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LAUREA MAGISTRALE IN FISICA percorso: FISICA MEDICA e SANITARIA AA 2011-2012 Nota: Il docente di riferimento (Prof. Daniela Bettega) è a disposizione degli studenti per eventuali chiarimenti al 5° piano dell’edificio LITA del Dipartimento (Sez. di Fisica Medica) previo appuntamento da concordare via e-mail ([email protected]).
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LAUREA MAGISTRALE IN FISICA
percorso:
FISICA MEDICA e SANITARIA
AA 2011-2012
Nota: Il docente di riferimento (Prof. Daniela Bettega) è a disposizione degli studenti per eventuali chiarimenti al 5° piano dell’edificio LITA del Dipartimento (Sez. di Fisica Medica) previo appuntamento da concordare via e-mail ([email protected]).
La Fisica Medica e Sanitaria comprende i settori di ricerca, sviluppo e applicazioni della Fisica che possono dare contributi per: - la salute - la sicurezza - una migliore qualità della vita e dell’ambiente Si avvale anche degli sviluppi conoscitivi e tecnologici di altri campi della fisica ( es la fisica nucleare, la fisica degli acceleratori ) per il loro trasferimento e utilizzo a beneficio della salute dell’uomo. Esempio: la fisica delle radiazioni (ionizzanti e non) utilizzate in campo medico per la diagnostica e per la terapia:dalla radiologia convenzionale, nata quasi immediatamente dopo la scoperta dei
raggi X, alla radioterapia dei tumori con adroni dei giorni nostri.
Nel nostro Dipartimento si sono sviluppate in un arco di trent’anni, soprattutto grazie all’attenzione per questi temi dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), una serie di linee di ricerca che hanno come comune interesse la radiazione ionizzante nelle sue applicazioni al campo medico e biomedico.
Riguardano in particolare studi per lo sviluppo di tecniche diagnostiche, terapeutiche e di radiofarmaci, analitiche e dosimetriche , la radiobiologia, la radioprotezione e studi di supporto agli aspetti decisionali relativi alla valutazione dei rischi e alla gestione dei problemi di radioecologia.
Su questa esperienza e competenze è stato costruito il percorso di Fisica Medica e Sanitaria.
Il percorso di Fisica Medica e Sanitaria della Laurea Magistrale in Fisica si propone di fornire ai laureati una preparazione : -per il proseguimento degli studi : -nel Dottorato di Ricerca
-nella Scuola di Specializzazione, necessaria per chi intenda accedere alla carriera di Fisico Medico presso aziende ospedaliere.
-per l'inserimento in qualificate attività lavorative - nel campo della ricerca, sviluppo e produzione
industriale - nell'Università e negli Istituti di Ricerca - nelle Agenzie per la protezione e il controllo ambientale.
I Corsi consigliati intendono: approfondire le metodiche fisiche e matematiche necessarie per sviluppare
ricerche nel settore della fisica applicata alla medicina, all'ambiente, all'industria.
approfondire le conoscenze dell' interazione della radiazione con la materia e rendere lo studente autonomo nell' uso:
-della strumentazione e delle tecniche di rivelazione e del loro impiego per scopi dosimetrici e radioprotezionistici.
-delle tecniche di calcolo per la determinazione del trasferimento di energia della radiazione alla materia.
fornire le conoscenze degli effetti dell'interazione della radiazione con strutture biologiche
fornire le conoscenze per la comprensione dei piu' importanti processi che regolano il comportamento del corpo umano per mezzo dello studio: della dinamica dei liquidi applicata al sistema cardiocircolatorio, dei meccanismi di trasporto di fluidi e soluti attraverso le membrane, dei fenomeni bioelettrici e delle dinamiche dei processi metabolici.
introdurre le conoscenze relative alla chimica dei radioelementi e composti
radioattivi, le metodiche per la produzione, mediante acceleratori e reattori, di radionuclidi e radiofarmaci e le relative applicazioni
presentare i modelli per la descrizione della diffusione degli inquinanti nell'ambiente e il loro metabolismo nell'uomo
presentare le raccomandazioni delle istituzioni internazionali e la normativa vigente nel settore delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti e la gestione delle contaminazioni dell'ambiente
introdurre metodiche e strumentazione impiegate in diagnostica e radioterapia
1° Anno 1° semestre
TAF
CFU
1° Anno 2° semestre
TAF
CFU
Elettrodinamica Classica (*) b 6 Fisica Sanitaria 2
b
6
Metodi Matematici della Fisica: equazioni differenziali
b 6 Radiobiologia b 6
Interazione e rivelazione della radiazione nucleare
b 6 Laboratorio di Fisica Sanitaria c 6
Elementi di Fisica dei continui b 6 Corso della Tabella A c 6
Fisica Sanitaria 1 b 6 Corso a scelta (°) d 6
2° Anno 1° semestre
TAF
CFU
2° Anno 2° semestre
TAF
CFU
Tesi di Laurea e 18 Tesi di Laurea e 27
Corso della Tabella A c 6 Preparazione tesi f 3
Corso a scelta (°) d 6
(*) Obbligatorio
(°) A libera scelta tra tutti quelli proposti dall’Ateneo. Sono particolarmente coerenti con il progetto formativo del percorso di Fisica Medica e Sanitaria: tutti i corsi di Tabella A ed inoltre Fisica nucleare, Fisica degli acceleratori, Rivelatori e tecniche di Fisica Nucleare, Radioattività.
Tabella A ( Corsi affini e integrativi (TAF c) 6 CFU / Corso)
1° semestre 2° semestre
Strumentazione per medicina Dosimetria di fasci e di radioisotopi incorporati
Fisica Medica
Radiochimica
Tecniche fisiche di diagnostica medica
Programmi dei corsi: http://www.ccdfis.unimi.it/it/corsiDiStudio/2012/F95/index.html
Corsi consigliati:
Sono attive le seguenti linee di ricerca :
• Dosimetria e controlli di qualità per radioterapia • Effetti biologici della radiazione
• Piani di trattamento per adroterapia
• Radionuclidi non convenzionali : ottimizzazione della
produzione e controlli di qualità
• Radioprotezione e Dosimetria
Tesi di laurea (triennale o magistrale) presso il nostro Dipartimento:
Responsabile: Prof. G. Gambarini
Dipartimento di Fisica dell’ Università e INFN (LITA 5° piano)
e.mail: [email protected] Tel. interno 17243 (02 50317243)
Le ricerche, finanziate principalmente dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), sono in
collaborazione con:
• Fondazione IRCCS Istituto Nazionale dei Tumori di Milano
• Centre of Medical Radiation Physics (CMRP), Università di Wollongong (Sydney, Australia)
• Università degli Studi di Milano-Bicocca - Dipartimento di scienza dei materiali
• Department of Reactor Physics, Nuclear Research Institute, Rez (Prague), Czech Republic.
DISPONIBILITA’ DI TESI : SI’ , MAGISTRALE O TRIENNALE
Si sviluppano metodi dosimetrici e di controllo di qualità adeguati alle modalità avanzate di
radioterapia con fotoni (radioterapie conformazionali) in particolare la Brachiterapia e la
radioterapia ad intensità modulata (IMRT).
Si sviluppano metodi dosimetrici per una nuova radioterapia in studio, che utilizza neutroni
termici o epitermici: la NCT (neutron capture therapy).
Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (1)
Tema 1
Messa a punto di un sistema innovativo per
controlli di qualità in brachiterapia con sorgente di 192Ir. La ricerca, iniziata da circa un anno, si riferisce al sistema per brachiterapia microSelectron-HDR della Nucletron, operativo presso l’Istituto Nazionale dei Tumori di Milano.
Tema 2
Studio e caratterizzazione delle nuove pellicole radiocromiche EBT3 per la
misura delle distribuzioni di dose in radioterapie conformazionali. Le EBT3 sono le pellicole radiocromiche di ultima generazione, superiori alle precedenti
EBT2, e meritano uno studio adeguato. Gli irraggiamenti saranno effettuati presso una unità di
radioterapia ad intensità modulata (IMRT) dell’Ist. Naz. Tumori di Milano e le analisi delle
immagini saranno ottenute con strumentazione appositamente messa a punto nel laboratorio.
Confronto fra distribuzioni e profili di
dose misurati con pellicola radiocromica
EBT2 e calcolati dal software del piano di
trattamento.
Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (2)
Tema 3 Caratterizzazione di dosimetri a termoluminescenza (TLD)
per uso in vivo in trattamenti di brachiterapia ad alto rateo
di dose (HDR) con sorgente di 192Ir (energia media: 380 keV).
Studio della dipendenza della risposta di TLD di Lif:Mg,Ti
dall’energia dei fotoni e dalla temperatura di irraggiamento.
Studi ed applicazioni cliniche. Glow curve di un dosimetro a
termoluminescenza
Tema 4
Messa a punto di un sistema per dosimetria in vivo in brachiterapia HDR
basato su cateterini contenenti dosimetro radiocromico a gel di Fricke. I dosimetri, preparati nel laboratorio, saranno costituiti da tubicini
trasparenti contenenti gel di Fricke e saranno irraggiati presso
l’unità microSelectron-HDR (Ist. Naz. Tumori) Si ricaveranno
profili di dose da misure di assorbanza ottica. Buoni risultati
preliminari in fantoccio sono stati ottenuti con tubicini di 3 mm di
diametro esterno; si vuole studiare la possibilità di utilizzare
tubicini di 2 mm di diametro esterno, analizzati otticamente con
una nuova camera a CCD ad alta risoluzione. Si dovranno
apportare modifiche al software sviluppato in MATLAB®.
Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (3)
Tema 5
Sviluppo di un metodo basato su rivelatori MOSkin per dosimetria in vivo in
tempo reale durante trattamenti di brachiterapia HDR. I MOSkin sono rivelatori del tipo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor
with Field Effect Transistor), miniaturizzati, proposti dal laboratorio CMRP
dell’Università di Wollongong (Sydney) ed in fase di sviluppo. E’ in corso
una collaborazione con tale laboratorio mirata a studiare la proponibilità di
questi rivelatori per utilizzo clinico durante trattamenti di brachiterapia HDR.
Si eseguiranno irraggiamenti in fantoccio all’unità microSelectron-HDR.
Tema 6
Studio di un dosimetro a scintillazione accoppiato a fibra ottica per
dosimetria in vivo in tempo reale in brachiterapia HDR.
Si effettueranno misure in fantoccio di gel e studio di
applicazioni cliniche.
La ricerca è in collaborazione con l’Università degli studi di
Milano-Bicocca.
Si eseguiranno irraggiamenti in fantoccio all’unità
microSelectron-HDR presso l’Istituto dei Tumori di Milano.
Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (4)
Effetti biologici della radiazione in cellule coltivate in vitro
D. Bettega , P. Calzolari, R. Marchesini -Sezione di Fisica Medica,
Dipartimento di Fisica e INFN – Milano. ([email protected])
Lo studio degli effetti biologici della radiazione ha diversi aspetti : oltre a quello conoscitivo che coinvolge la fisica, la chimica e la biologia, ci sono anche degli aspetti applicativi molto importanti : -in radioprotezione : la conoscenza degli effetti per stimare correttamente il rischio dell’esposizione alla radiazione e ridurre i danni (popolazione, lavoratori, pazienti) -in radioterapia : la conoscenza degli effetti per sfruttare al meglio le proprietà distruttive della radiazione nei confronti delle cellule tumorali risparmiando quelle dei tessuti sani circostanti dei pazienti
In radioterapia : presupposto all’uso di nuovi fasci di radiazione (es fasci di adroni) o a nuove modalità di irraggiamento con fotoni (es IMRT), oltre alla perfetta conoscenza della distribuzione di dose nei tessuti sani e tumorali, è la conoscenza :
a) della loro efficacia nell’eliminare le cellule tumorali
b) dei possibili danni a lungo termine indotti nei tessuti sani circostanti (tumori secondari indotti dall’irraggiamento ).
Cellule coltivate in vitro provenienti da tessuti normali e tumorali costituiscono un modello sperimentale estremamente utile per questo
tipo di studi. E’ possibile infatti misurare parallelemente diversi effetti biologici, confrontare i risultati con quelli ottenuti con le radiazioni convenzionalmente usate, testare e/o sviluppare idonei modelli di interazione radiazione–cellula da impiegare nei piani di trattamento dei pazienti
Colonie formate da cellule sopravissute a dosi diverse di radiazione
Formazione di micronuclei e trasformazione neoplastica di cellule esposte a radiazione
0 20 40 60 80 100 120 140
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Surv
ivin
g fra
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Depth (mm)
survival at 0 Gy
Do
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y)
0 50 100 150
0
5
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15
20
25
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
tra
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Depth ( mm )
transformation frequency at 0 Gy
Do
se
( Gy)
0 5 10 15 20 25 30
20
40
60
80
100
120
140
Physical dose
Biological dose
Pe
rce
nta
ge
Depth (mm)
Fascio di ioni Carbonio (200 MeV/n)- GSI Darmstadt ( per il trattamento di tumori della testa e
del collo): Probabilità di sopravvivenza cellulare e di effetti secondari a lungo termine a diverse profondità nei tessuti esposti al fascio.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
10-3
10-2
10-1
100
Dose (Gy)
Sopravvivenza
2 mm
15.6 mm
25 mm
27.2 mm
27.8 mm
60
Co
Fascio di protoni (62 MeV) –Nizza (tumori
dell’occhio): Sopravvivenza cellulare ed efficacia
biologica del fascio a varie profondità nei tessuti esposti
Esempi di studi radiobiologici di fasci terapeutici di protoni e ioni Carbonio
Attualmente :
Fasci di particelle cariche di alto LET( ioni C ed O) : effetti sulla mortalità cellulare ed interazione con radiosensibilizzanti (per tumori resistenti alla radioterapia convenzionale con fotoni ) (Collaborazione varie sezioni INFN, Istituto Tumori e Istituto M. Negri) Fasci di fotoni di alta energia (10 MeV) : eventuali effetti a lungo termine della componente neutronica (collaborazione Istituto Tumori)
Piani di trattamento per adroterapia con
fasci di ioni G. Battistoni, F. Cappucci , S. Muraro, P. Sala , INFN – Sez. Milano
Radioterapia convenzionale
Fotoni
TUMORE
50% della DOSE
TESSUTI SANI
80% della DOSE
TESSUTI SANI
30% della DOSE
NON conformazione al tumore
MINORE EFFICACIA biologica
Adroterapia
Particelle Cariche, es. p
Ioni, es. C
CONFORMAZIONE al tumore
MAGGIORE EFFICACIA biologica
Calcolo l’energia dello ione in modo che il rilascio massimo avvenga nel volume tumorale
Uno ione carbonio rilascia, in ogni cellula traversata, un’energia circa 24 volte maggiore di quella rilasciata
dai fotoni
TUMORE
TESSUTI SANITESSUTI SANI
UN SOLO fascio terapeutico:
Recenti sviluppi hanno portato all’utilizzo di piu’ fasci contrapposti in modo da minimizzare la dose nei
tessuti sani, a parita’ di dose nel tumore INOLTRE PER GLI IONI:
(es. C)
Crescente interesse per
adroterapia con fasci di
ioni (protoni e ioni
Carbonio) a livello
nazionale (CATANA e
CNAO) ed internazionale.
Piano di trattamento (TPS) è un insieme di algoritmi che
permette di definire la distribuzione spaziale dell’ energia e dell’intensità del fascio in modo di irraggiare il volume tumorale con la dose prescritta, rispettando i limiti massimi di dose negli organi sani circostanti
richiede :
• modellizzazione del paziente e del volume tumorale
• modellizzazione del trasporto e interazione della radiazione (incluso interazioni nucleari)
• modellizzazione del fascio
• valutazione dell’efficacia biologica (nel caso di ioni Carbonio)
ed inoltre • strumenti di validazione /controllo
Progetto INFN per lo sviluppo di TPS per fasci di ioni (Collaborazione di diverse sezioni nazionali dell’INFN, Istituti internazionali di ricerca .
E’ inoltre coinvolta un’azienda.)
Possibili argomenti di tesi :
Laurea Magistrale: 1) Sviluppo di uno schema di piano di trattamento per adroterapia mediante l'uso di tecniche Monte Carlo 2) Studio dell'emissione di particelle leggere e fotoni per il monitorig nell'adroterapia con ioni. 3) Simulazione della linea di fascio e "beam delivery" in un sistema di adroterapia con ioni.
Laurea Triennale:
1) produzione e analisi di database per piani di trattamento in adroterapia 2) come la 2) della magistrale, ma ridotta nella portata
UNIVERSITA’ degli STUDI di MILANO
DIPARTIMENTO di FISICA
c/o INFN-Segrate, Milano
Laboratorio Acceleratori e
Superconduttività Applicata - LASA FISICA SANITARIA, RADIOCHIMICA,
CHIMICA NUCLEARE
Mauro Bonardi e Flavia Groppi [email protected] [email protected]
Tel: 02 503 19 500 Via Fratelli Cervi, 201 – 20090 Segrate (MI)
Si somministrano ai pazienti dei composti marcati
con radionuclidi (un radionuclide + una molecola)
chiamati RADIOFARMACI scelti opportunamente in
modo che:
• si concentrino nell’organo oggetto di studio: si segue nel tempo
una particolare funzione biologica, ossia si comportino come
traccianti di una particolare funzione metabolica (biocinetica).
• si concentrino nel tessuto patologico, lo irradino e lo distruggano
(selettivamente) – Radioterapia metabolica
Sorgenti interne
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.
Principali Filoni di Ricerca
• Studi di ottimizzazione della produzione di radionuclidi non convenzionali mediante irraggiamento in Ciclotrone o in Reattore Nucleare da impiegarsi in diagnostica e radioterapia metabolica
• Controllo di Qualità di Composti Marcati con radionuclidi a vita breve ed alta attività specifica, utilizzati presso i centri di Medicina Nucleare
• Determinazione di attinoidi (U, Th, Np, Pu, Am) in matrici biologiche ed ambientali, spettrometrie , e
• Accelerator Driven Systems for Transmutation per il Nuclear Waste
• Radioprotezione
Radioprotezione e Dosimetria
Prof.ssa Cantone Marie Claire
02 5031 7212
5° Piano Edificio LITA
Dr. Ivan Veronese
02 5031 7432
5° Piano Edificio LITA
Dosimetria Interna
Calcolo della dose interna da
radiazione assorbita da un organismo
a seguito dell’incorporazione di
materiale radioattivo.
Cantone – Veronese; Ottobre 2011
Plasma
Urine
Reminder
Tumore Reni
Milza
Fegato
Modello biocinetico:
informazione sulla distribuzione
della sostanza radioattiva
all’interno dell’organismo, sui
tempi di ritenzione nei diversi
organi e tessuti e sulle vie di
escrezione.
Dosimetria Retrospettiva
Implementazione di tecniche atte a
stimare in maniera retrospettiva la dose
(da irraggiamento esterno), sfruttando
le proprietà luminescenti di oggetti e
materiali presenti nell’ambiente stesso
o indossati direttamente da soggetti
esposti
Temperature (°C)
50 100 150 200 250 300 350 400
TL
(a.u
.)
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
Termoluminescenza TLD:
Il segnale di
luminescenza è
proporzionale alla
dose assorbita dal
materiale
Cantone – Veronese; Ottobre 2011
Radioterapia: dosimetria e sicurezza del paziente
Tecniche di luminescenza (termoluminescenza, luminescenza stimolata
otticamente, e radioluminescenza) vengono impiegate anche per la
caratterizzazione di nuovi materiali da usarsi, ad esempio, per monitorare
la dose impartita a pazienti nei trattamenti di radioterapia
Nuove tecniche radioterapiche (IMRT, IGRT, adroterapia…): applicazione
di strumenti di analisi prospettici per stimare a priori il rischio
associato al trattamento, al fine di garantire la sicurezza del paziente
e la qualità del trattamento radioterapico
Cantone – Veronese; Ottobre 2011
