Presentazione di PowerPoint

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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 squarcia_at_ge.infn.it
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Perché parlare di fisica applicata alla medicina?
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Aumento della vita media
Nelle nazioni sviluppate aumenta sempre più!
In Italia allinizio 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
  nellultimo secolo
• Popolazione quasi costante ma più anziana!

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Progressi della medicina

• Eliminando malattie cardiovascolari e tumori
  la speranza di vita arriverebbe a 120 anni!
• Maggiori conoscenze dellanatomia (struttura) e
  della fisiologia (operazionalità) delluomo
• 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

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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 dellinformatizzazione
e della analisi statistica (fisico quadratico
medio)
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Radiazioni
Pericolose ma molto conosciute e ben studiate
Hiroshima e Nagasaki Three Mile Island
Chernobil Fukushima
Può essere utilizzata sia direttamente in
radioterapia (vedi lezioni di Giuseppe
Battistoni) sia come visualizzatore allinterno
del corpo (medicina nucleare e diagnostica per
immagini)
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Diagnostica clinica
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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
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Radiografia
Immediati utilizzi clinici
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Radiografia moderna
La radiografia rimane la più comune ed economica
tra le macchine diagnostiche
Visti i vantaggi, ci si sta spostando sulla
radiografia digitale
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Sezioni corporee
L immagine radiologica è sempre
bidimensionale Per una visione tridimensionale occ
orre ricorrere a più proiezioni utilizzando
tre piani fondamentali di riferimento
sagittale, mediano, di simmetria
trasversale, assiale, orizzontale
frontale, coronale, (parallelo alla fronte)
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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
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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
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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
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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
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Tomografia assiale computerizzata
Serie di radiografie in sequenza
a spirale
La TAC (ovvero CT) è una
sonda intracorporea
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Funzionamento TAC
il fascio di raggi X ruotante esplora
Nella TAC
da differenti numerose angolazioni
la regione anatomica interessata
che è collocata al centro del ventaglio del
fascio
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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 lasse
  rotazione
• e i rivelatori ruotanti attorno allo
  stesso asse

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Moto a spirale
Necessità di un potente elaboratore elettronico
per poter elaborare i differenti segnali
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Apparato
sistema
elaborazione
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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
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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
emettendo due fotoni collimati di energia fissa
(511 keV) che possono essere rivelati
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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
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Radionuclidi
I radionuclidi sono isotopi emettenti e (che
vengono prodotti mediante ciclotroni) si
utilizzano di solito isotopi di elementi biologici
11C con t1/2 20.1 13N con t1/2 10.0
15O con t1/2 2.1 18F con t1/2 110 FGD
fluorodisossiglucosio analogo al glucosio
in cui è stato inserito del 18F (beta
emittente) che può essere metabolizzato
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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!)
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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 lanatomia e la fisiologia
tramite la loro possibile localizzazione
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Immagine
Visualizzazione dellattività cerebrale nelle
differenti zone del cervello Elaborazione e
visualizzazione con falsi colori permette una
migliore evidenziazione
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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!
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Sequenza 3D
Possibilità di avere più immagini in sequenza in
modo da ottenere una visione tridimensionale
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Tessuto attraversato
Nella PET è possibile eseguire una precisa
correzione dellattenuazione dei fotoni nei
tessuti
I due fotoni in coincidenza attraversano
complessivamente lintero spessore delloggetto
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Attenuazione
Fattore di trasmissione P?1 e P?2
P?1 ? e?x
P?2 ? e?(Lx)
Fattore di trasmissione delle coppie di fotoni ?1
?2
P?1 ?2 P?1 P?2 ? e?x e?(Lx)
P?1 ?2 ? e?L
coefficiente attenuazione lineare ?
diametro del bersaglio L
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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
limmagine 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 dellimmagine
ricostruita)
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Fotoni rivelati

• I fotoni rivelati sono solo una piccola frazione
  perché
• i radionuclidi si diffondono in tutto il corpo
• lapertura angolare dei rivelatori consente di
  accettare solo una piccola frazione dei fotoni
• e occorre considerare
• lattenuazione dei fotoni in materiale
  biologico
• lefficienza di rivelazione del rivelatore
• Viene visualizzato solo l1-2 dei decadimenti
• dei radionuclidi concentrati nellorgano in esame
• Come per poter riuscire a scattare le foto di
  notte
• aprire al massimo lobiettivo
• usare lunghi tempi di esposizione (sfuocamento)

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Materiale biologico

• Poiché lattenuazione dei fotoni nel corpo umano
  presentano due principali possibilità di errore
• amplificazione degli errori di ricostruzione
• creazione di fantasmi (false ricostruzioni)
• occorre poter incrementare
• lapertura angolare dei rivelatori
• lefficienza 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

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SPECT
Tomografia a emissione computerizzata di singolo
fotone
Permette di creare una mappa di distribuzione dei
radioisotopi
Vantaggio molti radioisotopi sono emettitori ?
medicina nucleare 99Tc, 123I, 133Xe, 201Te
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Total body
I fotoni non collineari non sono in coincidenza e
vengono assorbiti
Nel caso dellesempio ciascun rivelatore può
osservare un elemento coincidente con gli 11
rivelatori opposti
si ha così una molteplicità di coppie di
coincidenze possibili
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SPECT trasversale
Rivelatore costituito da una gamma camera ruotante
che produce più distribuzioni a diversi
angoli producendo limmagine tomografica
131I e 608 keV (? 364 keV) t1/2 8.07
giorni
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Visualizzazione
Immagini a differenti tonalità di grigio
forniscono delle informazioni quantitative sulla
concentrazione del particolare tracciante
nellorganismo
fegato e milza
immagine grezza prima del trattamento di
elaborazione
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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)
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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 allinterno
della calotta cerebrale
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Generalità
La NMR è una tecnica strumentale che consente di
conoscere proprietà a livello sub-molecolare di
materiali di varia natura, tramite lo studio
dellinterazione tra il materiale in
esame e un campo magnetico in cui il materiale
stesso viene immerso La spettroscopia RMN si basa
sullinterazione 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
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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 ?
? ? h l

• momento giromagnetico
• h costante di Plank
• l momento della quantità di moto

Il protone possiede
? (2.79 e Sz) / mp
con Sz ? h / 2
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Materiali
In presenza di un campo magnetico B0 i momenti
magnetici dei nuclei si orientano in direzioni
che dipendono dal numero quantico di spin
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Spettroscopia
In assenza di campi magnetici esterni
lenergia dello stato fondamentale del nucleo
non dipende dallorientamento 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 dellidrogeno H presenta due stati
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Assorbimento
Se lenergia del fotone incidente è uguale alla
differenza di energia dei livelli energetici
si può avere un assorbimento in risonanza
?L ? B / 2?
con una medesima frequenza ?L detta precessione
di Larmor
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Precessione
Il momento magnetico atomico ? precede intorno
alla direzione di B0 con la frequenza di Larmor
?L
? 2??L ?B0
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 langolo tra ? e B0
Per il protone la frequenza di Larmor è 42.6 MHz
per ogni tesla (T) di campo magnetico
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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 ?
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Tomografia NMR
La tomografia usa campi magnetici da 0.5 a 1.5 T
Gradienti più alti maggiore risoluzione (3T -
7T)!
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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!
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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
linformazione della distribuzione dei nuclei
risonanti nello spazio Si apprezzano anche le
nervature allinterno della calotta cerebrale!
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Apparato
Centro di risonanza magnetica a 3 T
dellUniversità di Genova - IST
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Schema tomografo
alimentatore gradienti
generatore forme donda
memoria magnetica (PACS)
sorgente principale radio frequenza
elaboratore elettronico
ricevitore a radio frequenza
quadro di comando e video di controllo
alimentatore magnete
alto campo magnetico!
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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 ununiformità 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, lacquisizione e la raccolta (elaborazione)
  dei dati

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Risoluzione altissima
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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!
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Grazie per lattenzione!