2012


Come si cattura una immagine X?

• Si può prendere una lastra fotografica e ‘scannerizzarla’ per ottenere una immagine radiografica in termini digitali

• Oppure si può creare fin dall’inizio una immagine digitale eliminando la necessità di avere una lastra fotografica

• Questo lo si ottiene tramite ‘rivelatori’ di Raggi X che ‘contano’ i raggi X che arrivano in una certa zona (pixel) ed associano a quel pixel un numero proporzionale ai raggi X che lo hanno investito

• Facendo il cammino inverso: dal numero di raggi X si passa ad una tonalità di grigio che riproduce l’immagine

09/05/2012


Immagini digitali

Facciamo uno zoom

09/05/2012


L’immagine è composta da pixel ognuno dei quali rappresenta un colore che indica il numero di raggi X e quindi il materiale attraversato dai raggi:nero nessun assorbimentobianco assorbimento totale

09/05/2012


Come sostituire la lastra fotografica

Rivelatore X

Elettronica perleggere il rivelatoree trasferire i dati ad un PC

Stesso principio di funzionamento delle fotocamere digitali

09/05/2012


Come funziona una TAC?

• Prima di tutto cosa significa TAC?• Tomografia Assiale Computerizzata

09/05/2012


TAC

• Ogni ‘fettina’ del corpo umano viene visualizzata permettendo di ricostruire una immagine 3D

• Una radiografia è una proiezione quindi una immagine 2D, come si può ottenere una immagine 3D a partire da questa?

09/05/2012


TAC

Si prendono radiografie da varie direzioni (molte centinaia) ognuna di queste rappresenta il paziente visto da un punto diversoCombinandole insieme si ottiene l’immagine tridimensionale

09/05/2012


TAC

09/05/2012


Immagine TAC

09/05/2012


Altri tipi di tomografia

• Risonanza Magnetica Nucleare– Non ci sono radiazioni X– Solo un forte magnete e micro onde (quelle del

fornetto di casa, anche loro radiazione elettromagnetica però a lunghezza d’onda molto grande)

• Tomografia ad emissione di positroni– Antimateria

09/05/2012


RM(N)

09/05/2012


Immagine RM

09/05/2012


PET

• Si usa l’antimateria per realizzare delle immagini cliniche

• E’ estremamente importante quando si vuol visualizzare non solo degli organi (morfologia) ma il loro funzionamento (fisiologia)

• Si inietta nel paziente una soluzione di acqua e zucchero, dove però lo zucchero ha alcuni atomi sostituiti con atomi radioattivi

09/05/2012


TAC

09/05/2012


PET

09/05/2012


Radioterapia• Raggi X ed altri tipi di radiazioni possono essere usati

non solo per ottenere delle immagini del corpo umano ma anche per curare certe malattie

• Le radiazioni ionizzanti quando interagiscono con una cellula possono creare dei danni che possono portare alla morte della cellula

• “Possono” soltanto? Sì, il DNA in molti casi si aggiusta da solo

• Quindi le radiazioni sono nocive, ma questo fatto può essere volto in positivo per eliminare le cellule tumorali senza ricorrere alla chirurgia

09/05/2012


Danneggiamento di una cellula

09/05/2012


Radioterapia con fotoni

• Si illumina la zona che contiene il tumore con un fascio di raggi X

• I raggi X che colpiscono le cellule del tumore le danneggiano e quindi queste vengono eliminate dall’organismo

• Purtroppo i raggi X colpiscono anche cellule sane, si deve quindi cercare di irraggiare solo la zona dove si trova il tumore

09/05/2012

40

Radioterapia

Acceleratore per produrre raggi X09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze


Radioterapia

Si cerca di raggiungere il bersaglio da vari angoli per ridurre il danno ai tessuti sani09/05/2012


Proton-terapia

• L’ideale sarebbe trovare delle radiazioni che si fermano dove si vuole noi, rilasciando lì tutta l’energia danneggiando il meno possibile i tessuti sani

• Queste particelle sono i ‘protoni’• Quando stanno per fermarsi i protoni

‘scaricano’ tutta la loro energia in un piccolo spazio, un po’ come un’auto che sbatte contro un muro

09/05/2012


Proton-terapia

09/05/2012


Come si producono i protoni?• Semplice, basta prenderli dall’acqua• Però devono essere accelerati fino ad una

grande energia e quindi occorrono macchine che lo facciano: gli acceleratori

• Un acceleratore ce lo abbiamo (avevamo) tutti in casa: anche questo si chiama TV

09/05/2012


Acceleratori per Protoni

Ciclotrone

09/05/2012



09/05/2012

47


Sincrotrone09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze


LHC

27 Km di circonferenzama viene usato per altri scopi

09/05/2012


Come si colpisce?

• Sembra una domanda alla quale si può rispondere semplicemente: basta fare una TAC ed individuare il tumore e dirigere lì il fascio di protoni

• Non è però così semplice: la TAC usa i raggi X per ‘vedere’ all’interno del corpo umano, qui si usano i protoni per irraggiare

• Raggi X e protoni NON sono la stessa cosa e ‘vedono’ la materia che attraversano in modo diverso

• Si possono correggere le immagini TAC per adattarle ai protoni, ma si commette un piccolo errore che impedisce di individuare con precisione un tumore

• L’idea per evitare questo problema è di usare i protoni stessi per realizzare immagini tomografiche del corpo umano

09/05/2012


TAC a protoni

ProtoneStrumenti per vedere dove è passato il protone

Strumento per Misurare l’energia del protone

09/05/2012


Apparato per tomografiaa protoni completo

Calorimeter

Tracker: 4 x-y planes

Beam

09/05/2012


Prima radiografia con protoni

Cos’è?

09/05/2012

C. Civinini INFN-Firenze 5309/05/2012

La fisica nella medicina Carlo Civinini INFN – Firenze.

Documents

Transcript of La fisica nella medicina Carlo Civinini INFN – Firenze.