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Modelli ed effetti dell interazione tra luce e tessuti biologici.

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Presentazione sul tema: "Modelli ed effetti dell interazione tra luce e tessuti biologici."— Transcript della presentazione:

1 Modelli ed effetti dell interazione tra luce e tessuti biologici

2 Obiettivi 1. Studiare linterazione tra luce e tessuti per fini diagnostici e terapeutici. 2.Descrivere alcune applicazioni particolari (PDT, LASIK, LITT)

3 La fotonica biomedica E linsieme delle conoscenze scientifiche e tecnologiche che trattano le onde elettromagnetiche per applicazioni mediche.

4 La finestra terapeutica

5 Interazione Luce - mezzo Assorbimento: Trasferimento di energia tra luce e materia Permette alla radiazione di produrre un effetto fisico nel tessuto

6 Sostanze assorbenti

7 Interazione Luce - mezzo Scattering

8 Effetti interazione

9 Interazioni termiche luce–tessuti

10 45 °C Ipertermia 50 °C Riduzione dellattività enzimatica, immobilità cellulare 60 °C Denaturazione di proteine e collagene ( coagulazione ) 80 °C Permeabilità delle membrane 100 °C Vaporizzazione, decomposizione termica ( ablazione ) >100 °C Carbonizzazione >300 °C Fusione Effetti della temperatura

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12 LITT: Laser-induced Interstitial ThermoTherapy Nella LITT viene inserita una canula allinterno di una porzione malata di tessuto. La luce laser emessa dalla canula viene assorbita dal tessuto: si genera calore Il calore si diffonde, causa la denaturazione di strutture molecolari e proteiche e così porta alleliminazione delle cellule tumorali.

13 45 °C Ipertermia 50 °C Riduzione dellattività enzimatica, immobilità cellulare 60 °C Denaturazione di proteine e collagene (coagulazione) 80 °C Permeabilità delle membrane 100 °C Vaporizzazione, decomposizione termica ( ablazione ) >100 °C Carbonizzazione >300 °C Fusione Effetti della temperatura

14 Set-up sperimentale

15 Effetti della luce laser sulla temperatura

16 Parametri di lavoro Laser utilizzati: CO 2 Nd:Yag Argon Durata degli impulsi: 1 s - qualche min Potenze: W/cm 2 Dimensioni delle lesioni: 3-4 mm – 2-4 cm

17 Prima Dopo APPLICAZIONE SUL FEGATO

18 Trattamenti di volumi grandi

19 LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA La luce che si irradia interagisce col tessuto e in funzione dei coefficienti di assorbimento / scattering può essere: assorbita scatterata trasmessa Generazione del calore! sorgente di calore intensità del flusso luminoso

20 LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA Equazione di propagazione del flusso luminoso nel tessuto coefficiente di diffusione coefficiente di scattering coefficiente di assorbimento termine di sorgente funzione di danneggiamento di Arrhenius

21 LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA Equazione di propagazione del calore nel tessuto (bioheat equation) densità capacità specifica conduttività termica termine di convezione termine di irraggiamento termine di sorgente dovuto al flusso luminoso

22 BioHeat Equation (T) Equazione diffusione flusso luminoso ( ) TERMICO OTTICO LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA

23 COME SI LAVORA IN FEMLAB DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA in cui il software deve andare a calcolare la soluzione. IMPOSTAZIONE DEL PROBLEMA DA RISOLVERE: BOUNDARY CONDITIONS SUBDOMAIN CONDITIONS DEFINIZIONE DELLA MESH CON IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI AD ESSA RELATIVI

24 LA GEOMETRIA Tessuto : fegato Applicatore: quarzo

25 COME SI LAVORA IN FEMLAB DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA IMPOSTAZIONE DEL PROBLEMA: BOUNDARY CONDITIONS DEFINIZIONE DELLA MESH CON IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI AD ESSA RELATIVI SUBDOMAIN CONDITIONS

26 COME SI LAVORA IN FEMLAB DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA IMPOSTAZIONE DELLE CONDIZIONI AL CONTORNO: BOUNDARY CONDITIONS SUBDOMAIN CONDITIONS DEFINIZIONE DELLA MESH CON IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI AD ESSA RELATIVI

27 LA MESH Mesh curvature factor: 1 Mesh growth rate: 3 Mesh edge size, scaling factor: 1

28 SOLUZIONE TIME - DEPENDENT

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31 LA LITT IN DUE TESSUTI DIFFERENTI Muscolo generico del collo Fegato

32 Terapia Fotodinamica (PDT)

33 Interazione fotochimica Linterazione fotochimica è linsieme delle reazioni indotte dalla luce allinterno delle macromolecole o dei tessuti Si verifica per una bassa densità di potenza (~1W/cm 2 ) ed un periodo di esposizione che va da qualche secondo fino a diversi minuti

34 La terapia fotodinamica o PDT Applicazione medica dellinterazione fotochimica P + h P* (S) Assorbimento P* (S) P* (T) Inter-system-crossing P* (T) + O 2 O* 2 + P Trasferimento di energia Diagramma di Jablonski fotosensibilizzatore laser per attivarlo ossigeno endogeno 1 Fluorescenza, 2 Fosforescenza, 3 Conversione interna, 4 Intersystem crossing, 5 Rilassamento vibrazionale.

35 Il singlet oxigen O* 2 è una specie radicale altamente reattiva dellossigeno Sopravvivenza < 0.04 msec Raggio dazione <0.02 m Induce danni ossidativi nelle immediate vicinanze del sito subcellulare in cui si è localizzato il fotosensibilizzatore. localizzazione farmaco produzione specie radicale effetti diretti sulle cellule necrosi effetti vascolari vasocostrizione laser La terapia fotodinamica o PDT

36 Il diametro dello spot del laser è al massimo 5400 m PDT per il trattamento della degenerazione maculare essudativa

37 Fotosensibilizzatore: BPD-MA (Visudyne) PDT per il trattamento della degenerazione maculare essudativa Caratteristiche laser: Fluenza di 50 J/cm 2 per 83 sec Intensità di 600 mW/ cm 2 = 690 nm verteporfina

38 Trattamento laser miopia Fotoablazione

39 Cornea Epitelio (con spessore di m ) Membrana di Bowman (10-14 m ) Stroma ( m ) Membrana di Descemet (3-12 m ) Endotelio (4-6 m )

40 Problema della Miopia La lunghezza del bulbo oculare è eccessiva rispetto al potere del diottro oculare Limmagine proveniente dallinfinito è focalizzata in un piano anteriore a quello retinico.

41 Modalità di Correzione Tecniche Chirurgiche: con lama in diamante Cheratotomia Radiale mediante laser ad eccimeri PRK ( PhotoRefractive Keratectomy ) LASIK ( Laser Assisted In Situ Keratomileusis ) Tecniche Tradizionali: Occhiali Lenti a contatto

42 PRK La Prk si esegue sulla superficie anteriore della cornea. Prevede lappiattimento del profilo corneale, e quindi la riduzione del suo potere refrattivo. Al paziente viene rimosso lepitelio per esporre lo stroma allazione del laser.

43 LASIK Con la Lasik il trattamento avviene allinterno della cornea. Questa tecnica è anche detta Zap and Flap dato che si crea, con il Microcheratomo, una lamella di tessuto corneale. Il lembo viene sollevato e si espone lo stroma al trattamento laser. Terminata la radiazione si riposiziona il lembo nella posizione originaria.

44 Laser ad Eccimeri Il laser ad eccimeri utilizza Argon e Fluoro, in grado di generare fotoni di luce con lunghezza donda di 193 nm. Ad ogni impulso il laser con una densità di energia di 180 mJ/cm 2 rimuove circa 0.25 m di tessuto. Loperazione è eseguita tramite computer che hanno il compito di: ruotare la cornea far incidere il fascio perpendicolarmente alla superficie regolare il raggio del fascio

45 Fotoablazione La fotoablazione UV non è solo un processo fotochimico ma è anche fotofisico e fototermico

46 Fotoablazione Corneale La cornea è un tessuto collagene e consiste in 50% di acqua. E costituita da 33% di glicina e 25% di prolina mentre la parte restante è costituita da altri amminoacidi più piccoli. La parte di catena contenente prolina e glicina può essere espressa dalla figura: La molecola è vista come una super-molecola composta da una struttura primaria, contenente glicina e prolina, e da una secondaria, che consiste in tre spirali attorcigliate contenute nellanello di pirrolidina. Lenergia dei fotoni vale hω= 620 KJ/mole, a =193 nm, ed è molto più elevata dellenergia necessaria a scindere la struttura secondaria pari a 60 KJ/mole. Sono quindi coinvolti altri processi.

47 Schema a Blocchi dellAblazione Assorbimento Radiazione Laser Energia di Eccitamento Elettronica Calore ed Inizio Vibrazioni Ebollizione dellAcqua Energia Meccanica di Tensione Scissione delle Macromolecole Riscaldamento della Cornea Energia Cinetica Energia necessaria per rompere la struttura secondaria

48 Modello Fisico-Chimico Empirico d FIS profondità di ablazione coefficiente di assorbimento f densità di energia f densità di energia di soglia TH Modello Termico Empirico A 1 costante di proporzionalità E* costante contenente lenergia di attivazione del processo coefficiente di assorbimento f densità di energia f TH densità di energia di soglia

49 Schema di Munnerlyn Profondità Sagittale Serie di Taylor Cornea e profilo di ablazione entrambi di forma sferica Profondità Sagittale OZ lunghezza corda

50 Formula Approssimata potere diottrico

51 Formula Esatta

52 Confronto (per D = -8) La formula approssimata è appropriata per Zone Ottiche di dimensioni inferiori a 5 mm

53 Fattore di aggiustamento Primi tre termini dellespansione in serie di Taylor: Fattore di Aggiustamento

54 Processo globale DIOTTRIE Formula di Munnerlyn PROFONDITA DI ABLAZIONE Modelli fisico-chimico e termico DENSITA DI ENERGIA Coefficiente di assorbimento della cornea Energia di attivazione


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