Anche se non se ne rendeva ancora conto, il Professore aveva scoperto la nascita di una nuova scienza: la Radiologia. INTRODUZIONE

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1 INTRODUZIONE ALL ALBA DI UNA NUOVA ERA Anche se non se ne rendeva ancora conto, il Professore aveva scoperto la nascita di una nuova scienza: la Radiologia. I Raggi Roentgen nella Storia. Fu la sera di martedì 8 Novembre 1895 che la Storia cambiò il corso degli eventi della Fisica e della Medicina. Nel suo piccolo e buio laboratorio domestico, il Prof. Konrad Wilhelm Roentgen, Docente di Fisica all Università di Wurzburg, in Germania, accese un Tubo di Cookes (una sorta di antesignano tubo al neon, alimentato da un rocchetto di Rumkhoff); con sua grande sorpresa Roentgen vide una piastra di Platicianuro di Bario, dimenticata su una mensola a poca distanza dal tubo, illuminarsi d una luce verde-violetto. Il fenomeno smetteva allo spegnersi del tubo. Provò allora ad anteporre tra il tubo e la piastra - diversi oggetti di diverso volume, ma il fenomeno si ripeteva. Provò infine ad anteporre la sua mano e con suo grande sbigottimento vide proiettarsi sulla piastra lo scheletro della mano stessa. Fig. 1: Konrad Roentgen Non sapendone definire la natura, chiamò quella strana luce verdognola Raggi X, ad indicarne l origine ignota ed oscura per le conoscenze scientifiche del momento anche in linea con il suo carattere riservato e tenebroso. In effetti, della sua scoperta non fece menzione con alcuno sino al 23 Gennaio 1896, data in cui la presentò ufficialmente alla storica seduta della Physikalisch- Medizinische Gesellschaft di Wurzburg. In quell occasione, l ottantenne decano accademico Prof. A. von Koelliker propose di chiamare Raggi Roentgen quella luce misteriosa, in onore al suo scopritore. 1

2 Nel 1901 al Prof. Roentgen venne assegnato il primo Premio Nobel per la Fisica della Storia. Attorno agli anni 20 del Secolo scorso, di pari passo con le scoperte della Biologia molecolare, cominciarono ufficialmente le prime sperimentazioni dei Raggi X su neoformazioni, soprattutto cutanee. In tal senso è nota l applicazione avvenuta proprio in quegli anni di Raggi X emessi da un tubo radiogeno (Fig. 2) per curare un nevo a cellule neviche epiteliali, con estesa formazione di pelo, sulla schiena di una bambina di circa 10 anni. In seguito alla somministrazione di un alta dose di Raggi X che ai tempi non era possibile quantificare l estesa formazione di pelo cadde, il nevo fu distrutto ma si formò (come logica conseguenza) una vasta ustione e probabili danni ematici e linfatici da radiazioni che portò ben presto alla morte della bambina per leucemia. Molti anni sono passati da allora. Il Ventesimo Secolo ha apportato un evoluzione tecnologica sia nella Radiodiagnostica, sia nella Radioterapia seguendo lo sviluppo di tutte le altre scienze mediche e biologiche. Si è così passati in pochi decenni - dai tubi radiogeni per la cosiddetta Roentgenterapia (alcuni dei quali, necessariamente evoluti, sono tutt oggi ancora in esercizio presso alcuni reparti di Radioterapia per le terapie antalgiche), alle macchine per cobaltoterapia ed agli acceleratori lineari dei moderni trattamenti radioterapici. Parallelamente anche la diagnostica ha subìto, nello stesso periodo, una forte spinta evolutiva tecnologica, che ha preso avvio dal tomografo di Vallebona e che trova oggi la massima espressione nelle moderne macchine generatrici di immagini (TAC ed RMN), strumenti oggi indispensabili alla stessa radioterapia. Fig. 2: Il tubo radiogeno Fig. 3: Radiografia convenzionale del torace in AP. Ieri. 2

3 molecola di H 2 O, alla molecola biologicamente importante, all organulo cellulare, alla cellula, al tessuto, sino a coinvolgere l intero organismo sia in senso patologico che in senso terapeutico nelle sue funzioni e nella stessa sopravvivenza. Le interazioni fondamentali delle radiazioni con la materia organica sono: Fig. 4:..e oggi - l eccitazione; - la ionizzazione; - la fluorescenza; - l effetto Auger. I primi due comportano assorbimento di energia, gli altri due emissione di energia. Fig. 5: Radiografia 3D dello scheletro Le fasi dei processi d interazione tra radiazione e materia sono sintetizzati nella tabella della pagina seguente. I princìpi fisici della Radioterapia Quando le radiazioni di energia superiore ad una certa soglia colpiscono i tessuti biologici, provocano in essi una serie di fenomeni di carattere chimico-fisico-biologico, tra loro concatenati, in cui il fenomeno iniziale (cioè il danno a livello dell atomo causato dalla radiazione) può tradursi nel danno alla 3

4 FASE TEMPO EFFETTO PRODOTTO Fisica secondi Effetti elementari Fisicochimica 10-9 T 10-6 Formazione radicali liberi e perossidi Biochimica da frazioni di sec. a settimane Inattivazione di enzimi e di organuli Biologica Giorni, mesi, anni Inattivazione, riparazione, morte cellulare e tissutale Clinica Giorni, mesi, anni Manifestazioni cliniche a carico dell organismo Modalità di radioterapia. La radioterapia può essere realizzata con modalità tra loro molto diverse. Distinguiamo sostanzialmente la radioterapia a fasci esterni collimati e la brachi-curieterapia. Quest ultima viene realizzata con radiosorgenti β e/o γ emittenti sigillate e può essere endocavitaria, interstiziale, di contatto; oppure con radiosorgenti non sigillate β e/o γ emittenti per radioterapia endocavitaria e per terapia radio-metabolica. La brachi-curieterapia è indicata per somministrare localmente un alta dose letale ad un definito volume bersaglio molto piccolo, per salvaguardare organi critici circostanti. Ad es. vengono impiegati semi di iridio e samario per curare localmente i tumori della prostata e della vescica nell uomo, dell endometrio nella donna e composti di 125 I e 131 I per le neoplasie follicolari a carico della tiroide. Fig. 6: Radiografia in AP del bacino per il controllo del posizionamento di semi radioattivi La radioterapia a fasci esterni collimati viene realizzata con macchine generatrici di Raggi X di potenze variabili. Plesio-roentgenterapia o terapia di contatto. Si realizzava con un tubo radiogeno di KV p, 5-8mA il cui anodo di tipo Chaoul è quasi a contatto con la neoplasia. La DFP era data dall altezza di un limitatore a tronco di cono in lega di ottone nichelato, la cui sezione minore appoggiava sulla cute (Fig. 7/a). 4

5 Impiego: terapia radiante a bassa energia di tumori cutanei. Questa apparecchiatura non è quasi più in esercizio, per motivi di ordine prevalentemente protezionistico. E stata sostituita da apparecchiature piezoelettriche computerizzate di tipo after loading che, tramite apposito applicatore, sparano sul bersaglio (si tratta sempre di tumori cutanei, quali il basalioma, lo spinelioma ed il melanoma) una radiosorgente ad alta attività di solito α. Tensione di esercizio: KV p, corrente alla spiralina catodica: 10mA (Fig. 8). Fig. 7/a Impiego: terapia radiante di medio-bassa energia di tumori superficiali, semiprofondi e metastasi ossee, specialmente vertebrali, di tumori a carico di vescica, prostata, endometrio. Fig. 8 Fig. 7: Apparecchiatura after loading per barchiterapia Roentgenterapia con ortovoltaggi. E ancora tuttoggi in esercizio in alcuni Reparti di Radioterapia oncologica per le terapie antalgiche. Viene realizzata con un tubo radiogeno a filtri Cu ed Al intercambiabili. Tele Cobalto Terapia (TCT). E ancora tuttoggi in esercizio in molti Centri di Radioterapia oncologica. E realizzata con una macchina denominata THERATRON 780 (v. Fig. 9 alla pagina seguente). 5

6 Terapia di alta energia con elettroni. Si realizza con un acceleratore lineare (LINAC), una macchina acceleratrice isocentrica in cui gli elettroni vengono prima accelerati fino ad un energia variabile da 4 a 25 MeV, poi estratti e convogliati sul bersaglio attraverso appositi collimatori. Geometria di trattamento: pressoché simile e riconducibile alla macchina per Tele Cobalto Terapia. Fig. 9: Macchina per telecobaltoterapia THERATRON 780 Caratteristiche: collimatore geometrico rettangolare e collimatore asimmetrico statici, testata in Piombo ed Uranio impoverito che racchiude un otturatore sferico all interno del quale alloggia una sorgente di 60 Co di attività iniziale di 5000 mci che si dimezza in circa 2 anni. Energia nominale: 1.33 MeV. Geometria di trattamento: movimenti lineari e circolari del lettino, sia sul piano orizzontale che in elevazione; rotazione della testata attorno alla posizione di isocentro; rotazione del collimatore. DFP = 800 mm. Riferimenti LASER triangolati per il corretto posizionamento e centramento del bersaglio nel sistema di riferimento dell isocentro. Impiego: terapia di medio-alta energia di tumori semiprofondi, soprattutto a carico del capo-collo. Caratteristiche: DFP = 1000 mm, collimatore geometrico rettangolare esterno; produzione di un fascio di elettroni da parte di un oscillatore a risonanza MAGNETRON o KLYSTRON; gli elettroni vengono accelerati da un forte campo E all interno delle gaps acceleratrici di un cannone elettronico; il mantenimento in traiettoria rettilinea è assicurato da un campo B E ; la proiezione verso il collimatore avviene grazie a magneti deflettori con angolo: θ q / m Infine il fascio, così accelerato, viene focalizzato direttamente sull isocentro. Impiego: terapia di alta energia di tumori cutanei e semiprofondi. Boost di irradiazione sulle ferite chirurgiche, nel follow-up postoperatorio dei tumori mammari dopo il trattamento con fotoni. 6

7 X terapia di alta energia. Si realizza sempre con il LINAC; quando il fascio di elettroni proveniente dal tubo acceleratore urta contro una targhetta di tungsteno o di platino (target) si formano fotoni X di alta energia (fino a 25 MeV) per frenamento (bremsstrahlung). Al variare dell energia secondo le necessità terapeutiche prescritte dal piano di terapia si regola il potere di penetrazione e quindi la dose da somministrare al volume bersaglio. Fig. 11 Il simulatore isocentrico classico (o convenzionale) di terapia. E a tutti gli effetti un apparecchio radiologico convenzionale dotato di tutti i precisi movimenti della testata e del lettino tipici di un unità di radioterapia. E dotato di due funzioni peculiari della radiodiagnostica: scopia raggi con tubo intensificatore di brillanza a persistenza e radiografia (v. Fig. 11 e 12) Fig. 10: Posizionamento LASER di un volume bersaglio cranico Caratteristiche e Geometria di trattamento: idem c.s. Impiego: terapia di alta energia di tumori profondi del torace, del capo-collo, dell encefalo, della prostata e del retto. Irradiazione a corpo intero (TBI) con i relativi, necessari sussidi di immobilizzazione e posizionamento. Fig. 12: Consolle del simulatore isocentrico tipo OLDELF 7

8 E essenzialmente costituito dai seguenti elementi: 1) - gantry rotante sul quale sono montati il tubo radiogeno collimato e il tubo IB a persistenza; 2) - un lettino radiotrasparente con tastiera di comando dei movimenti; 3) - sorgenti LASER ortogonali per il corretto posizionamento del paziente; 4) - consolle di comando; monitor; 5) - generatore di Raggi X Il collimatore ha due sistemi per registrare la distanza fuoco-pelle: uno meccanico ed uno ottico (telemetro). Sul monitor compare un reticolo che simula il campo radiante, la cui geometria può essere modificata dalla consolle di comando; sul paziente si osservano la DFP ed il campo luminoso con il reticolo che simula il campo radiante e che corrisponde a quello che compare radiologicamente. Sulla consolle di comando si leggono i seguenti valori: - distanza fuoco-isocentro (mm); - distanza lettino-isocentro (mm); - inclinazione del gantry (gradi, radianti o millesimi); - dimensioni del reticolo (mm 2 ). Il simulatore virtuale di terapia. Una nuova concezione della simulazione radioterapica è la cosiddetta CT-Sim. In questo caso la simulazione, completamente computerizzata, viene eseguita solo dopo l esecuzione di una TAC SPIRALE (o multislice); non è pertanto richiesta la presenza del paziente stesso. Da qui il termine virtuale. Durante la procedura, che non ha carattere diagnostico, viene eseguita l acquisizione ed il centramento del volume bersaglio; con l ausilio dei laser di posizionamento della TAC e di due laser esterni mobili, controllati dal sistema operativo, vengono individuati tre punti (che coincidono con precisi riferimenti anatomici, relativi alla posizione del tumore), che vengono contrassegnati da reperi radio opachi (ad es. pallini da caccia). Fig. 12/a: Il Simulatore virtuale 8

9 I dati volumetrici così rilevati vengono quindi inviati al simulatore virtuale, un programma dedicato che determina automaticamente il GTV ed il PTV, con una ricostruzione in 3D e fornendo all operatore la possibilità di modificare al computer tutti i parametri balistici disponibili (angoli di inclinazione del gantry e del collimatore, spostamenti lineari e quant altro), personalizzando quindi il trattamento. La procedura è completata dai calcoli dosimetrici (U.M.) sulla base delle acquisizioni TAC. Fig. 12/b: Una consolle CT Fig. 12/c: Simulazione convenzionale. Fig. 12/d: e virtuale 9