S. I. S. 2005 / 06 Laboratorio di Fisica Nucleare LA MEDICINA NUCLEARE Isabella Lusardi

1. S. I. S. 2005 / 06 Laboratorio di Fisica Nucleare LA MEDICINA NUCLEARE Isabella Lusardi Maria Grazia Sereno

2. Contesto: V anno di Liceo Scientifico o Istituto Tecnico • Prerequisiti: • Radioattività: isotopi, radiazioni, assorbimento delle radiazioni, decadimento, emivita, energia dei fotoni in eV; • Il modello dell’atomo di Bohr: livelli di energia degli elettroni, energia dei fotoni.

3. LA NASCITA DELLA RADIOTERAPIA • La scoperta dei raggi X nel 1895 per merito di W.C. Roentgen • La scoperta della radioattività naturale nel 1896 a cura di Becquerel (1896) di Marie e Pierre Curie (1898)

4. Primi anni ’50: in Svizzera la nascita della prima macchina acceleratrice di elettroni su un’orbita circolare con energia di 31 MeV per uso radioterapico, installata a Zurigo e ad Oslo e successivamente, negli anni 60, in Italia (Firenze, Milano e Roma).

5. Oggi, mediante l’ausilio dell’informatica, la radioterapia con i raggi X di alta energia può eseguire trattamenti in modo: • conformazionale: distribuzione della dose conformemente al volume tridimensionale da irradiare; • con tecnica stereotassica: irradiazione di un piccolo volume cerebrale attraverso archi multipli; • intraoperatoria: successivamente alla rimozione chirurgica del tumore, la zona viene irradiata direttamente sul letto operatorio.

6. COS’E LA MEDICINA NUCLEARE • La medicina nucleare, nata nei primi anni '30 con l'uso dei radionuclidi per studi di fisiologia, ha sviluppato numerose metodiche correntemente utilizzate: • in diagnostica • in terapia • nella ricerca scientifica

7. LE SORGENTI DI RADIAZIONI IONIZZANTI • Le radiazioni si dividono in due gruppi: • radiazioni direttamente ionizzanti, composte da particelle cariche (ione , elettroni, positroni) che perdono la loro energia ionizzando gli atomi e le molecole della materia; • radiazioni indirettamente ionizzanti, composte da particelle neutre e fotoni che cedono tutta o parte della propria energia a particelle secondarie direttamente ionizzanti.

8. LE SORGENTI NATURALI DI RADIAZIONI IONIZZANTI • All’interno della radioattività naturale si distinguono due componenti: • una di origine terrestre (dovuta ai radionuclidi primordiali): radiazione primordiale; • una di origine extraterrestre (costituita dai raggi cosmici): radiazione cosmica (galattica e solare) e radiazione cosmogenica.

9. Nell'aria la radiazione naturale è dovuta principalmente alla presenza di due gas: il radon e il toron. L’uranio-238, decadendo, porta alla formazione di Ra-226, il quale, emettendo una particella alfa, a sua volta decade in Rn-222, cioè radon. Il decadimento del Ra-224 porta alla formazione del Rn-220, ovvero il toron.

10. Valore medio Valore massimo Canada 34 1720 Kazakstan 10 6000 Iran 82 3070 Estonia 120 1390 Finlandia 120 20000 Norvegia 73 50000 Svezia 108 85000 Belgio 48 12000 Francia 62 4690 Svizzera 70 10000 Regno Unito 20 10000 Repubblica Ceca 140 20000 Slovacchia 87 3750 Italia 75 1040 Spagna 86 15400 Portogallo 62 2700 Nella seguente tabella sono riportati alcuni valori delle concentrazioni di radon nelle abitazioni di alcuni paesi (Bq/m3):

12. Sorgente Irradiazione esterna Irradiazione interna Totale Raggi cosmici Componente dirett. Ion. 0,30 0,30 Neutroni 0,055 0,0055 Radionuclidi cosmogenici 0,015 0,0015 Radionuclidi primordiali K-40 0,15 0,18 0,33 Kb-87 0,006 0,006 U-238 (serie) 0,10 1,24 1,34 Th-232 (serie) 0,16 0,18 0,34 Totale (arrotondato) 0,8 1,6 2,4 Equivalenti di dose efficace annuali, in mSv/anno, dovuti a sorgenti naturali ricevuti mediamente dalla popolazione mondiale in aree a fondo naturale di radiazioni normale

13. I tipici valori di equivalente di dose ambientale in Italia

14. LE SORGENTI ARTIFICIALI DI RADIAZIONI IONIZZANTI • Esempi noti sono gli acceleratori di particelle e i tubi a raggi X. • Gli acceleratori di particelle si classificano in: • circolari e lineari, che utilizzano anche campi magnetici; • elettrostatici, che impiegano unicamente il campo elettrostatico. • Per la produzione dei fasci per la radioterapia vengono utilizzati esclusivamente gli acceleratori circolari e lineari.

15. LA PENETRAZIONE DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI NELLA MATERIA

16. DOSIMETRIA Dose assorbita: Si misura in Gray: 1 Gy = 1 J /1kg. wR: fattore di qualitàdella radiazione, anche detto efficacia biologica relativa. Parametro che tiene conto della pericolosità delle varie radiazioni rispetto alla radiazione di riferimento (fotoni), cui viene assegnato il valore wR = 1.

17. Tipo di Radiazione w R Fotoni di tutte le energie ed elettroni Particelle alfa e nuclei pesanti Protoni Neutroni di energia < 10 keV Neutroni 10 - 100 keV Neutroni 0.1 - 2 MeV Neutroni 2 - 20 MeV Neutroni > 20 MeV 1 20 5 5 10 20 10 5 Fattore di ponderazione wR associato ai diversi tipi di radiazione

18. Equivalente di dose HT: HT= wRDT. Si misura in Sievert (Sv) Equivalente di dose efficace E:

19. Tessuto Fattori di ponderazione tessutale w T Gonadi Midollo rosso Colon Polmone Stomaco Vescica Mammella Fegato Esofago Tiroide Cute Sup. ossee Altri tessuti 0,2 0,12 0,12 0,12 0,12 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,01 0,01 0, 05

20. EFFETTI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI • danni somatici:riguardano solo l’individuo irraggiato • danni genetici: interessano anche le generazioni future • danni deterministici: perché si può individuare un nesso causale tra dose assorbita ed effetto • danni stocastici: la probabilità di comparsa di tali effetti è correlabile con la dose ricevuta solo sulla base di considerazioni statistiche La dose letale media per l’uomo è dell’ordine di 4 - 5 Gy al corpo intero.

21. DIAGNOSTICA Scintigrafie:somministrazione ai pazienti di un radionuclide (il più usato oggi è il Tc-99m) scelto opportunamente in modo che si concentri nell'organo oggetto di studio o che si comporti come tracciante di una particolare funzione biologica. Vantaggio: capacità di mettere in evidenza una compromissione funzionale ancor prima che siano riconoscibili alterazioni anatomiche. Limite: assenza di risoluzione in profondità, per cui tutte le strutture comprese nel volume esplorato vengono compresse in un singolo piano. SPECT

22. SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) Ricostruisce la distribuzione tridimensionale degli isotopi utilizzati nel corso delle scintigrafie planari, registrando varie proiezioni attorno all’organo in esame e successivamente ricostruendo la mappa della radioattività nel volume esplorato.

24. PET (Positron Emission Tomography) Utilizza le stesse molecole che normalmente entrano nel metabolismo dei tessuti, con il pregio di non modificarne le caratteristiche fisiche e chimiche. Fa uso di radionuclidi emittenti positroni (Carbonio-11, Azoto-13, Ossigeno-15, Fluoro-18) per marcare le molecole biologiche sostituendo uno o più isotopi stabili con il loro isotopo radioattivo. Supera l'inconveniente dell'alterazione della molecola che si provoca quando viene marcata con i classici radionuclidi che ne possono modificare pesantemente il comportamento biologico.

25. RADIOTERAPIA Rapporto terapeutico: D2 / D1 D2 dose che ha probabilità del 50 % di provocare seri danni ai tessuti sani; dose D1 che ha la stessa probabilità di produrre il controllo locale del tumore Selettivitàbalistica o conformità dell’irradiazione differenza tra dose al bersaglio (il tumore) e dose ai tessuti sani coinvolti nell’irradiazione stessa. Terapia conformazionale: tecnica radioterapia sviluppata per impartire una dose più elevata al tumore risparmiando gli organi sani.

26. RADIOTERAPIA Confronto tra probabilità di ottenere il controllo del tumore in funzione della dose assorbita e probabilità di provocare danni seri ai tessuti sani circostanti

27. Curve dose - profondità in acqua

28. Curve dose - profondità in acqua Fasci di elettroni: percorso massimo nel tessuto al di là del quale si ha una coda di bassa intensità, dovuta ai fotoni di bremsstrahlung. Adatti al trattamento di tumori superficiali o poco profondi ( 6- 7 cm ). Fasci di fotoni: assorbimento di tipo esponenziale, dopo un massimo situato a profondità variabile con l’energia. La posizione del massimo corrisponde al percorso massimo degli elettroni secondari prodotti dai fotoni primari negli strati più superficiali del tessuto irraggiato. La dose rilasciata in superficie in con fotoni ad alta energia è relativamente bassa. Si prestano a trattare focolai semiprofondi, raggiungibili al massimo di dose.

29. Curve dose - profondità in acqua Fasci di neutroni: andamento di attenuazione esponenziale come per la curva dei fotoni, a scapito della conformità della terapia, non correggibile in quanto fascio di particelle neutre e pertanto difficilmente collimabili. Queste particelle, pur non direttamente ionizzanti, sono ad alto LET e durante l’attraversamento del mezzo mettono in moto di rinculo protoni di bassa energia. Questo comporta una notevole efficacia e la possibilità di aggredire tumori radioresistenti.

30. Fascio di protoni, dopo un plateau con cessione di energia costante, rilascia gran parte della dose alla fine del percorso (picco di Bragg). Curva di distribuzione della dose è caratteristica di tutti gli adroni carichi. Ottima localizzazione dell’energia rilasciata in profondità che consente di preservare i tessuti sani.

31. Confronto tra distribuzioni di dose di fasci di elettroni e protoni su di un bersaglio (cerchio nella figura) Adroni:brusco gradiente della dose lungo i contorni del bersaglio. Possibilità di utilizzare queste radiazioni per tumori vicini ad organi critici.

32. ADROTERAPIA Nuove tecniche di radioterapia non convenzionale. Utilizzano per scopi terapeutici fasci di particelle pesanti: protoni, neutroni e ioni leggeri detti adroni. Duplice vantaggio: elevata efficacia biologica relativa e migliore selettività balistica. Terapia con i fasci di protoni: neoplasie oculari, tumori alla base del cranio, spina dorsale, prostata. Ioni carbonio: carcinomi delle ghiandole salivari, dei seni paranasali, sarcomi ossei, dei tessuti molli, carcinomi delle vie biliari, tumori del fegato, polmoni e tumori pediatrici. Minore capacità delle cellule di riparare lesioni prodotte dagli ioni. Indicati nel trattamento dei tumori radioresistenti (resistenti ai raggi X e ai protoni).

34. Per fasci monocromatici di protoni e ioni il picco di Bragg è piuttosto stretto (circa 2 cm per i protoni, meno di 5 mm per gli ioni). Il picco di Bragg allargato si realizza con una modulazione energetica del fascio sovrapponendo diversi picchi monoenergetici

35. Per focolai di profondità superiori ai 25 cm, l’energia iniziale per i fasci di carbonio ed ossigeno non può essere inferiore ai 400 MeV / u. Per i fasci di protoni occorrono energie comprese tra 60 - 70 MeV (tumori superficiali, tipicamente dell’occhio) e 200 - 250 MeV. Con tali livelli energetici i percorsi in acqua vanno da 2.5 – 3 cm e 25 -30 cm.