Modelli ed effetti dell’ interazione tra luce e tessuti biologici

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

La fotonica biomedica E’ l’insieme delle conoscenze scientifiche e tecnologiche che trattano le onde elettromagnetiche per applicazioni mediche.

La finestra terapeutica

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

Sostanze assorbenti

Interazione Luce - mezzo Scattering

Effetti interazione

Interazioni termiche luce–tessuti

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

Effetti della temperatura

LITT: Laser-induced Interstitial ThermoTherapy Nella LITT viene inserita una canula all’interno 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 all’eliminazione delle cellule tumorali.

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

Set-up sperimentale

Effetti della luce laser sulla temperatura

Parametri di lavoro Laser utilizzati: CO2 Nd:Yag Argon Durata degli impulsi: 1ms - qualche min Potenze: 10 -106 W/cm2 Dimensioni delle lesioni: 3-4 mm – 2-4 cm

APPLICAZIONE SUL FEGATO Prima Dopo

Trattamenti di volumi grandi

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

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

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

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

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

LA GEOMETRIA Tessuto : fegato Applicatore: quarzo

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

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

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

SOLUZIONE TIME - DEPENDENT

SOLUZIONE TIME - DEPENDENT

SOLUZIONE TIME - DEPENDENT

LA LITT IN DUE TESSUTI DIFFERENTI Muscolo generico del collo Fegato

Terapia Fotodinamica (PDT)

Interazione fotochimica • L’interazione fotochimica è l’insieme delle reazioni indotte dalla luce all’interno delle macromolecole o dei tessuti Si verifica per una bassa densità di potenza (~1W/cm2) ed un periodo di esposizione che va da qualche secondo fino a diversi minuti

La terapia fotodinamica o PDT Applicazione medica dell’interazione fotochimica fotosensibilizzatore laser per attivarlo ossigeno endogeno Diagramma di Jablonski 1 Fluorescenza, 2 Fosforescenza, 3 Conversione interna, 4 Intersystem crossing, 5 Rilassamento vibrazionale.   P + h  P* (S) Assorbimento P* (S)  P* (T) Inter-system-crossing P* (T) + O2  O*2 + P Trasferimento di energia

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

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

PDT per il trattamento della degenerazione maculare essudativa Fotosensibilizzatore: • BPD-MA (Visudyne) verteporfina Caratteristiche laser: • Fluenza di 50 J/cm2 per 83 sec •Intensità di 600 mW/ cm2 • = 690 nm

Trattamento laser miopia Fotoablazione

Cornea Epitelio (con spessore di 30-50 m ) Membrana di Bowman (10-14 m ) Stroma (500-900 m ) Membrana di Descemet (3-12 m ) Endotelio (4-6 m )

Problema della Miopia La lunghezza del bulbo oculare è eccessiva rispetto al potere del diottro oculare L’immagine proveniente dall’infinito è focalizzata in un piano anteriore a quello retinico.

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

PRK La Prk si esegue sulla superficie anteriore della cornea. Prevede l’appiattimento del profilo corneale, e quindi la riduzione del suo potere refrattivo. Al paziente viene rimosso l’epitelio per esporre lo stroma all’azione del laser.

LASIK Con la Lasik il trattamento avviene all’interno 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.

Laser ad Eccimeri Il laser ad eccimeri utilizza Argon e Fluoro, in grado di generare fotoni di luce con lunghezza d’onda di 193 nm. Ad ogni impulso il laser con una densità di energia di 180 mJ/cm2 rimuove circa 0.25 m di tessuto. L’operazione è eseguita tramite computer che hanno il compito di: ruotare la cornea far incidere il fascio perpendicolarmente alla superficie regolare il raggio del fascio

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

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 nell’anello di pirrolidina. L’energia dei fotoni vale hω= 620 KJ/mole, a =193 nm, ed è molto più elevata dell’energia necessaria a scindere la struttura secondaria pari a 60 KJ/mole. Sono quindi coinvolti altri processi.

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

Modello Fisico-Chimico Empirico dFIS profondità di ablazione  coefficiente di assorbimento f densità di energia f densità di energia di soglia TH Modello Termico Empirico A1 costante di proporzionalità E* costante contenente l’energia di attivazione del processo  coefficiente di assorbimento f densità di energia fTH densità di energia di soglia

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

Formula Approssimata potere diottrico

Formula Esatta

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

Fattore di aggiustamento Primi tre termini dell’espansione in serie di Taylor: Fattore di Aggiustamento

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