La fisica nella medicina Carlo Civinini INFN – Firenze

Avrei preferito parlavi della fisica nella musica… … ma le applicazioni della fisica nella vita di tutti i giorni sono numerose, molto di più di quello che si pensa La medicina si basa moltissimo sulla biologia, sulla chimica, sulla farmaceutica, ma la fisica non ne è esclusa Principalmente la fisica si occupa di diagnostica, ma anche di terapia 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Diagnostica Lo conoscete? Si chiama Wilhelm Conrad Roentgen Nel 1895 fa una scoperta, praticamente per caso 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Una scoperta quasi per caso… Come: Wilhelm lavorava con un tubo a raggi catodici (quella cosa che abbiamo, o meglio avevamo in tutte le case e che si chiama TV) Quando: 8 Novembre 1895 Cosa: scopre una cosa che nessuno prima di lui aveva mai visto 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Tubo catodico Ma come funziona un tubo catodico? Vuoto (quasi) Vetro a tenuta anodo catodo …qualcosa scorre + HV - 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Raggi catodici La ‘cosa che scorre’ si può quasi vedere Fa muovere una piccola ruota Illumina uno schermo Si può curvare usando una calamita Insomma è una forma di materia: gli elettroni 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Raggi catodici 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Raggi catodici 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Raggi catodici 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Il tubo catodico di Roentgen Questo è un tubo catodico con l’anodo piegato 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Raggi X Roentgen fu incuriosito da una luminescenza che scaturiva da uno schermo Vide una lettera A brillare nell’oscurità del laboratorio quando il tubo era acceso anche se schermato da un foglio di carta nera Cercò di capire meglio: dal tubo veniva emesso un qualcosa che penetrava la carta ed eccitava la sostanza chimica con la quale era stata scritta la A Passò la mano davanti al foglio e vide… 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Raggi X C’è da restare senza parole Questa non è la mano di Roentgen ma quella di Anna-Berthe, la moglie, che tenne ferma la mano su una lastra fotografica per 15 minuti il 22 Dicembre 1895 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Radiografia Sì, perché non solo Roentgen scopre che questi raggi misteriosi penetrano il corpo umano, ma che una semplicissima lastra fotografica ne rimane impressionata e quindi si possono facilmente usare per indagare l’interno di un corpo umano senza ricorrere al bisturi Pubblica la scoperta su una rivista scientifica, senza nessuna foto Allo stesso tempo invia una quarantina di lettere ai maggiori esperti europei, una di queste, con alcune foto, capita tra le mani di un direttore di giornale, “Die Presse” di Vienna Il 5 Gennaio del 1896 Die Presse pubblica un articolo sull’argomento e si ‘scatena l’inferno’… 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Come si producono i Raggi X Placchetta di metallo posta a 45o Vuoto (quasi) Vetro a tenuta anodo catodo Ragg i X …qualcosa scorre + HV - 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Applicazioni dei Raggi X Sono molto semplici da produrre: una palla di vetro soffiato e una bobina per produrre l’alta tensione Attraversano il corpo ma sono diversamente assorbiti dalla materia che lo compone quindi le ossa e gli organi interni vengono messi in evidenza Insomma già alla fine del 1896, solo un anno dopo la scoperta, ci sono centinaia di tubi per Raggi X negli ospedali Roentgen non vuole brevettare la sua scoperta, è una manifestazione anche se misteriosa della natura e non pensa sia giusto appropriarsene; non vuole neppure che i raggi portino il suo nome Roentgen è stato il primo a ricevere il premio Nobel per la fisica (1901) 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Ma cosa sono i Raggi X? Sono prodotti dall’urto dei raggi catodici, che adesso sappiamo essere elettroni, con un bersaglio Nell’urto gli elettroni vengono bruscamente frenati e subiscono un processo dal nome un po’ incomprensibile: bremsstrahlung (si capisce che questa materia l’hanno studiata principalmente in Germania) Ma una particella carica come l’elettrone, se subisce una brusca accelerazione è obbligata dalle leggi della natura (elettromagnetismo) ad emettere una radiazione (elettromagnetica, appunto) Questa radiazione non è per niente misteriosa è solo luce 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Ma cosa sono i Raggi X? Ma la radiazione elettromagnetica ha tantissime ‘incarnazioni’ Onde radio Raggi infrarossi Luce visibile Raggi ultravioletti Raggi X Raggi g L’unica differenza risiede nella lunghezza d’onda della radiazione 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Ma cosa sono i Raggi X? Radiazione con lunghezza d’onda molto piccola è composta da ‘fotoni’ ad altissima energia: si tratta dei raggi X oppure dei raggi g 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze La storia completa… Ai raggi X prodotti per ‘frenamento’ si Sovraimpongono altri raggi X. Questi portano informazioni molto importanti sulla struttura degli Atomi. Ma questa è un’altra storia 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Come si cattura una immagine X? Semplice: con una lastra fotografica Ma da qualche anno esistono oggetti nominati ‘calcolatori’ che amano gestire informazioni (e le ‘immagini’ informano e come) Certo le immagini non possono essere semplicemente delle lastre fotografiche occorre parlare il linguaggio dei calcolatori ed interagire con loro tramite immagini ‘digitali’ Ogni quadratino di una immagine (pixel) viene convertito in un numero a seconda del suo colore o della sua ‘scala di grigi’ 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Come si cattura una immagine X? Si può prendere una lastra fotografica e ‘scannerizzarla’ per ottenere una immagine radiografica in termini digitali Oppure si può creare fin dall’inizio una immagine digitale eliminando la necessità di avere una lastra fotografica Questo lo si ottiene tramite ‘rivelatori’ di Raggi X che ‘contano’ i raggi X che arrivano in una certa zona (pixel) ed associano a quel pixel un numero proporzionale ai raggi X che lo hanno investito Facendo il cammino inverso: dal numero di raggi X si passa ad una tonalità di grigio che riproduce l’immagine 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Immagini digitali Facciamo uno zoom 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze L’immagine è composta da pixel ognuno dei quali rappresenta un colore che indica il numero di raggi X e quindi il materiale attraversato dai raggi: nero  nessun assorbimento bianco  assorbimento totale 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Come sostituire la lastra fotografica Stesso principio di funzionamento delle fotocamere digitali Rivelatore X Elettronica per leggere il rivelatore e trasferire i dati ad un PC 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Come funziona una TAC? Prima di tutto cosa significa TAC? Tomografia Assiale Computerizzata 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze TAC Ogni ‘fettina’ del corpo umano viene visualizzata permettendo di ricostruire una immagine 3D Una radiografia è una proiezione quindi una immagine 2D, come si può ottenere una immagine 3D a partire da questa? 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze TAC Si prendono radiografie da varie direzioni (molte centinaia) ognuna di queste rappresenta il paziente visto da un punto diverso Combinandole insieme si ottiene l’immagine tridimensionale 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze TAC 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Immagine TAC 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Altri tipi di tomografia Risonanza Magnetica Nucleare Non ci sono radiazioni X Solo un forte magnete e micro onde (quelle del fornetto di casa, anche loro radiazione elettromagnetica però a lunghezza d’onda molto grande) Tomografia ad emissione di positroni Antimateria 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze RM(N) 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Immagine RM 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze PET Si usa l’antimateria per realizzare delle immagini cliniche E’ estremamente importante quando si vuol visualizzare non solo degli organi (morfologia) ma il loro funzionamento (fisiologia) Si inietta nel paziente una soluzione di acqua e zucchero, dove però lo zucchero ha alcuni atomi sostituiti con atomi radioattivi 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze TAC 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze PET 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze PET 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Radioterapia Raggi X ed altri tipi di radiazioni possono essere usati non solo per ottenere delle immagini del corpo umano ma anche per curare certe malattie Le radiazioni ionizzanti quando interagiscono con una cellula possono creare dei danni che possono portare alla morte della cellula “Possono” soltanto? Sì, il DNA in molti casi si aggiusta da solo Quindi le radiazioni sono nocive, ma questo fatto può essere volto in positivo per eliminare le cellule tumorali senza ricorrere alla chirurgia 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Danneggiamento di una cellula 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Radioterapia con fotoni Si illumina la zona che contiene il tumore con un fascio di raggi X I raggi X che colpiscono le cellule del tumore le danneggiano e quindi queste vengono eliminate dall’organismo Purtroppo i raggi X colpiscono anche cellule sane, si deve quindi cercare di irraggiare solo la zona dove si trova il tumore 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Radioterapia Acceleratore per produrre raggi X 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Radioterapia Si cerca di raggiungere il bersaglio da vari angoli per ridurre il danno ai tessuti sani 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Proton-terapia L’ideale sarebbe trovare delle radiazioni che si fermano dove si vuole noi, rilasciando lì tutta l’energia danneggiando il meno possibile i tessuti sani Queste particelle sono i ‘protoni’ Quando stanno per fermarsi i protoni ‘scaricano’ tutta la loro energia in un piccolo spazio, un po’ come un’auto che sbatte contro un muro 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Proton-terapia 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Come si producono i protoni? Semplice, basta prenderli dall’acqua Però devono essere accelerati fino ad una grande energia e quindi occorrono macchine che lo facciano: gli acceleratori Un acceleratore ce lo abbiamo (avevamo) tutti in casa: anche questo si chiama TV 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Acceleratori per Protoni Ciclotrone 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Acceleratori per Protoni 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Acceleratori per Protoni Sincrotrone 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze LHC 27 Km di circonferenza ma viene usato per altri scopi 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Come si colpisce? Sembra una domanda alla quale si può rispondere semplicemente: basta fare una TAC ed individuare il tumore e dirigere lì il fascio di protoni Non è però così semplice: la TAC usa i raggi X per ‘vedere’ all’interno del corpo umano, qui si usano i protoni per irraggiare Raggi X e protoni NON sono la stessa cosa e ‘vedono’ la materia che attraversano in modo diverso Si possono correggere le immagini TAC per adattarle ai protoni, ma si commette un piccolo errore che impedisce di individuare con precisione un tumore L’idea per evitare questo problema è di usare i protoni stessi per realizzare immagini tomografiche del corpo umano 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze TAC a protoni Strumento per Misurare l’energia del protone Strumenti per vedere dove è passato il protone Protone 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze Apparato per tomografia a protoni completo Calorimeter Tracker: 4 x-y planes Beam 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

Prima radiografia con protoni Cos’è? 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze

C. Civinini INFN-Firenze 09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze