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ACCELERATORE LINEARE UNIVERSITA G. DANNUNZIO DIPARTIMENTO DI SCIENZE CLINICHE E DELLE BIOIMMAGINI.

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Presentazione sul tema: "ACCELERATORE LINEARE UNIVERSITA G. DANNUNZIO DIPARTIMENTO DI SCIENZE CLINICHE E DELLE BIOIMMAGINI."— Transcript della presentazione:

1 ACCELERATORE LINEARE UNIVERSITA G. DANNUNZIO DIPARTIMENTO DI SCIENZE CLINICHE E DELLE BIOIMMAGINI

2 TIPI DI RADIAZIONI IONIZZANTI ElettromagneticheElettromagnetiche : –raggi X –raggi CorpuscolateCorpuscolate: –elettroni –protoni –neutroni

3 FASI DEI PROCESSI DI INTERAZIONE FRA RADIAZIONI E MATERIA

4 INTERAZIONE FRA RADIAZIONI IONIZZANTI E MATERIA I processi di interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia di importanza biologica sono: Eccitazione: ysi verifica quando la radiazione incidente possiede una energia inferiore a quella del legame tra lelettrone ed il nucleo. In questo caso la radiazione riesce solo a spostare lelettrone dal suo strato fondamentale ad uno strato più esterno. Ionizzazione: ysi verifica quando la radiazione incidente possiede unenergia superiore a quella del legame elettronico. In tal caso lelettrone viene espulso dal suo atomo il quale si trasforma in catione.

5 ®Fluorescenza: ya causa delleccitazione o ionizzazione, lo strato fondamentale (1) o lo strato ionizzato (2) tendono a ricompletare il numero di elettroni e quindi a riceverne uno. yNel primo caso (eccitazione), vi può essere un solo e - che si sposta da unorbita esterna allo strato fondamentale con emissione di un solo fotone di energia (h = W fondamentale - W eccitato ); oppure il riassestamento può avvenire per opera di una cascata di elettroni dalle orbite esterne verso quelle più interne: in tal caso vi saranno più fotoni, ciascuno par ial dislivello energetico tra le due orbite. yNel secondo caso (ionizzazione), il rimpiazzo dellelettrone può avvenire direttamente con la cattura di un elettrone libero e quindi con lemissione di un solo fotone; oppure anche in questo caso con una cascata di elettroni dalle orbite più esterne, cui corrispondono altrettanti fotoni. bassa energia yfotoni di fluorescenza dopo eccitazione bassa energia alta energia yfotoni di fluorescenza dopo ionizzazione alta energia

6 Effetto Auger: Effetto Auger: yLenergia emessa dal riassestamento degli elettroni, anziché manifestarsi con fluorescenza, può essere trasmessa ad un elettrone di uno strato periferico che, qualora lenergia ricevuta sia superiore a quella di legame, viene espulso dallatomo, prendendo il nome di elettrone Auger. yNei tessuti biologici leffetto Auger è molto più importante della fluorescenza, potendo rappresentare sino al 90% dellenergia liberata dal riassestamento atomico.

7 INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA Nella tabella seguente sono schematizzate le diverse modalità con cui i fotoni ionizzano le molecole dei tessuti biologici in rapporto allenergia del fotone incidente

8 EFFETTI DELLINTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA effetto fotoelettrico effetto fotoelettrico: tutta lenergia del fotone incidente viene trasferita ad un elettrone delle orbite interne, che viene espulso ed acquista unenergia cinetica pari alla differenza energetica tra il fotone incidente e lenergia di legame. effetto Compton effetto Compton: il fotone incidente urta contro un elettrone dellorbita esterna, cedendogli una parte dellenergia e deviando la propria traiettoria; lenergia acquistata dallelettrone provoca lespulsione dello stesso dallatomo. effetto coppia effetto coppia: il fotone incidente, dotato di alta energia, nellattraversare il campo elettrico di un atomo sparisce dando luogo a 2 elettroni, luno positivo e latro negativo, cioè si materializza. Il destino dei 2 elettroni e differente; quello negativo perde progressivamente energia, che cede causando fenomeni di ionizzazione: il positrone si unisce ad un elettrone e la massa di questi elettroni si annulla ritrasformandosi in energia sotto forma di fotoni aventi direzione opposta (annichilazione).

9 EFFETTO FOTOELETTRICO tutta lenergia del fotone incidente viene trasferita ad un elettrone delle orbite interne, che viene espulso ed acquista unenergia cinetica pari alla differenza energetica tra il fotone incidente e lenergia di legame. Lintensità del fenomeno è direttamente proporzionale al numero atomico del mezzo.

10 EFFETTO COMPTON il fotone incidente urta contro un elettrone dellorbita esterna, cedendogli una parte dellenergia e deviando la propria traiettoria; lenergia acquistata dallelettrone provoca lespulsione dello stesso dallatomo. Lintensità del fenomeno non è proporzionale al numero atomico.

11 EFFETTO COPPIA il fotone incidente, dotato di alta energia, nellattraversare il campo elettrico di un atomo sparisce dando luogo a 2 elettroni, luno positivo e latro negativo, cioè si materializza. Il destino dei 2 elettroni è differente; quello negativo perde progressivamente energia, che cede causando fenomeni di ionizzazione: il positrone si unisce ad un elettrone e la massa di questi elettroni si annulla ritrasformandosi in energia sotto forma di fotoni aventi direzione opposta (annichilazione).

12 INTERAZIONE DEGLI ELETTRONI CON LA MATERIA Collisione anelastica o elettrone-elettrone : –è il fenomeno prevalente nei tessuti biologici Collisione elastico o elettroni-nucleo : –interessa poco i tessuti biologici Frenamento o Bremsstrahlung: E alla base della produzione di raggi X dai tubi radiogeni. –scarsamente importante nei tessuti biologici. E alla base della produzione di raggi X dai tubi radiogeni. Elettrodisintegrazione nucleare o elettrone nucleo: –trascurabile nei tessuti biologici. Con esso si possono produrre isotopi radioattivi.

13 BUILD-UP È un fenomeno che si determina quando un fascio di fotoni colpisce perpendicolarmente un corpo per cui la quota più rilevante di energia non viene ceduta alla superficie del corpo stesso, ma ad una certa profondità di esso, che varia in rapporto alle caratteristiche del materiale e della radiazione. È assai utile in radioterapia perché consente, usando fotoni di alta energia, di risparmiare in modo apprezzabile la cute.

14 ACCELERATORE LINEARE (LINAC) Il LINAC accelera gli elettroni, prodotti per effetto termoionico, secondo una traiettoria rettilinea, utilizzando il campo elettrico di unonda elettromagnetica prodotta da un apparato (Klystron o Magnetron). Gli elettroni vengono trasportati dalle onde elettromagnetiche come dei surf dalle onde del mare acquisendo via via energia cinetica sempre maggiore. Questi elettroni accelerati impattano contro una targhetta di platino o tungsteno a cui consegue produzione di fotoni X ad alta energia (effetto di Bremsstrahlung). Per ottenere la focalizzazione degli elettroni durante laccelerazione è applicato un campo magnetico assiale.

15 Gli elettroni prodotti nel modo illustrato precedentemente subiscono una prima collimazione da parte di un collimatore fisso (primario) e attraversano il monitorcostituito da due camere di ionizzazione a piatti paralleli che coprono lintera superficie del fascio. Il monitor serve per controllare la simmetria del fascio, lintensità di dose e la dose integrata (unità monitor). Infine le dimensioni del fascio di fotoni X vengono regolate da un collimatore mobile mentre per gli elettroni viene aggiunto un collimatore supplementare per ridurne la diffusione. Il Linac per il suo funzionamento necessita di altre due apparecchiature sussidiarie: –pompa aspirante –pompa aspirante: pratica il vuoto spinto nelle cavità; –impianto di raffreddamento –impianto di raffreddamento: circuito chiuso ad acqua tridistillata.

16 VANTAGGI DEI FOTONI X AD ALTA ENERGIA Altissimo potere di penetrazione rispetto ai raggi del 60 CO minore penombra con maggiore precisione; elevata intensità (50 Gy/min ad 1 m).

17 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL LINAC Gli elettroni emessi vengono guidati da microonde si impattano su un bersaglio generando raggi X che con opportuni collimatori vengono indirizzati sul paziente. Se si elimina il bersaglio gli elettroni, di varia energia a seconda dellaccelerazione a cui sono stati sottoposti, raggiungono direttamente il paziente.

18 SCHEMA DI LINAC (GE, SIEMENS)

19 SCHEMA DI LINAC (VARIAN)

20 LINAC Gantry Lettino di trattamento Movimento a 360° Supporto del gantry

21 RADIOBIOLOGIA Lacqua, per motivi di rappresentazione quantitativa, costituisce la molecola con la quale ha luogo, pressoché costantemente, la interazione della particella ionizzante. Radiolisi ionizzativa : –h +H 2 O=>H 2 O + +e - –e - +H 2 O=>H 2 O - –H 2 O + =>H + + OH - –H 2 O - =>H + + OH -

22 In assenza di O 2 e di biomolecole ( es: irradiazione di acqua pura ), i radicali interagiranno tra loro secondo tutte le possibili combinazioni producendo prodotti molecolari: H 2 O, H 2 e H 2 O 2, questo ultimo fortemente ossidante. Se nel mezzo irradiato è presente, in sufficiente concentrazione, O 2, questo, per lelevata elettroaffinità, catturerà radicali H dando luogo alla formazione del radicale HO 2 (ad alto potere ossidante): –O 2 + H=>HO 2 –HO 2 + e-=>HO 2 - –HO H+=>H 2 O 2 –H 2 O 2 + 2H=>2H 2 O

23 LO 2, di per sé, è in grado di sottrarre elettroni alle biomolecole ossidandole e di costituire con esse perossidi organici di elevata tossicità: –O 2 + e - =>O 2 –RH + OH=>R + H 2 O –R + O 2 =>RO 2 Ciò spiega come nei substrati biologici leffetto indotto a parità di radiazione, è circa 2-3 volte maggiore in presenza di O 2 (EFFETTO OSSIGENO). Nel progressivo accrescimento di un focolaio tumorale la produzione di una rete vasale neoformata è sempre più o meno insufficiente rispetto allentità di neoproduzione di cellule tumorali. La distanza alla quale molte di queste cellule vengono a trovarsi dalla parete capillare fa si che sia loro insufficiente lapporto di O 2 per diffusione. Queste cellule ipossiche o anossiche sono poco radiosensibili

24 RADIAZIONI IONIZZANTI tipo di radiazione ionizzante interazioni con la materia Danno irreparabile del DNA- Danno della membrana cellulare Morte cellulare: perdita della capacità proliferativa LESIONI RADIOCHIMICHE DEL DNA per: ¬ azione diretta delle particelle cariche ­ azione indiretta di molecole atomiche reattive ( radicali liberi ) MECCANISMI FONDAMENTALI DELLA MORTE CELLULARE

25 EFFETTO LETALE SULLA CELLULA Densità di ionizzazione= intensità di dose Ossigeno intracellulare= >O 2 >effetto killer Farmaci radiosensibilizzanti Risposta delle cellule alle radiazioni curva dose-rispostaE espressa dalla curva dose-risposta ( ovvero leffetto letale in funzione della dose ): Indica la percentuale di cellule sopravviventi a diverse dosi di radiazioni ionizzanti N.B.: valida sia per cellule normali che neoplastiche

26 CURVA DOSE RISPOSTA spalla danno subletale. Il primo tratto della curva è chiamato spalla, perché ha un andamento meno rapido, essendo espressione della minore efficacia di basse dosi, cioè dosi inferiori a quelle necessarie per l'uccisione secondo bersagli multipli; il decremento che si registra in corrispondenza della spalla e conseguenza delle sole uccisioni per colpo singolo, mentre lampiezza della spalla stessa è espressione della capacità di riparazione intracellulare del danno subletale.

27 CARATTERISTICHE DELLA CURVA DOSE-RISPOSTA Curvatura nella zona corrispondente alle dosi + basse (spalla): indica una minore efficienza di effetti letali a basse dosi e rappresenta laccumulo del danno sub- letale riparabile in funzione della dose somministrata e del tipo di tessuto Linea retta del grafico o pendenza esponenziale:indica che progressivi livelli di dose inducono una progressiva riduzione della capacità riparativa cellulare e quindi progressivo danno cellulare

28 RADIOSENSIBILITÀ CELLULARE E la capacità delle radiazioni ionizzanti di provocare alterazioni biologiche significative ( morte o arresto della proliferazione ) nelle cellule di un tumore o in quelle di un tessuto normale RADIORESPONSIVITÀ CELLULARE E la velocità con cui si manifestano clinicamente le alterazioni biologiche radioindotte DA RICORDARE CHE: ¬la risposta alle Rx ionizzanti di un tumore dipende dalla % di cellule capaci di riprodursi ­leffetto delle Rx ionizzanti sulle cellule dipende dalla differenziazione morfologica e funzionale delle stesse

29 BERSAGLI MULTIPLI E COLPO UNICO Le curve di sopravvivenza cellulare sono in accordo con il modello matematico a bersagli multipli e corpo unico, il che significa in termini biologici presenza nel contesto della cellula di più bersagli in ciascuno dei quali dovrà essere depositato, per produrre la morte riproduttiva della cellula, almeno un colpo. Fattori influenzanti il n o medio di bersagli per cellula condizioni fisiologiche della cellula presenza o meno di ossigeno turnover cellulare (elevato indice mitotico) Fattori che influenzano la pendenza della curva radiosensibilità delle singole cellule e quindi dei tessuti stato biologico della cellula e dei tessuti modalità di somministrazione della dose qualità della radiazione

30 TIPOLOGIE DI TESSUTO IN BASE ALLE CARATTERISTICHE DI RADIORESPONSIVITÀ Tessuti normali che rispondono più lentamenteTessuti normali che rispondono più lentamente per turnover cellulare basso=> maggiore capacità di riparare il danno (spalla della curva più ampia ): tessuti late responders Tessuti normali che rispondono più rapidamenteTessuti normali che rispondono più rapidamente per turnover elevato=> minore capacità di riparare il danno (spalla della curva più stretta ): tessuti acute responders radiobiologiaIn radiobiologia viene correntemente utilizzato un modello applicativo chiamato lineare-quadratico, con il quale viene quantizzata la sensibilità al frazionamento dei tessuti radiotrattati, ovvero quanto luso di dosi elevate per frazione influisca sulleffetto biologico, in termini di rapporto : rappresenta il coefficiente di dose lineare (il danno cellulare subito alla1 a dose somministrata) : rappresenta il coefficiente del quadrato della dose ( il danno cellulare subito dalla sommatoria delle dosi somministrate)

31 Obbiettivo: consente di valutare teoricamente per ogni situazione clinica la sopravvivenza delle cellule radiotrattate in relazione alla dose somministrata e la tossicità tissutale Tessuti late responders => basso => + sensibili al fx (alta dose/fx = danno elevato; piccola dose/fx= piccolo danno) Tessuti acute responders => alto => - sensibili al fx ( non ci sono differenze nei confronti delle dosi/fx, grandi o piccole che siano) N.B.: in base al comportamento radiobiologico dei diversi tessuti tumorali ed alla previsione che il rapporto è in grado di fornirci su di esso, si prescrivono i diversi frazionamenti della dose.

32 EFFICACIA BIOLOGICA RELATIVA A parità di dose fisica somministrata in un volume corporeo macroscopico, leffetto biologico indotto può essere diverso per i vari tipi di radiazione. Le radiazioni a bassa densità di ionizzazione (raggi X e, e - ) distribuiscono le ionizzazioni in forma sparsa. Le radiazioni ad alta densità di ionizzazione (p +, n, - ) concentrano ionizzazioni nello spazio. EBRSi definisce EBR il rapporto tra la dose della radiazione di riferimento (raggi X convenz.) e la dose della radiazione in studio necessaria per produrre un determinato effetto in un certo tempo.

33 TRASMISSIONE LINEARE DELLENERGIA (LET) Energia trasferita per unità (micron) di misura (quantità di energia alla materia per micron) da cui deriva: –radiazione ad alto LET (protoni, mesoni, particelle pesanti) –radiazioni a basso LET (raggi X, elettroni)

34 FRAZIONAMENTO Il frazionamento della dose in radioterapia comporta un guadagno terapeutico: infatti esso aumenta la tolleranza da parte dei tessuti normali (per i fenomeni di riparazione e ripopolamento) e nello stesso tempo consente di eliminare gli effetti radioprotettivi della ipossia sul tumore (per il fenomeno della riossigenazione). Frazionamento standard: 5 frazioni alla settimana di circa 2 Gy ciascuna intervallata di 24 ore, per 5-6 settimane Iperfrazionamento: si riduce lentità della dose nella singola frazione, somministrando 2-3 frazioni al giorno fino a dose totale maggiore nel tempo usuale (es. melanoma). Ipofrazionamento: si aumenta lentità della dose nella singola frazione, riducendo il tempo totale (trattamenti palliativi).

35 LE 4 R DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RT Riparazione del danno subletale: –tra una frazione e laltra, le cellule hanno la possibilità di riparare il danno indotto dalle radiazioni. Questo comporta che la dose totale di radiazione necessaria per ottenere uno stesso effetto (la dose isoefficace) deve essere tanto maggiore quanto maggiore è il numero delle frazioni. ­Riossigenazione delle cellule ipossiche: –nellintervallo tra le singole frazioni di dose si ha una certa riossigenazione delle aree ipossiche a seguito della morte ed eliminazione delle cellule ben ossigenate con conseguente decompressione di piccoli vasi, riduzione della distanza tra capillari e cellule ipossiche, minore discrepanza tra apporto e fabbisogno.

36 LE 4 R DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RT ®Ridistribuzione delle cellule ciclanti: –le fasi G2 ed M sono le più sensibili alleffetto delle radiazioni. Ciò comporta una uccisione preferenziale delle cellule in fase sensibile ed una conseguente semisincronizzazione della popolazione residua nelle fasi più radioresistenti; ma negli intervalli tra le singole frazioni di dose le cellule sopravvissute si desincronizzano, sicché le successive frazioni hanno minore probabilità di trovarsi di fronte a una popolazione resistente. ¯Ripopolazione tissutale: –in risposta allo spopolamento determinato dalla irradiazione, i tessuti sani e quelli tumorali aumentano lattività proliferativa, richiamando nel ciclo divisionale cellule in riposo.


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