LAUREA MAGISTRALE IN FISICA. percorso: FISICA MEDICA e SANITARIA

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1 LAUREA MAGISTRALE IN FISICA percorso: FISICA MEDICA e SANITARIA AA Nota: Il docente di riferimento (Prof. Daniela Bettega) è a disposizione degli studenti per eventuali chiarimenti al 5 piano dell edificio LITA del Dipartimento (Sez. di Fisica Medica) previo appuntamento da concordare via (bettega@mi.infn.it).

2 La Fisica Medica e Sanitaria comprende i settori di ricerca, sviluppo e applicazioni della Fisica che possono dare contributi per: - la salute - la sicurezza - una migliore qualità della vita e dell ambiente Si avvale anche degli sviluppi conoscitivi e tecnologici di altri campi della fisica ( es la fisica nucleare, la fisica degli acceleratori ) per il loro trasferimento e utilizzo a beneficio della salute dell uomo. Esempio: la fisica delle radiazioni (ionizzanti e non) utilizzate in campo medico per la diagnostica e per la terapia:dalla radiologia convenzionale, nata quasi immediatamente dopo la scoperta dei raggi X, alla radioterapia dei tumori con adroni dei giorni nostri.

3 Nel nostro Dipartimento si sono sviluppate in un arco di trent anni, soprattutto grazie all attenzione per questi temi dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), una serie di linee di ricerca che hanno come comune interesse la radiazione ionizzante nelle sue applicazioni al campo medico e biomedico. Riguardano in particolare studi per lo sviluppo di tecniche diagnostiche, terapeutiche e di radiofarmaci, analitiche e dosimetriche, la radiobiologia, la radioprotezione e studi di supporto agli aspetti decisionali relativi alla valutazione dei rischi e alla gestione dei problemi di radioecologia. Su questa esperienza e competenze è stato costruito il percorso di Fisica Medica e Sanitaria.

4 Il percorso di Fisica Medica e Sanitaria della Laurea Magistrale in Fisica si propone di fornire ai laureati una preparazione : -per il proseguimento degli studi : -nel Dottorato di Ricerca -nella Scuola di Specializzazione, necessaria per chi intenda accedere alla carriera di Fisico Medico presso aziende ospedaliere. -per l'inserimento in qualificate attività lavorative - nel campo della ricerca, sviluppo e produzione industriale - nell'università e negli Istituti di Ricerca - nelle Agenzie per la protezione e il controllo ambientale.

5 I Corsi consigliati intendono: approfondire le metodiche fisiche e matematiche necessarie per sviluppare ricerche nel settore della fisica applicata alla medicina, all'ambiente, all'industria. approfondire le conoscenze dell' interazione della radiazione con la materia e rendere lo studente autonomo nell' uso: -della strumentazione e delle tecniche di rivelazione e del loro impiego per scopi dosimetrici e radioprotezionistici. -delle tecniche di calcolo per la determinazione del trasferimento di energia della radiazione alla materia. fornire le conoscenze degli effetti dell'interazione della radiazione con strutture biologiche fornire le conoscenze per la comprensione dei piu' importanti processi che regolano il comportamento del corpo umano per mezzo dello studio: della dinamica dei liquidi applicata al sistema cardiocircolatorio, dei meccanismi di trasporto di fluidi e soluti attraverso le membrane, dei fenomeni bioelettrici e delle dinamiche dei processi metabolici. introdurre le conoscenze relative alla chimica dei radioelementi e composti radioattivi, le metodiche per la produzione, mediante acceleratori e reattori, di radionuclidi e radiofarmaci e le relative applicazioni presentare i modelli per la descrizione della diffusione degli inquinanti nell'ambiente e il loro metabolismo nell'uomo presentare le raccomandazioni delle istituzioni internazionali e la normativa vigente nel settore delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti e la gestione delle contaminazioni dell'ambiente introdurre metodiche e strumentazione impiegate in diagnostica e radioterapia

6 Corsi consigliati: 1 Anno 1 semestre TAF CFU 1 Anno 2 semestre TAF CFU Elettrodinamica Classica (*) b 6 Fisica Sanitaria 2 b 6 Metodi Matematici della Fisica: equazioni differenziali Interazione e rivelazione della radiazione nucleare b 6 Radiobiologia b 6 b 6 Laboratorio di Fisica Sanitaria c 6 Elementi di Fisica dei continui b 6 Corso della Tabella A c 6 Fisica Sanitaria 1 b 6 Corso a scelta ( ) d 6 2 Anno 1 semestre TAF CFU 2 Anno 2 semestre TAF CFU Tesi di Laurea e 18 Tesi di Laurea e 27 Corso della Tabella A c 6 Preparazione tesi f 3 Corso a scelta ( ) d 6 (*) Obbligatorio ( ) A libera scelta tra tutti quelli proposti dall Ateneo. Sono particolarmente coerenti con il progetto formativo del percorso di Fisica Medica e Sanitaria: tutti i corsi di Tabella A ed inoltre Fisica nucleare, Fisica degli acceleratori, Rivelatori e tecniche di Fisica Nucleare, Radioattività. Tabella A ( Corsi affini e integrativi (TAF c) 6 CFU / Corso) 1 semestre 2 semestre Strumentazione per medicina Dosimetria di fasci e di radioisotopi incorporati Fisica Medica Radiochimica Tecniche fisiche di diagnostica medica Programmi dei corsi:

7 Tesi di laurea (triennale o magistrale) presso il nostro Dipartimento: Sono attive le seguenti linee di ricerca : Dosimetria e controlli di qualità per radioterapia Effetti biologici della radiazione Piani di trattamento per adroterapia Radionuclidi non convenzionali : ottimizzazione della produzione e controlli di qualità Radioprotezione e Dosimetria

8 Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (1) Responsabile: Prof. G. Gambarini Dipartimento di Fisica dell Università e INFN (LITA 5 piano) e.mail: grazia.gambarini@mi.infn.it Tel. interno ( ) Si sviluppano metodi dosimetrici e di controllo di qualità adeguati alle modalità avanzate di radioterapia con fotoni (radioterapie conformazionali) in particolare la Brachiterapia e la radioterapia ad intensità modulata (IMRT). Si sviluppano metodi dosimetrici per una nuova radioterapia in studio, che utilizza neutroni termici o epitermici: la NCT (neutron capture therapy). Le ricerche, finanziate principalmente dall Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), sono in collaborazione con: Fondazione IRCCS Istituto Nazionale dei Tumori di Milano Centre of Medical Radiation Physics (CMRP), Università di Wollongong (Sydney, Australia) Università degli Studi di Milano-Bicocca - Dipartimento di scienza dei materiali Department of Reactor Physics, Nuclear Research Institute, Rez (Prague), Czech Republic. DISPONIBILITA DI TESI : SI, MAGISTRALE O TRIENNALE

9 Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (2) Tema 1 Messa a punto di un sistema innovativo per controlli di qualità in brachiterapia con sorgente di 192 Ir. La ricerca, iniziata da circa un anno, si riferisce al sistema per brachiterapia microselectron-hdr della Nucletron, operativo presso l Istituto Nazionale dei Tumori di Milano. Tema 2 Studio e caratterizzazione delle nuove pellicole radiocromiche EBT3 per la misura delle distribuzioni di dose in radioterapie conformazionali. Le EBT3 sono le pellicole radiocromiche di ultima generazione, superiori alle precedenti EBT2, e meritano uno studio adeguato. Gli irraggiamenti saranno effettuati presso una unità di radioterapia ad intensità modulata (IMRT) dell Ist. Naz. Tumori di Milano e le analisi delle immagini saranno ottenute con strumentazione appositamente messa a punto nel laboratorio. Confronto fra distribuzioni e profili di dose misurati con pellicola radiocromica EBT2 e calcolati dal software del piano di trattamento.

10 Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (3) Tema 3 Caratterizzazione di dosimetri a termoluminescenza (TLD) per uso in vivo in trattamenti di brachiterapia ad alto rateo di dose (HDR) con sorgente di 192 Ir (energia media: 380 kev). Studio della dipendenza della risposta di TLD di Lif:Mg,Ti dall energia dei fotoni e dalla temperatura di irraggiamento. Studi ed applicazioni cliniche. Glow curve di un dosimetro a termoluminescenza Tema 4 Messa a punto di un sistema per dosimetria in vivo in brachiterapia HDR basato su cateterini contenenti dosimetro radiocromico a gel di Fricke. I dosimetri, preparati nel laboratorio, saranno costituiti da tubicini trasparenti contenenti gel di Fricke e saranno irraggiati presso l unità microselectron-hdr (Ist. Naz. Tumori) Si ricaveranno profili di dose da misure di assorbanza ottica. Buoni risultati preliminari in fantoccio sono stati ottenuti con tubicini di 3 mm di diametro esterno; si vuole studiare la possibilità di utilizzare tubicini di 2 mm di diametro esterno, analizzati otticamente con una nuova camera a CCD ad alta risoluzione. Si dovranno apportare modifiche al software sviluppato in MATLAB.

11 Dosimetria e controlli di qualità in radioterapia (4) Tema 5 Sviluppo di un metodo basato su rivelatori MOSkin per dosimetria in vivo in tempo reale durante trattamenti di brachiterapia HDR. I MOSkin sono rivelatori del tipo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor with Field Effect Transistor), miniaturizzati, proposti dal laboratorio CMRP dell Università di Wollongong (Sydney) ed in fase di sviluppo. E in corso una collaborazione con tale laboratorio mirata a studiare la proponibilità di questi rivelatori per utilizzo clinico durante trattamenti di brachiterapia HDR. Si eseguiranno irraggiamenti in fantoccio all unità microselectron-hdr. Tema 6 Studio di un dosimetro a scintillazione accoppiato a fibra ottica per dosimetria in vivo in tempo reale in brachiterapia HDR. Si effettueranno misure in fantoccio di gel e studio di applicazioni cliniche. La ricerca è in collaborazione con l Università degli studi di Milano-Bicocca. Si eseguiranno irraggiamenti in fantoccio all unità microselectron-hdr presso l Istituto dei Tumori di Milano.

12 Effetti biologici della radiazione in cellule coltivate in vitro D. Bettega, P. Calzolari, R. Marchesini -Sezione di Fisica Medica, Dipartimento di Fisica e INFN Milano. (bettega@mi.infn.it) Lo studio degli effetti biologici della radiazione ha diversi aspetti : oltre a quello conoscitivo che coinvolge la fisica, la chimica e la biologia, ci sono anche degli aspetti applicativi molto importanti : -in radioprotezione : la conoscenza degli effetti per stimare correttamente il rischio dell esposizione alla radiazione e ridurre i danni (popolazione, lavoratori, pazienti) -in radioterapia : la conoscenza degli effetti per sfruttare al meglio le proprietà distruttive della radiazione nei confronti delle cellule tumorali risparmiando quelle dei tessuti sani circostanti dei pazienti

13 In radioterapia : presupposto all uso di nuovi fasci di radiazione (es fasci di adroni) o a nuove modalità di irraggiamento con fotoni (es IMRT), oltre alla perfetta conoscenza della distribuzione di dose nei tessuti sani e tumorali, è la conoscenza : a) della loro efficacia nell eliminare le cellule tumorali b) dei possibili danni a lungo termine indotti nei tessuti sani circostanti (tumori secondari indotti dall irraggiamento ). Cellule coltivate in vitro provenienti da tessuti normali e tumorali costituiscono un modello sperimentale estremamente utile per questo tipo di studi. E possibile infatti misurare parallelemente diversi effetti biologici, confrontare i risultati con quelli ottenuti con le radiazioni convenzionalmente usate, testare e/o sviluppare idonei modelli di interazione radiazione cellula da impiegare nei piani di trattamento dei pazienti Colonie formate da cellule sopravissute a dosi diverse di radiazione Formazione di micronuclei e trasformazione neoplastica di cellule esposte a radiazione

14 Sopravvivenza Percentage Surviving fraction Dose ( Gy) transformation frequency / surviving cell ( 10-5 ) Dose ( Gy) Esempi di studi radiobiologici di fasci terapeutici di protoni e ioni Carbonio Fascio di protoni (62 MeV) Nizza (tumori dell occhio): Sopravvivenza cellulare ed efficacia biologica del fascio a varie profondità nei tessuti esposti Fascio di ioni Carbonio (200 MeV/n)- GSI Darmstadt ( per il trattamento di tumori della testa e del collo): Probabilità di sopravvivenza cellulare e di effetti secondari a lungo termine a diverse profondità nei tessuti esposti al fascio ,3 25 0, ,2 1,1 0,8 20 0,8 0, ,9 survival at 0 Gy 0,6 15 0,6 0,5 80 0,8 0,4 10 0, ,7 0,3 2 mm 15.6 mm 25 mm 27.2 mm 27.8 mm 60 Co 40 Physical dose Biological dose 0,6 0,2 5 transformation frequency at 0 Gy 0,2 0, Dose (Gy) Depth (mm) 0, Depth (mm) 0,0 0 0, Depth ( mm ) Attualmente : Fasci di particelle cariche di alto LET( ioni C ed O) : effetti sulla mortalità cellulare ed interazione con radiosensibilizzanti (per tumori resistenti alla radioterapia convenzionale con fotoni ) (Collaborazione varie sezioni INFN, Istituto Tumori e Istituto M. Negri) Fasci di fotoni di alta energia ( 10 MeV) : eventuali effetti a lungo termine della componente neutronica (collaborazione Istituto Tumori)

15 Piani di trattamento per adroterapia con fasci di ioni G. Battistoni, F. Cappucci, S. Muraro, P. Sala, INFN Sez. Milano Radioterapia convenzionale Adroterapia Crescente interesse per adroterapia con fasci di ioni (protoni e ioni Carbonio) a livello nazionale (CATANA e CNAO) ed internazionale. TESSUTI SANI 80% della DOSE Fotoni UN SOLO fascio terapeutico: TUMORE 50% della DOSE TESSUTI SANI 30% della DOSE Recenti sviluppi hanno portato all utilizzo di piu fasci contrapposti in modo da minimizzare la dose nei tessuti sani, a parita di dose nel tumore NON conformazione al tumore MINORE EFFICACIA biologica Particelle Cariche, es. p TESSUTI SANI Ioni, es. C TUMORE TESSUTI SANI CONFORMAZIONE al tumore Calcolo l energia dello ione in modo che il rilascio massimo avvenga nel volume tumorale INOLTRE PER GLI IONI: (es. C) MAGGIORE EFFICACIA biologica Uno ione carbonio rilascia, in ogni cellula traversata, un energia circa 24 volte maggiore di quella rilasciata dai fotoni

16 Piano di trattamento (TPS) è un insieme di algoritmi che permette di definire la distribuzione spaziale dell energia e dell intensità del fascio in modo di irraggiare il volume tumorale con la dose prescritta, rispettando i limiti massimi di dose negli organi sani circostanti richiede : modellizzazione del paziente e del volume tumorale modellizzazione del trasporto e interazione della radiazione (incluso interazioni nucleari) modellizzazione del fascio valutazione dell efficacia biologica (nel caso di ioni Carbonio) ed inoltre strumenti di validazione /controllo

17 Progetto INFN per lo sviluppo di TPS per fasci di ioni (Collaborazione di diverse sezioni nazionali dell INFN, Istituti internazionali di ricerca. E inoltre coinvolta un azienda.) Possibili argomenti di tesi : Laurea Magistrale: 1) Sviluppo di uno schema di piano di trattamento per adroterapia mediante l'uso di tecniche Monte Carlo 2) Studio dell'emissione di particelle leggere e fotoni per il monitorig nell'adroterapia con ioni. 3) Simulazione della linea di fascio e "beam delivery" in un sistema di adroterapia con ioni. Laurea Triennale: 1) produzione e analisi di database per piani di trattamento in adroterapia 2) come la 2) della magistrale, ma ridotta nella portata

18 UNIVERSITA degli STUDI di MILANO DIPARTIMENTO di FISICA c/o INFN-Segrate, Milano Laboratorio Acceleratori e Superconduttività Applicata - LASA FISICA SANITARIA, RADIOCHIMICA, CHIMICA NUCLEARE Mauro Bonardi e Flavia Groppi Mauro.Bonardi@mi.infn.it Flavia.Groppi@mi.infn.it Tel: Via Fratelli Cervi, Segrate (MI)

19 Sorgenti interne Si somministrano ai pazienti dei composti marcati con radionuclidi (un radionuclide + una molecola) chiamati RADIOFARMACI scelti opportunamente in modo che: si concentrino nell organo oggetto di studio: si segue nel tempo una particolare funzione biologica, ossia si comportino come traccianti di una particolare funzione metabolica (biocinetica). si concentrino nel tessuto patologico, lo irradino e lo distruggano (selettivamente) Radioterapia metabolica La distribuzione nell organismo del radiofarmaco dipende dalla costituzione chimico-fisica dello stesso, dalla via di somministrazione, dalla capacità di attraversare barriere biologiche, dalle condizioni metaboliche del paziente.

20 Principali Filoni di Ricerca Studi di ottimizzazione della produzione di radionuclidi non convenzionali mediante irraggiamento in Ciclotrone o in Reattore Nucleare da impiegarsi in diagnostica e radioterapia metabolica Controllo di Qualità di Composti Marcati con radionuclidi a vita breve ed alta attività specifica, utilizzati presso i centri di Medicina Nucleare Determinazione di attinoidi (U, Th, Np, Pu, Am) in matrici biologiche ed ambientali, spettrometrie, e Accelerator Driven Systems for Transmutation per il Nuclear Waste Radioprotezione

21 Radioprotezione e Dosimetria Prof.ssa Cantone Marie Claire marie.cantone@unimi.it Piano Edificio LITA Dr. Ivan Veronese ivan.veronese@unimi.it Piano Edificio LITA

22 Dosimetria Interna Calcolo della dose interna da radiazione assorbita da un organismo a seguito dell incorporazione di materiale radioattivo. Milza Modello biocinetico: Fegato Tumore Plasma Reni Reminder Urine informazione sulla distribuzione della sostanza radioattiva all interno dell organismo, sui tempi di ritenzione nei diversi organi e tessuti e sulle vie di escrezione. Cantone Veronese; Ottobre 2011

23 Dosimetria Retrospettiva Implementazione di tecniche atte a stimare in maniera retrospettiva la dose (da irraggiamento esterno), sfruttando le proprietà luminescenti di oggetti e materiali presenti nell ambiente stesso o indossati direttamente da soggetti esposti TL (a.u.) Termoluminescenza TLD: Il segnale di luminescenza è proporzionale alla dose assorbita dal materiale Temperature ( C) Cantone Veronese; Ottobre 2011

24 Radioterapia: dosimetria e sicurezza del paziente Tecniche di luminescenza (termoluminescenza, luminescenza stimolata otticamente, e radioluminescenza) vengono impiegate anche per la caratterizzazione di nuovi materiali da usarsi, ad esempio, per monitorare la dose impartita a pazienti nei trattamenti di radioterapia Nuove tecniche radioterapiche (IMRT, IGRT, adroterapia ): applicazione di strumenti di analisi prospettici per stimare a priori il rischio associato al trattamento, al fine di garantire la sicurezza del paziente e la qualità del trattamento radioterapico Cantone Veronese; Ottobre 2011