LA FISICA MEDICA

LA FISICA MEDICA

RADIOTERAPIA DIAGNOSTICA

• Radiodiagnostica convenzionale (RX)

• Risonanza Magnetica

• Ecografia MEDICINA

NUCLEARE Terapia di neoplasie

effettuata con radiazioni altamente energetiche. (X,

elettroni, protoni)

• acceleratori lineari

• sincrotroni

• roentgen terapia

Terapia o diagnostica con

farmaci radioattivi

La MEDICINA NUCLEARE

Specialità medica che prevede l’uso di

Sostanze radioattive

DIAGNOSTICO

 scintigrafia

 SPECT, PET

TERAPEUTICO

 Terapia radiometabolica ECT

Cos’è una SOSTANZA RADIOATTIVA ? Una sostanza si definisce radioattiva se è costituita da atomi instabili che decadono emettendo radiazioni.

Sfruttando l’interazione di queste radiazioni con i diversi tessuti biologici è possibile ottenere informazioni diagnostiche o benefici terapeutici.

Per comprendere l’impiego di un radiofarmaco è dunque necessario conoscere meglio il fenomeno del decadimento

radioattivo e quindi la struttura dell’ATOMO e del NUCLEO

L’ ATOMO

Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI)NUCLEONI costituiscono il NUCLEO dell’atomo,NUCLEO

attorno al nucleo sono disposti su differenti orbite gli elettroni (e)

+ +

+ + + +

X

numero dei protoni e degli elettroni dell’atomo X

A: NUMERO DI MASSA A: NUMERO DI MASSA

numero dei protoni + neutroni presenti nell’atomo

UNITA’ DI MISURA DELLA MASSA ATOMICA Usualmente si misurano le masse degli atomi in

UNITA’ DI MASSA ATOMICA a.m.u.

che è 1/12 della massa di 1 atomo di ¹²C 1 a.m.u.=( 1.99*10^-23 g) / 12 =

1.66*10 1.66*10

g g

Il RAGGIO di un atomo è 

10 10

m m

Energia potenziale in funzione

della distanza di separazione nucleone-nucleone

Raggio del nucleo10^-15 m= 1fm LA FORZA DI LEGAME NUCLEARE

LA FORZA DI LEGAME NUCLEARE

r (fm) U(r)

forza repulsiva forza attrattiva

1.5

0 0.5 1

ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE

Numero di massa A Energia di legame per nucleone (MeV)

8

0 50

Regione di massima stabilità 100

Per A  100, la repulsione coulombiana ( Z² ) tende a prevalere sulla forza di legame nucleare l’energia di legame decresce

GLI ATOMI STABILI E INSTABILI GLI ATOMI STABILI E INSTABILI

per mantenere la stabilità il sistema reagisce

arricchendo il nucleo di componenti neutre (neutroni) Per A elevati, la repulsione coulombiana tende a prevalere

Per Z > 82 non esistono atomi stabili:

Gli atomi decadono emettendo radiazioni

NEUTRONI n

20 82 PROTONI p

N=Z

•Per Z>82 non esistono nuclei stabili

•I nuclei instabili che si formano

“decadono” in altri nuclei

CURVA DI STABILITA’ DEL NUCLEO

3 POSSIBILITA’ di DECADIMENTO

PROCESSI DI DECADIMENTO PROCESSI DI DECADIMENTO

• per A molto elevati decadimento ALFA X^A_Z X^A-4_Z-2 + He⁴₂

• nucleo in stato eccitato decadimento GAMMA X^A_Z * X^A_Z+ 

• per Z  N decadimento BETA

• X^AZ X^A_Z+1 + e^- + 

• X^A_Z X^A_Z-1 + e⁺ + 

Legge del DECADIMENTO RADIOATTIVO Legge del DECADIMENTO RADIOATTIVO

N(t): numero di nuclei non ancora decaduti al tempo t

1/2 N₀ N₀

T1/2: tempo di dimezzamento

Tempo t

N=N

*e

: costante di decadimento

DECADIMENTO RADIOATTIVO DECADIMENTO RADIOATTIVO

ATTIVITA’

ATTIVITA’ A di una sorgente:

velocità di diminuzione del numero di nuclei radioattivi presenti : A(t)= A(t)=  N(t) N(t)

1 Ci = 3.7*10

1 Ci = 3.7*10¹⁰¹⁰ disintegrazioni /secondo disintegrazioni /secondo A si misura in Curie (Ci) o Bequerel (Bq)

1 disintegrazione /secondo = 1 Bq 1 disintegrazione /secondo = 1 Bq Gli elementi instabili sono utilizzati in MEDICINA NUCLEARE

Radionuclidi

MODALITA’ di DECADIMENTO : emissione di radiazione

• ALFA: particella costituita da 2p+2n

• BETA (+/-) : elettrone (e-) o positrone (e+)

• GAMMA : radiazione elettromagnetica

Le radiazioni emesse per decadimento dagli atomi instabili, attraversando i tessuti biologici cedono ad essi la loro energia

e vengono assorbite : questo fenomeno viene sfruttato per ricavare immagini diagnostiche

(SCINTIGRAFIA)

o per distruggere parte di tessuti (TERAPIA RADIOMETABOLICA)

La MEDICINA NUCLEARE :

DIAGNOSTICA

La SCINTIGRAFIA

• Utilizza radionuclidi GAMMA emittenti

• Il radioisotopo viene somministrato al paziente e viene

captato in modo selettivo dall’organo di cui si vuole ricavare l’immagine

• Il fotone prodotto in un punto (P), si attenua attraversando i tessuti circostanti e viene rilevato da una Gamma-camera

• La Gamma-camera è costituita da una matrice planare di rivelatori.

• Si acquisiscono più viste: la Gamma-camera ruota attorno al paziente

• Attraverso misure di attenuazione si ricostruisce l’immagine dell’organo sorgente

paziente organo

P • : fotone emesso

 L’organo T (verde) ha captato il radiofarmaco  emittente

Il fotone emesso in P attraversa il tessuto e viene rilevato dalla Gamma-camera

 il segnale, diverso a seconda delle disomogeneità di tessuto incontrate viene trasmesso al calcolatore ed elaborato

Gamma camera

Elaboratore

Com’è fatta una GAMMA-CAMERA?

Schema dei componenti di una gamma camera:

I fotoni , emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore e vengono rivelati da uno scintillatore solido (NaI).

La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide su fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali elettrici. Mediante un calcolatore, i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per ricostruire un’immagine sul monitor, che rappresenti la mappa della

La gammacamera ruota e acquisisce diverse immagini (viste):

Dalle informazioni delle differenti viste si può ricostruire la densità e quindi la composizione dell’organo sorgente:

L’ IMMAGINE DIAGNOSTICA

In questo punto l’attenuazione sarà minore perché il fotone ha attraversato una struttura meno densa come il polmone

polmone

COME SI RICOSTRUISCE L’IMMAGINE?

Tecnica analoga per TAC, scintigrafia etc..

Dalle diverse viste ottengo matrici di numeri che rappresentano l’attenuazione

La radiazione prodotta all’interno dell’organo sorgente (sferette) viene emessa ed attraversa, prima di essere rivelata, diversi omogeneità di tessuto.

Nelle differenti viste, a seconda della composizione e dell’organo

attraversato, misurerò

LA SPECT:

Single Photon Emission Computer Tomography

Tomografia Computerizzata ad emissione di singolo fotone

Utilizza radionuclidi  emittenti come la scintigrafia.

Differente è invece il sistema di rivelazione: i fotoni trasmessi vengono rilevati non più da una matrice planare di rivelatori

(Gamma-camera) bensì da una serie di rivelatori disposti su una corona circolare che ruota assialmente attorno al paziente.

rotazione

La PET

Positron Emission Computer Tomography

Tomografia Computerizzata ad emissione di due fotoni

Utilizza radionuclidi  emittenti: il positrone (e+) generato dal radionuclide emittente cattura un elettrone del tessuto in cui si trova e genera due fotoni (fenomeno di annichilazione) emessi in direzione opposta.

PET:

due fotoni

SPECT:

Un solo fotone

Fenomeno di annichilazione:

e+ + e- 2 

Il positrone (e+) emesso dal radionuclide si annichila con l’elettrone del tessuto (e-) dando origine a due fotoni emessi i direzione opposta, cioè con un angolo di 180°.

I due fotoni attraversano

Percorsi diversi nel tessuto e vengono rivelati:

Dalle due misure di diversa attenuazione si riesce a

risalire al punto in cui il fotone è stato rivelato.

Bisogna rivelare contemporaneamente i due fotoni che, emessi in P giungono ai Rivelatori 1 e 8 eliminando tutti i segnali

spuri non coincidenti.

P Rivelatore 1

2 3

4 5 6

7

Rivelatore 8 9

10 12 11

13 14

UN ESEMPIO

Vista frontale (a) e dall’alto (b) di un dispositivo PET.

I gruppi di rivelatori in coincidenza sono disposti nel piano di una struttura esagonale intorno al paziente. Ciascun rivelatore può osservare un evento coincidente con ciascuno degli 11 rivelatori del lato opposto (sono possibili 3*11*11=363) coppie di linee coincidenti. Per garantire un campionamento angolare e spaziale completo, la disposizione esagonale viene ruotata per 60° con un passo di 5°.

In (a) i fotoni  non collineari, come nelle annichilazioni originate in Be C, non danno luogo a coincidenza e vengono trascurate dal dispositivo. I fotoni originati in A sono invece collineari.

RIASSUMENDO:

SCINTIGRAFIA:

radionuclide  emittente Gamma-camera planare SPECT

Single Photon Emission Computer Tomography:

radionuclide  emittente Rivelatori circolari

PET

Positron Emission Computer Tomography:

Radionuclide + emittente (2 fotoni coincidenti emessi)

Rivelatori circolari per misurare la coincidenza

Più lenta

Più veloce

Più veloce e più precisa

SCINTIGRAFIA statica:

Usata per studiare un organo nella sua morfologia (es. individuazione di un tumore)

CARATTERISTICHE

1. Collimatori del rivelatore: calibrati con l’energia del  rivelato

2. Tempo : deve essere calcolato il tempo tra cui si inietta il radiofarmaco e quello in cui si inizia l’esame.Il

radiofarmaco viene captato anche da altri organi dando luogo ad un rumore di fondo.

3. Durata della rivelazione: è un compromesso tra un numero sufficientemente alto di conteggi e la possibilità di non far muovere il paziente

4. N° di viste: per organi superficiali (es tiroide) basta una sola vista. Se l’organo è posto in profondità bisogna tener conto degli organi frapposti e fare almeno 2 viste contrapposte

SCINTIGRAFIA dinamica:

Usata per studiare un organo nella sua funzionalità (es. funzionalità miocardica)

CARATTERISTICHE

1. Collimatori: calibrati con l’energia del  rivelato

2. Tempo : deve essere calcolato il tempo tra cui si inietta il radiofarmaco e quello in cui si inizia l’esame.Il

radiofarmaco viene captato anche da altri organi dando luogo ad un rumore di fondo.

3. Durata della rivelazione: è molto più breve. Si acquisiscono molti fotogrammi in un secondo, con un basso numero di conteggi. (tecnica multi gate)

4. In genere vengono utilizzate SPECT.

ALCUNE IMMAGINI SPECT….

SPECT di una sezione del fegato:

(a) Vista frontale e laterale (b)

SPECT di una sezione del polmone:

(a) Vista frontale e laterale (b)

La MEDICINA NUCLEARE :

TERAPIA RADIOMETABOLICA

Attività somministrata quale radiofarmaco

diffusibile o non diffusibile a scopo curativo o palliativo:

• terapie locali con colloidi (es. articolazioni)

• trattamento di iperfunzioni ghiandolari (ipertiroidismi)

• trattamento di neoplasie e loro mts con

particolare attività metabolica (es. neoplasie secernenti della tiroide, tumori derivati da

tessuto cromaffine) o con esposizione di particolari recettori o anticorpi

• palliazione del dolore osseo da mts osteocondensanti od osteolitiche

• Il trattamento interessa la struttura che, per la sua natura, metabolizza e/o accumula il radiofarmaco

• il trattamento non ha nulla a che vedere con forma, localizzazione e dimensione della struttura, ma solo con il suo comportamento biologico

• il trattamento dipende dalle caratteristiche di

emissione del radionuclide (tipo, energia, emivita effettiva nella struttura)

• Tutti questi parametri non sono relativi all’anatomia, ma solo alla attività ed alla funzione della lesione

COME SCELGO IL RADIOISOTOPO giusto?

•Deve essere captato dall0organodi interesse

• Non deve essere tossico o dannoso per l’organismo

•Deve avere un tempo di dimezzamento conveniente:

non troppo breve (deve durare per tutto l’esame) ma non troppo lungo(per non irradiare a lungo)

TEMPO di decadimento Biologico

• L’energia del fotone emesso deve avere energia sufficiente per poter attraversare tutto il tessuto, senza essere assorbito

completamente e venire così rivelato

• Facilmente reperibile e poco costoso

Ogni radiofarmaco ha la sua emivita: quella dei radiofarmaci viene chiamata emivita biologica per distinguerla dall’emivita fisica (quella del radionuclide) quella che interessa è l’emivita effettiva che dipende da entrambe in termini matematici, abbiamo:

f b

f b

e

f b

e

T T

T T T

T T

T

2 / 1 2

/ 1

2 / 1 2

/ 1 2

/ 1

2 / 1 2

/ 1 2

/ 1

1 1

1



 





Il tempo di dimezzamento effettivo (T_e) tiene conto sia del tempo di decadimento biologico del farmaco (T_b) sia di quello fisico del radionuclide in esso contenuto (T )

RADIOISOTOPI FREQUENTEMENTE USATI in Medicina Nucleare Diagnostica e Terapia

RADIOISOTOPO TIPO DI ESAME

• Iodio 131 (I 131)

• Tecnezio 99m (Tc 99m)

• Gallio 67 (Ga 67)

Sc. tiroidea

Sc. Tiroide, polmone, ossee Sc. polmonare

DIAGNOSTICA

RADIOISOTOPO TIPO DI ESAME

• Iodio 131 (I 131)

• Stronzio 89 (Sr 89)

• Samario 153 (Sm 153)

• Tecnezio 99m (Tc 99m)

Ca tiroideio, iper-ipo tiroidismi

Trattamento palliativo metastasi ossee Trattamento palliativo metastasi ossee TERAPIA

° Tecnica non invasiva (con rare eccezioni)

° Lo specialista deve valutare la congruità dell’

indicazione (possibilità di altri esami più indicati: TAC, RM etc.)

° al temine dell’esame il paziente può essere ...radioattivo e può irradiare e

contaminare:

il pericolo è solitamente trascurabile, salvo che in pazienti sottoposti a radioterapia metabolica.

MADICINA NUCLEARE:

Osservazioni

• Il rischio decresce con il diffondersi di radionuclidi con vita media sempre più breve:

irraggiamento (solo se c’è emissione fotonica) da parte del paziente o delle sue deiezioni

contaminazione con sangue, fluidi o deiezioni del paziente

• rispettando le normali regole di igiene e di lavoro, il rischio è trascurabile in caso di indagini diagnostiche

• in alcuni casi occorre prestare particolare attenzione alle deiezioni del paziente (se non autosufficiente)

• in caso di radioterapia metabolica occorre informarsi di volta in volta, viste le numerose variabili, per quanto riguarda:

– tipo di emissione del radionuclide (fotoni?) ed emivita – modalità di accumulo ed eventuale eliminazione

Aspetti RADIOPROTEZIONISTICI:

Rischi per gli operatori