XXIV SEMINARIO NAZIONALE di FISICA
NUCLEARE E SUBNUCLEARE
OTRANTO, Serra degli Alimini, 21-27
Settembre 2012
Fisica e 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, 16146 Genova
010 353 6207
[email protected]
Perché parlare di fisica applicata
alla medicina?
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!
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
Il ruolo del fisico
Per legge solo il fisico ospedaliero (con diploma
della Scuola di Specializzazione in Fisica Medica)
può collaborare col medico nella pratica clinica
Gestisce acceleratori di particelle e impianti
radiogeni (fisica 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)
Radiazioni
Pericolose ma molto
conosciute e ben studiate
Hiroshima e Nagasaki
Three Mile Island
Chernobil
Fukushima
Veste protettiva utilizzata dai
radiologi agli inizi del 1900
Può essere utilizzata sia direttamente in
radioterapia (vedi lezioni di Giuseppe Battistoni)
sia come “visualizzatore” all’interno del corpo
(medicina nucleare e diagnostica per immagini)
Diagnostica clinica
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
Radiografia della
mano della signora
Röntgen del
22/12/1895 pubblicata
sul New York Times
del 16/1/1896
Radiografia
Immediati utilizzi clinici
Tubo per diagnosi
con raggi X
dell’inizio del 1900
organizza il primo servizio di
radiografia clinica (montato su
camion) per i militari di truppa
durante la I guerra mondiale
Radiografia moderna
La radiografia rimane
la più comune ed
economica tra le
macchine diagnostiche
Visti i vantaggi, ci si
sta spostando sulla
radiografia digitale
Sezioni corporee
L’ immagine
radiologica
è sempre
bidimensionale
Per una visione
tridimensionale
occorre ricorrere
a più proiezioni
utilizzando
tre piani
fondamentali di
riferimento
sagittale,
mediano,
di simmetria
trasversale,
assiale,
orizzontale
frontale,
coronale,
(parallelo
alla fronte)
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
Movimento lineare
Come si possono leggere i caratteri in un libro
che abbia le pagine trasparenti?
Ciò che si muove durante una scansione
anche a causa del moto combinato
perde nitidezza di contorni, sfuma
e quindi tende a cancellarsi
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 di focalizzazione
Movimenti pluridirezionali
Per meglio
focalizzare lo strato
di interesse
si utilizza un
movimento
tomografico areale
spiroideo
ossia con immagini
prese in cerchi
spiraleggianti
aventi raggi sempre
più ravvicinati
Tomografia assiale computerizzata
Serie di radiografie in
sequenza “a spirale”
La TAC (ovvero CT)
è una sonda intracorporea
Funzionamento TAC
Nella TAC il fascio di raggi X ruotante esplora
da differenti
“numerose”
angolazioni
la regione
anatomica
interessata
che è collocata al centro del ventaglio del fascio
Elementi tecnologici
 Tubo a raggi X monocromatici ad alta intensità
 Rivelatori a raggi X compatti e di grande
stabilità di funzionamento
 Elaboratore elettronico di elevate prestazioni e
dotato di “memoria sufficiente”
 Sistema di visualizzazione di immagini
calcolato attraverso una scala di grigi
(densità elettronica in unità di Hounsfield)
Tubo a raggi X in moto lungo traiettoria circolare
puntato verso il centro di rotazione
con il paziente disposto lungo l’asse rotazione
e i rivelatori ruotanti attorno allo stesso asse
Moto a spirale
Necessità di un potente elaboratore elettronico
per poter elaborare i differenti segnali
Apparato
sistema
elaborazione
Tomografie PET-SPECT
Positron Emission Tomography
Single Photon Emission Computer Tomography
Tecniche non invasive utilizzate in ricerca clinica
ma anche in fisiologia, farmacologia, ….
Rivelazione in vivo e formazione di immagini da
radiazioni (positroni o g) emesse da radioisotopi
introdotti come traccianti
nel tessuto in esame
Tecniche di ricostruzione
immagine simili alla TAC
Tomografia ad emissione di positroni
Un radionuclide
iniettato in vena
emette un positrone
che si annichila in circa
1-2 mm con un
elettrone del materiale
PET
emettendo due fotoni
collimati di energia
fissa (511 keV) che
possono essere rivelati
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°
Radionuclidi
I radionuclidi sono isotopi emettenti e+
(che vengono prodotti mediante ciclotroni)
si utilizzano di solito isotopi di elementi biologici
11C con t
1/2 = 20.1’
13N con t
1/2 = 10.0’
15O con t
1/2 = 2.1’
18F con t
1/2 = 110’
FGD fluorodisossiglucosio
analogo al glucosio
in cui è stato inserito
del 18F (beta emittente)
che può essere metabolizzato
Rivelazione
Rivelatori a scintillazione (risoluzione: 5-10 mm)
I due gamma di annichilazione possono essere
rilevati singolarmente oppure in coincidenza
finestra temporale 10-20 ns
La rivelazione in coincidenza permette una
miglior risoluzione spaziale: 3-4 mm (range)
occorre però assicurare la collinearità!
Si utilizzano per questo scopo
degli opportuni collimatori di piombo
di notevole lunghezza (15 centimetri!)
Rivelatore
Per avere
proiezioni
tomografiche
il rivelatore è
posizionato
attorno al
paziente
in modo da
ottenere
una mappa della distribuzione dei radionuclidi
che metta in evidenza l’anatomia e la fisiologia
tramite la loro possibile localizzazione
Immagine
Visualizzazione
dell’attività
cerebrale
nelle differenti
zone del
cervello
Elaborazione e
visualizzazione
con falsi colori
permette una
migliore
evidenziazione
Aree attivate
Compito di
memorizzazione
verbale a breve
termine
Confronto del flusso cerebrale rispetto ad un
flusso di controllo (sistema di riferimento)
Permettono studi accurati sul funzionamento
fisiologico/patologico del nostro cervello!
Sequenza 3D
Possibilità di avere più
immagini in sequenza
in modo da ottenere una
visione tridimensionale
Tessuto attraversato
Nella PET è possibile eseguire una precisa
correzione dell’attenuazione dei fotoni nei tessuti
I due fotoni in coincidenza attraversano
complessivamente l’intero spessore dell’oggetto
Attenuazione
Fattore di trasmissione : Pg1 e Pg2
Pg1  e–x
Pg2  e–(L–x)
Fattore di trasmissione delle coppie di fotoni g1 g2
Pg1 g2 = Pg1 Pg2  e–x e–(L–x)
Pg1 g2  e–L
coefficiente attenuazione lineare 
diametro del bersaglio L
Calibrazione
Il numero di particelle emesse dal radioisotopo
distribuito nei tessuti può essere calcolato
tramite quello rivelato conoscendo  ed L
La risoluzione spaziale dei dispositivi PET
dipende dal numero di fotoni collimati rivelati
tanto maggiore è questo numero tanto
migliore è l’immagine ricostruita
Per motivi dosimetrici vi è una dose limite che
può essere somministrata al paziente
e così viene fissato il limite del flusso dei fotoni
rivelati (risoluzione dell’immagine ricostruita)
Fotoni rivelati
I fotoni rivelati sono solo una piccola frazione
perché:
 i radionuclidi si diffondono in tutto il corpo
 l’apertura angolare dei rivelatori consente di
accettare solo una piccola frazione dei fotoni
e occorre considerare:
 l’attenuazione dei fotoni in materiale biologico
 l’efficienza di “rivelazione” del rivelatore
Viene visualizzato solo l’1-2% dei decadimenti
dei radionuclidi concentrati nell’organo in esame
Come per poter riuscire a scattare le foto di notte:
 aprire al massimo l’obiettivo
 usare lunghi tempi di esposizione (sfuocamento)
Materiale biologico
Poiché l’attenuazione dei fotoni nel corpo umano
presentano due principali possibilità di “errore”
- amplificazione degli errori di ricostruzione
- creazione di “fantasmi” (false ricostruzioni)
occorre poter incrementare
• l’apertura angolare dei rivelatori
• l’efficienza di rivelazione
Ottimizzazione:(TOFPET)
Misurando il tempo di volo (time of flight)
si riesce a determinazione in modo più preciso
la posizione del punto di annichilazione
SPECT
Tomografia a
emissione
computerizzata
di singolo fotone
Permette di
creare una
mappa di
distribuzione
dei radioisotopi
Vantaggio: molti radioisotopi sono emettitori g
medicina nucleare: 99Tc, 123I, 133Xe, 201Te
Total body
I fotoni non collineari
non sono in coincidenza
e vengono assorbiti
Nel caso dell’esempio
ciascun rivelatore può
osservare un elemento
coincidente con gli 11
rivelatori opposti
si ha così una
molteplicità di coppie
di coincidenze possibili
SPECT trasversale
Rivelatore costituito da una gamma camera
ruotante
che produce
più
distribuzioni
a diversi
angoli
producendo
l’immagine
tomografica
131I:
e– 608 keV (g 364 keV)
t1/2 = 8.07 giorni
Visualizzazione
Immagini a differenti tonalità di grigio
forniscono delle
informazioni
quantitative
sulla
concentrazione
del particolare
tracciante
nell’organismo
fegato e milza
immagine “grezza” prima del
trattamento di elaborazione
SPECT verso PET
Vantaggi
- gamma camere di tipo tradizionale
- radioisotopi usati in medicina nucleare
Svantaggi
- collimatori Pb poco efficienti
(risoluzione spaziale 10-15 mm)
- attenuazione fotoni dipende dalla posizione
(non valutabile) del radioisotopo (30-50%)
- fotoni emessi causano processi secondari
per diffusione Compton (100-150 keV)
Risonanza magnetica nucleare (MRI)
Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione
di fotoni con energia E = h 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
Generalità
La NMR è una tecnica strumentale che consente
di conoscere proprietà a livello sub-molecolare di
materiali di varia natura,
tramite lo studio dell’interazione tra il materiale
in esame e un campo magnetico
in cui il materiale stesso viene immerso
La spettroscopia RMN si basa sull’interazione
nucleare fra il momento magnetico dei nuclei
e un campo magnetico statico esterno
Il fenomeno venne scoperto
da Felix Bloch e Edward Purcell nel 1946
vincitori del premio Nobel per la fisica nel 1952
Principio fisico
Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione
di fotoni con energia h da parte dei livelli
quantizzati esistenti negli atomi della materia
La maggior parte dei nuclei atomici possiedono
un momento magnetico 
= ghl
g momento giromagnetico
h costante di Plank
l momento della quantità di moto
Il protone possiede
 = (2.79 e Sz) / mp
con Sz =  ħ / 2
Materiali
In presenza di un campo
magnetico B0
i momenti magnetici dei
nuclei
si orientano in direzioni
che dipendono dal
numero quantico di spin
Spettroscopia
In assenza di campi magnetici esterni
l’energia dello stato fondamentale del nucleo
non dipende dall’orientamento nello spazio di 
Quando però nuclei o molecole si trovano in un
campo magnetico esterno B
si crea una differenza
di energia tra i nuclei
che hanno diversa
orientazione rispetto al
campo indotto B
Il protone dell’idrogeno H+ presenta due stati
Assorbimento
Se l’energia del fotone incidente è uguale alla
differenza di energia dei livelli energetici
si può avere un assorbimento in risonanza
L = g B / 2
con una medesima frequenza L
detta precessione di Larmor
Precessione
Il momento magnetico atomico 
precede intorno alla direzione di B0
con la frequenza di Larmor L
 = 2L = gB0
Se si inserisce un campo magnetico
a radiofrequenza (10 - 100 MHz)
con la stessa frequenza L
si esercita coerentemente una coppia meccanica
che fa variare l’angolo tra  e B0
Per il protone la frequenza di Larmor è 42.6 MHz
per ogni tesla (T) di campo magnetico
Descrizione RMN
In presenza di un campo
magnetico B esterno
il numero medio dei nuclei

in direzione di B
è maggiore di quelli diretti
in senso opposto
Si crea una così una
magnetizzazione macroscopica
longitudinale M
mentre la magnetizzazione
trasversale a B è invece nulla
a causa della fase casuale di precessione di 
Tomografia NMR
La tomografia usa campi magnetici da 0.5 a 1.5 T
Gradienti più alti: maggiore risoluzione (3T - 7T)!
Ricostruzione immagine
Un campione,
a forma di croce,
posto in un campo
magnetico B
costante
Aggiungendo un
gradiente di
campo
da sinistra a destra
nella stessa
direzione di B
La frequenza di risonanza
dei nuclei aumenta!
Immagini cliniche
Ponendo il materiale in una regione in cui B
varia in modo noto (mappa di campo!)
la frequenza di risonanza sarà differente da
punto a punto
nello spettro NMR è
quindi così codificata
l’informazione della
distribuzione dei nuclei
risonanti nello spazio
Si apprezzano anche le
nervature all’interno
della calotta cerebrale!
Apparato
Centro di risonanza magnetica a 3 T
dell’Università di Genova - IST
Schema tomografo
magnete
permanente
alimentatore
gradienti
generatore
forme d’onda
sorgente
principale
radio
frequenza
ricevitore a
radio
frequenza
bobine a
radiofrequenza
schermo radiazioni
elettromagnetiche
alimentatore
magnete
memoria
magnetica
(PACS)
elaboratore
elettronico
quadro di
comando e video
di controllo
alto campo magnetico!
Richieste tecniche
Principio “semplice” ma realizzazione complicata
• Magnete permanente, elettromagnete o magnete
superconduttore per produrre il campo esterno
statico (0.5-1.5 T) con un’uniformità di 1/108
• Solenoidi addizionali per generare gradienti di
campo di configurazione variabile e nota
• Bobine di scansione a radiofrequenza (60 MHz)
per creare il campo trasversale ricevere i segnali
di ritorno (specifici per i differenti materiali)
• Elaboratore elettronico per il controllo delle RF,
l’acquisizione e la raccolta (elaborazione) dei dati
Risoluzione altissima
Colonna
vertebrale
Ginocchio
Conclusioni
La medicina ha fatto veramente passi da
gigante negli ultimi 50 anni
Per gli apparati, le tecniche ed i metodi
utilizzati sta veramente diventando una
scienza medica
Occorrono competenze multidisciplinari ed i
fisici sono in prima linea nella ricerca
Trasferendo le loro scoperte e competenze,
che applicano giornalmente nella ricerca,
a favore di una migliore qualità della vita!
Grazie per l’attenzione!