Transcript Fisica_e_medicina
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 [email protected]
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
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Aumento benessere generale della popolazione
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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 !
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Maggiori conoscenze dell’ anatomia (struttura) e della fisiologia (operazionalità) dell’uomo
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Introduzione di nuovi strumenti diagnostici
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Elaborazione di moderne modalità di cura
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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 Hiroshima e Nagasaki Three Mile Island Chernobil Fukushima Veste protettiva utilizzata dai radiologi agli inizi del 1900 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 è sempre sagittale, mediano, di simmetria bidimensionale Per una visione tridimensionale trasversale, assiale, occorre ricorrere a più proiezioni orizzontale utilizzando tre piani fondamentali di riferimento 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
stabilità di funzionamento
Rivelatori a raggi X compatti e di grande 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
sistema
Apparato
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 11 C con t 1/2 = 20.1’ 13 N con t 1/2 = 10.0’ 15 O con t 1/2 = 2.1’ 18 F con t 1/2 = 110’ FGD fluorodisossiglucosio analogo al glucosio in cui è stato inserito del 18 F (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
g
1 e P
g
2 P
g
1
P
g
2
e –
e –
x (L–x) Fattore di trasmissione delle coppie di fotoni
g
1
g
2 P
g
1
g
2 = P
g
1 P
g
2
e –
x e –
(L–x) P
g
1
g
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
g
medicina nucleare : 99 Tc, 123 I, 133 Xe, 201 Te
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 131 I: e – 608 keV (
g
364 keV) t 1/2 = 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
=
g
h l
g
momento giromagnetico h costante di Plank l momento della quantità di moto Il protone possiede
= (2.79 e S z ) / m p con S z =
ħ / 2
Materiali
In presenza di un campo magnetico B 0 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 =
g
B / 2
con una medesima frequenza
L detta precessione di Larmor
Precessione
Il momento magnetico atomico
precede intorno alla direzione di B 0 con la frequenza di Larmor
L
= 2
L =
g
B 0 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 B 0 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
magnete permanente
Schema tomografo
alimentatore gradienti generatore forme d’onda sorgente principale radio frequenza ricevitore a radio frequenza memoria magnetica (PACS) elaboratore elettronico bobine a radiofrequenza schermo radiazioni elettromagnetiche alimentatore magnete quadro di comando e video di controllo 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 1/10 8
•
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 !