Applicazioni della FISICA alla MEDICINA Giorgio De Nunzio – Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università del Salento, e INFN Sezione di Lecce MAGIC–5 Medical Applications on a Grid Infrastructure Connection Ivan De Mitri – Dipartimento di Fisica dell’Università del Salento, e INFN Sezione di Lecce

MAGIC–5 Medical Applications on a Grid Infrastructure Connection A collaboration of several Universities, Local INFN Section and Hospitals International Collaborations Centro de Applicaciones Tecnologicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN), Cuba ALICE collaboration – CERN Ginevra Collaborations with Industries BRACCO Imaging, EURIX, I&T

Esempi di tecniche diagnostiche, e legami con la Fisica… Encefalografia ( segnali elettrici ) Ecografia ( onde sonore ) Radiografia ( raggi X ) Scintigrafia ( raggi  ) Positron Emission Tomography ( positroni e raggi  ) Computed Tomography ( Raggi X ) Nuclear Magnetic Resonance Imaging ( onde radio ) …e una tecnica chimico-fisica Elettroforesi bidimensionale per la proteomica (tecniche chimico-fisiche per la separazione delle proteine) Tecniche (radio)terapiche

Ecografia Trasduttore Segnale 8 weeks

Produzione di raggi X Onde elettromagnetiche (“luce”) di lunghezza d’onda compresa tra 10 nm e 1 pm I raggi X vengono prodotti in dispositivi in cui degli elettroni vengono accelerati e diretti contro bersagli di diversi materiali I raggi X non assorbiti dall’oggetto in esame vengono rivelati per mezzo di lastra fotografica o dispositivi più avanzati Un fascio monocromatico di raggi X che attraversi un materiale omogeneo subisce la riduzione di intensità espressa dalla relazione di Bouguer :

CAD Station for Mammography Massive Lesion Microcalcifications Image Selection Image manipulation Metadata insertion Diagnosis insertion CAD execution Data Registration Data Search Installations Hospitals: Valdese (TO) Palermo Lecce INFN-Universities: Bari, Lecce, Napoli, Palermo,Torino, Sassari MAGIC5

Tomografia Assiale Computerizzata (TAC)

Esempio di immagine tomografica

Analisi di CT polmonari Screening della popolazione a rischio CAD utile per abbassare la percentuale di Falsi Negativi MAGIC5

Tomografia a Emissione di Positroni (PET) Usa traccianti radioattivi ottenuti marcando molecole normalmente presenti nei tessuti biologici (zuccheri, amminoacidi, l’acqua e le molecole gassose in aria) con radionuclidi emettitori di positroni  +. tempo di dimezzamento breve (decine di minuti): necessità di disporre di un ciclotrone! isotopi di elementi costituenti la materia biologica: 18 F-Fluorodeossiglucosio (18F-FDG), il tracciante più largamente usato in PET, è un analogo del glucosio. rivelazione in coincidenza

Magnetic Resonance Imaging

NMR (Risonanza Magnetica Nucleare) interazione tra lo spin nucleare dell’idrogeno e un campo magnetico esterno Ad un campo magnetico uniforme e costante si sovrappone un campo em variabile della frequenza opportuna (per ottenere risonanza con i nuclei) Si misura l’assorbimento di energia della materia attraversata in corrispondenza della frequenza della specie nucleare in questione (idrogeno,..) Vede la concentrazione di nuclei di idrogeno nei tessuti e, poiché l’idrogeno è presente nel corpo umano prevalentemente come acqua, vede la concentrazione di acqua nei tessuti.

NMR: principi di funzionamento (1) Il nucleo dell’idrogeno ( 1 H) è costituito da un singolo protone. Ciascun protone possiede carica elettrica e momento angolare intrinseco o "spin“ (“ruota” attorno al proprio asse). Il moto di rotazione produce un momento magnetico con orientamento parallelo al momento angolare (momento di dipolo magnetico). In assenza di campo magnetico esterno, i momenti magnetici sono disposti casualmente nello spazio.

NMR: principi di funzionamento (2) Quando il paziente viene immerso nel campo magnetico del tomografo RM, i momenti magnetici associati ai nuclei di idrogeno nel corpo del paziente tendono ad orientarsi lungo la direzione del campo magnetico (come l’ago di una bussola si orienta verso una calamita). Più precisamente, l’asse di spin ruota attorno alla direzione del campo magnetico esterno, mantenendo con esso un angolo costante. Questo moto complesso è detto moto di precessione, ed è simile al moto di una trottola attorno al campo gravitazionale terrestre. La frequenza di precessione (frequenza di Larmor) (numero di rotazioni in 1 secondo) è caratteristica del nucleo atomico ed è proporzionale al campo magnetico applicato (nucleo di idrogeno, con Bo = 1 Tesla, fL = 43 MHz). Il moto di precessione può avvenire in direzione parallela o anti-parallela a Bo. Alla configurazione parallela corrisponde uno stato energetico inferiore, più stabile e quindi più probabile. Il moto di precessione avviene con fasi di rotazione diverse (se i momenti magnetici fossero le lancette di tanti orologi, queste segnerebbero ore diverse).

NMR: principi di funzionamento (3) Inviando al paziente immerso nel campo magnetico del tomografo RM un impulso elettromagnetico con: frequenza di oscillazione pari alla frequenza di Larmor, campo magnetico oscillante B1 perpendicolare a B0 e di intensità molto minore si induce il fenomeno di Risonanza Magnetica: eccitazione dei nuclei (passaggio da configurazione parallela ad antiparallela messa in fase dei moti di precessione Quando l’impulso RF viene interrotto, i nuclei, interagendo con la materia circostante, tendono a ripristinare il loro stato originale (come l’ago di una bussola torna ad indicare il polo nord terrestre, allontanando la bussola da una calamita). Durante questa fase il sistema restituisce l’energia assorbita, sotto forma di onde em alla frequenza di Larmor, ma con tempi di rilassamento diversi a seconda delle interazioni in atto (spin-reticolo, spin-spin) Immagine RM di una stessa sezione tomografica del cranio, pesata in DP (sinistra), T2 (centro) e T1 (destra): il contrasto tra i tessuti è prevalentemente associato a differenze in DP, T1 e T2

Alzheimer: Segmentazione dell’ippocampo Studio di immagini da risonanza magnetica (MRI) ruotate à la Onishi MAGIC5

Segmentazione della scatola ippocampale Misura del volume Stima della quantità di liquido cefalorachidiano Confronto con informazioni provenienti da analisi funzionali in immagini PET Alzheimer: Individuazione dell’ippocampo MAGIC5

Analisi d’immagine di elettroforesi bidimensionale per la proteomica Le immagini di elettroforesi bidimensionale si ottengono tramite una scansione ottica di un gel sul quale è stato depositato un campione biologico (plasma, urine, ecc…) contenente proteine, provocandone poi la diffusione bidimensionale. La diffusione è causata dall’applicazione di un campo elettrico, che provoca una migrazione delle proteine, lungo l’asse orizzontale in base al PH, e lungo l’asse verticale in base al peso molecolare. Immagini utilizzate nell’ambito della proteomica clinica per l’ individuazione di marker tumorali e di altre malattie.

Principali tecniche utilizzate “Coregistrazione” fra immagini già analizzate e immagini ancora da analizzare. Studio della forma degli spot

Un sistema CAD per il glioma cerebrale in DTI (Diffusion Tensor Imaging) by A.Bizzi, Modified DTI e diffusione isotropica ed anisotropica Mappa di isotropia (esempio: p map, MD map) Mappa di anisotropia (esempio: q map, FA map)

Conclusioni La ricerca di base molto spesso ha utili ed immediate applicazioni alla vita di tutti i giorni Lo sviluppo delle conoscenze nella fisica moderna e delle tecnologie ad essa connesse ha portato fondamentali contributi sia nelle tecniche diagnostiche che nella terapia Nuove tecniche sono continuamente messe a punto per aumentare le prestazioni fornite (risoluzione spaziale,..) e diminuire i rischi per il paziente Nuove tecniche sono continuamente messe a punto per aumentare le prestazioni fornite (risoluzione spaziale,..) e diminuire i rischi per il paziente