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Sandro Squarcia Fisica e medicina La fisica delle particelle e del nucleo può aiutare la salute? XXIV SEMINARIO NAZIONALE di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE.

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1 Sandro Squarcia Fisica e medicina La fisica delle particelle e del nucleo può aiutare la salute? XXIV SEMINARIO NAZIONALE di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE OTRANTO, Serra degli Alimini, Settembre 2012 Laboratorio di Fisica e Statistica Medica Dipartimento di Fisica - Sezione INFN di Genova Via Dodecaneso 33, Genova

2 Perché parlare di fisica applicata alla medicina?

3 Aumento della vita media Nelle nazioni sviluppate aumenta sempre più! Cause: Drastica diminuzione della mortalità infantile Aumento benessere generale della popolazione Progressi fantastici fatti dalla medicina nellultimo secolo Popolazione quasi costante ma più anziana! In Italia allinizio del secolo scorso era 54 anni ora è 76 anni (donne 82) in aumento costante!

4 Progressi della medicina Eliminando malattie cardiovascolari e tumori la speranza di vita arriverebbe a 120 anni! Maggiori conoscenze dellanatomia (struttura) e della fisiologia (operazionalità) delluomo Introduzione di nuovi strumenti diagnostici Elaborazione di moderne modalità di cura Applicazione alla medicina delle più sofisticate scoperte scientifiche e tecnologiche spesso derivate dalla ricerca pura (ricerca di base) Studio sistematico della struttura genetica

5 Il ruolo del fisico Per legge solo il fisico ospedaliero (con diploma della Scuola di Specializzazione in Fisica Medica) può collaborare col medico nella pratica clinica Gestisce acceleratori di particelle e impianti radiogeni (fisica subnucleare) Controlla la dosimetria del paziente e degli operatori addetti (fisica nucleare) Gestisce strumentazione di controllo (fisica della materia e dello stato solido) Aiuta nella utilizzazione dellinformatizzazione e della analisi statistica (fisico quadratico medio)

6 Radiazioni Pericolose ma molto conosciute e ben studiate Può essere utilizzata sia direttamente in radioterapia (vedi lezioni di Giuseppe Battistoni) sia come visualizzatore allinterno del corpo (medicina nucleare e diagnostica per immagini) Hiroshima e Nagasaki Three Mile Island Chernobil Fukushima Veste protettiva utilizzata dai radiologi agli inizi del 1900

7 Diagnostica clinica

8 Raggi X 1895: Röntgen scopre i raggi X Gli oggetti risultano più o meno trasparenti ai nuovi raggi a seconda del loro spessore e della loro natura Radiografia della mano della signora Röntgen del 22/12/1895 pubblicata sul New York Times del 16/1/1896

9 Radiografia organizza il primo servizio di radiografia clinica (montato su camion) per i militari di truppa durante la I guerra mondiale Immediati utilizzi clinici Tubo per diagnosi con raggi X dellinizio del 1900

10 Radiografia moderna La radiografia rimane la più comune ed economica tra le macchine diagnostiche Visti i vantaggi, ci si sta spostando sulla radiografia digitale

11 Sezioni corporee L immagine radiologica è sempre bidimensionale Per una visione tridimensionale occorre ricorrere a più proiezioni utilizzando tre piani fondamentali di riferimento sagittale, mediano, di simmetria trasversale, assiale, orizzontale frontale, coronale, (parallelo alla fronte)

12 Immagine analitica invece che immagine sintetica Tomografia ottenuta ruotando sia il tubo radiogeno che la cassetta attorno ad un asse passante per il piano che si vuole analizzare

13 Come si possono leggere i caratteri in un libro che abbia le pagine trasparenti? Movimento lineare Ciò che si muove durante una scansione anche a causa del moto combinato perde nitidezza di contorni, sfuma e quindi tende a cancellarsi

14 Sfumatura tomografica mentre le altre sfumano a seconda della distanza da cui si trovano rispetto al punto di focalizzazione Solo le strutture contenute nello strato che rimane fisso rispetto al punto di osservazione rimangono bene impresse

15 Movimenti pluridirezionali Per meglio focalizzare lo strato di interesse si utilizza un movimento tomografico areale spiroideo ossia con immagini prese in cerchi spiraleggianti aventi raggi sempre più ravvicinati

16 Tomografia assiale computerizzata Serie di radiografie in sequenza La TAC (ovvero CT) è una sonda intracorporea a spirale

17 Funzionamento TAC il fascio di raggi X ruotante esplora da differenti numerose angolazioni che è collocata al centro del ventaglio del fascio la regione anatomica interessata Nella TAC

18 Elementi tecnologici Tubo a raggi X monocromatici ad alta intensità Rivelatori a raggi X compatti e di grande stabilità di funzionamento Elaboratore elettronico di elevate prestazioni e dotato di memoria sufficiente Sistema di visualizzazione di immagini calcolato attraverso una scala di grigi (densità elettronica in unità di Hounsfield) Tubo a raggi X in moto lungo traiettoria circolare puntato verso il centro di rotazione con il paziente disposto lungo lasse rotazione e i rivelatori ruotanti attorno allo stesso asse

19 Moto a spirale Necessità di un potente elaboratore elettronico per poter elaborare i differenti segnali

20 Apparato sistema elaborazione

21 Tomografie PET-SPECT Positron Emission Tomography Single Photon Emission Computer Tomography ma anche in fisiologia, farmacologia, …. Tecniche non invasive utilizzate in ricerca clinica introdotti come traccianti nel tessuto in esame Tecniche di ricostruzione immagine simili alla TAC Rivelazione in vivo e formazione di immagini da radiazioni (positroni o ) emesse da radioisotopi

22 Tomografia ad emissione di positroni emettendo due fotoni collimati di energia fissa (511 keV) che possono essere rivelati PET Un radionuclide iniettato in vena emette un positrone che si annichila in circa 1-2 mm con un elettrone del materiale

23 Annichilazione I positroni emessi dai radionuclidi si annichilano in due fotoni che sarebbero perfettamente collineari se la quantità di moto totale delle due particelle fosse nulla La rivelazione deve essere effettuata da un sistema di coincidenza che rilevi i due fotoni emessi a 180°

24 Radionuclidi 11 Ccon t 1/2 = Ncon t 1/2 = Ocon t 1/2 = Fcon t 1/2 = 110 FGD fluorodisossiglucosio analogo al glucosio in cui è stato inserito del 18 F (beta emittente) che può essere metabolizzato I radionuclidi sono isotopi emettenti e + (che vengono prodotti mediante ciclotroni) si utilizzano di solito isotopi di elementi biologici

25 Rivelazione Rivelatori a scintillazione (risoluzione: 5-10 mm) I due gamma di annichilazione possono essere rilevati singolarmente oppure in coincidenza finestra temporale ns La rivelazione in coincidenza permette una miglior risoluzione spaziale: 3-4 mm (range) occorre però assicurare la collinearità! Si utilizzano per questo scopo degli opportuni collimatori di piombo di notevole lunghezza (15 centimetri!)

26 Rivelatore Per avere proiezioni tomografiche il rivelatore è posizionato attorno al paziente in modo da ottenere una mappa della distribuzione dei radionuclidi che metta in evidenza lanatomia e la fisiologia tramite la loro possibile localizzazione

27 Immagine Visualizzazione dellattività cerebrale nelle differenti zone del cervello Elaborazione e visualizzazione con falsi colori permette una migliore evidenziazione

28 Aree attivate Compito di memorizzazione verbale a breve termine Confronto del flusso cerebrale rispetto ad un flusso di controllo (sistema di riferimento) Permettono studi accurati sul funzionamento fisiologico/patologico del nostro cervello!

29 Sequenza 3D Possibilità di avere più immagini in sequenza in modo da ottenere una visione tridimensionale

30 Tessuto attraversato Nella PET è possibile eseguire una precisa correzione dellattenuazione dei fotoni nei tessuti I due fotoni in coincidenza attraversano complessivamente lintero spessore delloggetto

31 Attenuazione Fattore di trasmissione : P 1 e P 2 P 1 e – x P 2 e – (L–x) Fattore di trasmissione delle coppie di fotoni 1 2 P 1 2 = P 1 P 2 e – x e – (L–x) P 1 2 e – L diametro del bersaglio L coefficiente attenuazione lineare

32 Calibrazione Il numero di particelle emesse dal radioisotopo distribuito nei tessuti può essere calcolato tramite quello rivelato conoscendo ed L tanto maggiore è questo numero tanto migliore è limmagine ricostruita La risoluzione spaziale dei dispositivi PET dipende dal numero di fotoni collimati rivelati Per motivi dosimetrici vi è una dose limite che può essere somministrata al paziente e così viene fissato il limite del flusso dei fotoni rivelati (risoluzione dellimmagine ricostruita)

33 Fotoni rivelati I fotoni rivelati sono solo una piccola frazione perché: i radionuclidi si diffondono in tutto il corpo lapertura angolare dei rivelatori consente di accettare solo una piccola frazione dei fotoni e occorre considerare: lattenuazione dei fotoni in materiale biologico lefficienza di rivelazione del rivelatore Viene visualizzato solo l1-2% dei decadimenti dei radionuclidi concentrati nellorgano in esame Come per poter riuscire a scattare le foto di notte: aprire al massimo lobiettivo usare lunghi tempi di esposizione (sfuocamento)

34 Materiale biologico Poiché lattenuazione dei fotoni nel corpo umano presentano due principali possibilità di errore - amplificazione degli errori di ricostruzione - creazione di fantasmi (false ricostruzioni) occorre poter incrementare lapertura angolare dei rivelatori lefficienza di rivelazione Ottimizzazione:(TOFPET) Misurando il tempo di volo (time of flight) si riesce a determinazione in modo più preciso la posizione del punto di annichilazione

35 SPECT Tomografia a emissione computerizzata di singolo fotone Permette di creare una mappa di distribuzione dei radioisotopi Vantaggio: molti radioisotopi sono emettitori medicina nucleare: 99 Tc, 123 I, 133 Xe, 201 Te

36 Total body I fotoni non collineari non sono in coincidenza e vengono assorbiti Nel caso dellesempio ciascun rivelatore può osservare un elemento coincidente con gli 11 rivelatori opposti si ha così una molteplicità di coppie di coincidenze possibili

37 SPECT trasversale Rivelatore costituito da una gamma camera ruotante 131 I: e – 608 keV ( 364 keV) t 1/2 = 8.07 giorni che produce più distribuzioni a diversi angoli producendo limmagine tomografica

38 Visualizzazione Immagini a differenti tonalità di grigio fegato e milza forniscono delle informazioni quantitative sulla concentrazione del particolare tracciante nellorganismo immagine grezza prima del trattamento di elaborazione

39 SPECT verso PET Vantaggi - gamma camere di tipo tradizionale - radioisotopi usati in medicina nucleare Svantaggi - collimatori Pb poco efficienti - attenuazione fotoni dipende dalla posizione (non valutabile) del radioisotopo (risoluzione spaziale mm) - fotoni emessi causano processi secondari ( 30-50%) per diffusione Compton ( keV)

40 Risonanza magnetica nucleare (MRI) Migliore risoluzione anatomica Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia E = h da parte dei livelli quantizzati esistenti nella materia (acqua!) Si apprezzano anche le nervature allinterno della calotta cerebrale Pratica non invasiva Complementare a TAC PET (e SPECT)

41 Generalità La NMR è una tecnica strumentale che consente di conoscere proprietà a livello sub-molecolare di materiali di varia natura, tramite lo studio dellinterazione tra il materiale in esame e un campo magnetico in cui il materiale stesso viene immerso La spettroscopia RMN si basa sullinterazione nucleare fra il momento magnetico dei nuclei e un campo magnetico statico esterno Il fenomeno venne scoperto da Felix Bloch e Edward Purcell nel 1946 vincitori del premio Nobel per la fisica nel 1952

42 Principio fisico Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia h da parte dei livelli quantizzati esistenti negli atomi della materia La maggior parte dei nuclei atomici possiedono un momento magnetico = h l momento giromagnetico h costante di Plank l momento della quantità di moto Il protone possiede = (2.79 e S z ) / m p con S z = ħ / 2

43 Materiali In presenza di un campo magnetico B 0 i momenti magnetici dei nuclei si orientano in direzioni che dipendono dal numero quantico di spin

44 Spettroscopia In assenza di campi magnetici esterni lenergia dello stato fondamentale del nucleo non dipende dallorientamento nello spazio di si crea una differenza di energia tra i nuclei che hanno diversa orientazione rispetto al campo indotto B Quando però nuclei o molecole si trovano in un campo magnetico esterno B Il protone dellidrogeno H + presenta due stati

45 Assorbimento si può avere un assorbimento in risonanza Se lenergia del fotone incidente è uguale alla differenza di energia dei livelli energetici con una medesima frequenza L detta precessione di Larmor L = B / 2

46 Il momento magnetico atomico precede intorno alla direzione di B 0 con la frequenza di Larmor L Precessione Per il protone la frequenza di Larmor è 42.6 MHz per ogni tesla (T) di campo magnetico = 2 L = B 0 Se si inserisce un campo magnetico a radiofrequenza ( MHz) con la stessa frequenza L si esercita coerentemente una coppia meccanica che fa variare langolo tra e B 0

47 In presenza di un campo magnetico B esterno il numero medio dei nuclei in direzione di B è maggiore di quelli diretti in senso opposto Si crea una così una magnetizzazione macroscopica longitudinale M Descrizione RMN mentre la magnetizzazione trasversale a B è invece nulla a causa della fase casuale di precessione di

48 La tomografia usa campi magnetici da 0.5 a 1.5 T Tomografia NMR Gradienti più alti: maggiore risoluzione (3T - 7T)!

49 Un campione, a forma di croce, posto in un campo magnetico B costante Aggiungendo un gradiente di campo da sinistra a destra nella stessa direzione di B Ricostruzione immagine La frequenza di risonanza dei nuclei aumenta!

50 Ponendo il materiale in una regione in cui B varia in modo noto (mappa di campo!) la frequenza di risonanza sarà differente da punto a punto nello spettro NMR è quindi così codificata linformazione della distribuzione dei nuclei risonanti nello spazio Si apprezzano anche le nervature allinterno della calotta cerebrale! Immagini cliniche

51 Apparato Centro di risonanza magnetica a 3 T dellUniversità di Genova - IST

52 Schema tomografo alimentatore magnete sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza generatore forme donda alimentatore gradienti quadro di comando e video di controllo elaboratore elettronico memoria magnetica (PACS) schermo radiazioni elettromagnetiche magnete permanente bobine a radiofrequenza alto campo magnetico!

53 Principio semplice ma realizzazione complicata Magnete permanente, elettromagnete o magnete superconduttore per produrre il campo esterno statico ( T) con ununiformità di 1/10 8 Solenoidi addizionali per generare gradienti di campo di configurazione variabile e nota Bobine di scansione a radiofrequenza (60 MHz) per creare il campo trasversale ricevere i segnali di ritorno (specifici per i differenti materiali) Elaboratore elettronico per il controllo delle RF, lacquisizione e la raccolta (elaborazione) dei dati Richieste tecniche

54 Risoluzione altissima Colonna vertebrale Ginocchio

55 La medicina ha fatto veramente passi da gigante negli ultimi 50 anni Conclusioni Per gli apparati, le tecniche ed i metodi utilizzati sta veramente diventando una scienza medica Occorrono competenze multidisciplinari ed i fisici sono in prima linea nella ricerca che applicano giornalmente nella ricerca, a favore di una migliore qualità della vita! Trasferendo le loro scoperte e competenze,

56 Grazie per lattenzione!


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