Fisica e Medicina.

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1 Fisica e Medicina

2 Fisica e Medicina - Introduzione I progressi tecnologici in Fisica trovano un diretto spin-off in molti campi di applicazioni, tra questo il più importante è quello medico La medicina si avvale sempre piu spesso dei progressi della Fisica moderna e, in particolare, degli sviluppi della strumentazione utilizzata per applicazioni a scopo sia diagnostico che terapeutico

3 Fisica e Medicina - Introduzione Nel Passato: prima taglia e poi guarda Nel Presente: prima guarda e poi taglia

4 Radiologia Tecnica diagnostica basata sulla acquisizione di immagini in trasmissione Rivelazione di raggi X emessi da una sorgente esterna dopo che hanno attraversano i tessuti in esame Introdotta da Röentgen nel 1895 che utilizzò per la prima volta, nei sui esperimenti, la proprietà di penetrazione dei raggi X per vedere le ossa di una mano

5 Radiologia Raggi X Raggi X Tubo radiogeno Lastra fotografica L'immagine generata sulla lastra è modulata dalle caratteristiche di assorbimento dei tessuti attraversati manifestandone, quindi, le differenze di densità

6 Strumenti per la Radiologia Il fascio di raggi X è assorbito nel corpo umano I( E) = I0 ( E) e μ ( E ) d Lastra=alogenuro di argento in gelatina+supporto rigido I raggi X rilasciano energia nella lastra provocando l emissione di elettroni Gli elettroni sono intrappolati nei centri sensibili dell emulsione (gelatina con microcristalli di alogenuro d argento) Gli elettroni intrappolati attraggono e neutralizzano gli ioni mobili di Ag+ Immagine latente Nella soluzione di sviluppo altro argento si deposita nei centri sensibili l immagine latente funziona da catalizzatore Il grado di oscuramento di una regione della lastra dipende dalla quantità di argento libero depositato nella zona interessata e quindi dal numero di raggi X lì assorbiti

7 Radiologia Informazioni puramente morfologiche Ottima tecnica diagnostica per osservazione di tessuti con proprietà di assorbimento diverse tra loro (radiologia ossea), più delicata la visualizzazione di tessuti molli (mammografia) Radiologia Digitale

8 Radiologia Digitale L utilizzo di rivelatori digitali permette di: Ottimizzare i diversi passi dell acquisizione, del processamento e della visuallizzazione dell immagine separatamente Semplificare l archiviazione l e la reperibilità delle immagini Trattare le immagini con algoritmi dedicati alla rivelazione automatica di anomalie Computer Assisted Diagnosis Immagini oggettive

9 Radiologia Digitale Lastra fotografica tradizionale + Scanner laser ad alta risoluzione Rivelatore digitale: Sistema di memorizzazione con schermi di fosfori fotostimolabili Flat Panel Rivelatori ibridi a pixel

10 Radiologia Digitale Storage Phosphor Raggi X assorbiti da fosfori fotostimolabili come il BaFBr L energia conservata sottoforma di elettroni intrappolati dal reticolo cristallino il fosforo, esposto a un fascio laser, riemette l energia nel range del visibile Luce rivelata con un fotomoltiplicatore Risoluzione spaziale limitata dalla qualità della luce del fascio laser e dalla qualità della luce rilasciata che a sua volta dipende dallo spessore del fosforo e dalla potenza del laser

11 Radiologia Digitale Flat Panel Sono disponibili flat panel per mammografia con pixel di μmc Cattura diretta: Raggi X assorbiti da materiale fotoconduttore dove producono coppie e-h Le coppie sono separate da un campo elettrico esterno e dirette verso superfici cariche Le superfici cariche sono Thin Film Transistor array dove il segnale elettrico è amplificato e raccolto Cattura indiretta: Un materiale scintillante converte i raggi X in luce visibile prima di arrivare al materiale fotoconduttore

12 Radiologia Digitale Medipix Rivelatore a semiconduttore Chip per la lettura del segnale Area attiva 1.2 cm 2 Matrice con pixel Pixel quadrati di 0.17 mm di lato Risoluzione submillimetrica Chip ottimizzato per applicazioni in diagnostica medica ma sviluppato sull idea di un chip realizzato per la Fisica delle Alte Energie

13 Progetti CAD dell INFN Per la mammografia CALMA - Computer Assisted Library in in Mammography Lastre fotografiche scannerrizzate e archiviate in un PC Software ROIHunter per la ricerca di lesioni e micro- calcificazioni mammarie Archivio più grande d Europa, d contenente più di 5000 immagini GPCALMA - GRID Project for CALMA Per archiviare le immagini nel luogo di acquisizone ma con libero accesso all intero database europeo

14 TAC Tomografia Assiale Computerizzata Esame radiologico. Raggi X emessi da un apparecchiatura computerizzata che ruota intorno al paziente. Immagini in sezione trasversale dell'organo. Il paziente sdraiato su un lettino che viene inserito all'interno di un grande anello (profondo circa 50 cm e largo circa 70 cm) dotato di un tubo radiogeno Il tubo radiogeno e il rivelatore eseguono uno scan ruotando attorno al corpo del paziente

15 TAC Rivelatori a stato solido elevata efficienza di rivelazione e breve tempo di risposta Rivelatori a gas gas (xenon) pressurizzati a 25 atm per aumentare l efficienza di rivelazione PICKER SIEMENS

16 RMN Risonanza Magnetica Nucleare In uso dal 1980, la RMN sfrutta la proprietà di un campo magnetico d'elevata intensità per mettere in precessione i nuclei delle molecole d acqua presenti nel corpo del paziente Immagini dettagliate di piani orientati in qualsiasi modo nello spazio (trasversale, sagittale e frontale) Tecnica diagnostica che non utilizza radiazione ionizzante riducendo i rischi per il paziente FORTE CAMPO ELETTRICO Frequenza più alta SLICE DEBOLE CAMPO ELETTRICO Frequenza più bassa

17 RMN Risonanza Magnetica Nucleare Il campo magnetico induce una temporanea alterazione dei protoni delle molecole d acqua del corpo. Tale alterazione produce alcuni segnali che l'apparecchiatura computerizzata capta e poi elabora trsformandoli in immagini In alcuni casi è necessario condurre l'esame con l'ausilio di un mezzo di contrasto. In quest'eventualità, viene effettuata un'iniezione endovenosa contenente una sostanza paramagnetica, il gadolinio

18 Ecografia Tecnica diagnostica che utilizza onde acustiche ad alta frequenza (ultrasuoni). Le onde, inviate da una sonda all'organo da esaminare, sono in parte riflesse creando echi (onde di ritorno) che sono trasformati in segnali elettronici e quindi in immagini sul monitor dell'ecografo. Esame densiometrico Le sonde possono essere di vari tipi, con frequenze diverse Frequenze più basse per lo studio di organi in profondità (reni, ovaie, aorta addominale), frequenze più alte per lo studio di organi superficiali (mammella, muscoli e tiroide)

19 Ecografia La posizione di una superficie che produce un eco è rappresentata in due dimensioni (x-y) su uno schermo video. L ampiezza di ciascuna onda di eco è riprodotta da un opportuno valore di luminosità nel punto xy dello schermo. Modalità B (= Brightness ): maggiore ampiezza dell eco maggiore luminosità

20 Scintigrafia Al paziente è somministrato un radiofarmaco che tende a concentrarsi nella zona malata. L emissione gamma proveniente dal tracciante radioattivo presente nel radiofarmaco viene raccolta su un rivelatore Informazioni funzionali del tessuto in esame Per la diagnosi tumorale di alcuni organi e del tessuto osseo, e per esaminare la circolazione sanguigna periferica (arterie e vene) e centrale (cuore).

21 Strumenti per la Scintigrafia Rivelatori a scintillazione (sviluppati in fisica delle particelle e ora largamente utilizzati in molti campi) L idea base è di utilizzare un materiale che emetta luce quando investito da radiazione ionizzante (per questo detto scintillatore) ) accoppiato con un rivelatore di luce che trasformi il segnale luminoso in segnale elettrico Materiale Scintillante + Rivelatore di luce (PMT) = Scintillatore Scintillatore inorganico Lento ma con elevata produzione di luce ed elevato potere frenante

22 Strumenti per la Scintigrafia Rivelatori a scintillazione Materiale Scintillante + Rivelatore di luce (PMT) = Scintillatore Radiazione ionizzante Fotomoltiplicatore Cristallo scintillante Guida di luce Fotocatodo Dinodi

23 Strumenti per la Scintigrafia I radiofarmaci Farmaco + Emettitore gamma ( 99m Tc) = Radiofarmaco I radiofarmaci sono sostanze chimiche che interagiscono specificatamente con il sistema biologico. Contengono un nuclide radioattivo emittente gamma che consente di seguirne il percorso biologico per mezzo di idonei rivelatori esterni. È possibile costruire una serie di immagini, raccolte in tempi successivi, che individua la distribuzione del radiofarmaco nel corpo e ne evidenzia il progredire del metabolismo. Indicazioni, non solo morfologiche di organie apparati, ma soprattutto informazioni sulla loro funzionalità.

24 Scintigrafia - Anger Camera Anger Camera (1956) Collimatore, cristallo di NaI:Tl (diametro fino a 0.5 m), guida di luce e 91PMT 91 PMT NaI:Tl Il segnale elettrico è raccolto in ragione della geometria di arrivo dei fotoni gamma γ/mev Massimo di emissione a 410 nm Densità 3.67 g/cm 3 Molta luce!!! Posso ridurre la dose di radiazione

25 Scintigrafia - Anger Camera Le ampliezze dei segnali x +, x -, y +, y - dipendono dalla posizione dell evento di scintillazione P sc Anger Camera (1956) x = k z x + z x y = k y = x + x + y + y z y Scintigrafia paratiroidea di un uomo di 56 anni È possibile ricostruire la posizione dell evento di scintillazione e quindi si può risalire alla posizione dell emissione di radiazione dal radiofarmaco nel corpo umano

26 Scintimammografia Tecnica diagnostica di secondo livello per casi di: Tessuto denso della mammella (presente nel 25% delle donne) Donne già sottoposte ad interventi al seno (biopsia o mastoplastica) Tecnica diagnostica ad alta specificità Lo sviluppo di questa tecnica permetterebbe la riduzione del numero di biopsie Attualmente limitata dalle performance dei rivelatori utilizzati non ottimizzati per tale applicazione Sono necessari rivelatori con dimensioni minori e con maggiore risoluzione r spaziale per aumentare la precocità della diagnosi

27 Scintimmammografici ad alta risoluzione Anger Camera: cristallo di NaI:Tl accoppiato a 91 PMT Sviluppo e applicazione nuovi cristalli nuovi fotorivelatori Yap:Ce ( mm 3 ) PSPMT Risoluzionespaziale mm Yap:Ce pixel array PSPMT ( cm 3 ) Risoluzione spaziale mm CsI:Tl pixel array PSPMT (3 3 mm 2 ; mm 2 ) Risoluzione spaziale < 3 mm

28 Scintimmammografici ad alta risoluzione Anger Camera Due lesioni rivelate SPEM Tre lesioni rivelate

29 Scintigrafia - PET Positron Emission Tomography Strumento simile alla TAC ma in questo caso la l esame diagnostico si bassa sulla rivelazione di radiazione in emissione Tecnica Scintigrafica Al paziente si somministra un radiofarmaco marcato con una sostanza radioattiva che emette positroni ( = elettroni ma con carica positiva) La tecnica diagnostica si basa sulla rivelazione, in coincidenza, di due fotoni di (511keV) prodotti dall annichilazione annichilazione di positrone con un elettrone del corpo.

30 Scintigrafia - PET Positron Emission Tomography Applicazioni in neurologia, cardiologia, oncologia Rivelatore a scintillazione: cristallo di BGO accoppiato a PMT BGO Elevata densità ed elevato numero atomico del bismuto ottima efficienza di assorbimento per fotoni di alta energia (511 kev) Breve tempo di decadimento ottimale per applicazioni con alti rate di conteggio Bassa produzione di luce non adatto per applicazioni di conteggio di singolo fotone

31 SPET per piccoli animali Single Photon Emission Tomography YAP-Camera ad alta risoluzione spaziale (circa 1 mm): Matrice di cristalli di YAP letta da fotomoltiplicatori sensibili alla posizione (PSPMT) Minore denisità del BGO ma maggiore produzione di luce YAP Densità pari a 5.5 g/cm 3 Breve tempo di decadimento ottimale per applicazioni con alti rate di conteggio Produzione di luce pari al 50 % dell NaI NaI:Tl Non igroscopico non necessita incapsulamento

32 SPET per piccoli animali Anger Camera Le immagini sono ottenute attraverso collimatori di piombo a fori paralleli e coprono un'area di 50x50 mm 2 Sorgente 99m Tc YAP Camera Anger Camera

33 Farmacologia Studio di radioterapia metabolica in vivo del 188 Re via imaging di piccoli animali 99m Tc 188 Re 4 cm Il 188 Re è un β (E max = 2.11 MeV) e un γ (155 kev) emettitore. Simile al 99m Tc può essere accoppiato all acido ialuronico (HA), che lo trasporta attraverso il corpo in siti specifici come il fegato. Si sta studiando il 188 Re come alternativa al 99m Tc.

34 Diagnostica integrata Scopo: combinare due sistemi per avere buona risoluzione spaziale e acquisire informazioni funzionali Problemi: Allineamento Tempo per l analisi Locazione dell apparato

35 Diagnostica integrata CT-PET

36 Diagnostica integrata Progetto INFN: la Twin Head Camera

37 Boroterapia Progetto TAOrMINA Trattamento Avanzato di Organi Mediante Irraggiamento Neutronico ed Autotrapianto OBIETTIVO: Un originale trattamento degli organi umani esiantabili che presentano l incurabile patologia di diffuse metastasi cancerose TECNICA: Irradiazione, con neutroni termici, dell organo espiantato dopo l arricchimento dei relativi tessuti con 10 B. Infusione di 10 BPA-Fruttosio con dose da 250 a 400 mg/kg di peso corporeo CURA DELLE METASTASI DE FEGATO: Come primo caso la ricerca è dedicata alla cura delle metastasi epatiche diffuse multifocali

38 Boroterapia Progetto TAOrMINA Espiantodel fegato Iniezione della sostanza veicolante nel fegato Fegato sottoposto alla terapia per cattura neutronica Re-impianto del fegato

39 Conclusioni Le tecniche diagnostiche e terapeutiche illustrate hanno dimostrato come la ricerca di base in Fisica rappresenti un sostanziale aiuto alla medicina sia per la diretta ricaduta tecnologica degli strumenti utilizzati in Fisica, sia per lo sviluppo di nuove metodologie di ricerca