Sandro Squarcia. Genova 14 dicembre 2010 L I.N.F.N. e la ricerca in medicina La fisica delle particelle e del nucleo può aiutare la salute?

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1 Genova 14 dicembre 2010 L I.N.F.N. e la ricerca in medicina La fisica delle particelle e del nucleo può aiutare la salute? Sandro Squarcia Laboratorio di Fisica e Statistica Medica Dipartimento di Fisica - Sezione INFN di Genova Via Dodecaneso 33, Genova squarcia@ge.infn.it

2 Cosa vorrei presentare? Un panorama dell attività di ricerca della fisica applicata alla medicina in particolare le ricerche interdisciplinari rivolte verso il campo medico promosse dall INFN Diagnostica e terapia clinica Alcuni esempi significativi Il progetto strategico INFN-MED

3 Missione dell INFN L Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare nucleare e astroparticellare nonché lo sviluppo tecnologico necessario alle attività in tali settori Opera in stretta connessione con l Università nell ambito della collaborazione e del confronto internazionale

4 Fisica medica Maggiori campi di interesse: Acceleratori dedicati alla terapia Adroterapia BNCT Elettronica Rivelatori Dosimetria Calcolo e reti Imaging clinico Simulazione Sistemi Avanzati di Calcolo

5 Perché parlare di fisica applicata alla medicina?

6 Aumento della vita media Nelle nazioni sviluppate aumenta sempre più! In Italia all inizio del secolo scorso era 54 anni ora è 76 anni (donne 82) in aumento costante! 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

7 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

8 Il ruolo del fisico Per legge il fisico ospedaliero (con diploma della Scuola di Specializzazione in Fisica Sanitaria) collabora col medico nella pratica clinica Gestisce acceleratori di particelle e impianti radiogeni (fisica nucleare e 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)

9 Diagnostica clinica

10 Radiografia della mano della signora Röntgen del 22/12/1895 pubblicata sul New York Times del 16/1/1896 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

11 Immediati utilizzi clinici Tubo per diagnosi con raggi X dell inizio del 1900 Radiografia organizza il primo servizio di radiografia clinica per i militari di truppa durante la I guerra mondiale

12 Radiografia moderna La radiografia rimane la più comune ed economica tra le macchine diagnostiche Visti i vantaggi, ci si sta spostando sulla radiografia digitale

13 Tomografia Immagine analitica invece che immagine sintetica ottenuta ruotando sia il tubo radiogeno che la cassetta attorno ad un asse passante per il piano che si vuole analizzare

14 Sfumatura tomografica Solo le strutture contenute nello strato che rimane fisso rispetto al punto di osservazione rimangono bene impresse mentre le altre sfumano a seconda della distanza da cui si trovano rispetto al punto focalizzazione

15 Tomografia assiale computerizzata Serie di radiografie in sequenza a spirale La TAC (ovvero TC) è una sonda intracorporea

16 Tomografia ad emissione di positroni Radionuclide iniettato emette un positrone che si annichila in 1-2 mm con un elettrone del materiale emettendo due fotoni collimati di energia fissa (511 kev) che possono essere rivelati PET

17 Annichilazione I 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

18 PET Permette quindi una visualizzazione della funzionalità degli organi Ad esempio permette la differenziazione dell attività cerebrale nelle diverse zone del cervello

19 Tomografia a emissione computerizzata di singolo fotone SPECT Creare una mappa di distribuzione dei radioisotopi Vantaggio: molti radioisotopi sono emettitori β medicina nucleare: 99 Tc, 123 I, 133 Xe, 201 Te

20 Risonanza magnetica nucleare (MRI) Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia E = hν da parte dei livelli quantizzati esistenti nella materia (acqua!) Pratica non invasiva Migliore risoluzione anatomica Complementare a TAC PET e SPECT Si apprezzano anche le nervature all interno della calotta cerebrale

21 Risoluzione altissima Colonna vertebrale Ginocchio

22 Immagini per l Alzheimer

23 Come possiamo vedere le modificazioni del cervello? Anatomia Fisiologia

24 La struttura: le immagini

25 La funzione: la irrorazione sanguigna Source: Harrison et al. (2002). Cerebral Cortex.

26 Invecchiamento e perdita neuronale Le modificazioni, ossia le perdite della materia grigia, sono fortemente legate all invecchiamento Sopra gli 85 anni il 50% dei soggetti presenta demenza (mancanza) Ma la demenza non è un processo fisiologico Alcuni inventano strategie per vincere da anziani

27 Strategia Non cercare di competere con i più giovani ma creare altri centri che portino a una modifica e a una specializzazione di nuove zone cerebrali Roberto Cabeza et al. NeuroImage 17, (2002)

28 Cervello La MRI può misurare il diverso grado di atrofia Progressiva scomparsa della materia grigia e sua sostituzione da parte del liquido endorachidiano

29 Diagnosi dell Alzheimer non vi è una diagnosi definitiva della malattia di Alzheimer se non dopo una biopsia cerebrale oppure un autopsia Storia clinica del paziente Analisi del sangue (ricerca di marker) Test di capacità cognitiva (MMSE, Blessed Dementia Scale, ) Follow-up (perdita progressiva della memoria, delle abilità spaziali, del movimento, ) Parametro anatomico-funzionale aggiuntivo

30 Esperimento Magic-5 L analisi delle neuroimmagini è iniziata nel 2007 Segmentazione e analisi della regione ippocampale da RMI Scopo: Permettere ai neurologi di ottenere rapidamente (WWW?) informazioni preziose che possano essere correlate con gli altri esami diagnostici

31 Ippocampo La demarcazione dell ippocampo è un processo difficile anche per un neurologo esperto più semplice per crani nella stessa posizione

32 Perché l ippocampo? C è una convincente evidenza che un processo degerativo dell ippocampo avvenga nella fase iniziale della malattia di Alzheimer che pare essere associata alla perdita della memoria

33 Alzheimer Differenza tra malati di Dementia Alzheimer Type (DAT) e sani (controls) ma molto più importante determinare quale sarà la sorte dei Mild Cognitive Impairement Correlazione tra RMI con PET/SPECT/EEG?

34 Segmentazione ippocampo non è un malato di Alzheimer! Tre categorie: - normali - MCI: Mild Cognitive Impairment - malati (AD) Come evolveranno? 135 Normal 76 ± 6 Years 247 MCI 75 ± 7 Years

35 La radioterapia

36 Radiazioni Sono pericolose ma conosciute! Hiroshima e Nagasaki (1945) Three Mile Island (1979) Chernobyl (1986) Veste protettiva utilizzata dai radiologi agli inizi del 1900 Possono però essere utilizzate positivamente a fini clinici nella radioterapia oncologica

37 Trattamento del cancro Causa principale di morte nei paesi sviluppati Da rapporti recenti della UE: Senza terapia 49 % Chirurgia 24 % Radioterapia 15 % Chirurgia e radioterapia 9 % Altri trattamenti 3 % Il miglioramento della terapia è dato dal 51 % CONTROLLO LOCALE DEL TUMORE

38 Cosa è un tumore? Le cellule del nostro corpo ricevono dei segnali che indicano loro quando crescere e moltiplicarsi e quando tale crescita deve arrestarsi Il tumore, oggi, può essere considerato una patologia a componente genetica caratterizzata da una crescita cellulare incontrollata Nel tumore le cellule, a causa di alterazioni del patrimonio genetico, non rispondono più ai segnali di controllo e si diffondono nelle diverse parti del corpo crescendo e moltiplicandosi irregolarmente

39 Come funziona la radioterapia? Individuazione focolai della zona tumorale (microscopio elettronico) Modificare, con le radiazioni, la catena del DNA

40 Effetto Raggi X La modifica del DNA è dovuta da ionizzazioni sempre più importanti con l aumentare dell energia oppure, a energia costante, con l aumentare della massa della particella deposizione energia Protone Particella α Ione C E = 1 MeV/u 1 nm

41 Terapia conformazionale Riuscire a dare il massimo di dose ai tessuti tumorali risparmiando i tessuti sani circostanti

42 Dose-effetto Compromesso tra dose irradiata al tumore e complicazioni negli organi/tessuti adiacenti

43 Apparecchiature Testate ruotanti per meglio focalizzare le cellule tumorali Sistemi multilamellari per conformare esattamente il volume del tumore da trattare

44 Adroterapia! La dose rilasciata dai protoni in funzione della penetrazione nel corpo umano ha una caratteristica dipendente dalla energia dei protoni Modulando l intensità, posizione e energia del fascio si riesce ad ottenere un rilascio della dose sul tumore con minima invasività

45 Adronterapia? Proposta da Ugo Amaldi negli anni 90 l INFN supporta TERA (TERapia con Adroni) e finanzia ATER progetto R&D sull adronterapia Nel 2002 l INFN realizza, in collaborazione con l Università di Catania, presso i LNS la prima struttura di adronterapia italiana (Progetto CATANA) L INFN come centro di ricerca di eccellenza sugli acceleratori garantisce come partner fondamentale la costruzione e l operatività del CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) a Pavia

46 Progetto CATANA Sistema per il trattamento di tumori oculari con fasci di protoni da 62 MeV

47 Risultati clinici 138 pazienti con follow-up su pazienti deceduti (3 a causa di metastasi) Non enucleazione dell occhio 95% Controllo locale del tumore 98% Sopravvivenza totale 95% Risulta il trattamento migliore per il melanoma! Possibile evoluzione? passaggio a protoni e ioni leggeri (300 MeV/n) Progetto quasi operativo a Pavia

48 fascio Terapia diodo filtro modificatore del range modulatore Z Y collimatore X configurazione del tumore salvando il nervo ottico

49 CNAO Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica a Pavia (entrata in funzione nel corso del 2011) acceleratore di particelle per produrre sia protoni che, in un prossimo futuro, ioni leggeri centro d avanguardia per il trattamento del cancro e le ricerche in radiobiologia

50 Centro di eccellenza Struttura ospedaliera inserita all interno del centro Europeo di Oncologia A regime circa 1000 pazienti/anno con circa 5000 sessioni di trattamento

51 Magneti I magneti per la deflessione del fascio e controllo della traiettoria: a 90º per la linea verticale sviluppati in collaborazione con la Sezione INFN di Genova

52 Altri progetti

53 Progetto SPES Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro Acceleratore innovativo utilizzabile anche per fini clinici con sviluppo di dosimetri e rivelatori specifici

54 BNCT Boron Neutron Capture Therapy utilizzato con successo per la cura dei tumori con il reattore di Pavia

55 Progetto ELBA Rimozione del fegato Irradiazione del fegato con il reattore Ritorno in sala operatoria per il reimpianto del fegato

56 Strumenti innovativi Un misuratore di Ferro nel fegato (non invasivo!) per la diagnosi di anemie (thalassemia e mocromatosi ereditaria) Esperimento MID(2) Dal febbraio 2005 misurati un migliaio di pazienti, oltre ai volontari, presso l E.O. Galliera di Genova

57 Dosimetria avanzata Misura accurata non solo della dose ma anche della sua distribuzione spaziale e temporale Ad esempio: rischi legati a lunghe permanenze degli equipaggi fuori dell atmosfera terrestre mediante lo studio della componente nucleare dei raggi cosmici: monitoraggio della esposizione degli astronauti interazione (modifica) dei materiali

58 Calcolo e reti Infrastrutture Calcolo distribuito, sicurezza e gestione dati HealthGRID BioinfoGRID Algoritmi Simulazione e modellistica Elaborazione di immagini medicali Metodi matematici e statistici

59 Progetti Strategici INFN Iniziative promosse al fine di : a) Valorizzare sul piano applicativo le attività tecnico scientifiche condotte dall Istituto nell assolvimento dei propri compiti istituzionali b) Mantenere e rafforzare la leadership dell INFN a livello internazionale in attività di ricerca che necessitano di sviluppi tecnologici mirati c) Trasferimento verso altre realtà nazionali e internazionali di prodotti realizzati all interno dell Istituto

60 INFN-MED Diviso in sottoprogetti che definiscono: Gli obiettivi ed i prodotti Le risorse umane e finanziarie Il piano temporale e le milestones I finanziamenti esterni all ente e/o la potenzialità di attrarre finanziamenti esteri Acceleratori studio e costruzione di apparati BNCT valorizzazione della ricerca Imaging trasferimento delle analisi in rete Rivelatori innovativi e avanzatissimi TPS sistemi di piani di trattamento RT

61 Conclusione L INFN è in grado di trasferire le proprie conoscenze, studi e applicazioni derivate dalle ricerche nel campo della fisica di base ai differenti campi della vita di ogni giorno tra cui la medicina è, forse, il più importante Occorre però non offrire ai medici le competenze ma discutere con loro e ricevere da loro le richieste per ottenere i migliori risultati Per raggiungere lo scopo sono necessarie: Capacità e competenza Fiducia da parte del mondo clinico Inserimento internazionale

62 Vi ringrazio per la gentile attenzione! Sono pronto a rispondere a tutte le vostre eventuali domande