Ferrara 27 marzo 2007
FISICA per la medicina
Mauro Gambaccini
Dipartimento di Fisica Università di Ferrara
INFN Sezione di Ferrara
Un po’ di storia

In passato FISICA e MEDICINA non avevano una ben definita linea di
demarcazione

La medicina quantitativa venne introdotta nel 17° secolo

Questo tipo di medicina cercava di seguire il metodo sperimentale proprio
di Galileo

La sede che per prima usò questo tipo di approccio fu proprio PADOVA

Galileo fu studente di Medicina prima di passare a Matematica
GALILEO
Verifica l’isocronia delle
oscillazioni del pendolo col
proprio ritmo cardiaco
SANTORIO
Misura le pulsazioni
di pazienti con un
pendolo a lunghezza
variabile
l
l
T = 2p
(l/g)
GALILEO
SANTORIO
Studiando l’espansione
dei liquidi inventa un
termometro ad alcool
Modifica il termometro e
lo utilizza per la misura
della febbre
41
40
39
38
37
36
Col progredire della Scienza e delle conoscenze
altre discipline assumono importante identità
nell’ambito scientifico
SCIENZE
SCIENZE
BIOLOGICHE
MEDICHE
MATEMATICHE
FISICHE
CHIMICHE
FISICA
Fisica Nucleare
Fisica delle Particelle Elementari
Astrofisica
Fisica Teorica
Fisica dello Stato Solido
Fisica Medica
Fisica Ambientale
- ecc.
-
Fisica Medica
Branca della fisica applicata ai problemi medici e biologici
Conoscenza del corretto funzionamento di organi (DIAGNOSI)
Interventi per ripristinare il corretto funzionamento (TERAPIA)
Questa branca della Fisica ha ricevuto un grandissimo impulso da
due importantissime scoperte:
Raggi X
Wilhelm Conrad Roentgen
Radioattività
Henry Bequerel
Importantissime applicazioni in MEDICINA
Radiologia Diagnostica
Medicina Nucleare
Radioterapia
Raggi X
Esame radiografico del torace
Raggi X
RADIAZIONE
ELETTROMAGNETICA
l1
l2
l3
s (m)
103
1
10-3
Lunghezza d’onda (m)
10-6
10-9
10-12
10-15
ionizzanti
106
109
1012
1015
1018
1021
Frequenza (Hz)
radioonde
microonde
IR
UV
RX e g
1024
Interazione dei raggi X
Raggi X
M
Intensità dei raggi-X trasmessi
L
spessore
10000
8000
Legno
6000
4000
Metallo
2000
Piano immagine
0
1
2
3
4
5
6
Spessore dell'assorbitore
`
``` `
Radiografia
Radiazioni Ionizzanti
Fotoni Incidenti
Fotoelettrico
Tubo a
raggi X
Compton
Paziente
Paziente
Fotoni Trasmessi
Rivelatore
L
M
Il Tubo a Raggi X
rivestimento
del catodo
filamento
schermatura
di W
sistema di
raffreddamento
Cu
anodo
bulbo
di vetro
vetro
sottile
fascio di
raggi X
kV
mA
(tensione)
(corrente anodica)
finestra
di Be
s
(tempo di esposizione)
La TAC è un esame diagnostico che combina l'uso dei raggi X
con le tecnologie di calcolo.
TAC
Tomografia Assistita dal Computer
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE
RETRO PROIEZIONE FILTRATA
5
4
2
4
5
10 9
7
9
10
5
4
9
8
6
8
9
4
2
7
6
4
6
7
2
4
9
8
6
8
9
4
5
10 9
7
9
10
5
5
5
4
2
immagine
4
Retroproiezione dei profili
5
10 9
7
9
10
10 9
7
9
10
9
8
6
8
9
9
8
6
8
9
7
6
4
6
7
7
6
4
6
7
9
8
6
8
9
9
8
6
8
9
10 9
7
9
10
10 9
7
9
10
filtraggio
conversione in
livelli di grigi
SCINTIGRAFIA
Gamma camera
distribuzione
radioattività gamma
Tavola periodica degli elementi
Gli elementi che si trovano
in natura sono 92.
H (idrogeno)
Z=1
A=1
He (elio)
Li (litio)
Z=3
Z=2
A=4
A=7
Be (berillio)
Z=4
A=9
Diagramma di stabilità degli elementi
Retta che rappresenta la posizione
Nuclei aventi lo stesso numero
di neutroni e protoni
A = 2Z
Nn = Np
Poiché la massa del nucleo
non è cambiata alcuni protoni si
trasformeranno in neutroni
emettendo particelle di varia natura
RADIOATTIVITA’
Decadimenti nucleari
In natura esistono, o possono essere prodotti artificialmente, nuclei instabili, il
cui numero di neutroni e protoni non rimane costante nel tempo. Tali nuclei
emettono radiazione e si trasformano in nuclei, più leggeri, di un altro elemento
chimico.
Le radiazioni emesse dai nuclei sono dette prodotti del decadimento e sono di
vari tipi
decadimento a
a
decadimento g
decadimento b
Radiofarmaco
“una sostanza per uso
sanitario medicinale
contenente radionuclidi”
Scintigrafia
gamma camera
Iniezione
radiofarmaco
emissione fotone g
principio di funzionamento
elaborazione e
visualizzazione
pmt elettronica
cristallo
collimatore
la posizione (x,y) è ottenuta come il baricentro
delle intensità luminose viste dai fototubi
Radionuclidi per scintigrafia
Radionuclide
emivita
particella
energia
emessa
(keV)
(t1/2)
_______________________________________________
Gallio-67
Tecnezio-99m
Indio-111
Iodio-123
Iodio-131
Tallio-201
g
g
g
g
g
g
93,185,300
142
173, 247
159
364, b 606
135,167, X 68-82
78.3
6.02
67.3
13
8.05
73.5
h
h
h
h
d
h
Generatore portatile di Tc-99m
Decadimenti b
positrone
ANTIMATERIA
e+
E = 2 mc2
ANNICHILAZIONE
e-
Radionuclidi PET
Radionuclide
emivita
particella
energia
emessa
(keV)
(t1/2)
_______________________________________________
Carbonio-11
Azoto-13
Ossigeno-15
Fluoro-18
b+
b+
b+
b+
959
1197
1738
633
20.4 min
9.96 min
2.07 min
109.7 min
CICLOTRONE
fascio di protoni
bersaglio
F-18
elementi b+
C-11
emettenti
O-15
Tomografia ad Emissione di Positroni
PET
Questa tecnica di Medicina Nucleare acquisisce
profili di emissione e ricostruisce le immagini
con procedure simili alla TAC
RIPOSO
ASCOLTO MUSICA
STIMOLO VISIVO
PENSIERO
MEMORIZZAZIONE
MOVIMENTO
Le strumentazioni diagnostiche presentate fanno uso di
radiazioni ionizzanti;
Anche altri tipi di radiazioni vengono utilizzati per
ottenere immagini mediche.
Queste radiazioni sono chiamate:
Radiazioni non Ionizzanti (NIR)
1. Radiazioni elettromagnetiche
2. Radiazioni acustiche
La RMN è una tecnica diagnostica basata sull’utilizzo di campi magnetici e
onde radio e produce immagini di sezioni di parti del corpo.
Apparato per risonanza magnetica
Immagine prodotta in una indagine MNR
avvolgimento
elettrico
+ -
Generatore di
corrente continua
N
S
ago magnetico
avvolgimento
elettrico
+ -
Circuito
magnetico
Generatore di
corrente continua
campo magnetico
N
S
N
ago magnetico
S
MAGNETISMO E PARTICELLE
protone
ago magnetico
N
Il momento magnetico
delle particelle di chiama
P
SPIN
S
Acqua
H2O
H
O
H
Nell’acqua gli spin
dei vari protoni sono
orientati a caso
se immergiamo
l’acqua in un forte
campo magnetico gli
spin dei vari protoni si
orientano col campo
N
S
RISONANZA MAGNETICA
inviamo una radio onda
P
Protone con spin
allineato al campo
magnetico
campo magnetico
La frequenza di oscillazione è proporzionale all’intensità
del campo magnetico
MISURA DELLA DENSITA’ PROTONICA
D = densità protonica
Antenna
emittente
Antenna
ricevente
D1
D2
D3
intensità trasmessa
Risonanza Magnetica Nucleare
Interazione tra campo magnetico e spin nucleare
In questo stato il sistema può assorbire di un’onda
elettromagnetica
N
Antenna
emittente
spin
Onda
elettromagnetica
S
Antenna
ricevente
Trasduttore
Ultrasuoni
Onda meccanica
Incomprimibilità dei liquidi
Tessuti diversi impedenze acustiche diverse
Riflessione degli US in corrispondenza delle
superfici di disontinuità
Il fisico medico si occupa dell’applicazione della
fisica nell’ambito della medicina per la diagnosi,
per la terapia e per la prevenzione.
Opera nei Servizio di Fisica Medica o Sanitaria,
degli ospedali e nelle strutture di ricerca di fisica
applicata alla medicina nelle Università e negli
istituti di ricerca sia pubblici che privati
Il Sincrotrone
Anello di Accumulazione
Acceleratori
Linee Sperimentali
Monocromatore
Sala sperimentale
Sala di controllo
Mammografia in Luce di Sincrotrone
PROTOTIPO DI MAMMOGRAFO
MONOCROMATICO
“Fatty” breast
“Dense” breast
Regione con strutture
simulanti patologie
RADIOGRAFIA
A
DOPPIA ENERGIA
Low energy image
High energy image
Un sistema integrato PET-SPECT per piccoli animali
99mTc-Sestamibi
Tomografo YAPPET
99mTc-X
Topo iniettato con 18F-FESP
La Fisica Medica è una branca della
Fisica in fase di grande crescita:
Le nuove tecnologie applicate alla
medicina richiedono giovani con una
buona conoscenza delle materie
scientifiche di base e dei suoi legami con
le Scienze della Vita