Attività di divulgazione scientifica: Laboratorio di Fisica Nucleare per le Scuole Superiori

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1 LE RADIAZIONI SONO BUONE? Le radiazioni e la vita: il nucleare a servizio dell uomo Applicazioni del nucleare in ambito medico e sociale: qualche esempio pavese PAOLO MONTAGNA ricercatore in Fisica Nucleare docente di Fisica e Fisica Medica nei corsi di laurea per: Professioni Sanitarie Tecniche Infermieristica (Lodi) Scienze e Tecnologie per la Natura docente di Radioattività nel corso di laurea per Tecnici Sanitari di Radiologia Medica Attività di divulgazione scientifica: Laboratorio di Fisica Nucleare per le Scuole Superiori Paolo Montagna - Paolo Vitulo Università di Pavia - Dipartimento di Fisica INFN Sezione di Pavia Le radiazioni e la vita (cenni) Le radiazioni nella materia Dosimetria Effetti biologici delle radiazioni Radioprotezione Applicazioni ( solo positive ) in ambito sociale Datazione archeologica Sminamento umanitario i Indagine su sostanze illecite in ambito medico Diagnostica: i Medicina nucleare Imaging Terapia (a Pavia): BNCT CNAO

2 per non perderci Le radiazioni e la vita (cenni) Le radiazioni nella materia Dosimetria Effetti biologici delle radiazioni Radioprotezione Applicazioni ( solo positive ) in ambito medico Diagnostica: Medicina nucleare Imaging g Terapia (a Pavia): BNCT CNAO in ambito sociale Datazione archeologica Sminamento umanitario Indagine su sostanze illecite pag.2

3 Particelle o radiazioni? parliamo la stessa lingua Nel linguaggio gg comune, si chiamano Interaz. coulombiana RADIAZIONI si o no particelle cariche e neutre En.cinetica o elettromagn. particelle con massa e senza massa massa m m 0 0 carica e 0 e 0 tipo Protone, Elettrone Neutrone nessuna Fotone (luce, raggi X ) velocità v (<c) v (<c) c c energia Cinetica E = ½mv 2 Cinetica E = ½mv 2 Elettromagn E = hν Elettromagn E = hν Avvertenza: in Fisica Nucleare l energia si misura in elettronvolt: 1 ev è l energia acquisita da un elettrone quando viene accelerato tra due punti tra cui c è una differenza di potenziale di 1 V. Cioè (da L=qV): 1 ev = ( C) (1 V) = J A 1V B pag.3

4 Le radiazioni nella materia Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energia alla struttura atomica/molecolare del materiale attraversato. Se l energia energiaceduta è sufficiente (radiazioni ionizzanti: E 100 ev), si verificano nel materiale effetti distruttivi (frammentazioni, rotture di legami, ionizzazione,...). RADIAZIONI IONIZZANTI: - elettromagnetiche (m=0, E=hn) raggi X e γ - corpuscolari (m>0, E= ½ mv 2 ) particelle α, β ±, p, n,... L assorbimento delle radiazioni nella materia è un processo molto vario e complesso. I parametri importanti sono: tipo e energia della radiazione incidente, natura del materiale. pag.4

5 Radiazioni, materiali e spessori Range R ( E) = Radiazioni i iα,β,γ distanza media... e nel corpo umano percorsa nella in diversi materiali... materia (impiego terapeutico) γ da 60 Co γ da elettroni protoni E=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV cm cm Il colore rosso indica un maggior rilascio di energia pag.5

6 Dose assorbita Dose = energia assorbita per unità di massa D = de/dm Unità di misura: SI Gray = J/kg pratico rad = 100 erg/g m = massa del materiale assorbitore, non della radiazione! 1 Gy = 100 rad Problema: la stessa dose dovuta a radiazioni diverse e/o assorbita da materiali diversi produce effetti/danni diversi! pag.6

7 Dose equivalente e dose efficace Quando si riceve una dose, per valutare gli effetti biologici bisogna chiedersi: 1) A quale tipo di radiazione e a quale energia è dovuta? a ogni radiazione e a ogni energia si assegna un fattore di qualità QF 2) Da quale organo/tessuto viene assorbita? a ogni organo/tessuto si assegna un fattore di peso w Dose equivalente: Deq = QF D Dose efficace: Deff = w Deq = w QF D Unità di misura: SI Sievert ( Gray) pratico rem ( rad) Radiazione QF fotoni, elettroni 1 protoni 5 neutroni (varie energie) 5-20 particelle alfa, nuclei pesanti 20 es. D = 100 mgy da protoni alla sola cute Deq = QF D = mgy = 500 msv Deff = w Deq = msv = 5 msv Organi w Gonadi 0.20 Midollo osseo 0.12 Colon 0.12 Polmone Stomaco 0.12 Vescica 0.05 Mammella 0.05 Fegato 0.05 Esofago 0.05 Tiroide 0.05 Cute 0.01 superfici ossee 0.01 altri tessuti (tot.) total body 1.00 Gray e sievert pag.7

8 Dall irraggiatore all irraggiato: sintesi Dall emissione... Sorgente radioattiva Attività becquerel, curie Materiale irraggiato Esposizione C/kg, (röntgen) Assorbimento Dose assorbita gray, rad Danno biologico Dose equivalente /efficace sievert, rem...all assorbimentoassorbimento pag.8

9 Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti Radiobiologia Studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla materia vivente Danno chimico (radicali liberi) μs - ore Danno biomolecolare (proteine, acidi nucleici) ms - ore Effetti biologici precoci (morte cellulare) ore giorni - settimane Effetti biologici tardivi (induzione di neoplasie, effetti genetici) anni, secoli pag.9

10 Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti ATOMI eccitazione ionizzazione MOLECOLE eccitazione ionizzazionei i dissociazione STRUTTURE SUB-CELLULARI blocco biosintesi effetti genetici effetti funzioni nucleo CELLULE blocco della divisione effetti sul metabolismo ORGANI effetti sulla crescita effetti su funzioni nervose effetti su risposta umorale pag.10

11 Gli effetti biologici dipendono da... pag.11

12 Radiazioni: la natura e l uomo Dosi efficaci annue in msv Radiazioni Dose media naturali popolazione Raggi cosmici 0.39 Radiazione terrestre 0.46 Radionuclidi naturali nel corpo 0.23 Radon e suoi discendenti 1.3 TOTALE rad.naturali 2.4 Rad.diagnostica medica 0.33 (paesi industrializzati 1.1 ) Dosi efficaci annue in msv Radiazioni Dose media Artificiali lavoratori Attività ciclo nucleare 2.9 Attività altra industria 0.9 Attività diagnosi/terapia medica 0.5 MEDIA in attività con radiazioni 1.1 Limiti di dose annua per radiazioni artificiali: popolazione normale 1 msv/anno lavoratori esposti 50 msv/anno pag.12

13 Radiazioni pericolose? Sì, ma non solo loro Ma la radioattività quanto è pericolosa, in confronto ad altri fattori di rischio? Il rischio di mortalità aumenta di un milionesimo ogni: 1.4 sigarette fumate (cancro ai polmoni) 2 giorni passati a NewYork (inquinamento) 65 Km di guida (incidente) 2500 miglia di volo (incidente) Per il contributo t sui rischi da radiazioni grazie a Andrea Negri 6 minuti di canoa 0.1 msv (una vita intera vicino a una centrale nucleare; 6 msv/anno) Riduzione aspettative di vita 20 sigarette al giorno Fattore di rischio Sovrappeso del 15% Alcol (USA) Incidenti Radioattività 10 msv/anno Radioattività 3 msv/anno Pericoli naturali Giorni pag.13

14 Esame medico Radiazioni pericolose? Sì, ma non solo loro Ad es. le radiazioni ricevute durante alcuni esami medici: Dose effettiva msv Rischio cancro 1/ Sigarette equivalenti Km in auto equivalenti RX torace TAC al cervello esami con bario scintigrafia ossea pag.14

15 Regole d oro della Radioprotezione E determinante la durata dell esposizione: una stessa dose, assorbita senza danno su tempi lunghi, può essere letale se assorbita in tempi brevi (irraggiamento acuto). L irradiazione dipende da: materiale interposto distanza tempo di esposizione RADIOPROTEZIONE E quindi bisogna sempre: inserire schermi allontanarsi abbreviare le procedure pag.15

16 per non perderci Le radiazioni e la vita (cenni) Le radiazioni nella materia Dosimetria Effetti biologici delle radiazioni Radioprotezione Applicazioni ( solo positive ) in ambito medico Diagnostica: Medicina nucleare Imaging g Terapia (a Pavia): BNCT CNAO in ambito sociale Datazione archeologica Sminamento umanitario Indagine su sostanze illecite pag.16

17 Medicina nucleare In generale, la Medicina Nucleare è quella branca della medicina clinica che utilizza elementi o composti radioattivi in vivo o in vitro a scopo diagnostico, terapeutico o di ricerca. pag.17

18 I radiofarmaci lasciano tracce Si somministrano all'organismo umano delle sostanze radioattive, sotto forma di molecole radiomarcate, che si comportano come traccianti di un particolare fenomeno biologico, permettendo, attraverso l'impiego di appositi rivelatori, di produrre immagini diagnostiche. La radiazione emergente dall'organo e contenente le informazioni relative al suo stato clinico, viene così restituita sotto forma di immagine. L'immagine finale (scintigrafia) è quindi totalmente generata dalla radiazione emessa dal radionuclide che si è localizzato nell'organo bersaglio sfruttando un ben preciso meccanismo biologico. Differenza tra Medicina Nucleare e Radiologia, Ecografia, Risonanza Magnetica: non si limita a fornire informazioni di tipo morfologico ma rappresenta le funzioni biochimiche e fisiologiche dell'organo in esame. E' richiesta la partecipazione attiva dell'organismo (si può fare la radiografia di un cadavere, ma non una scintigrafia!) pag.18

19 Imaging medico nucleare pag.19

20 La PET Positron Emission Therapy La PET del CNAO di Pavia pag.20

21 PET: principio fisico Principio fisico: Decadimento β + di un radioisotopo Annichilazione e + e - in 2 raggi γ da 511 kev in direzione opposta Rivelazione ea o ein coincidenza cde dei due fotoni γ Ricostruzione 3dim dell immagine pag.21

22 PET: schema pag.22

23 Imaging 3D con PET In generale, si ottiene una diagnosi migliore usando informazioni complementari ottenute con tecniche diagnostiche diverse PET g g TAC PET pag.23

24 per non perderci Le radiazioni e la vita (cenni) Le radiazioni nella materia Dosimetria Effetti biologici delle radiazioni Radioprotezione Applicazioni ( solo positive ) in ambito medico Diagnostica: Medicina nucleare Imaging g Terapia (a Pavia): BNCT CNAO in ambito sociale Datazione archeologica Sminamento umanitario Indagine su sostanze illecite pag.24

25 La BNCT a Pavia Boron Neutron Capture Therapy A Highly Selective Tumor Treatment S.Altieri, F.Ballarini, S.Bortolussi, N.Protti e altri pag.25

26 BNCT: Boron Neutron Capture Therapy Un nucleo di 10 B viene irraggiato con neutroni termici per produrre elementi secondari altamente ionizzanti, cioè particelle a e ioni 7 Li n + 10 B 7 Li 7 ( Li) * + α MeV + α MeV 6.1% 93.9% 7 Li + γ (0.478MeV) 10 B + n 11 B* 7 Li + α + γ I prodotti della reazione di cattura neutronica (α e Li) rilasciano energia entro un raggio di pochi μm dal punto in cui sono stati creati (6.5 e 4 μm rispettivamente). pag.26

27 La BNCT è selettiva! Accumulando nelle cellule dell organo malato una opportuna quantità di 10 B, e bombardandolo con neutroni, è possibile dare una dose letale di radiazione solo a quelle cellule che contengono effettivamente l'elemento assorbitore, portando alla distruzione selettiva di tali tessuti. Rapporto tra concentrazioni nel tessuto tumorale e nel tessuto sano: C t /C s C tumore C C sano 4 pag.27 27

28 La BNCT a Pavia INFN Pavia Progetto TAOrMINA Trattamento Avanzato Organi Mediante Irraggiamento Neutronico e Autotrapianto Fisici: prof. T.Pinelli, S.Altieri Chirurgo: prof. A.Zonta ed équipe di fisici e biologi Studi di BNCT eseguiti su organi espiantabili (fegato, polmone, ) irraggiati al reattore Triga Mark II del LENA (Università di Pavia) pag.28

29 Il primo paziente (2001) Dopo 15 anni di sperimentazione pre-clinica (studi di fattibilità su ratti), nel dicembre 2001 è arrivata l autorizzazione a sperimentare la terapia su un paziente, maschio di 48 anni, affetto da adenocarcinoma con 14 metastasi nel fegato, con aspettativa di vita di pochi mesi ma condizioni generali ancora buone. Dopo l infusione di BPA il fegato viene espiantato dal paziente, lavato e messo in due borse di teflon e in un contenitore rigido di teflon, quindi inserito nella colonna termica del reattore per l irraggiamento. i L'intervento chirurgico è durato 21 ore! (con il paziente senza fegato ) L irraggiamento è durato 11 minuti. pag.29

30 Come è andata a finire? Tecnicamente, la terapia ha funzionato alla perfezione! 10 giorni dopo, la TAC mostra il fegato sano in buone condizioni mentre le metastasi appaiono come zone di necrosi. Si vedono altre 8 metastasi oltre alle 6 primarie, tutte necrotizzate. Il paziente è stato dimesso 37 giorni dopo il trattamento in buone condizioni generali. Il trattamento neutronico ha agito su tutto il fegato e tutte le metastasi sono state trattate con efficacia. Il tessuto epatico necrotizzato si è riformato completamente 12 mesi dopo l intervento, e il paziente ha vissuto per circa 20 mesi in condizioni normali. Dopo 20 mesi due piccole metastasi sono state rilevate fuori dal fegato e asportate chirurgicamente. E seguito un ciclo di chemioterapia, ma dopo 33 mesi si sono riformate altre metastasi, per la prima volta anche epatiche. La situazione è andata gradualmente peggiorando, e dopo 44 mesi il paziente è morto (agosto 2005). Un secondo paziente di 39 anni, in condizioni generali assai critiche per gravi problemi cardiaci, ha subito lo stesso intervento nell agosto Anche in questo caso, si sono avute le necrosi totali delle metastasi. Ma per il quadro clinico compromesso il paziente non è sopravvissuto al pesante intervento chirurgico ed è morto dopo 33 giorni. pag.30

31 BNCT: problemi e prospettive Dopo il 2003, per problemi di ordine etico il Ministero della Salute non ha più concesso l autorizzazione al trattamento di casi clinici. La BNCT con espianto del fegato a Pavia si è così interrotta. Ma la ricerca è proseguita con energie ancora maggiori! Dal fegato al polmone al ginocchio PRIN Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale 2004: Misura di assorbimento del boro in tessuto polmonare di ratto affetto da tumore 2006: Trattamento delle metastasi polmonari mediante cattura neutronica Coord. Prof.Saverio Altieri - Univ.Pavia pag.31

32 BNCT: presente e futuro NETTUNO - una nuova idea di BNCT Neutron Capture Therapy of Thoracic Tumors with new formulations Obiettivo: Applicare la BNCT a tumori toracici che oggi non hanno cura: tumori diffusi del polmone, mesotelioma, recidive cutanee del tumore della mammella. Creare un insieme di gruppi multidisciplinare che apportano al progetto le proprie competenze in ambito fisico, i biologico, i chimico i e medico Metodo: UNIFICARE i gruppi che si dedicano alla BNCT in Italia: INFN : Pavia e Laboratori Nazionali di Legnaro; Università : Firenze, Novara, Padova, Pavia, Potenza, Torino; FOCALIZZARE gli sforzi su tumori diffusi senza possibilità di cura, su cui i medici hanno espresso interesse a provare la BNCT su nuovi trattamenti; MIGLIORARE la selettività dei composti di boro, attualmente pari a circa 4 tra cellule tumorali e cellule sane; AVVIARE presso l Istituto Oncologico Veneto (IOV) di Padova la misura del boro in pazienti, grazie a un progetto finanziato dal Ministero della Salute (primo in Italia) pag.32

33 Centro Nazionale Il La CNAO BNCT di a Pavia di Adroterapia Oncologica Per il contributo sul CNAO grazie a Aurora Tamborini pag.33

34 Fondazione CNAO 2001 da un idea del prof.ugo Amaldi Il La CNAO BNCT di a Pavia Fondatori: Policlinico Ospedale Maggiore- Milano Istituto Neurologico C. Besta - Milano Istituto Nazionale dei Tumori - Milano Istituto Europeo di Oncologia Milano Policlinico San Matteo Pavia Fondazione TERA Novara Partecipanti Istituzionali: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Università di Milano (UNIMI) Politecnico di Milano Università di Pavia (UNIPV) Comune di Pavia Partecipanti: Fondazione Cariplo pag.34

35 Cosa sono gli adroni? Adroni = particelle che risentono dell interazione nucleare forte di fatto sono tutte le particelle presenti nel nucleo atomico: protoni e neutroni in numero variabile elettrone e Gli adroni sono fatti di quark atomo In adroterapia si utilizzano Protoni Ioni carbonio 12 C 6+ ione carbonio = 6 protoni + 6 neutroni protone o neutrone quark u o d pag.35

36 Gli adroni nella materia Quando un adrone (particella carica pesante) entra nella materia viene progressivamente rallentato da numerosi urti con gli elettroni atomici del corpo. La probabilità di tali collisioni aumenta con il diminuire dell energia energia della particella. Quindi i fasci di ioni carichi perdono gran parte della loro energia cinetica iniziale in una zona relativamente stretta al termine del loro percorso (picco di Bragg), mentre l energia rilasciata nel tratto iniziale è relativamente bassa. RILASCIO DI ENERGIA DI DIVERSE RADIAZIONI NEL TESSUTO BIOLOGICO PICCO DI BRAGG GRAFICO raggi X della dose assorbita (in %) protoni in funzione della profondità del tessuto elettroni raggi gamma Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi risparmiando le cellule sane! pag.36

37 La base dell adroterapia Direzione del fascio di radiazioni nella materia pag.37

38 Adroterapia: come e perché La radioterapia convenzionale utilizza elettroni e raggi X Ma ci sono dei problemi: Gli elettroni non penetrano in profondità I raggi X rilasciano alte dosi prima del bersaglio, e dosi basse anche dopo Entrambi hanno alta dispersione laterale Dose biolo ogica effet ttiva [%] Profondità in acqua [cm] Il picco di Bragg si può allargare quanto necessario variando l energia!!! Con gli adroni si riesce a penetrare alla profondità desiderata variando l energia ottenendo un rilascio conforme alle dimensioni del tumore picco di Bragg allargato e rilasciando una dose inferiore prima del picco e nulla/piccola dopo il picco Ioni carbonio 12 C 6+ rispetto ai protoni: maggior rilascio, minor dispersione laterale minor dose prima del tumore frammentazione nucleare maggior dose dopo il tumore pag.38

39 Radioterapia e adroterapia Photons Raggi X Protons Protoni Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi in modo conforme alle loro dimensioni risparmiando le cellule sane! Ma allora l adroterapia è sempre migliore della radioterapia? NO, dipende L adroterapia NON sostituisce la radioterapia convenzionale, che anzi mantiene la sua validità per la maggior parte dei tumori, ma è una terapia in più a vantaggio di pazienti con particolari tumori radioresistenti. Solo valutando ogni singolo caso si può stabilire l approccio terapeutico migliore, ed eventualmente l opportunità di ricorrere all adroterapia, in aggiunta o in sostituzione di trattamenti più tradizionali, radioterapici, chirurgici o farmacologici. pag.39

40 Radioterapia e adroterapia 9 campi di irraggiamento RX 1 campo di irraggiamento protoni pag.40

41 Ma gli adroni dove li prendiamo? TIPO DI PARTICELLE: Elettroni, protoni, ioni pesanti ENERGIA (in elettronvolt: 1 ev = J): Bassa ( MeV), media (100 MeV 1 GeV), alta (>1 GeV ) INTENSITA : N.particelle al secondo e al cm 2 DUE CATEGORIE PRINCIPALI: A bersaglio fisso (elettrostatici o ciclici) A collisione (colliders) ACCELERATORI DI PARTICELLE ACCELERATORI CICLICI Lineari (per iniettare le particelle) Circolari (per raggiungere le energie desiderate) pag.41

42 Il sincrotrone L energia ottenibile mediante i primi acceleratori è limitata. Un aumento di energia richiederebbe dimensioni e costi enormi. funziona_lhc.htm SINCROTRONE Campo magnetico gradualmente crescente. Le particelle percorrono la stessa orbita ma a velocità sempre maggiore. L orbita delle particelle è mantenuta costante, il campo magnetico viene applicato solo sulla circonferenza. Ad ogni passaggio, l energia aumenta, e anche il campo magnetico deve aumentare per mantenere il raggio costante. Teoricamente non ci sono limiti all energia salvo dimensioni e costi dei magneti. pag.42

43 LHC Large Hadron Collider protoni-protoni (o ioni pesanti) Circonferenza 27 km - Energia massima 14 TeV = ev Prime collisioni 30/03/10 /10 con due fasci di protoni da 3.5 TeV : verificata tutta la fisica nota del Modello Standard con energia fino a 7 TeV 4 luglio 2012: osservato il bosone di Higgs (?... Ebbene sì!) Cern Press Office: CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson pag.43

44 Adroterapia e come si fa? Terapia con adroni = far giungere ai pazienti fasci di protoni o ioni carbonio alle energie opportune per 6-7 sedute da pochi minuti ciascuna. Centri per l adroterapia 1) INIEZIONE linac: acceleratore lineare Protoni o ioni (da idrogeno o carbonio ionizzato) vengono accelerati da un campo elettrico e introdotti nell anello di accelerazione 2) ACCELERAZIONE sincrotrone Le particelle vengono mantenute in orbita circolare e fatte girare a velocità sempre crescente per mezzo di un campo magnetico che aumenta gradualmente 3) ESTRAZIONE linee di fascio Sempre con campi elettromagnetici, i protoni o ioni vengono fatti uscire dall anello e inviati a una delle diverse sale di trattamento dove colpiscono il paziente, posizionato tramite congegni elettronici i e monitorato t online. Nelle vicinanze di centri ospedalieri! pag.44

45 IN ITALIA Adroterapia in Italia e nel mondo CATANA (protoni-occhio) occhio) attivo a Catania CNAO (protoni-ioni carbonio) avviato a Pavia Nuovo centro (protoni) in progetto a Trento NEL MONDO 34 CENTRI DI ADROTERAPIA CON PROTONI 7 CENTRI DI ATROTERAPIA CON IONI CARBONIO in Europa: Heidelberg (dal 2009) e Pavia (dal 2011) pazienti trattati con p (dal 1961) pazienti i trattati con He (dal 1957) e C (dal 1994)

46 Come funziona/funzionerà il CNAO Il centro CNAO ha iniziato la sua attività alla fine del Funziona in day-hospital E previsto l 80% dei trattamenti con ioni carbonio, il 20% con protoni Ci sono tre sale di trattamento; in una di esse il fascio arriva anche verticalmente Per l iniezione si utilizza un unico acceleratore LINAC sia per protoni che per ioni carbonio Il sincrotrone ha diametro di 25 metri Le sorgenti e l iniettore sono al suo interno. Attraverso un sistema di magneti, gli adroni accelerati alle energie necessarie sono o estratti dal sincrotrone o e deviati in una delle tre sale di trattamento In una seconda fase si allestiranno altre sale sperimentali per attività di ricerca con gli adroni in radiobiologia nei tempi di non utilizzo clinico. pag.46

47 Visita al CNAO pag.47

48 Visita al CNAO pag.48

49 Visita al CNAO Foto P.Montagna Open Day CNAO Notte dei ricercatori 27 settembre 2013 pag.49

50 La fase pre-clinica 18 gen.2010: Visita ministri Fazio, Tremonti, Bossi 15 feb.2010: Inaugurazione politica 2010 Qualificazione del fascio: test di energie e posizionamento i nelle sale di terapie 2011 Studio radiobiologico: irradiazione di cellule animali 22 settembre 2011 Inizio sperimentazione clinica su pazienti L 80% delle sedute saranno dedicate al trattamento con ioni carbonio di tumori radioresistenti (es. polmoni, pancreas, fegato, tiroide, distr.cervicale), cioè difficilmente aggredibili con la radioterapia tradizionale. Ogni sessione durerà minuti. A regime si potranno tenere circa sessioni di trattamento all anno (6-7 sedute ciascuno per 3500 pazienti) pag.50 pag.50

51 Le sale di trattamento pag.51 pag.51

52 L irraggiamento TECNICA DI RILASCIO PASSIVO Con un set di elementi passivi (assorbitori) disposti lungo la traiettoria tt i il fascio viene allargato uniformemente per renderlo utilizzabile sul volume tumorale TECNICA DI RILASCIO ATTIVO Il fascio che colpisce le cellule del tumore è un pennello che si muove in modo simile a quello degli elettroni in un televisore e agisce con una precisione di 200 μm. Questa precisione è resa effettiva grazie a due magneti di scansione che, sulla base delle indicazioni del sistema di monitoraggio dei fasci, muovono il pennello lungo la sagoma del tumore. In questo modo sezione per sezione il tumore viene distrutto: il passaggio da una sezione all altra (più profonda) si ottiene aumentando l energia del fascio. L intero irraggiamento dura pochi minuti. Si ottiene una distribuzione molto precisa della dose sul tumore E di estrema importanza il posizionamento del paziente. pag.52 pag.52

53 Prima della terapia Scelta del posizionamento e degli opportuni supporti TAC/NMR di pianificazione Simulazione nelle stesse condizioni della terapia Realizzazione della maschera Posizionamento markers ottici pag.53 pag.53

54 Prima della terapia Iperestensione del capo Identificazione del volume «target» (tumore), degli organi a rischio e di ulteriori strutture importanti per l ottimizzazione della dose Selezione dell orientamento del fascio e programmazione del piano di trattamento Identificazione di rischi e incertezze Sarcoma, forma a «ciambella» Approvazione del trattamento Verifica sperimentale dosimetrica con fantoccio Risparmio chiasma ottico Risparmio cavità nasali pag.54 pag.54

55 Posizionamento in sala IMAGE GUIDED RADIATION THERAPY Massimizzazione i i dose al tumore Minimizzazione dose tessuti sani Definizione i i di un sistema di riferimento i stereotassico Posizionamento robotizzato del paziente (accuratezza traslazioni 0.3 mm, accuratezza rotazioni 0.1 ) Verifica del paziente con raggi X Monitoraggio real time reperi con eventuale correzione di posizionamento pag.55 pag.55

56 Quali tumori da trattare con protoni? INDICAZIONI ALLA TERAPIA CON PROTONI Patologia Attesi Per Anno Pazienti Trattabili con Protoni Totale casi attesi per anno Percentuale trattabile con Protoni Melanoma uveale % Cordomi della base cranica e della colonna vertebrale % Condrosarcomi dell estremità cefalica e del % tronco Meningiomi della base cranica % Tumori paraspinali % Schwannomi dei nervi cranici % Adenomi ipofisari % Tumori solidi pediatrici % TOTALE pag.56 pag.56

57 Quali tumori da trattare con ioni carbonio? PATOLOGIE NEOPLASTICHE TRATTABILI CON IONI Patologia Attesi Per Pazienti Trattabili Con Ioni Carbonio Anno Totale casi attesi per anno Percentuale trattabile con Ioni Tumori delle ghiandole salivari Melanomi mucosi delle VADS Adenocarcinomi dei seni paranasali % % % Sarcomi ossei % Sarcomi dei tessuti molli % Recidive % Epatocarcinomi / tumori pancreatici e delle vie biliari % TOTALE pag.57 pag.57

58 L avvio della fase clinica 14 luglio 2011 Autorizzazione del Ministero della Salute all avvio di un nuovo trattamento radioterapico con protoni per la cura di alcuni tipi di tumori. 22 settembre 9 novembre 2011 Primo ciclo di trattamento con protoni di un paziente affetto da condrosarcoma alla base del cranio. Inizio fase di terapia con protoni secondo i protocolli clinici approvati dal Ministero della Salute 13 novembre 2012 Per la prima volta in Italia un tumore bombardato con ioni carbonio Primo ciclo di trattamento con ioni carbonio di un paziente affetto da un tumore alle ghiandole salivari: 3 aprile 2012: Il Ministro della Salute Balduzzi e il Presidente della Regione Lombardia F i i i t i i ti Pavia diventa il 4 centro al mondo che Formigoni incontrano i pazienti realizza la carbonterapia, dopo Chiba, Hyogo e Gunma in Giappone e Heidelberg in Germania. Dall inizio dell attività al CNAO sono stati trattati circa 200 pazienti. Ci si attendono circa 600 pazienti nel 2014 e circa 1000 nel 2015 A regime saranno 3500 all anno anno, l 80 % con ioni carbonio e il 20 % con protoni. pag.58 pag.58

59 Un lavoro affascinante A Pavia esistono centri di assoluta eccellenza a livello mondiale in radiodiagnostica e radioterapia. E questo un ambito scientifico di enorme utilità sociale ed estremamente multidisciplinare, dove la Fisica si pone al servizio della Medicina utilizzando le più sofisticate t tecniche dell Ingegneria. i Servono figure professionali altamente qualificate nei settori più vari: fisici sc sanitari enucleari, ucea ingegneri e civili,,eett elettronici enucleari, ucea informatici, atc, medici oncologi, radiologi e specialisti delle diverse discipline, tecnici sanitari di radiologia medica, tecnici di laboratorio biomedico, biologi, pag.59

60 Qualche conclusione Le radiazioni nucleari sono diaboliche e catastrofiche, come a Hiroshima, Chernobyl e Fukushima? solo pericolose o anche utili per la società? solo pericolose o anche preziose per la salute? Insomma, sono buone o cattive? Dopo un secolo dalla scoperta dei raggi X si è giunti a sofisticate applicazioni pratiche assolutamente sorprendenti della Fisica delle radiazioni, anche in ambiti di grande utilità sociale e medica. E poi dicono che la ricerca scientifica non serve a niente e le tagliano tutti i fondi Se queste cose vi interessano, forza! Provate ad arrivarci anche voi! Non fatevi spaventare dalla crisi e dalle prospettive incerte. Seguite la vostra passione, sapendo che bisognerà fare una grande fatica per cercare di diventare i migliori nel proprio ambito specialistico. Altro che bamboccioni! In bocca al lupo! Questa presentazione è online su www2.pv.infn.it/~montagn1/ pag.60

61 Appendice Le radiazioni e la vita (cenni) Le radiazioni nella materia Dosimetria Effetti biologici delle radiazioni Radioprotezione Applicazioni ( solo positive ) in ambito medico Diagnostica: Medicina nucleare Imaging g Terapia (a Pavia): BNCT CNAO in ambito sociale Datazione archeologica Sminamento umanitario Indagine su sostanze illecite pag.61

62 Un orologio naturale: il radiocarbonio Isotopi del carbonio: 12 C % stabile 13 C 1.08 % stabile 14 C % Ogni atomi di carbonio, uno è radioattivo (= atomi/mole) con periodo di dimezzamento T 1/2 = 5730 anni Per approfondimenti: G.Bendiscioli, A.Panzarasa: La datazione con il radiocarbonio, Ed. Aracne 2012 pag.62

63 Il ciclo del 14 C 1: Formazione del 14 C 2: Decadimento del 14 C 3: L equazione con l'uguale è per gli organismi viventi, mentre quella con il diverso è a ciclo vitale terminato, quando il 14 C presente negli organismi decade senza più essere rimpiazzato. pag.63

64 Perché è possibile la datazione con il 14 C? Gli organismi viventi nei loro processi vitali (sintesi clorofilliana, respirazione, i cicli alimentari) i) scambiano carbonio con l ambiente. Quando muoiono, lo scambio si interrompe. Rimane il carbonio interno che continua a decadere. Dalla curva di decadimento si può risalire al momento della morte dell organismo 1945 W.F. Libby (Nobel Chimica 1960) ( ) Nt =Ne 0 -ti ln2/t ½ ( ) Nt -t i ln2/t ½ =ln N T ½ t= - ln2 iln(n t/n ) 0 ( ) 0 Entro un intervallo temporale di anni (fino a 10 T 1/2 ) possibile datazione di: ossa morte animale tela lino morte pianta lino lana tosatura pecora pergamena morte animale pag.64

65 Metodo di misura e limiti di validità Due metodi di misura: metodo di Libby misura di attività radioattiva -dn/dt n necessaria abbondante quantità di carbonio estratto dal reperto problema del fondo radioattivo naturale metodo AMS separazione tra 14 C e 12 C tramite spettrometro di massa Il metodo del 14 C è basato sulle ipotesi Sono vere??? che il rapporto 14 C/ 12 C Misure su reperti datati storicamente, sia costante o comunque in modo indipendente nello spazio nel tempo Dendrocronologia: nell aria e nell acqua dalla misurazione della età radiometrica degli (CO 2 disciolta) i anelli di accrescimento negli organismi viventi di tronchi di alberi si può avere una curva calibrazioni i i di calibrazione i accurata fino a circa 10 4 anni fa pag.65

66 Età radiometrica ed età vera Esempio di curva di correzione Non c è esatta corrispondenza tra età radiometrica e età vera: la curva non è esattamente una retta Es. in questo caso l età radiometrica (120±20) anni potrebbe corrispondere a tre differenti periodi: pag.66

67 Casi celebri: l uomo dei ghiacci Ötzi, la Mummia ritrovata congelata il 19 settembre 1991 a circa 3200 metri di altitudine e conservatasi per circa 5300 anni sotto il ghiacciaio del Similaun, nei pressi della Val Senales Età stimata: 3350 a.c. pag.67

68 Casi celebri: la Sindone 3 analisi indipendenti (Oxford, Zurigo, Tucson-USA) compiute nel 1988 da un piccolo campione di tessuto prelevato nella stessa zona del bordo del lenzuolo ma rimangono molti dubbi sulle procedure di analisi, e finora non è stato concesso di ripeterle Età stimata: d.c. pag.68

69 (Sindone: dura prova per il metodo scientifico!) I risultati conclusivi (al 95% C.L.), non ancora pubblicati, indicano per le fibre della Sindone in esame le seguenti date: analisi FT-IR: 300 a.c. ±400 analisi Raman 200 a.c. ±500 analisi meccanica 400 d.c. ±400. La media aritmetica delle tre date dà 33 a.c. ±250 anni, con un incertezza inferiore alle singole incertezze, compatibile con la data storica della morte di Gesù Cristo ( 30 d.c.). NEWS 2013: nuovi esperimenti scientifici (Univ. Padova-Modena- Bologna) indicherebbero una datazione della Sindone al I sec. d.c. Sono tre nuove analisi,, effettuate su piccole fibre provenienti, a dire del prof.fanti di Padova, dal materiale prelevato dalla Sindone nel 1988: due chimiche (FT-IR, spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier e spettroscopia Raman) e una meccanica, basata su 5 parametri meccanici diversi riguardanti la tensione del filo, con valutazioni comparate con fibre molto piccole di una ventina di campioni di tessuti di età certa dal 3000 a.c. al 2000 d.c. Chiesa di Torino: Per quanto la Chiesa riconosca a ogni scienziato il diritto di fare le ricerche che ritiene opportune nell ambito della sua scienza, in questo caso è necessario chiarire che, non essendoci nessun grado di sicurezza sull appartenenza dei materiali sui quali sarebbero stati eseguiti detti esperimenti al lenzuolo sindonico, la Proprietà e la Custodia dichiarano di non poter riconoscere alcun serio valore ai risultati dei pretesi esperimenti. Nel clima di reciproca fiducia con il mondo degli scienziati, la Santa Sede e l Arcivescovo di Torino invitano gli scienziati a pazientare finché sia giunto il tempo per la realizzazione di un chiaro programma di ricerche organicamente concertate. pag.69

70 Neutroni artificieri! Per il contributo sugli esplosivi grazie a Andrea Fontana pag.70

71 Lo sminamento umanitario L energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosa alleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO. Ogni anno: vittime per vecchie mine antiuomo (20% bambini). Sminamento troppo costoso: ispezione del terreno con sensori di anomalia allarme estrazione e neutralizzazione esplosivo tempo: > 30 minuti costo: $ falsi allarmi: 99 % Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%, contro il <2 % normale) I terreni minati sono ricchissimi di azoto pag.71

72 Il robot sminatore INFN Padova, Pavia, Bari, Bombardando d con neutroni il terreno, si può rivelare una anomala quantità di azoto. Metodo proposto: Reazione di cattura neutronica: 14 N + n 15 N + γ (E γ =10.8 MeV) tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot neutroni da fissione spontanea di 252 Cf rivelazione dell energia energia mediante scintillatori analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni intervento umano solo dopo la conferma pag.72

73 Neutroni doganieri! Il problema della sicurezza nel trasporto merci via mare Progetti europei Il 95% dei carghi viaggiano via mare. Le attuali ispezioni doganali EURITRACK si basano su: Esperienza EURopean Illicit TRAfficking Countermeasures Kit Dichiarazione doganale European Riposte against Illicit Informazioni da analisi raggi X In caso di dubbio, ispezione Tecnologia innovativa per l ispezione i dei manuale container carichi nei porti marittimi, Meno del 10% dei container per aumentare la sicurezza marittimi i i vengono controllati senza diminuire il flusso di merci in transito. Per il contributo sull ispezione dei containers grazie a Antonietta Donzella pag.73

74 Radiografia neutronica Ispezione dei carghi tramite bombardamento con neutroni veloci Possibilità di analizzare materiali di notevole spessore, misurandone la composizione chimica (rapporti tra elementi leggeri - H, C, N, O -specifici i del materiale) per poter distinguere droghe o esplosivi nascosti all'interno del container. pag.74

75 Perfino in fondo al mare! Valkovic 2010: Investigazione i n subacquea alla ricerca di esplosivi, armi chimiche, rifiuti tossici mediante sistema sigillato con generatore di neutroni da 14 MeV ( 2 H+ 3 H n + a) e rivelatore di particelle α associate pag.75