LA FISICA MEDICA

1. LA FISICA MEDICA DIAGNOSTICA RADIOTERAPIA MEDICINA NUCLEARE • Terapia di neoplasie effettuata con radiazioni altamente energetiche. (X, g, elettroni, protoni) • acceleratori lineari • sincrotroni • roentgen terapia • Radiodiagnostica • convenzionale (RX) • Risonanza Magnetica • Ecografia Terapia o diagnostica con farmaci radioattivi

2. La MEDICINA NUCLEARE Specialità medica che prevede l’uso di Sostanze radioattive dette radiofarmaci in sorgente non sigillata somministrate a scopo • DIAGNOSTICO • scintigrafia • SPECT, PET • TERAPEUTICO • Terapia radiometabolica ECT

3. 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

4. + + + L’ ATOMO Protoni (p) e neutroni (n) (NUCLEONI) costituiscono il NUCLEO dell’atomo, attorno al nucleo sono disposti su differenti orbite gli elettroni (e) Z : NUMERO ATOMICO numero dei protoni e degli elettroni dell’atomo X X A: NUMERO DI MASSA numero dei protoni + neutroni presenti nell’atomo

5. 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

6. LA FORZA DI LEGAME NUCLEARE U(r) Energia potenziale in funzione della distanza di separazione nucleone-nucleone 0 0.5 1 1.5 r (fm) forza repulsiva forza attrattiva Raggio del nucleo10-15 m= 1fm

7. Per A  100, la repulsione coulombiana ( Z2 ) tende a prevalere sulla forza di legame nucleare l’energia di legame decresce ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE Energia di legame per nucleone (MeV) 8 0 50 100 Numero di massa A Regione di massima stabilità

8. 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

9. CURVA DI STABILITA’ DEL NUCLEO NEUTRONI n • Per Z>82 non esistono • nuclei stabili • I nuclei instabili • che si formano • “decadono” in altri nuclei N=Z 20 82 PROTONI p 3 POSSIBILITA’ di DECADIMENTO

10. per A molto elevati decadimento ALFA • XAZ XA-4Z-2 + He42 • per Z  N decadimento BETA • XAZ XAZ+1 + e-+  • XAZ XAZ-1 + e++  • nucleo in stato eccitato decadimento GAMMA • XAZ * XAZ+  PROCESSI DI DECADIMENTO

11. 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 Tempo t T1/2: tempo di dimezzamento

12. 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

13. 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)

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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 polmone In questo punto l’attenuazione sarà minore perché il fotone ha attraversato una struttura meno densa come il polmone

18. 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.

19. 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

20. 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: Un solo fotone PET: due fotoni emessi in direzione opposta

21. Fenomeno di annichilazione: e+ + e- 2 g 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.

22. 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 5 6 4 7 3 Rivelatore 8 2 P 9 Rivelatore 1 10 11 14 13 12

23. 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.

24. RIASSUMENDO: SCINTIGRAFIA: radionuclide g emittente Gamma-camera planare SPECT Single Photon Emission Computer Tomography: radionuclide g emittente Rivelatori circolari PET Positron Emission Computer Tomography: Radionuclide b+ emittente (2 fotoni coincidenti emessi) Rivelatori circolari per misurare la coincidenza Più lenta Più veloce Più veloce e più precisa

25. SCINTIGRAFIA statica: • Usata per studiare un organo nella sua morfologia • (es. individuazione di un tumore) • CARATTERISTICHE • Collimatori del rivelatore: calibrati con l’energia del g rivelato • 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. • Durata della rivelazione: è un compromesso tra un numero sufficientemente alto di conteggi e la possibilità di non far muovere il paziente • 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

26. SCINTIGRAFIA dinamica: • Usata per studiare un organo nella sua funzionalità • (es. funzionalità miocardica) • CARATTERISTICHE • Collimatori: calibrati con l’energia del g rivelato • 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. • Durata della rivelazione: è molto più breve. Si acquisiscono molti fotogrammi in un secondo, con un basso numero di conteggi. (tecnica multi gate) • In genere vengono utilizzate SPECT.

27. 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)

28. La MEDICINA NUCLEARE : TERAPIA RADIOMETABOLICA • Attività somministrata quale radiofarmaco • diffusibile o non diffusibile a scopo curativo o • palliativo: • terapie localicon 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

29. 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

30. 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

31. 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)

32. RADIOISOTOPI FREQUENTEMENTE USATI in Medicina Nucleare Diagnostica e Terapia DIAGNOSTICA RADIOISOTOPO TIPO DI ESAME • Iodio 131 (I 131) • Tecnezio 99m (Tc 99m) • Gallio 67 (Ga 67) Sc. tiroidea Sc. Tiroide, polmone, ossee Sc. polmonare TERAPIA RADIOISOTOPO TIPO DI ESAME • Iodio 131 (I 131) • Stronzio 89 (Sr 89) • Samario 153 (Sm 153) • Tecnezio 99m (Tc 99m) Ca tiroideio, iper-ipo tiroidismi Trattamento palliativo metastasi ossee Trattamento palliativo metastasi ossee Ca. cerebrale

33. 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.

34. 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