Fisica e Medicina
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Fisica e Medicina - Introduzione
I progressi tecnologici in Fisica trovano un diretto
spin-off in molti campi di applicazioni, tra questo
il più importante è quello medico
La medicina si avvale sempre piu spesso dei
progressi della Fisica moderna e, in
particolare, degli sviluppi della
strumentazione utilizzata per applicazioni a
scopo sia diagnostico che terapeutico
Fisica e Medicina - Introduzione
Nel Passato:
prima taglia e poi
guarda
Nel Presente:
prima guarda e
poi taglia
Radiologia
Tecnica diagnostica basata sulla acquisizione di
immagini in trasmissione
Rivelazione di raggi X emessi da una sorgente
esterna dopo che hanno attraversano i tessuti in
esame
Introdotta da Röentgen nel 1895 che
utilizzò per la prima volta, nei sui
esperimenti, la proprietà di
penetrazione dei raggi X per “vedere”
le ossa di una mano
Radiologia
Raggi X
Tubo radiogeno
Raggi X
Lastra fotografica
L'immagine generata sulla lastra è modulata dalle
caratteristiche di assorbimento dei tessuti
attraversati manifestandone, quindi,
le differenze di densità
Strumenti per la Radiologia
Il fascio di raggi X è
assorbito nel corpo umano
I ( E ) = I 0 ( E ) ⋅ e − μ ( E )⋅d
Lastra=alogenuro di argento in gelatina+supporto rigido
 I raggi X rilasciano energia nella lastra provocando l’emissione di
elettroni
 Gli elettroni sono intrappolati nei “centri sensibili”
dell’emulsione (gelatina con microcristalli di alogenuro d’argento)
 Gli elettroni intrappolati attraggono e neutralizzano gli ioni
mobili di Ag+ J Immagine latente
 Nella soluzione di sviluppo altro argento si deposita nei centri
sensibiliJ l’immagine latente funziona da catalizzatore
Il grado di oscuramento di una regione della lastra dipende
dalla quantità di argento libero depositato nella zona
interessata e quindi dal numero di raggi X lì assorbiti
Radiologia
Informazioni puramente morfologiche
Ottima tecnica diagnostica per osservazione di
tessuti con proprietà di assorbimento diverse tra
loro (radiologia ossea), più delicata la
visualizzazione di tessuti molli (mammografia)
Radiologia Digitale
Radiologia Digitale
L’utilizzo di rivelatori digitali permette di:
9 Ottimizzare i diversi passi dell’acquisizione, del
processamento e della visuallizzazione dell’immagine
separatamente
9 Semplificare l’archiviazione e la reperibilità delle
immagini
9 Trattare le immagini con algoritmi dedicati alla
rivelazione automatica di anomalie – Computer Assisted
Diagnosis
Immagini oggettive
Radiologia Digitale
Lastra fotografica
tradizionale + Scanner laser
ad alta risoluzione
Rivelatore digitale:
· Sistema di
memorizzazione con schermi
di fosfori fotostimolabili
· Flat Panel
· Rivelatori ibridi a pixel
Radiologia Digitale – Storage Phosphor
• Raggi X assorbiti da fosfori
fotostimolabili come il BaFBr
• L’energia conservata sottoforma di
elettroni intrappolati dal reticolo
cristallino
• il fosforo, esposto a un fascio laser,
riemette l’energia nel range del visibile
• Luce rivelata con un fotomoltiplicatore
Risoluzione spaziale limitata dalla qualità della
luce del fascio laser e dalla qualità della luce
rilasciata che a sua volta dipende dallo spessore
del fosforo e dalla potenza del laser
Radiologia Digitale – Flat Panel
Cattura diretta:
• Raggi X assorbiti da materiale
fotoconduttore dove producono
coppie e-h
• Le coppie sono separate da un
campo elettrico esterno e
dirette verso superfici cariche
Sono disponibili flat
panel per
mammografia con
pixel di 50 - 100 μmC
• Le superfici cariche sono Thin
Film Transistor array dove il
segnale elettrico è amplificato e
raccolto
Cattura indiretta:
• Un materiale scintillante
converte i raggi X in luce visibile
prima di arrivare al materiale
fotoconduttore
Radiologia Digitale – Medipix
Rivelatore a
semiconduttore
Chip per la lettura
del segnale
• Area attiva 1.2 cm2
• Matrice con 64×64 pixel
• Pixel quadrati di 0.17 mm di lato
Risoluzione submillimetrica
Chip ottimizzato per applicazioni in diagnostica
medica ma sviluppato sull’idea di un chip realizzato
per la Fisica delle Alte Energie
Progetti CAD dell’INFN
Per la mammografia
CALMA - Computer Assisted Library in Mammography
Lastre fotografiche scannerrizzate e archiviate in un PC
Software “ROIHunter” per la ricerca di lesioni e microcalcificazioni mammarie
Archivio più grande d’Europa, contenente più di 5000
immagini
GPCALMA - GRID Project for CALMA
Per archiviare le immagini nel luogo di acquisizone
ma con libero accesso all’intero database europeo
TAC
Tomografia Assiale Computerizzata
Esame radiologico. Raggi X emessi da
un’apparecchiatura computerizzata che ruota
intorno al paziente.
Immagini in sezione trasversale dell'organo.
Il paziente sdraiato su un lettino che viene inserito
all'interno di un grande anello (profondo circa 50 cm e
largo circa 70 cm) dotato di un tubo radiogeno
Il tubo radiogeno e il rivelatore eseguono uno scan
ruotando attorno al corpo del paziente
TAC
Rivelatori a stato solido Ä elevata efficienza
di rivelazione e breve tempo di risposta
Rivelatori a gas Ä gas (xenon) pressurizzati a
25 atm per aumentare l’efficienza di
rivelazione
PICKER
SIEMENS
RMN
Risonanza Magnetica Nucleare
In uso dal 1980, la RMN sfrutta la proprietà di un campo
magnetico d'elevata intensità per mettere in precessione i
nuclei delle molecole d’acqua presenti nel corpo del paziente
9 Immagini dettagliate di piani orientati in qualsiasi modo
nello spazio (trasversale, sagittale e frontale)
9 Tecnica diagnostica che non utilizza radiazione ionizzante
riducendo i rischi per il paziente
FORTE CAMPO
ELETTRICO
Frequenza
più alta
DEBOLE CAMPO
ELETTRICO
SLICE
Frequenza
più bassa
RMN
Risonanza Magnetica Nucleare
Il campo magnetico induce una temporanea
alterazione dei protoni delle molecole
d’acqua del corpo. Tale alterazione produce
alcuni segnali che l'apparecchiatura
computerizzata capta e poi elabora
trsformandoli in immagini
In alcuni casi è necessario condurre l'esame
con l'ausilio di un mezzo di contrasto. In
quest'eventualità, viene effettuata
un'iniezione endovenosa contenente una
sostanza paramagnetica, il gadolinio
Ecografia
Tecnica diagnostica che utilizza onde
acustiche ad alta frequenza (ultrasuoni).
Le onde, inviate da una sonda all'organo
da esaminare, sono in parte riflesse
creando echi (onde di ritorno) che sono
trasformati in segnali elettronici e quindi
in immagini sul monitor dell'ecografo.
Esame densiometrico
Le sonde possono essere di vari tipi, con frequenze diverse
Frequenze più basse per lo studio di organi in profondità (reni,
ovaie, aorta addominale), frequenze più alte per lo studio di
organi superficiali (mammella, muscoli e tiroide)
Ecografia
La posizione di una superficie che
produce un eco è rappresentata in
due dimensioni (x-y) su uno schermo
video. L’ampiezza di ciascuna onda di
eco è riprodotta da un opportuno
valore di luminosità nel punto xy dello
schermo.
Modalità B (=“Brightness”):
maggiore ampiezza dell’eco
¼ maggiore luminosità
Scintigrafia
Al paziente è somministrato un radiofarmaco che tende a concentrarsi nella zona
malata. L’emissione gamma proveniente dal tracciante radioattivo presente nel
radiofarmaco viene raccolta su un rivelatore
Informazioni funzionali del tessuto in esame
Per la diagnosi tumorale di alcuni organi e del tessuto osseo, e per esaminare la
circolazione sanguigna periferica (arterie e vene) e centrale (cuore).
Strumenti per la Scintigrafia
Rivelatori a scintillazione
(sviluppati in fisica delle particelle e ora largamente utilizzati in molti campi)
L’idea base è di utilizzare un materiale che emetta luce quando investito da
radiazione ionizzante (per questo detto scintillatore) accoppiato con un
rivelatore di luce che trasformi il segnale luminoso in segnale elettrico
Materiale Scintillante + Rivelatore di luce (PMT) = Scintillatore
Scintillatore
inorganico
Lento ma con elevata
produzione di luce ed
elevato potere frenante
Strumenti per la Scintigrafia
Rivelatori a scintillazione
Materiale Scintillante + Rivelatore di luce (PMT) = Scintillatore
Radiazione ionizzante
Cristallo
scintillante
Fotomoltiplicatore
Guida di
luce
Fotocatodo
Dinodi
Strumenti per la Scintigrafia
I radiofarmaci
Farmaco + Emettitore gamma (99mTc) = Radiofarmaco
I radiofarmaci sono sostanze chimiche che interagiscono
specificatamente con il sistema biologico.
Contengono un nuclide radioattivo emittente gamma che consente di
seguirne il percorso biologico per mezzo di idonei rivelatori esterni.
È possibile costruire una serie di immagini, raccolte in tempi
successivi, che individua la distribuzione del radiofarmaco nel corpo e
ne evidenzia il progredire del metabolismo.
Indicazioni, non solo morfologiche di organi e apparati, ma soprattutto
informazioni sulla loro funzionalità.
Scintigrafia - Anger Camera
Anger Camera (1956)
Collimatore, cristallo di NaI:Tl
(diametro fino a 0.5 m), guida di
luce e 91PMT
91 PMT
Il segnale elettrico è
raccolto in ragione della
geometria di arrivo dei
fotoni gamma
NaI:Tl
940000 γ/MeV
9Massimo di emissione a
410 nm
9 Densità 3.67 g/cm3
Molta luce!!!
Posso ridurre la
dose di radiazione
Scintigrafia - Anger Camera
x +,
Le ampliezze dei segnali
dipendono dalla posizione dell’evento
di scintillazione Psc
x+ − x−
x=k
z
x-,
y+,
y-
Anger Camera (1956)
y+ − y−
y=k
z
z = x+ + x− + y+ + y−
È possibile ricostruire la posizione
dell’evento di scintillazione e quindi si
può risalire alla posizione
dell’emissione di radiazione dal
radiofarmaco nel corpo umano
Scintigrafia paratiroidea
di un uomo di 56 anni
Scintimammografia
Tecnica diagnostica di secondo livello per casi di:
œ Tessuto denso della mammella (presente nel 25% delle donne)
œ Donne già sottoposte ad interventi al seno (biopsia o
mastoplastica)
Tecnica diagnostica ad alta specificità
Lo sviluppo di questa tecnica permetterebbe la
riduzione del numero di biopsie
Attualmente limitata dalle performance dei rivelatori utilizzati non
ottimizzati per tale applicazione
Sono necessari rivelatori con dimensioni minori e con maggiore risoluzione
spaziale per aumentare la precocità della diagnosi
Scintimmammografici ad alta risoluzione
Anger Camera: cristallo di NaI:Tl accoppiato a 91 PMT
Sviluppo e applicazione
nuovi cristalli
Yap:Ce (14×7×7 mm3)
nuovi fotorivelatori
PSPMT
Risoluzione spaziale 0.6 - 0.9 mm
Yap:Ce pixel array
PSPMT
(10×10×1 cm3)
Risoluzione spaziale 2 - 2.7 mm
CsI:Tl pixel array
(3×3 mm2; 50×50 mm2)
PSPMT
Risoluzione spaziale < 3 mm
Scintimmammografici ad alta risoluzione
Anger Camera
SPEM
Due lesioni rivelate
Tre lesioni rivelate
Scintigrafia - PET
Positron Emission Tomography
Strumento simile alla TAC ma in questo caso la
l’esame diagnostico si bassa sulla rivelazione di
radiazione “in emissione”
Tecnica Scintigrafica
Al paziente si somministra un radiofarmaco
marcato con una sostanza radioattiva che
emette positroni ( = elettroni ma con
carica positiva)
La tecnica diagnostica si basa sulla
rivelazione, in coincidenza, di due fotoni di
(511keV) prodotti dall’annichilazione di
positrone con un elettrone del corpo.
Scintigrafia - PET
Positron Emission Tomography
Applicazioni in neurologia, cardiologia, oncologia
Rivelatore a scintillazione: cristallo di BGO
accoppiato a PMT
BGO
9 Elevata densità ed elevato numero atomico del
bismuto Ä ottima efficienza di assorbimento per
fotoni di alta energia (511 keV)
9 Breve tempo di decadimento Ä ottimale per
applicazioni con alti rate di conteggio
9 Bassa produzione di luce Ä non adatto per
applicazioni di conteggio di singolo fotone
SPET per piccoli animali
Single Photon Emission Tomography
YAP-Camera ad alta risoluzione spaziale
(circa 1 mm):
Matrice di cristalli di YAP letta da
fotomoltiplicatori sensibili alla posizione
(PSPMT)
YAP
9 Densità pari a 5.5 g/cm3
Minore denisità del
BGO ma maggiore
produzione di luce
9Breve tempo di decadimento Ä ottimale
per applicazioni con alti rate di conteggio
9 Produzione di luce pari al 50 % dell’NaI:Tl
9 Non igroscopico Ä non necessita
incapsulamento
SPET per piccoli animali
Anger Camera
Le immagini sono ottenute
attraverso collimatori di
piombo a fori paralleli e
coprono un'area di 50x50 mm2
Sorgente 99mTc
YAP Camera
Anger Camera
Farmacologia
Studio di radioterapia metabolica in vivo del
188Re via imaging di piccoli animali
99mTc
188Re
4 cm
Il 188Re è un β (Emax = 2.11 MeV) e un γ (155 keV) emettitore.
Simile al 99mTc può essere accoppiato all’acido ialuronico (HA), che lo
trasporta attraverso il corpo in siti specifici come il fegato.
Si sta studiando il 188Re come alternativa al 99mTc.
Diagnostica integrata
Scopo: combinare due sistemi per avere buona
risoluzione spaziale e acquisire
informazioni funzionali
Problemi: Õ Allineamento
Õ Tempo per l’analisi
Õ Locazione dell’apparato
Diagnostica integrata
CT-PET
Diagnostica integrata
Progetto INFN: la Twin Head Camera
Boroterapia
Progetto TAOrMINA
Trattamento Avanzato di Organi Mediante Irraggiamento
Neutronico ed Autotrapianto
9 OBIETTIVO: Un originale trattamento degli organi umani
esiantabili che presentano l’incurabile patologia di diffuse
metastasi cancerose
9 TECNICA: Irradiazione, con neutroni termici,
dell’organo espiantato dopo l’arricchimento dei relativi
tessuti con 10B. Infusione di 10BPA-Fruttosio con dose da
250 a 400 mg/Kg di peso corporeo
9 CURA DELLE METASTASI DE FEGATO: Come primo caso
la ricerca è dedicata alla cura delle metastasi epatiche
diffuse multifocali
Boroterapia
Progetto TAOrMINA
• Espianto del fegato
• Iniezione della sostanza
veicolante nel fegato
• Fegato sottoposto alla
terapia per cattura
neutronica
• Re-impianto del fegato
Conclusioni
Le tecniche diagnostiche e terapeutiche
illustrate hanno dimostrato come la ricerca
di base in Fisica rappresenti un sostanziale
aiuto alla medicina
sia per la diretta ricaduta
tecnologica degli strumenti
utilizzati in Fisica, sia per lo
sviluppo di nuove metodologie
di ricerca