LA FISICA MEDICA NELL INFN

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1 Le attivita di ricerca interdisciplinare rivolte alla medicina promosse dall Istituto Nazionale di Fisica Nucleare LA FISICA MEDICA NELL INFN

2 L INFN E LA RICERCA Studio dei costituenti fondamentali della materia, fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare. Tecnologie e strumenti di ricerca d'avanguardia Trasferimento delle competenze verso campi di la medicina i beni culturali l'ambiente

3 RICERCA APPLICATIVA E MULTIDISCIPLINARE Continuo sviluppo di tecnologie Elettronica calcolo e reti informatiche. Industria Collabozioni con vari policlinici italiani ricerca medica. diagnosi precoce del tumori misure di dosimetria trattamento ed analisi dei dati.

4 L INFN PER LA FISICA MEDICA Acceleratori strutture acceleranti, magneti, diagnostica del fascio... Tecnologie e materiali criogenia, superconduttivita, elettronica e controlli, tecnologie del vuoto Calcolo & GRID Analisi dati, algoritmi, calcolo distribuito, gestione dei dati... Matematica Metodi della fisica teorica e statistica... Divulgazione e training scuole di specializzazione, seminari... Partecipazione a progetti di interesse nazionale ed internazionale centri di eccellenza

5 ACCELERATORI

6 ACCELERATORI NEL MONDO I rami germogliati dal tronco della ricerca di base in fisica nucleare solo 110 acceleratori su circa sono dedicati alla ricerca di base!

7 ACCELERATORI E MEDICINA Terapia Adroterapia Sorgenti X monocromatiche Elettroni Produzione di radioisotopi. Diagnostica Captazione del radiofarmaco

8 ADROTERAPIA IN PILLOLE Modulando opportunamente l intensita, posizione ed energia del fascio si riesce ad ottenere un rilascio della dose la dove serve, con minima invasivita nei tessuti circostanti La dose rilascata dai protoni in funzione della penetrazione nell organismo ha una caratteristica dipendenza dall energia dei protoni

9 ESEMPI NOTEVOLI: CATANA Progetto [CATANA ] sfruttando i fasci di protoni da 62 MeV prodotti dal Ciclotrone Superconduttore dei Laboratori del Sud, possono già trattare pazienti affetti da tumori all occhio. In funzione dal 2002 Interno del Ciclotrone Superconduttore ai Laboratori Nazionali del Sud

10 UN PROGETTO COMPLESSO Allineamento molto complesso: decine di gradi di liberta Dal febbraio del 2002 ad oggi: 18 settimane di trattamento, 150 pazienti. Il 98% dei pazienti affetti da melanoma oculare trattati con Catana sono sopravvissuti e nel 96% dei casi la malattia viene tenuta sotto controllo Vantaggio : non dover asportare l occhio del paziente, come sarebbe stato necessario in assenza di radioterapia.

11 ESEMPI NOTEVOLI: CNAO Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO, Pavia). acceleratore di particelle per produrre sia protoni che ioni di carbonio, realizzato grazie alle competenze dell'infn. centro d avanguardia per il trattamento e le ricerche in radiobiologia Si prevede l entrata in funzione per la fine del 2008

12 CENTRO DI ECCELLENZA Il centro dispone di una struttura di accoglienza affiancata alla struttura che ospita l acceleratore e le camere di irraggiamento Si stima il centro possa servire circa 800 pazienti/anno.

13 TECNOLOGIA DEGLI ACCELERATORI: MAGNETI I magneti di deflessione del fascio che controllano la precisa traiettoria finale sono molto complessi (8 dipoli + un dipolo di grandi dimensione a 90º per la linea verticale) Sviluppati in collaborazione con la sezione INFN di Genova

14 ADROTERAPIA CON NUCLEI [SCENT] (Superconducting Cyclotron for Exotic Nuclei Therapy) 5m di diametro x 350 ton 4.2T (circa il campo magnetico 279 C Ciclotroni sono piu facilmente installabili negli ospedali Sviluppato accelerare ioni leggeri (Carbonio)

15 TECNOLOGIE E MATERIALI

16 TECNOLOGIE E MEDICINA Sono molte le tecnologie derivate dalla ricerca di base applicabili in ambito medico: Rivelatori Dosimetria Uso e adattamento di sorgenti radioattive Elettronica Nuovi strumenti diagnostici

17 RIVELATORI IN MEDICINA ottimizzare l'esame mammografico ridurre la dose aumentare la qualità dell'immagine [PICASSO] Migliorare sia la sorgente sia il rivelatore: INFN, Sincrotrone e Dip. Scienze Cliniche di TS Nuovo rivelatore passo è di 50 micron singolo rivelatore avrà ~4800 canali. mammografie planari in contrasto di fase presso la linea di luce di sincrotrone SYRMEP (Elettra, TS). Intensita Contrasto di fase

18 ULTERIORI RICERCHE SUI RIVELATORI Sviluppo di rivelatori dedicati per PET (Positron Emission Tomography) rivelatore a gas a piani paralleli [HPPC], derivato da rivelatori TOF montati sull esp. Alice (LHC) fotomoltiplicatori al Siclicio [DASiPM] INFN BA, BO, PI, TN Maggiore efficienza Elettronica di readout compatta Affidabilita Risoluzione spaziale e temporale

19 DOSIMETRI: MATRIXX Un dosimetro clinico è un particolare rivelatore di particelle collocato sul fascio radioterapico. Il dosimetro 3D per fasci di adroni & dosimetro 2D per fasci con fotoni Strumento nuovo e tecnologicamente innovativo Innovativo circuito integrato di controllo e acquisizione dati Industrializzazione del prodotto Costante, rapido e accurato monitoraggio dei fasci radioterapici con fotoni Piani di trattamento più efficaci e meno invasivi. progetto adroterapia promosso da Ugo Amaldi.

20 ALTRI ESEMPI DI DOSIMETRI Misura accurata della dose e della sua distribuzione Rischi legati a lunghe permanenze di equipaggi fuori dell atmosfera terrestre Strumento per lo studio della componente nucleare dei raggi cosmici e per il monitoraggio dell esposizione degli astronauti [SilEye] Studiare come la radiazione cosmica interagisce con i materiali [SPADA]

21 TERAPIA E RADIAZIONI La Neutron Capture Therapy (NCT) Progetto [SPES] (INFN LNL) Sviluppo di dosimetri e rivelatori specifici (dosimetri a gel [PHADON])

22 SVILUPPO DI SORGENTI AVANZATE Sorgenti X quasi monocromatiche Plasma indotto da fascio laser su bersaglio di rame [LASEX] Thomsom backscattering [MAMBO2] (LNF sorgente SPARC)

23 STRUMENTI INNOVATIVI: THALAS Un misuratore di Fe nel fegato per la diagnosi di anemie quali la thalassemia e l emocromatosi ereditaria Dal feb misurati 150 pazienti e 90 volontari sani, Ospedale Galliera, Genova Liver Iron Concentration (mg/g)

24 RADIOBIOLOGIA E FARMACOLOGIA Sviluppo di sensori (telecamere) scintigrafiche di radiofarmaci [SCINTIRAD] Valutazione del danno radiobiologico sia invivo che in-vitro [EPICA], [CRIORAD]

25 CALCOLO

26 CALCOLO E MEDICINA Infrastrutture Calcolo distribuito, sicurezza e immagazzinamento dei dati HealthGRID BioinfoGRID Algoritmi Simulazione e modellistica Elaborazione di immagini medicali Metodi matematici e statistici

27 CALCOLO DISTRIBUITO: GRID BioInfoGRID (Bioinformatics Grid Applications for life sciences) e HealthGRID sono strutture che promuovono lo sviluppo di applicazioni e strumenti informatici basati su GRID: biologia molecolare genomica proteomica dinamica molecolare data mining genetica databases clinici ed epidemiologici distribuiti Creazione di Virtual Organizations Calcolo distribuito su dati clinici, segnali e immagini mediche Portali Web basati su GRID Supporto per la creazione di un sistema informatico nazionale

28 FLUKA E GEANT4 FLUKA: Codice Monte Carlo per la simulazione di fasci di particelle e della loro interazione con la materia GEANT4: insieme to strumenti per la modellizzazione fisica delle interazioni adroniche ed elettromagnetiche fisica nucleare e delle alte energie fisica del neutrino trattamento di scorie nucleari dosimetria radioprotezione adroterapia.

29 STRUMENTI DALLA FISICA TEORICA estendere alla biologia le competenze di statistica e sistemi a molti corpi mutuate dalla fisica teorica laboratori virtuali, ovvero dalla sperimentazione in vitro a quella in silico reti neurali e analisi non lineare termodinamica fuori equilibrio chimica quantistica

30 DINAMICA MOLECOLARE E CELLULARE Dinamica molecolare su GRID Dinamica cellulare [VBL] Cell dens. (10^6 ml^-1) t (h) Esempio di applicazione: crescita di una popolazione di cellule in bioreattore (punti: dati sperimentali; linee: risultati di singole simulazioni in condizioni analoghe) modellizzazione della biomeccanica cellulare e dei processi di diffusione

31 ANALISI DATI E IMMAGINI MEDICHE Medical (Imaging) Applications on a GRID Infrastructure Connection [MAGIC-5] Computer Assisted Detection & Distributed Computing Infrastructure Analisi di immagini mediche Mammografia CT polmonari Neuroimmagini

32 APPLICAZIONI E RISULTATI Stazione di analisi mammografica installata in diversi ospedali in Italia e al centro Suzanne Mubarak, Alessandria d Egitto Validazione clinica si mammografie digitali Database in collaborazione con la ASL2, Perugia (IT) CAD polmonare Sviluppato un insieme di algoritmi per la ricerca di noduli In fase di ultimazione il database nazionale

33 INSORGENZA DELL ALZHEIMER Analisi di neuroimmagini Attivita iniziata nel 2007 Non tutti gli MCI sviluppano l Alzheimer: analisi delle immagini di risonanza magnetica Segmentazione ed analisi della regione ippocampale Base dati: 135 Normali, 247 MCI, 150 AD, presi tra S.Martino, GE (130 pz) e ADNI. Dei 51 MCI di S.Martino, abbiamo il followup clinico a 3 anni (MCI -> Normal: 5 pz [blu] e MCI -> AD 25 pz [rosso] ). Il valore dell'osservabile "all'istante zero" indica chiaramente il destino di coloro che evolverannno in AD in capo a 3 anni.

34 TRATTAMENTO DEI SEGNALI Studio della dinamica dei segnali EEG di scalpo ed intracranici per l epilessia farmaco-resistente early detection di una crisi epilettica [TIRESIA] Obiettivo: sviluppo di un pace maker intracranico per prevenire l attacco epilettico

35 ASPETTI CULTURALI E STRATEGICI

36 DIVULGAZIONE Molte la applicazioni della ricerca in fisica alla medicina Impatto sociale e tecnologico. INFN divulgazione scientifica sviluppo delle competenze conferenze e workshops corsi per il personale scuole di specializzazione per giovani ricercatori. Master in adroterapia e radioterapia di precisione Progetto strategico INFN-MED Imaging Adroterapia Treatment Planning System Boron Neutron Capture Therapy Rivelatori per diagnostica

37 TPS Treatment Planning System Nuclear fragmentation study and measurements. Radiobiological modeling and measurements. Treatment plan calculation and optimization. Monte Carlo developments for treatment planning. Online treatment monitoring using in-beam PET.

38 UN LAVORO DI SQUADRA Diverse sezioni INFN dislocate sul territorio insieme ai laboratori nazionali partecipano alle ricerche tecnologiche in campo medico Nella sezione di Genova sono presenti attivita su: progettazione e realizzazione di magneti simulazione trattamento delle immagini mediche infrastruttura di calcolo strumenti diagnostici innovativi divulgazione

39 IN CONCLUSIONE... Grandi progressi nel trattamento e diagnostica medica con l impiego di metodologie nucleari risonanza magnetica nucleare tomografia a emissione di positroni adroterapia I rivelatori sviluppati per ricerche di fisica delle particelle si sono adattati rivelandosi ottimi strumenti diagnostici risoluzione molto maggiore dei sistemi tradizionali esposizione molto ridotta alle radiazioni mezzi ideali per diagnosi precoci. Successo delle tecnologie sviluppate per lo studio dei componenti fondamentali della materia nella diagnostica medicale. Competenze Tecniche di ricostruzione di immagini Strumenti per la diagnostica sempre più raffinati ed efficienti. L INFN sostiene studi e sviluppi strumentali di acceleratori per terapia oncologica nell ambito del Programma Nazionale di Adroterapia.

40 LINKS Sito nazionale dell INFN: nelle sezioni: generale e attivita /ricerca tecnologica Sezione di genova Siti dei principali laboratori nazionali coinvolti nella ricerca tecnologica e in fisica medica: lasa.mi.infn.it Altri siti:

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