Sandro Squarcia

Fisica e medicina La fisica delle particelle e del nucleo

può aiutare la salute?

XXIV SEMINARIO NAZIONALE di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

OTRANTO, Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2012

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 mediaNelle nazioni sviluppate aumenta sempre più!

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!

In Italia all’inizio del secolo scorso era 54 anni

ora è 76 anni (donne 82) in aumento costante!

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)

RadiazioniPericolose ma molto

conosciute e ben studiate

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)

Hiroshima e NagasakiThree Mile Island ChernobilFukushima

Veste protettiva utilizzata dai radiologi agli inizi del 1900

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

organizza il primo servizio di radiografia clinica (montato su camion) per i militari di truppa durante la I guerra mondiale

Immediati utilizzi clinici

Tubo per diagnosi con raggi X

dell’inizio del 1900

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 corporeeL’ immagine radiologica

è sempre bidimensionale

Per una visione tridimensionaleoccorre ricorrere a più proiezioni utilizzando tre piani fondamentali di

riferimento

sagittale,mediano,di simmetria

trasversale, assiale,

orizzontale

frontale, coronale, (parallelo alla fronte)

Immagine analitica invece che immagine sintetica

Tomografia

ottenuta ruotando sia

il tubo radiogeno che la “cassetta”

attorno ad un asse passante per il piano che si vuole analizzare

Come si possono leggere i caratteri in un libro che abbia le pagine trasparenti?

Movimento lineare

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

mentre le altre sfumano a seconda della distanza da cui si

trovano rispetto al punto di focalizzazione

Solo le strutture contenute nello strato che rimane fisso rispetto al punto di osservazione rimangono bene impresse

Movimenti pluridirezionaliPer meglio focalizzare lo strato di interesse si utilizza un

movimento tomografico areale

spiroideoossia con immaginiprese in cerchi spiraleggiantiaventi raggi sempre

più ravvicinati

Tomografia assiale computerizzataSerie di radiografie in sequenza

La TAC (ovvero CT) è una sonda intracorporea

“a spirale”

Funzionamento TACil fascio di raggi X ruotante esplora

da differenti “numerose” angolazioni

che è collocata al centro del ventaglio del fascio

la regione anatomicainteressata

Nella TAC

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

ma anche in fisiologia, farmacologia, ….Tecniche non invasive utilizzate in ricerca clinica

introdotti come traccianti nel tessuto in esame

Tecniche di ricostruzione immagine simili alla

TAC

Rivelazione in vivo e formazione di immagini da radiazioni (positroni o ) emesse da radioisotopi

Tomografia ad emissione di positroni

emettendo due fotoni collimati di energia fissa (511 keV) che

possono essere rivelati

PET

Un radionuclide iniettato in vena

emette un positrone che si annichila in circa

1-2 mm con un elettrone del materiale

AnnichilazioneI 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

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

I radionuclidi sono isotopi emettenti e+ (che vengono prodotti mediante ciclotroni)

si utilizzano di solito isotopi di elementi biologici

RivelazioneRivelatori 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!)

RivelatorePer avere proiezioni

tomograficheil rivelatore è posizionato

attorno al paziente

in modo da ottenereuna mappa della distribuzione dei radionuclidi

che metta in evidenza l’anatomia e la fisiologia tramite la loro possibile localizzazione

ImmagineVisualizzazione 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 : P1 e P2

P1 e–x

P2 e–(L–x)

Fattore di trasmissione delle coppie di fotoni 1

2 P1 2 = P1 P2 e–x e–(L–x)

P1 2 e–L

diametro del bersaglio L

coefficiente attenuazione lineare

CalibrazioneIl numero di particelle emesse dal radioisotopo distribuito nei tessuti può essere calcolato

tramite quello rivelato conoscendo ed L

tanto maggiore è questo numero tanto migliore è l’immagine ricostruita

La risoluzione spaziale dei dispositivi PET dipende dal numero di fotoni collimati rivelati

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 rivelatiI 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 fotonie occorre considerare: l’attenuazione dei fotoni in materiale biologico l’efficienza di “rivelazione” del rivelatoreViene visualizzato solo l’1-2% dei decadimenti

dei radionuclidi concentrati nell’organo in esameCome per poter riuscire a scattare le foto di notte: aprire al massimo l’obiettivo usare lunghi tempi di esposizione (sfuocamento)

Materiale biologicoPoiché 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

SPECTTomografia 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

Total body

I fotoni non collineari non sono in coincidenza

e vengono assorbitiNel 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 trasversaleRivelatore costituito da una gamma camera ruotante

131I: e– 608 keV ( 364 keV) t1/2 = 8.07 giorni

che produce più distribuzioni a diversi angoli producendo

l’immagine tomografica

VisualizzazioneImmagini a differenti tonalità di grigio

fegato e milza

forniscono delle informazioni quantitative

sulla concentrazione del particolare

tracciante nell’organismo

immagine “grezza” prima del trattamento di elaborazione

SPECT verso PETVantaggi

- gamma camere di tipo tradizionale

- radioisotopi usati in medicina nucleare

Svantaggi

- collimatori Pb poco efficienti

- attenuazione fotoni dipende dalla posizione (non valutabile) del radioisotopo

(risoluzione spaziale 10-15 mm)

- fotoni emessi causano processi secondari

(30-50%)

per diffusione Compton (100-150 keV)

Risonanza magnetica nucleare (MRI)

Migliore risoluzione anatomica

Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia E = h da parte dei livelli quantizzati esistenti nella materia (acqua!)

Si apprezzano anche le nervature all’interno della calotta cerebrale

Pratica non invasiva

Complementare a TAC PET (e SPECT)

GeneralitàLa 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 immersoLa spettroscopia RMN si basa sull’interazione nucleare fra il momento magnetico dei nuclei

e un campo magnetico statico esternoIl fenomeno venne scoperto da Felix Bloch e Edward Purcell nel 1946

vincitori del premio Nobel per la fisica nel 1952

Principio fisicoSfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia h da parte dei livelli quantizzati esistenti negli atomi della materiaLa maggior parte dei nuclei atomici possiedono un momento magnetico

= h l

momento giromagneticoh costante di Plank l momento della quantità di moto

Il protone possiede

= (2.79 e Sz) / mp con Sz = ħ / 2

MaterialiIn presenza di un campo magnetico B0

i momenti magnetici dei nuclei

si orientano in direzioni che dipendono dal

numero quantico di spin

SpettroscopiaIn assenza di campi magnetici esterni l’energia dello stato fondamentale del nucleo

non dipende dall’orientamento nello spazio di

si crea una differenza di energia tra i nuclei

che hanno diversa orientazione rispetto al

campo indotto B

Quando però nuclei o molecole si trovano in un campo magnetico esterno B

Il protone dell’idrogeno H+ presenta due stati

Assorbimento

si può avere un assorbimento in risonanza

Se l’energia del fotone incidente è uguale alla differenza di energia dei livelli energetici

con una medesima frequenza L detta precessione di Larmor

L = B / 2

Il momento magnetico atomico precede intorno alla direzione di B0

con la frequenza di Larmor L

Precessione

Per il protone la frequenza di Larmor è 42.6 MHz per ogni tesla (T) di campo magnetico

= 2L = B0

Se si inserisce un campo magnetico a radiofrequenza (10 - 100 MHz)

con la stessa frequenza Lsi esercita coerentemente una coppia meccanica

che fa variare l’angolo tra e B0

In presenza di un campo magnetico B esterno il numero medio dei nuclei

in direzione di Bè maggiore di quelli diretti in senso opposto

Si crea una così una magnetizzazione macroscopica longitudinale M

Descrizione RMN

mentre la magnetizzazione trasversale a B è invece nulla

a causa della fase casuale di precessione di

La tomografia usa campi magnetici da 0.5 a 1.5 T

Tomografia NMR

Gradienti più alti: maggiore risoluzione (3T - 7T)!

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

Ricostruzione immagine

La frequenza di risonanza dei nuclei aumenta!

Ponendo il materiale in una regione in cui Bvaria in modo noto (mappa di campo!)

la frequenza di risonanza sarà differente da punto a puntonello 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!

Immagini cliniche

Apparato

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

Schema tomografo

alimentatore magnete

sorgente principale radio frequenza

ricevitore a radio frequenza

generatore forme d’onda

alimentatore gradienti

quadro di comando e video di controllo

elaboratore elettronico

memoria magnetica (PACS)

schermo radiazioni elettromagnetiche

magnete permanente

bobine a radiofrequenza

alto campo magnetico!

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

Richieste tecniche

Risoluzione altissimaColonna

vertebrale

Ginocchio

La medicina ha fatto veramente passi da gigante negli ultimi 50 anni

Conclusioni

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

che applicano giornalmente nella ricerca,

a favore di una migliore qualità della vita!

Trasferendo le loro scoperte e competenze,

Grazie per l’attenzione!