XXIV SEMINARIO NAZIONALE di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE OTRANTO, Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2012 Fisica e medicina La fisica delle particelle e del nucleo può aiutare la salute? Sandro Squarcia Laboratorio di Fisica e Statistica Medica Dipartimento di Fisica - Sezione INFN di Genova Via Dodecaneso 33, 16146 Genova 010 353 6207 squarcia@ge.infn.it

Perché parlare di fisica applicata alla medicina?

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

Progressi della medicina Eliminando malattie cardiovascolari e tumori la speranza di vita arriverebbe a 120 anni! Maggiori conoscenze dell’anatomia (struttura) e della fisiologia (operazionalità) dell’uomo 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

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 dell’informatizzazione e della analisi statistica (fisico quadratico medio)

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

Diagnostica clinica

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

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

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

Sezioni corporee L’ immagine radiologica sagittale, mediano, 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)

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

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

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

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

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

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

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 l’asse rotazione e i rivelatori ruotanti attorno allo stesso asse

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

Apparato sistema elaborazione

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

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

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°

Radionuclidi I radionuclidi sono isotopi emettenti e+ (che vengono prodotti mediante ciclotroni) si utilizzano di solito isotopi di elementi biologici 11C con t1/2 = 20.1’ 13N con t1/2 = 10.0’ 15O con t1/2 = 2.1’ 18F con t1/2 = 110’ FGD fluorodisossiglucosio analogo al glucosio in cui è stato inserito del 18F (beta emittente) che può essere metabolizzato

Rivelazione Rivelatori a scintillazione (risoluzione: 5-10 mm) I due gamma di annichilazione possono essere rilevati singolarmente oppure in coincidenza finestra temporale 10-20 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!)

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 l’anatomia e la fisiologia tramite la loro possibile localizzazione

Immagine Visualizzazione dell’attività cerebrale nelle differenti zone del cervello Elaborazione e visualizzazione con falsi colori permette una migliore evidenziazione

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!

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

Tessuto attraversato Nella PET è possibile eseguire una precisa correzione dell’attenuazione dei fotoni nei tessuti I due fotoni in coincidenza attraversano complessivamente l’intero spessore dell’oggetto

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 coefficiente attenuazione lineare  diametro del bersaglio L

Calibrazione Il numero di particelle emesse dal radioisotopo distribuito nei tessuti può essere calcolato tramite quello rivelato conoscendo  ed L La risoluzione spaziale dei dispositivi PET dipende dal numero di fotoni collimati rivelati tanto maggiore è questo numero tanto migliore è l’immagine ricostruita 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 dell’immagine ricostruita)

Fotoni rivelati I fotoni rivelati sono solo una piccola frazione perché: i radionuclidi si diffondono in tutto il corpo l’apertura angolare dei rivelatori consente di accettare solo una piccola frazione dei fotoni e occorre considerare: l’attenuazione dei fotoni in materiale biologico l’efficienza di “rivelazione” del rivelatore Viene visualizzato solo l’1-2% dei decadimenti dei radionuclidi concentrati nell’organo in esame Come per poter riuscire a scattare le foto di notte: aprire al massimo l’obiettivo usare lunghi tempi di esposizione (sfuocamento)

Materiale biologico Poiché l’attenuazione dei fotoni nel corpo umano presentano due principali possibilità di “errore” amplificazione degli errori di ricostruzione creazione di “fantasmi” (false ricostruzioni) occorre poter incrementare l’apertura angolare dei rivelatori l’efficienza 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

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

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

SPECT trasversale Rivelatore costituito da una gamma camera ruotante che produce più distribuzioni a diversi angoli producendo l’immagine tomografica 131I: e– 608 keV ( 364 keV) t1/2 = 8.07 giorni

Visualizzazione Immagini a differenti tonalità di grigio forniscono delle informazioni quantitative sulla concentrazione del particolare tracciante nell’organismo fegato e milza immagine “grezza” prima del trattamento di elaborazione

SPECT verso PET Vantaggi - gamma camere di tipo tradizionale - radioisotopi usati in medicina nucleare Svantaggi - collimatori Pb poco efficienti (risoluzione spaziale 10-15 mm) - attenuazione fotoni dipende dalla posizione (non valutabile) del radioisotopo (30-50%) - fotoni emessi causano processi secondari per diffusione Compton (100-150 keV)

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

Generalità La NMR è una tecnica strumentale che consente di conoscere proprietà a livello sub-molecolare di materiali di varia natura, tramite lo studio dell’interazione tra il materiale in esame e un campo magnetico in cui il materiale stesso viene immerso La spettroscopia RMN si basa sull’interazione 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

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 Sz) / mp con Sz =  ħ / 2

Materiali In presenza di un campo magnetico B0 i momenti magnetici dei nuclei si orientano in direzioni che dipendono dal numero quantico di spin

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

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

Precessione Il momento magnetico atomico  precede intorno alla direzione di B0 con la frequenza di Larmor L  = 2L = B0 Se si inserisce un campo magnetico a radiofrequenza (10 - 100 MHz) con la stessa frequenza L si esercita coerentemente una coppia meccanica che fa variare l’angolo tra  e B0 Per il protone la frequenza di Larmor è 42.6 MHz per ogni tesla (T) di campo magnetico

Descrizione RMN 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 mentre la magnetizzazione trasversale a B è invece nulla a causa della fase casuale di precessione di 

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

Ricostruzione immagine 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 La frequenza di risonanza dei nuclei aumenta!

Immagini cliniche 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 l’informazione della distribuzione dei nuclei risonanti nello spazio Si apprezzano anche le nervature all’interno della calotta cerebrale!

Apparato Centro di risonanza magnetica a 3 T dell’Università di Genova - IST

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

Richieste tecniche Principio “semplice” ma realizzazione complicata Magnete permanente, elettromagnete o magnete superconduttore per produrre il campo esterno statico (0.5-1.5 T) con un’uniformità di 1/108 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, l’acquisizione e la raccolta (elaborazione) dei dati

Risoluzione altissima Colonna vertebrale Ginocchio

Conclusioni La medicina ha fatto veramente passi da gigante negli ultimi 50 anni 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 Trasferendo le loro scoperte e competenze, che applicano giornalmente nella ricerca, a favore di una migliore qualità della vita!

Grazie per l’attenzione!