Date post: | 02-May-2015 |
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La fisica nella medicina
Carlo CivininiINFN – Firenze
C. Civinini INFN-Firenze 2
Avrei preferito parlavi della fisica nella musica…
• … ma le applicazioni della fisica nella vita di tutti i giorni sono numerose, molto di più di quello che si pensa
• La medicina si basa moltissimo sulla biologia, sulla chimica, sulla farmaceutica, ma la fisica non ne è esclusa
• Principalmente la fisica si occupa di diagnostica, ma anche di terapia
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Diagnostica
Lo conoscete?
Si chiama Wilhelm Conrad RoentgenNel 1895 fa una scoperta, praticamente per caso
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Una scoperta quasi per caso…
• Come: Wilhelm lavorava con un tubo a raggi catodici (quella cosa che abbiamo, o meglio avevamo in tutte le case e che si chiama TV)
• Quando: 8 Novembre 1895• Cosa: scopre una cosa che nessuno prima di
lui aveva mai visto
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Tubo catodico
• Ma come funziona un tubo catodico?Vuoto (quasi)
Vetro a tenuta
HV+ -
anodo catodo
…qualcosa scorre
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Raggi catodici
• La ‘cosa che scorre’ si può quasi vedere• Fa muovere una piccola ruota• Illumina uno schermo• Si può curvare usando una calamita
• Insomma è una forma di materia: gli elettroni
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Raggi catodici
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Raggi catodici
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Raggi catodici
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Il tubo catodico di Roentgen
Questo è un tubo catodico con l’anodo piegato09/05/2012
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Raggi X
• Roentgen fu incuriosito da una luminescenza che scaturiva da uno schermo
• Vide una lettera A brillare nell’oscurità del laboratorio quando il tubo era acceso anche se schermato da un foglio di carta nera
• Cercò di capire meglio: dal tubo veniva emesso un qualcosa che penetrava la carta ed eccitava la sostanza chimica con la quale era stata scritta la A
• Passò la mano davanti al foglio e vide…
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Raggi X
C’è da restare senza parole
Questa non è la mano di Roentgen ma quella di Anna-Berthe, la moglie,che tenne ferma la mano su una lastra fotografica per 15 minuti il 22 Dicembre 1895
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Radiografia• Sì, perché non solo Roentgen scopre che questi raggi
misteriosi penetrano il corpo umano, ma che una semplicissima lastra fotografica ne rimane impressionata e quindi si possono facilmente usare per indagare l’interno di un corpo umano senza ricorrere al bisturi
• Pubblica la scoperta su una rivista scientifica, senza nessuna foto
• Allo stesso tempo invia una quarantina di lettere ai maggiori esperti europei, una di queste, con alcune foto, capita tra le mani di un direttore di giornale, “Die Presse” di Vienna
• Il 5 Gennaio del 1896 Die Presse pubblica un articolo sull’argomento e si ‘scatena l’inferno’…
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Come si producono i Raggi X
Vuoto (quasi)
Vetro a tenuta
HV+ -
anodo catodo
…qualcosa scorre
Placchetta di metallo posta a 45o
Ra
gg i X
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Applicazioni dei Raggi X• Sono molto semplici da produrre: una palla di vetro soffiato e
una bobina per produrre l’alta tensione• Attraversano il corpo ma sono diversamente assorbiti dalla
materia che lo compone quindi le ossa e gli organi interni vengono messi in evidenza
• Insomma già alla fine del 1896, solo un anno dopo la scoperta, ci sono centinaia di tubi per Raggi X negli ospedali
• Roentgen non vuole brevettare la sua scoperta, è una manifestazione anche se misteriosa della natura e non pensa sia giusto appropriarsene; non vuole neppure che i raggi portino il suo nome
• Roentgen è stato il primo a ricevere il premio Nobel per la fisica (1901)
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Ma cosa sono i Raggi X?
• Sono prodotti dall’urto dei raggi catodici, che adesso sappiamo essere elettroni, con un bersaglio
• Nell’urto gli elettroni vengono bruscamente frenati e subiscono un processo dal nome un po’ incomprensibile: bremsstrahlung (si capisce che questa materia l’hanno studiata principalmente in Germania)
• Ma una particella carica come l’elettrone, se subisce una brusca accelerazione è obbligata dalle leggi della natura (elettromagnetismo) ad emettere una radiazione (elettromagnetica, appunto)
• Questa radiazione non è per niente misteriosa è solo luce
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Ma cosa sono i Raggi X?
• Ma la radiazione elettromagnetica ha tantissime ‘incarnazioni’– Onde radio– Raggi infrarossi– Luce visibile– Raggi ultravioletti– Raggi X– Raggi g
• L’unica differenza risiede nella lunghezza d’onda della radiazione
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Ma cosa sono i Raggi X?
Radiazione con lunghezza d’onda molto piccola è composta da ‘fotoni’ ad altissima energia: si tratta dei raggi X oppure dei raggi g09/05/2012
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La storia completa…
Ai raggi X prodotti per ‘frenamento’ si Sovraimpongono altri raggi X.Questi portano informazioni moltoimportanti sulla struttura degliAtomi.Ma questa è un’altra storia
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Come si cattura una immagine X?
• Semplice: con una lastra fotografica• Ma da qualche anno esistono oggetti nominati
‘calcolatori’ che amano gestire informazioni (e le ‘immagini’ informano e come)
• Certo le immagini non possono essere semplicemente delle lastre fotografiche occorre parlare il linguaggio dei calcolatori ed interagire con loro tramite immagini ‘digitali’
• Ogni quadratino di una immagine (pixel) viene convertito in un numero a seconda del suo colore o della sua ‘scala di grigi’
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Come si cattura una immagine X?
• Si può prendere una lastra fotografica e ‘scannerizzarla’ per ottenere una immagine radiografica in termini digitali
• Oppure si può creare fin dall’inizio una immagine digitale eliminando la necessità di avere una lastra fotografica
• Questo lo si ottiene tramite ‘rivelatori’ di Raggi X che ‘contano’ i raggi X che arrivano in una certa zona (pixel) ed associano a quel pixel un numero proporzionale ai raggi X che lo hanno investito
• Facendo il cammino inverso: dal numero di raggi X si passa ad una tonalità di grigio che riproduce l’immagine
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Immagini digitali
Facciamo uno zoom
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L’immagine è composta da pixel ognuno dei quali rappresenta un colore che indica il numero di raggi X e quindi il materiale attraversato dai raggi:nero nessun assorbimentobianco assorbimento totale
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Come sostituire la lastra fotografica
Rivelatore X
Elettronica perleggere il rivelatoree trasferire i dati ad un PC
Stesso principio di funzionamento delle fotocamere digitali
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Come funziona una TAC?
• Prima di tutto cosa significa TAC?• Tomografia Assiale Computerizzata
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TAC
• Ogni ‘fettina’ del corpo umano viene visualizzata permettendo di ricostruire una immagine 3D
• Una radiografia è una proiezione quindi una immagine 2D, come si può ottenere una immagine 3D a partire da questa?
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TAC
Si prendono radiografie da varie direzioni (molte centinaia) ognuna di queste rappresenta il paziente visto da un punto diversoCombinandole insieme si ottiene l’immagine tridimensionale
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TAC
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Immagine TAC
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Altri tipi di tomografia
• Risonanza Magnetica Nucleare– Non ci sono radiazioni X– Solo un forte magnete e micro onde (quelle del
fornetto di casa, anche loro radiazione elettromagnetica però a lunghezza d’onda molto grande)
• Tomografia ad emissione di positroni– Antimateria
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RM(N)
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Immagine RM
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PET
• Si usa l’antimateria per realizzare delle immagini cliniche
• E’ estremamente importante quando si vuol visualizzare non solo degli organi (morfologia) ma il loro funzionamento (fisiologia)
• Si inietta nel paziente una soluzione di acqua e zucchero, dove però lo zucchero ha alcuni atomi sostituiti con atomi radioattivi
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TAC
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PET
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PET
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Radioterapia• Raggi X ed altri tipi di radiazioni possono essere usati
non solo per ottenere delle immagini del corpo umano ma anche per curare certe malattie
• Le radiazioni ionizzanti quando interagiscono con una cellula possono creare dei danni che possono portare alla morte della cellula
• “Possono” soltanto? Sì, il DNA in molti casi si aggiusta da solo
• Quindi le radiazioni sono nocive, ma questo fatto può essere volto in positivo per eliminare le cellule tumorali senza ricorrere alla chirurgia
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Danneggiamento di una cellula
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Radioterapia con fotoni
• Si illumina la zona che contiene il tumore con un fascio di raggi X
• I raggi X che colpiscono le cellule del tumore le danneggiano e quindi queste vengono eliminate dall’organismo
• Purtroppo i raggi X colpiscono anche cellule sane, si deve quindi cercare di irraggiare solo la zona dove si trova il tumore
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Radioterapia
Acceleratore per produrre raggi X09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze
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Radioterapia
Si cerca di raggiungere il bersaglio da vari angoli per ridurre il danno ai tessuti sani09/05/2012
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Proton-terapia
• L’ideale sarebbe trovare delle radiazioni che si fermano dove si vuole noi, rilasciando lì tutta l’energia danneggiando il meno possibile i tessuti sani
• Queste particelle sono i ‘protoni’• Quando stanno per fermarsi i protoni
‘scaricano’ tutta la loro energia in un piccolo spazio, un po’ come un’auto che sbatte contro un muro
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Proton-terapia
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Come si producono i protoni?• Semplice, basta prenderli dall’acqua• Però devono essere accelerati fino ad una
grande energia e quindi occorrono macchine che lo facciano: gli acceleratori
• Un acceleratore ce lo abbiamo (avevamo) tutti in casa: anche questo si chiama TV
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Acceleratori per Protoni
Ciclotrone
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Acceleratori per Protoni
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Acceleratori per Protoni
Sincrotrone09/05/2012 C. Civinini INFN-Firenze
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LHC
27 Km di circonferenzama viene usato per altri scopi
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Come si colpisce?
• Sembra una domanda alla quale si può rispondere semplicemente: basta fare una TAC ed individuare il tumore e dirigere lì il fascio di protoni
• Non è però così semplice: la TAC usa i raggi X per ‘vedere’ all’interno del corpo umano, qui si usano i protoni per irraggiare
• Raggi X e protoni NON sono la stessa cosa e ‘vedono’ la materia che attraversano in modo diverso
• Si possono correggere le immagini TAC per adattarle ai protoni, ma si commette un piccolo errore che impedisce di individuare con precisione un tumore
• L’idea per evitare questo problema è di usare i protoni stessi per realizzare immagini tomografiche del corpo umano
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TAC a protoni
ProtoneStrumenti per vedere dove è passato il protone
Strumento per Misurare l’energia del protone
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Apparato per tomografiaa protoni completo
Calorimeter
Tracker: 4 x-y planes
Beam
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Prima radiografia con protoni
Cos’è?
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