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Física Médica: uma área
multidisciplinarmultidisciplinar
Simone Coutinho Cardoso
IF-UFRJ
• O que é a Física Médica?
– Curso da UFRJ
• Projetos de pesquisa
Simone C. Cardoso
• Projetos de pesquisa
– Hospitalar
– Pesquisador
O que é a Física Médica?
MultidisciplinarMultidisciplinar
Física
Simone C. Cardoso
Física
Ciências Biomédicas
Engenharia
Matemática
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 Cálculo II Cálculo III Métodos de
Física Teórica I
Física das Radiações I
Conceitos de Mecânica
Quânt. Ultra-som RNM
Física I Física II Física III Física IV Estágio IEN Física das
Radiações II EstatísticaAplicada
Trabalho de fim de curso
Simone C. Cardoso
Física Exp. I Física Exp. II Física Exp. III Física Exp.
IV Radiobiologia e Fotobiologia
Estágio IRD I Estágio HU I Estágio INCA
Top Fís Geral I
Fundamentos de Biologia Celular e
Molecular I
Fundamentos de Biologia Celular e
Molecular II
Física Moderna I
Termodinâmica e Física
Estatística
Estágio IRD II
Estágio HU II
(Med. Nuclear)
Computação Aplicada à
Med.
AnatomiaMédico
Aplicada
Métodos Computacionais
em Física I Biofísica
FisiologiaHumana
Estágio IRD III
Convênio em andamento
DAADDAAD
IntercâmbioIntercâmbio
EstudantesEstudantes
Simone C. Cardoso
EstudantesEstudantes
ProfessoresProfessores
O que faz um físico médico?
Físico médico
Simone C. Cardoso
Hospitalar
Pesquisador
Mercado de trabalho
• Serviço clínico e consultoria
• Pesquisa e desenvolvimento
Simone C. Cardoso
• Pesquisa e desenvolvimento
• Ensino
Radiodiagnóstico• CT• Mamografia• US
• RMN
Radioterapia• Teleterapia
• Braquiterapia
Medicina Nuclear• Diagnóstico
• Tratamento
Simone C. Cardoso
ClínicaClínica
O que faz um físico médico?O que faz um físico médico?
Simone C. Cardoso
O que faz um físico médico?O que faz um físico médico?
Simone C. Cardoso
IMRTIMRT-- FeixeFeixe IntensidadeIntensidade nãonão UniformeUniforme
Simone C. Cardoso
Radiocirurgia
• Modalidade da radioterapia;
• Não invasiva;
Radiocirurgia com Acelerador Linear
Gamma KnifeCyber Knife
PesquisaPesquisa
Métodos em Física Médica
»Experimental
»Monte Carlo»Monte Carlo
»Clínica
Simone C. Cardoso
Espalhamento:
Compton ou elástico
Nenhuma interação
Simone C. Cardoso
Nenhuma interação
Efeito foto-elétrico
Característico do material ou elemento
e
e
E2
E3
E1e
Simone C. Cardoso
Radiação emitida é característica do elemento.
Seção de choque independente do ângulo de
saída do fóton.
θσ 222 cos)(xfr
d
do
Rayleigh=Ω
1
fFZ
i
i=∑=
Simone C. Cardoso
–Seção de choque dependente
do ângulo de espalhamento
–Seção de choque diferencial
varia com o quadrado de Z )(sin398.12
2)sin()(.
3*
2
1
θ
ρ
ψψ
Ex
drrxr
xrx
iesfersimetria
diei
f
i
=
∫⇒
∫∫∫=
∑=
rk.r
–Seção de choque 2fif
20
KN
KNCompton
)sinE
E
E
E(
E
E
2
r
d
d
Sd
d
d
d
θ−+=Ω
σ
Ω
σ=
Ω
σ
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
ifiKN
F1)q(S
A0243.0
)cos1(398.12E
1
E
1
EEE2d
−=
=λ
θ−λ
=−
Ω
Física e Medicina
• Maior dose de radiação ao volume irradiado
• Danificando o mínimo possível os tecidos sadios
Dose absorvida varia com:
• profundidade
Radioterapia
• profundidade
• tipo de tecido
• energia do feixe
• tamanho de campo
• distância da fonte e sistema de colimação do feixe
Radioterapia
IMRT
Forma do MLC Fluência
• Heterogeneidades
– Mudanças na distribuição de dose
• tipo da heterogeneidade
Variações na absorção do feixe primário e fótons espalhadosVariações na fluência dos elétrons
Radioterapia
• tipo da heterogeneidade• energia da radiação• tamanho de campo de irradiação
SomenteSomente 1010 %% dosdos hospitaishospitais dodo mundomundo tratamtratam oo corpocorpo humanohumano comocomo umum meiomeioheterogêneoheterogêneo..
• Pulmão;• Tumores de cabeça e pescoço: ossos e cavidade de Ar;• Próteses metálicas
Heterogeneidade pulmonar
Simone C. Cardoso
Simone Cardoso
Heterogeneidade óssea na cabeça
Simone CardosoRAU 2011
Estudos demonstram que a radioterapia pós-mastectomia
possui benefícios associados a sobrevida da paciente.
- Maior tempo de vida;
Heterogeneidade metálica
- Menores chances de reincidiva;
MASTECTOMIA + RADIOTERAPIA
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
Submetido à Medical Physics: fase de revisão
Braquiterapia de próstata
Casos novos de próstata estimados para o Brasil em 2008:
49.530.
Tumor na fase inicial: pouco sintomático, maior probabilidadecura.
- PSA
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- PSA- Exame digital retal
Indicações
– Massa da próstata <40g.
– Indicadores químicos: Gleason <6 PSA<10 ng/ml.
– Tumor confinado à cápsula prostática.
Braquiterapia de próstata
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Vantagens
– 1 dia de hospitalização.
– Anestesia peridural.
– Procedimento pouco invasivo.
– Preservação da função sexual.
Desvantagens
– Custo das sementes (US$ 60,00 cada uma).
Efeitos colaterais
Braquiterapia de próstata
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– Uretrite (frequente, porém transitória).
– Retenção (rara, tratável).
– Impotência (<17%).
– Retite (rara).
– Migração das sementes (<5%).
Braquiterapia de próstata
1- Ultrassom completo 2 - Marcação do 3 - Digitalização
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1- Ultrassom completo
da próstata
2 - Marcação do
volume alvo
3 - Digitalização
dos contornos
Braquiterapia de próstata
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4- Dosimetria Clínica 5 –Avaliação do Plano
Braquiterapia de próstata
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Braquiterapia de próstata
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Atividades típicas: 11,1 a 14,8 MBq ou 0,38 a 0,51 U.
T1/2 : 59,4 dias.
Principais energias de fótons: 27,202 keV, 27,472 keV, 30,98 keV,
31,71 keV, 35,492 keV.
Energia média: 28,37 keV.
Braquiterapia de próstata
Implante planejado para entregar uma dose mínima.
Problemas: Edema pós-implante pode favorecer a redução da dose entregue.
Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%.
40
Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%.
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.
Pesquisa em Física Médica (Radiação não ionizante)
Terapia FotodinâmicaTerapia Fotodinâmica
Foto ilustrativa de uma aplicação laser Foto ilustrativa de uma aplicação laser da terapia fotodinâmicada terapia fotodinâmicaem carcinoma oralem carcinoma oral
Simone C. Cardoso
Dispositivo LED desenvolvido no laboratório que Dispositivo LED desenvolvido no laboratório que vem sendo utilizado para o tratamento em vem sendo utilizado para o tratamento em pacientes.pacientes.
Física e Engenharia ambiental
Simone C. Cardoso
Simone C. Cardoso
Física e Biologia
Uso da Radiação Ionizante como
Ferramenta no Estudo da
Esquizofrenia
O que são células-tronco?
Células não diferenciadas que tem a capacidade de formar qualquer célula
adulta.
- coração, fígado, nervosas, da pele…
• 1980: CTE, derivada da massa interna de embrião de camundongos, foram isoladas pela primeira vez;pela primeira vez;
• Diferenciação in vitro
• geração de proles com carga genética da CTE injetada
• 1990: CTE humanas• teratomas (prova que as células injetadas são realmente pluripotentes, isto é, capazes de formar qualquer tecido).
Pluripotência
Capacidade de diferenciação de todos os tipos de células
Embrionárias Adultas
• 2008 As pesquisas com CTE foram definitivamente aprovadas pelo Supremo Tribunal Federal (STF), em um julgamento histórico.
Naquela época os opositores às pesquisas com CTE já defendiam que as células IPS
Base legal para o estudo
Naquela época os opositores às pesquisas com CTE já defendiam que as células IPS iriam substituí-las.
Não seria mais necessário destruir embriões, afirmavam eles. Mas trabalhosposteriores vem mostrando que esse não é o caso: as células IPS são semelhantes,mas não iguais. E isso tem sido provado justamente comparando-as com as célulaspluripotentes embrionárias.
Qual foi então o grande achado de Yamanaka?
• Estudar todos os tecidos de um paciente, sem usar nenhum método invasivo.
• As células (cobaias) passam a ser o paciente.
• Comparar diferentes tecidos de uma mesma pessoa e verificar como se expressam os genes nas diferentes célulasexpressam os genes nas diferentes células
• Porque um tecido é afetado e outro não?
• Porque pessoas com a mesma mutação genética podem ter quadros clínicos totalmente discordantes?
• Possibilidade de testar diferentes estratégias e drogas para corrigir um defeito genético e observar o efeito diretamente.
Células reprogramadas de espécies em risco de extinção
Nature Methods:
Scripps produziu células iPS de duas espécies ameaçadas de extinção: o macaco mandril (parente do babuíno) e o rinoceronte-branco-do-norte, que atualmente possui apenas oito do-norte, que atualmente possui apenas oito exemplares vivos.
As células-tronco reprogramadas poderão ser utilizadas na geração de gametas funcionais para a reprodução assistida dessas espécies.
Novas ferramentas
• Radiação ionizante
• É aquela capaz de arrancar elétrons de átomos ou moléculas, produzindo íons
• Ex: Raios-X, Gama, elétrons, nêutrons...
• Nível atômico
• Células-tronco:• Nível embrionário
Modelagem de doenças neurais por espectroscopia de
Raios-X utilizando Células-tronco de pluripotência induzida para aplicação
em Medicina Personalizada
• Doenças do cérebro e distúrbios mentais são pouco compreendidas
– Diferentes origens• Doença de Huntington: alterações genéticas
• Alzheimer: acúmulo de monômeros de Aβ e genes relacionados
• Outras desordens: perfil pouco padronizado em termos de alterações fisiológicas.
– Dificuldade de acesso
• Redução dos custos de testes de eficiência de fármacos;
• Permitem o estudo de doenças que ocorram nos estágios embrionários.
Modelagem de doenças neurais por espectroscopia de
Raios-X utilizando Células-tronco de pluripotência induzida para aplicação
em Medicina Personalizada
• Modelo
– Animal
» Útil na modelagem de doenças que se sabe qual o tipo de alteração ocorre.
» Apesar de termos de levar em consideração as diferenças entre o » Apesar de termos de levar em consideração as diferenças entre o organismo
» Alzheimer: camundongos apresentam acúmulo de Aβ, mas não apresentam os sinais de degeneração neural.
» Ainda, existem desordens em que não se sabe precisamente quais alterações são relativas ao organismo, e quais são relativas ao ambiente ou ao histórico de vida, de modo que a modelagem em animais é complicada e pode ser muito diferente do que ocorre no corpo humano.
Modelagem de doenças neurais por espectroscopia de
Raios-X utilizando Células-tronco de pluripotência induzida para aplicação
em Medicina Personalizada
• Modelo :
– Cérebros post-mortem
» Biópsias: estágio final da doença
– iPS
» linhagens derivadas de pacientes, quando comparadas ás de indivíduos saudáveis podem ressaltar fenômenos precoces do estabelecimento da doença.
» Personalizada!
Esquizofrenia• Acomete 1/100 indivíduos
• Alta morbidade, mortalidade, incapacitação pessoal e custo socioeconômico
• Diagnosticada na adolescência mas gerada durante o desenvolvimento do
sistema nervoso
• Pouco se sabe sobre os mecanismos fisiológicos e bioquímicos que levam à doença
• Síndrome clínica x única doença• Síndrome clínica x única doença
• Inexistência de tratamentos satisfatórios!!!
• 20-30 % são resistentes ao tratamento com antipsocóticos clássicos
– Efeitos adversos
• Consenso : novos fármacos antipsicóticos com melhor eficácia e segurança.
Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofreniaDoenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia
• Esquizofrenia
– Doença neural
– Reprogramação das células
– iPS saudáveis
– iPS esquizofrênicas
– Células-tronco embrionária– 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 growthfactor-2) e EGF (epidermal growth factor);
– Podem diferenciar-se nos três tipos celulares do SNC: neurônios, astrócitos eoligodendrócitos
– Cada neuroesfera é derivada de uma única célula-tronco
Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofreniaDoenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia
• Hipótese:Variações espacias e de concentração de alguns elementos químicos destascélulas tenham relação com erros na diferenciação dos neurônios
• Impacto na origem de doenças neurais
Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofreniaDoenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia
4000
5000
6000
K - lio
colônia
neuroesfera
0
1000
2000
3000
H9 FN EZQ 2
Tratar as neuroesferas com fármacos:Ácido valproico (VPA): diminui o ROS.Clozapina: medicamento clássico da esquizofrenia
Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofreniaDoenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia
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