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Dalla Fisica alla Medicina:
alcune applicazioni
Flavio Marchetto
Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare -Torino
http://www.to.infn.it/~fmarchet/torgnon/fisica_medica_torgnon.ppt
13 Marzo 2013 1 flavio marchetto
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Alcuni campi che legano le
ricerche in Fisica alle
Applicazioni Mediche
• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)
• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)
• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni
• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio
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• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)
• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)
• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni
• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio
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Che cosa sono le radiazioni ionizzanti ?
bassa frequenza bassa energia alta frequenza alta energia
radiazioni ionizzanti
E = h n
~ 4.15 x 10-15
eV·s
frequenza
10 eV
Onde elettromagnetiche così come la luce visibile, ultravioletti, …
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Che cosa sono le radiazioni ionizzanti (continua) ?
Fanno parte di una grande famiglia che comprende onde (massa
nulla) e particelle (massive) Onde:
• Radio (100 MHz, l~3 m) 10-7 eV
• Telefonini (1.8 GHz, l~15 cm ) 10-5 eV
• Forni a micro-onde (2.45 GHz) 10-5 eV
• Stufa a irraggiamento (infrarossi) (l ~10 mm) 0.1 eV
• Luce visibile (blu: n ~7· 1014 s-1 e l = 450 nm) 3 eV
• Ultra-violetti 5 eV
• Raggi X 20 eV – 104 eV
• Raggi g > 104 eV
• elettroni
• protoni, etc…
radiazioni non
ionizzanti
ionizzanti
c = velocità della luce = l n
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Che cosa sono le radiazioni ionizzanti ? (continua)
1) raggi X e g: stessa forma di trasporto energia contraddistinte
soltanto dall’energia coinvolta X = basse energie (20 eV – 10 keV)
g = alte energie (> 10 keV)
2) elettrone (e)
3) protone (p)
4) muone (m)
...
particelle cariche
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In Fisica medica sono largamente impiegate sia per:
Diagnostica: radiografia, TAC (tomografia
assiale computerizzata), PET
Trattamenti radioterapeutici
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Le radiazioni NON ionizzanti sono invece caratterizzate da bassa
frequenza e di conseguenza bassa energia
telefonino ~ 1.8 GHz
forno a micronde ~2.45 GHz
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Ritorniamo alle radiazioni ionizzanti e in particolare cerchiamo di
capire quale sia il loro impatto sulla vita animale
Raggi X e raggi g (ma anche p, m, e) penetrano nella materia
perdono energia nell’attraversare la materia che…
qual’e’ il meccanismo principale con cui cedono energia?
cedono alla materia attraversata
perdono energia nell’attraversare la materia che…
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Schematizzazione dell’atomo:
• nucleo costituito da protoni e neutroni
• circondato da una nuvola elettronica
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proiettile
ione positivo
Meccanismo della ionizzazione
• il proiettile urta uno degli elettroni dell’ atomo cedendogli parte della sua
energia
• l’elettrone urtato e’staccato dall’atomo
• lo stato finale consiste del proiettile deviato, l’elettrone liberato e dell’atomo che
e’ ora uno ione
elettrone
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Effetti biologici della radiazione ionizzante
Attraverso la ionizzazione ed eccitazione delle molecole del tessuto
si provoca un danno cellulare:
danno diretto al DNA per rottura dei legami molecolari
danno indiretto con la ionizzazione delle molecole di H2O (65% del peso
corporeo) e produzione di radicali liberi H+ e OH- molto reattivi che
attaccano la cellula
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radiazione
prima dopo
rottura della doppia elica e conseguente morte della cellula
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Sommario
• Se la radiazione incidente ha abbastanza energia,
nell’attraversare la materia urta elettroni atomici e
conseguentemente ionizza gli atomi urtati
• Se la materia attraversata è una cellula allora il DNA può
essere danneggiato ( doppia elica rotta)
• Nella gran parte dei casi il DNA si autoripara
• oppure la cellula muore
• oppure (caso più pericoloso) avviene una mutazione
Conclusione: controllare, limitare e, in ultima
analisi, saper misurare la quantità di radiazione che
incide sul nostro corpo è di grande importanza
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• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)
• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)
• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni
• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio
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1. naturale: raggi cosmici, emissioni terrestri (rocce ) e
emissioni del cemento (casa)
2. artificiale : dovuta alle attivita’ umane essenzialmente legate
alla medicina
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Oltre alla radioattivita' naturale, si e' soggetti
alla radiazione dovuta alle 'attivita' umane':
radiografie;
TAC, PET; 3dmodel.mpg
trattamenti radioterapeutici;
emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione,
non in Italia).
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Unità di misura
Per la misura della quantità di radiazione che attraversa un corpo
si introduce la dose = energia E (rilasciata dalla radiazione nell
corpo di massa M) divisa per M
GIUSTIFICAZIONE INTUITIVA DELLA DEFINIZIONE
Una singola ionizzazione richiede un’energia media (33 eV) -> misurare l’energia rilasciata in
un oggetto di massa M fornisce indirettamente il numero di ionizzazioni
M
ED = Unità di dose: 1 Gray (Gy) = 1 Joule/kg
Dose equivalente ( per danno biologico) = Q · D
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Dose equivalente ( per danno biologico) = Q · D
ove Q dipende dal tipo di radiazione
Q = 1 per fotoni, elettroni, muoni
Q = 20 per neutroni lenti
etc…
Unità di dose equivalente = Sievert (Sv)
Per fotoni, elettroni -> 1 Sv = 1 Gy
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Dose totale annuale 2.2 mSv
87% naturale
13% artificiale
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Contributi delle diverse sorgenti di radiazioni ionizzanti
Naturale (87%) Artificiale (13%)
In media: 2.2 mSv/anno con variazione da 0.4 a 4
mSv/anno (con punte a 50 mSv/anno) a seconda
delle aree
Italia : 0.5 (Ao) – 2.1 (Na) mSv/anno
Esami medici: 0.28 mSv/anno
Rilascio Centrali Nucleari: 0.03 mSv/anno
Raggi cosmici: 0.30 mSv/anno
Terrestre: 0.40 mSv/anno
Interno(cibo): 0.38 mSv/anno
Radon : 0.80 mSv/anno
gas emesso da
muri, pavimenti
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Esempio di misura di radiazione
0,01
0,1
1
10
100
1000
01/0
5/8
6
01/0
5/8
7
01/0
5/8
8
01/0
5/8
9
01/0
5/9
0
01/0
5/9
1
01/0
5/9
2
01/0
5/9
3
01/0
5/9
4
01/0
5/9
5
01/0
5/9
6
01/0
5/9
7
01/0
5/9
8
01/0
5/9
9
01/0
5/0
0
01/0
5/0
1
01/0
5/0
2
Cs-137 (Bq/kg)
Dr. M.Magnoni – ARPA Ivrea
Il Cs137 nella carne bovina
piemontese
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Esempio di strumento per la misura della radioattività
Rivelatore di radiazione
Amplificatore
USB per connettere al PC
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Energia Energia
622 keV 1173 keV 1332 keV
Cs 137 Co 60
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• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)
• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)
• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni
• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio
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Alcuni cenni di diagnostica con
radiazioni ionizzanti
• Radiografia (raggi X)
•Tomografia assiale computerizzata (TAC)
•Positron emission tomography (PET)
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Radiografia
Radiografia al torace: Dose equivalente = 0.02 - 0.1 mSv (equivalente a
circa 2 mesi di radioattivita' naturale.)
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Tomografia assiale computerizzata (TAC)
TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 5-10 anni di
radioattivita' naturale.)
Ricostruzione tridimensionale della densità elettronica, dalla quale
si ricostruiscono gli organi anatomici
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e+
g
g 18F-FDG
e-
e+
Tomografia ad emissione di
positroni (PET) Mappa tridimensionale dei processi
funzionali degli organi anatomici
Si introduce un radioisotopo (18F) in uno
zucchero (FDG) che viene messo in circolo
nel sangue.
Dose tipica: 7 mSv
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PET a riposo
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PET durante l’ascolto di musica
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CT-PET eseguito contemporaneamente: lesione polmonare
prima
dell’associazione di
ambedue le
immagini
dopo
l’associazione
delle immagini
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Ricapitolando:
La radiazione ionizzante di natura artificiale e’
prevalentemente da associarsi a attivita’ mediche
Diagnostica
• Radiografie
•TAC
•PET
Trattamenti radioterapeutici
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• studio effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti)
• monitoraggio ambientale (radiazioni ionizzanti e non)
• mezzi per la diagnostica: TAC, PET, MRI, Ultra-suoni
• trattamento dei tumori: raggiX, protoni e ioni Carbonio
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Uso delle radiazioni per il trattamento
radioterapeutico
trattamento per i tumori:
tutte le cellule del bersaglio sono distrutte
dose somministrate da 50 Sv in su
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Terapia dei tumori con radiazioni
100 %dei pazienti
Trattamento disponibile
45 %
Trattamento non
disponibile
55 %
Trattamenti locali
(chirurgia,radioterapia)
40 %
Trattamenti globali
(chemioterapia, etc)
5 %
Soltanto
Chirurgia
22 %
Con radioterapia
18 %
40 % dei
pazienti
trattabili
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Come appare ….
collimatore
La testata inoltre puo’essere fatta ruotare attorno al paziente
Acceleratore = produce raggi X
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collimatore costituito da
(50+50) lamelle che
vengono retratte per
lasciare un buco con
forma uguale al tumore
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Per riassumere:
La strumentazione si puo’ schematizzare come segue:
generatore di
elettroni
lamina di Tungsteno
• in elettroni
• out fotoni
collimatore
tumore
paziente
misuratore quantita’
radiazione
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Esempio di collimatore lamellare
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Trattamenti radioterapeutici con particelle cariche
Particelle cariche: protoni, ioni (Carbonio,…)
Nel mondo qualche decina di centri
In Italia:
1) Catana a Catania per trattamento del melanoma
oculare (protoni)
2) CNAO a Pavia (protoni e ioni Carbonio)
3) Atrep a Trento in costruzione (protoni)
Tecnica: scanning.mpg
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CNAO - Pavia
Acceleratore sincrotrone del CNAO a Pavia
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Sistema di controllo dell’irraggiamento del paziente
(sviluppato presso l’Istituto di Fisica di Torino)
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Pellicola radiografica impressionata
dal fascio di protoni
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