Fisica e salute
macchine al servizio dei medici
Materiale originario a cura della Dr.ssa R. Rossi 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
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
Acquisizione a spirale
QuickTime™ e un decompressore 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 KeV
e+ + 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
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 energia
I 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
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)
