física médica: uma área multidisciplinar

Física Médica: uma área multidisciplinar

Simone Coutinho Cardoso

IF-UFRJ

Simone C. Cardoso

•  O que é a Física Médica? – Curso da UFRJ

•  Projetos de pesquisa – Hospitalar – Pesquisador

Simone C. Cardoso

•  O que é a Física Médica? – Curso da UFRJ

•  O que faz um físico médico ? – Hospitalar – Pesquisador

Simone C. Cardoso

O que é a Física Médica?

Ø  Multidisciplinar

� Física � Ciências Biomédicas � Engenharia � Matemática

Simone C. Cardoso

IF/UFRJ

Simone C. Cardoso

Periodização do Curso de Física Médica da UFRJ

1o Período 2o Período 3o Período 4o Período 5o Período 6o Período 7o Período 8o Período

Cálculo I MAC118 Cálculo II

MAC128 Cálculo III MAC238

Métodos de Física

Teórica I FIW245

Física das Radiações I

FIN482 Conceitos de

Mecânica Quânt. FIW367 Ultra-som RNM

Física I FIT111 Física II

FIT121 Física III FIM231 Física IV

FIM241 Estágio IEN FIWU01

Física das Radiações II

FIW368 Estatística Aplicada FIW124

Trabalho de fim de curso FIWK02

Física Exp. I FIS111 Física Exp. II

FIS121 Física Exp. III FIN231

Física Exp. IV

FIN241 Radiobiologia

e Fotobiologia

BMB352 Estágio IRD I

FIWU02 Estágio HU I FIWU05 Estágio INCA

FIWU07

Top Fís Geral I FIW491

Fundamentos de Biologia Celular

e Molecular I BMB113

Fundamentos de Biologia Celular e

Molecular II BMB123

Física Moderna I FIW364

Termodinâmica e Física Estatística

FIW363 Estágio IRD II

FIWU03 Estágio HU II

(Med. Nuclear) FIWU06

Computação Aplicada à Med.

FIW479

Anatomia Médico Aplicada

BMA231 Métodos

Computacionais em Física I

FIW234 Biofísica BMB231

Fisiologia Humana BMB241

Estágio IRD III FIWU04

Simone C. Cardoso

Convênio em andamento

l  DAAD l  Intercâmbio

l  Estudantes l  Professores

Simone C. Cardoso

O que faz um físico médico?

Físico médico

Hospitalar

Pesquisador

Simone C. Cardoso

Mercado de trabalho

•  Serviço clínico e consultoria

•  Pesquisa e desenvolvimento

•  Ensino

� Radiodiagnóstico •  CT •  Mamografia •  US •  RMN

� Radioterapia

•  Teleterapia •  Braquiterapia

� Medicina Nuclear

•  Diagnóstico •  Tratamento

Simone C. Cardoso

Clínica

Simone C. Cardoso

O que faz um físico médico?

Simone C. Cardoso

O que faz um físico médico?

Simone C. Cardoso

IMRT- Feixe Intensidade não Uniforme

�  Radiocirurgia

•  Modalidade da radioterapia;

•  Não invasiva;

Gamma Knife Cyber Knife

Radiocirurgia com Acelerador Linear

Pesquisa

Métodos em Física Médica

» Experimental » Monte Carlo » Clínica

Simone C. Cardoso

Simone C. Cardoso

Espalhamento:

Compton ou elástico

Nenhuma interação

Efeito foto-elétrico

Característico do material ou elemento

Simone C. Cardoso

�  Radiação emitida é característica do elemento. �  Seção de choque independente do ângulo de

saída do fóton.

ee

E2

E3

E1 e

Simone C. Cardoso

– Seção de choque dependente do ângulo de espalhamento

– Seção de choque diferencial varia com o quadrado de Z

θσ 222 cos)(xfrdd

oRayleigh=Ω

)(sin398.12

2)sin()(.

3*

2

1

θ

ρ

ψψ

Ex

drrxrxrxiesfersimetria

dieif

fFZ

ii

=

∫⇒

∫∫∫=

=∑=

rk.r

Simone C. Cardoso

– Seção de choque dependente do ângulo de espalhamento

– Seção de choque diferencial varia com o número atomico

2

o

c

c

if

2

i

f

f

i

i

f20

KN

KNCompton

F1)q(S

A0243.0

)cos1(398.12E

1E1

)sinEE

EE(

EE

2r

dd

Sdd

dd

−=

=λ

θ−λ

=−

θ−+=Ω

σ

Ω

σ=

Ω

σ

Física e Medicina

•  Maior dose de radiação ao volume irradiado •  Danificando o mínimo possível os tecidos sadios

�  Dose absorvida varia com: •  profundidade •  tipo de tecido •  energia do feixe •  tamanho de campo •  distância da fonte e sistema de colimação do feixe

Radioterapia

Radioterapia

IMRT

Forma do MLC Fluência

•  Heterogeneidades –  Mudanças na distribuição de dose

•  tipo da heterogeneidade •  energia da radiação •  tamanho de campo de irradiação

Somente 10 % dos hospitais do mundo tratam o corpo humano como um meio

heterogêneo.

•  Pulmão; •  Tumores de cabeça e pescoço: ossos e cavidade de Ar; •  Próteses metálicas

Variações na absorção do feixe primário e fótons espalhados Variações na fluência dos elétrons

Radioterapia

Simone C. Cardoso

Heterogeneidade pulmonar

Simone Cardoso

Simone CardosoRAU 2011

Heterogeneidade óssea na cabeça

Estudos demonstram que a radioterapia pós-mastectomia possui benefícios associados a sobrevida da paciente.

- Maior tempo de vida;

- Menores chances de reincidiva;

MASTECTOMIA + RADIOTERAPIA

Heterogeneidade metálica

Radioterapia pós-mastectomia •  - Reconstrução mamária

-Tumores com diâmetro ≥ 5cm -  Pele comprometida -  Dissecação inadequada da axila -  Margem comprometida -  Quatro ou mais linfonodos comprometidos

Falha na reconstrução: 40%

Radioterapia pós-mastectomia

Radioterapia pós-mastectomia

Radioterapia pós-mastectomia

Radioterapia pós-mastectomia

Submetido à Medical Physics: fase de revisão

36

Braquiterapia de próstata

Ø  Casos novos de próstata estimados para o Brasil em 2008: 49.530. Ø  Tumor na fase inicial: pouco sintomático, maior probabilidade cura.

- PSA - Exame digital retal

37

Ø  Indicações –  Massa da próstata <40g. –  Indicadores químicos: Gleason <6 PSA<10 ng/ml. –  Tumor confinado à cápsula prostática.

Ø  Vantagens

–  1 dia de hospitalização. –  Anestesia peridural. –  Procedimento pouco invasivo. –  Preservação da função sexual.

Braquiterapia de próstata

38

Ø  Desvantagens

–  Custo das sementes (US$ 60,00 cada uma). Ø  Efeitos colaterais

–  Uretrite (frequente, porém transitória). –  Retenção (rara, tratável). –  Impotência (<17%). –  Retite (rara). –  Migração das sementes (<5%).

Braquiterapia de próstata

39

Braquiterapia de próstata

1- Ultrassom completo da próstata

2 - Marcação do volume alvo

3 - Digitalização dos contornos

40

4- Dosimetria Clínica 5 –Avaliação do Plano

Braquiterapia de próstata

41

Braquiterapia de próstata

42

Braquiterapia de próstata

Ø  Atividades típicas: 11,1 a 14,8 MBq ou 0,38 a 0,51 U.

Ø  T1/2 : 59,4 dias.

Ø  Principais energias de fótons: 27,202 keV, 27,472 keV, 30,98 keV,

31,71 keV, 35,492 keV.

Ø  Energia média: 28,37 keV.

43

Braquiterapia de próstata

Ø  Implante planejado para entregar uma dose mínima. Ø  Problemas:

Ø  Edema pós-implante pode favorecer a redução da dose entregue.

Ø  Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%.

Ø  Cálculo das distribuições de dose via sistema de planejamento - fontes pontuais. - paciente é considerado um meio homogêneo. - efeito entre as sementes é desprezado. - desprezar a orientação exata das sementes pode

alterar a distribuição das doses.

44

Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata

Ø  Implante planejado para entregar uma dose mínima. Ø  Problemas:

Ø  Edema pós-implante pode favorecer a redução da dose entregue.

Ø  Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%.

Ø  Cálculo das distribuições de dose via sistema de planejamento -fontes pontuais. - paciente é considerado um meio homogêneo. - efeito entre as sementes é desprezado. - desprezar a orientação exata das sementes pode alterar a distribuição das doses.

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Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata

Ø  Validação do MC

Experimental  Simulations  

(cubic phantom)  Simulations

(voxel phantom)   Comparison  

Point  Dose (Gy)  

Unc.   (%)  

Dose (Gy)  

Unc.  (%)  

Dose (Gy)  

Unc.   (%)  

Exp/Cubic Phantom  

simulation  

Exp/Voxel Phantom

simulation  1   1.186   3.32%   1.299   3.83%   1.274   2.08%   0.91   0.93  3   1.165   4.66%   1.325   3.81%   1.266   2.09%   0.88   0.92  6   1.207   3.66%   1.191   4.01%   1.281   2.08%   1.01   0.94  8   1.245   4.94%   1.242   3.94%   1.263   2.09%   1.00   0.98  

46

Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata

Ø  Variação do volume da próstata 65 sementes Tamanho do voxel, reescalonando o phantom

Ø  Efeito intersementes

 *F8 (MeV)/

part  mass (g)  

Absorbed dose per particle (Gy/

part)  

Absorbed dose per source (Gy/

source)  

Total absorbed dose

(Gy)  Volume (cm3)  

30.02   4.19E-03   31.521   2.13E-14   1.93   125.58  

35.00   4.52E-03   36.75   1.97E-14   1.79   116.21  40.00   4.78E-03   42.00   1.82E-14   1.65   107.54  45.00   4.99E-03   47.25   1.69E-14   1.53   99.70  52.10   5.23E-03   54.705   1.53E-14   1.39   90.30  

 Number of

seeds  

*F8 (MeV)/part  

mass (g)  Absorbed dose per particle (Gy/part)  

Absorbed dose per seed (Gy/seed)  

14   7.26E-03   54.705   2.13E-14   1.93  65   5.23E-03   54.705   1.53E-14   1.39  

47

Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata

Ø  Espaçamento intersementes

Spacing (cm)  

 *F8 (MeV)/

part  mass (g)  

Absorbed dose per particle (Gy/part)  

Absorbed dose per seed (Gy/seed)  

Total absorbed dose (Gy)  

0.25   5.85E-03   54.705   1.71E-14   1.555   21.768  0.50   5.84E-03   54.705   1.71E-14   1.551   21.716  0.70   5.51E-03   54.705   1.61E-14   1.463   20.482  

Radiocirurgia

Simone C. Cardoso

�  Tratamento de Radioterapia; •  Testado. �  Dose entregue.

�  Simulador antropomórfico RANDO da

Alderson; •  Esqueleto humano envolto por uma borracha

sintética; •  36 seções axiais de 2,5 cm de espessura cada.

�  Fatia Confeccionada . �  Simular um tumor próximo ao tronco cerebral (neurocirurgião); �  Filmes radiocrômico

�  Confecção da máscara fixadora.

�  Tomografia do conjunto. •  Cortes transversais de 2 mm de espessura e espaçamentos de

2 mm; •  Área de reconstrução – 480 x 480 mm².

�  Filmes radiocrômico •  3 x 3 cm² para preencher o local da lesão

Pesquisa em Física Médica (Radiação não ionizante)

Terapia Fotodinâmica

Simone C. Cardoso

Dispositivo LED desenvolvido no laboratório que vem sendo utilizado para o tratamento em pacientes.

Foto ilustrativa de uma aplicação laser da terapia fotodinâmica em carcinoma oral

Física e Engenharia ambiental

Simone C. Cardoso

Simone C. Cardoso

Física e Biologia

Pluripotência de células-tronco estudada por SR-µXRF

O que são células-tronco? Células não diferenciadas que tem a capacidade de formar qualquer

célula adulta.

- coração, fígado, nervosas, da pele…

Motivação

•  Mecanismos de reparação em organismos adulto;

•  Conhecimento sobre o desenvolvimento de uma única célula;

•  Base da Terapia celular;

•  Medicina regenerativa.

Pluripotência

Capacidade de diferenciação de todos os tipos de células

Embrionárias Adultas

Pluripotência

Os mecanismos relacionados com a pluripotência não são conhecidos:

• Sobrevivência celular;

• Morte;

• Processo de diferenciação

•  dinâmica;

•  comportamento

• Medicina Regenerativa;

• Terapia http://jpphysiology.blogspot.com/

Objetivo

Descrever a transição do estado de pluripotência à diferenciação neural através da SR-µXRF • Células tronco embrionárias humanas

Metodologia

Resultados

Diferenciação espontânea x neural: •  S and P

•  Ácidos nucleicos •  composição de proteínas

•  Cu and Zn.

Resultados

Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia

•  Esquizofrenia

–  Doença neural •  Causas desconhecidas

–  iPS saudáveis –  iPS esquizofrênicas –  Células-tronco embrionária

•  Neuroesferas –  Um modelo experimental para estudos da potencialidade das células-tronco neurais –  Agregados celulares que crescem em suspensão na presença de fatores de crescimento,

como FGF-2 ( crescimento, como FGF-2 (fifi broblast growth factor-2 broblast growth factor-2) e EGF (epidermal growth factor);

–  Podem diferenciar-se nos três tipos celulares do SNC: neurônios, astrócitos e oligodendrócitos

–  Cada neuroesfera é derivada de uma única célula-tronco

Simone Cardoso

Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

H9 FN EZQ 2

K - lio

colônia

neuroesfera

Tratar as neuroesferas com fármacos: Ácido valproico (VPA): diminui o ROS. Clozapina: medicamento clássico da esquizofrenia

simone@if.ufrj.br Sala 307

Modelagem do espalhamento elástico em radiologia diagnóstica: a importância dos fatores de forma estruturais

Simone C. Cardoso