LA FISICA MEDICA
RADIOTERAPIA
Terapia di neoplasie
effettuata
con
radiazioni altamente
energetiche. (X, g,
elettroni, protoni)
• acceleratori lineari
• sincrotroni
• roentgen terapia
MEDICINA
NUCLEARE
Terapia o
diagnostica con
farmaci
radioattivi
DIAGNOSTICA
• Radiodiagnostica
convenzionale (RX)
• Risonanza Magnetica
• Ecografia
La MEDICINA NUCLEARE
Specialità medica che prevede l’uso di
Sostanze radioattive dette radiofarmaci
in sorgente non sigillata somministrate a scopo
DIAGNOSTICO
 scintigrafia
ECT
 SPECT, PET
TERAPEUTICO
 Terapia radiometabolica
Cos’è una SOSTANZA RADIOATTIVA ?
Una sostanza si definisce radioattiva se è costituita
da atomi instabili che decadono emettendo radiazioni.
Sfruttando l’interazione di queste radiazioni con i
diversi tessuti biologici è possibile ottenere
informazioni diagnostiche o benefici terapeutici.
Per comprendere l’impiego di un radiofarmaco è dunque
necessario conoscere meglio il fenomeno del decadimento
radioattivo e quindi la struttura
dell’ATOMO e del NUCLEO
L’ ATOMO
+
Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI)
costituiscono il NUCLEO dell’atomo,
+
+
attorno al nucleo sono disposti su
differenti orbite gli elettroni (e)
X
Z : NUMERO ATOMICO
numero dei protoni e degli elettroni
dell’atomo X
A: NUMERO DI MASSA
numero dei protoni + neutroni presenti
nell’atomo
UNITA’ DI MISURA DELLA MASSA ATOMICA
Usualmente si misurano le masse degli atomi in
UNITA’ DI MASSA ATOMICA a.m.u.
che è 1/12 della massa di 1 atomo di 12C
1 a.m.u.=( 1.99*10-23 g) / 12 = 1.66*10-24 g
Il RAGGIO di un atomo è  10-10 m
LA FORZA DI LEGAME NUCLEARE
U(r) Energia potenziale in funzione
della distanza di separazione nucleone-nucleone
0
0.5
forza repulsiva
1
1.5
r (fm)
forza attrattiva
Raggio del nucleo10-15 m= 1fm
ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE
Energia di legame per nucleone (MeV)
8
0
50
100
Numero di massa A
Regione di massima stabilità
Per A  100, la repulsione coulombiana ( Z2 )
tende a prevalere sulla forza di legame nucleare
l’energia di legame decresce
GLI ATOMI STABILI E INSTABILI
Per A elevati, la repulsione coulombiana tende a prevalere
per mantenere la stabilità il sistema reagisce
arricchendo il nucleo di componenti neutre (neutroni)
Per Z > 82 non esistono atomi stabili:
Gli atomi decadono emettendo radiazioni
CURVA DI STABILITA’ DEL NUCLEO
NEUTRONI
n
•Per Z>82 non esistono
nuclei stabili
N=Z
•I nuclei instabili
che si formano
“decadono” in altri nuclei
20
3 POSSIBILITA’ di DECADIMENTO
82
PROTONI p
PROCESSI DI DECADIMENTO
• per A molto elevati
XAZ
XA-4Z-2 + He42
• per Z  N
decadimento BETA
• XAZ
XAZ+1 + e- + 
• XAZ
XAZ-1 + e+ + 
• nucleo in stato eccitato
XAZ *
decadimento ALFA
XAZ+ g
decadimento GAMMA
Legge del DECADIMENTO RADIOATTIVO
N(t): numero di nuclei non ancora decaduti al tempo t
N0
N=N0*e-t
: costante di decadimento
1/2 N0
T1/2: tempo di
dimezzamento
Tempo t
DECADIMENTO RADIOATTIVO
ATTIVITA’ A di una sorgente:
velocità di diminuzione del numero di nuclei radioattivi
presenti : A(t)=  N(t)
A si misura in Curie (Ci) o Bequerel (Bq)
1 Ci = 3.7*1010 disintegrazioni /secondo
1 disintegrazione /secondo = 1 Bq
Gli elementi instabili sono utilizzati in
MEDICINA NUCLEARE
Radionuclidi
MODALITA’ di DECADIMENTO :
emissione di radiazione
• ALFA: particella costituita da 2p+2n
• BETA (+/-) : elettrone (e-) o positrone (e+)
• GAMMA : radiazione elettromagnetica
Le radiazioni emesse per decadimento dagli atomi instabili,
attraversando i tessuti biologici cedono ad essi la loro energia
e vengono assorbite : questo fenomeno viene
sfruttato per ricavare immagini diagnostiche
(SCINTIGRAFIA)
o per distruggere parte di tessuti
(TERAPIA RADIOMETABOLICA)
La MEDICINA NUCLEARE :
DIAGNOSTICA
La SCINTIGRAFIA
• Utilizza radionuclidi GAMMA emittenti
• Il radioisotopo viene somministrato al paziente e viene
captato in modo selettivo dall’organo di cui si vuole ricavare
l’immagine
• Il fotone prodotto in un punto (P), si attenua attraversando i
tessuti circostanti e viene rilevato da una Gamma-camera
• La Gamma-camera è costituita da una matrice planare di
rivelatori.
• Si acquisiscono più viste: la Gamma-camera ruota attorno al
paziente
• Attraverso misure di attenuazione si ricostruisce l’immagine
dell’organo sorgente
Gamma camera
Elaboratore
P • : fotone emesso
organo
paziente
 L’organo T (verde) ha captato il radiofarmaco g
emittente
Il fotone g emesso in P attraversa il tessuto e viene
rilevato dalla Gamma-camera
 il segnale, diverso a seconda delle disomogeneità di
tessuto incontrate viene trasmesso al calcolatore ed
elaborato
Com’è fatta una GAMMA-CAMERA?
Schema dei componenti di una gamma camera:
I fotoni g, emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore e vengono
rivelati da uno scintillatore solido (NaI).
La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide su
fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali elettrici. Mediante
un calcolatore, i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per
ricostruire un’immagine sul monitor, che rappresenti la mappa della
distribuzione dei radionuclidi g-emittenti nell’organi in esame
La gammacamera ruota e acquisisce diverse immagini (viste):
Dalle informazioni delle differenti viste si può ricostruire la
densità e quindi la composizione dell’organo sorgente:
L’ IMMAGINE DIAGNOSTICA
In questo punto l’attenuazione sarà minore perché
il fotone ha attraversato una struttura meno densa
come il polmone
polmone
COME SI RICOSTRUISCE L’IMMAGINE?
Tecnica analoga per TAC, scintigrafia etc..
Dalle
diverse
viste
ottengo matrici di numeri
che
rappresentano
l’attenuazione
La radiazione prodotta all’interno
dell’organo sorgente (sferette) viene
emessa ed attraversa, prima di essere
rivelata, diversi omogeneità di tessuto.
Nelle differenti viste, a seconda della
composizione
e
dell’organo
attraversato, misurerò un’attennuazione
diversa.
LA SPECT:
Single Photon Emission Computer Tomography
Tomografia Computerizzata ad emissione di singolo fotone
Utilizza radionuclidi g emittenti come la scintigrafia.
Differente è invece il sistema di rivelazione: i fotoni trasmessi
vengono rilevati non più da una matrice planare di rivelatori
(Gamma-camera) bensì da una serie di rivelatori disposti su una
corona circolare che ruota assialmente attorno al paziente.
rotazione
La PET
Positron Emission Computer Tomography
Tomografia Computerizzata ad emissione di due fotoni
Utilizza radionuclidi b+ emittenti: il positrone (e+) generato dal
radionuclide emittente cattura un elettrone del tessuto in cui si
trova e genera due fotoni (fenomeno di annichilazione) emessi
in direzione opposta.
SPECT:
PET:
due fotoni
emessi in direzione opposta
Un solo fotone
Fenomeno di annichilazione:
e+ + e2g
Il
positrone
(e+)
emesso
dal
radionuclide si annichila con l’elettrone
del tessuto (e-) dando origine a due
fotoni emessi i direzione opposta, cioè
con un angolo di 180°.
I due fotoni attraversano
Percorsi diversi nel tessuto e
vengono rivelati:
Dalle due misure di diversa
attenuazione si riesce a
risalire al punto in cui il
fotone è stato rivelato.
Bisogna rivelare contemporaneamente i due fotoni che, emessi
in P giungono ai Rivelatori 1 e 8 eliminando tutti i segnali
spuri non coincidenti.
UN ESEMPIO
4
5
6
7
Rivelatore 8
3
2
9
P
Rivelatore 1
14
10
13 12
11
Vista frontale (a) e dall’alto
(b) di un dispositivo PET.
I gruppi di rivelatori in coincidenza
sono disposti nel piano di una
struttura esagonale intorno al
paziente. Ciascun rivelatore può
osservare un evento coincidente con
ciascuno degli 11 rivelatori del lato
opposto
(sono
possibili
3*11*11=363) coppie di linee
coincidenti.
Per
garantire
un
campionamento angolare e spaziale
completo, la disposizione esagonale
viene ruotata per 60° con un passo di
5°.
In (a) i fotoni g non collineari, come
nelle annichilazioni originate in Be
C, non danno luogo a coincidenza e
vengono trascurate dal dispositivo. I
fotoni originati in A sono invece
collineari.
RIASSUMENDO:
SCINTIGRAFIA:
radionuclide g emittente
Gamma-camera planare
Più lenta
SPECT
Single Photon Emission Computer Tomography:
radionuclide g emittente
Più veloce
Rivelatori circolari
PET
Positron Emission Computer Tomography:
Radionuclide b+ emittente
(2 fotoni coincidenti emessi)
Rivelatori circolari per misurare la coincidenza
Più veloce e
più precisa
SCINTIGRAFIA statica:
Usata per studiare un organo nella sua morfologia
(es. individuazione di un tumore)
CARATTERISTICHE
1. Collimatori del rivelatore: calibrati con l’energia del g
rivelato
2. Tempo : deve essere calcolato il tempo tra cui si inietta il
radiofarmaco e quello in cui si inizia l’esame.Il
radiofarmaco viene captato anche da altri organi dando
luogo ad un rumore di fondo.
3. Durata della rivelazione: è un compromesso tra un numero
sufficientemente alto di conteggi e la possibilità di non far
muovere il paziente
4. N° di viste: per organi superficiali (es tiroide) basta una sola
vista. Se l’organo è posto in profondità bisogna tener conto
degli organi frapposti e fare almeno 2 viste contrapposte
SCINTIGRAFIA dinamica:
Usata per studiare un organo nella sua funzionalità
(es. funzionalità miocardica)
CARATTERISTICHE
1. Collimatori: calibrati con l’energia del g rivelato
2. Tempo : deve essere calcolato il tempo tra cui si inietta il
radiofarmaco e quello in cui si inizia l’esame.Il
radiofarmaco viene captato anche da altri organi dando
luogo ad un rumore di fondo.
3. Durata della rivelazione: è molto più breve. Si acquisiscono
molti fotogrammi in un secondo, con un basso numero di
conteggi. (tecnica multi gate)
4. In genere vengono utilizzate SPECT.
ALCUNE IMMAGINI SPECT….
SPECT di una sezione del fegato:
(a) Vista frontale e laterale (b)
SPECT di una sezione del polmone:
(a) Vista frontale e laterale (b)
La MEDICINA NUCLEARE :
TERAPIA RADIOMETABOLICA
Attività somministrata quale radiofarmaco
diffusibile o non diffusibile a scopo curativo o
palliativo:
• terapie locali con colloidi (es. articolazioni)
• trattamento di iperfunzioni ghiandolari
(ipertiroidismi)
• trattamento di neoplasie e loro mts con
particolare attività metabolica (es. neoplasie
secernenti della tiroide, tumori derivati da
tessuto cromaffine) o con esposizione di
particolari recettori o anticorpi
• palliazione del dolore osseo da mts
osteocondensanti od osteolitiche
• Il trattamento interessa la struttura che, per la sua
natura, metabolizza e/o accumula il radiofarmaco
• il trattamento non ha nulla a che vedere con forma,
localizzazione e dimensione della struttura, ma solo
con il suo comportamento biologico
• il trattamento dipende dalle caratteristiche di
emissione del radionuclide (tipo, energia, emivita
effettiva nella struttura)
• Tutti questi parametri non sono relativi all’anatomia,
ma solo alla attività ed alla funzione della lesione
COME SCELGO IL RADIOISOTOPO giusto?
•Deve essere captato dall0organodi interesse
• Non deve essere tossico o dannoso per l’organismo
•Deve avere un tempo di dimezzamento conveniente:
non troppo breve (deve durare per tutto l’esame) ma non troppo
lungo(per non irradiare a lungo)
TEMPO di decadimento Biologico
• L’energia del fotone emesso deve avere energia sufficiente per
poter attraversare tutto il tessuto, senza essere assorbito
completamente e venire così rivelato
• Facilmente reperibile e poco costoso
Ogni radiofarmaco ha la sua emivita: quella dei radiofarmaci
viene chiamata emivita biologica per distinguerla
dall’emivita fisica (quella del radionuclide) quella che
interessa è l’emivita effettiva che dipende da entrambe in
termini matematici, abbiamo:
Il tempo di dimezzamento effettivo (Te) tiene conto sia del tempo
di decadimento biologico del farmaco (Tb) sia di quello fisico del
radionuclide in esso contenuto (Tf)
RADIOISOTOPI FREQUENTEMENTE USATI in
Medicina Nucleare Diagnostica e Terapia
DIAGNOSTICA
RADIOISOTOPO
• Iodio 131 (I 131)
• Tecnezio 99m (Tc 99m)
• Gallio 67 (Ga 67)
TERAPIA
RADIOISOTOPO
• Iodio 131 (I 131)
• Stronzio 89 (Sr 89)
• Samario 153 (Sm 153)
• Tecnezio 99m (Tc 99m)
TIPO DI ESAME
Sc. tiroidea
Sc. Tiroide, polmone, ossee
Sc. polmonare
TIPO DI ESAME
Ca tiroideio, iper-ipo tiroidismi
Trattamento palliativo metastasi ossee
Trattamento palliativo metastasi ossee
Ca. cerebrale
MADICINA NUCLEARE:
Osservazioni
° Tecnica non invasiva (con rare eccezioni)
° Lo specialista deve valutare la congruità dell’
indicazione (possibilità di altri esami più
indicati: TAC, RM etc.)
° al temine dell’esame il paziente può essere
...radioattivo e può irradiare e contaminare:
il pericolo è solitamente trascurabile, salvo che
in pazienti sottoposti a radioterapia metabolica.
Aspetti RADIOPROTEZIONISTICI:
Rischi per gli operatori
• Il rischio decresce con il diffondersi di radionuclidi con vita
media sempre più breve:
irraggiamento (solo se c’è emissione fotonica) da parte
del paziente o delle sue deiezioni
contaminazione con sangue, fluidi o deiezioni del
paziente
• rispettando le normali regole di igiene e di lavoro, il rischio è
trascurabile in caso di indagini diagnostiche
• in alcuni casi occorre prestare particolare attenzione alle
deiezioni del paziente (se non autosufficiente)
• in caso di radioterapia metabolica occorre informarsi di volta
in volta, viste le numerose variabili, per quanto riguarda:
– tipo di emissione del radionuclide (fotoni?) ed emivita
– modalità di accumulo ed eventuale eliminazione