Modelli ed effetti dell’ interazione tra luce e tessuti biologici

1. Modelli ed effetti dell’ interazione tra luce e tessuti biologici

2. Obiettivi 1. Studiare l’interazione tra luce e tessuti per fini diagnostici e terapeutici. • Descrivere alcune applicazioni particolari (PDT, LASIK, LITT)

3. La fotonica biomedica E’ l’insieme delle conoscenze scientifiche e tecnologiche che trattano le onde elettromagnetiche per applicazioni mediche.

4. La finestra terapeutica

5. Interazione Luce - mezzo Assorbimento: Trasferimento di energia tra luce e materia Permette alla radiazione di produrre un effetto fisico nel tessuto

6. Sostanze assorbenti

7. Interazione Luce - mezzo Scattering

8. Effetti interazione

9. Interazioni termiche luce–tessuti

10. Effetti della temperatura >300°C Fusione >100 °C Carbonizzazione 100 °C Vaporizzazione, decomposizione termica ( ablazione ) 80 °CPermeabilità delle membrane 60 °CDenaturazione di proteine e collagene ( coagulazione ) 50 °CRiduzione dell’attività enzimatica, immobilità cellulare 45 °CIpertermia

11. Effetti della temperatura

12. LITT: Laser-induced Interstitial ThermoTherapy Nella LITT viene inserita una canula all’interno di una porzione malata di tessuto. La luce laser emessa dalla canula viene assorbita dal tessuto: si genera calore Il calore si diffonde, causa la denaturazione di strutture molecolari e proteiche e così porta all’eliminazione delle cellule tumorali.

13. Effetti della temperatura >300°C Fusione >100 °C Carbonizzazione 100 °C Vaporizzazione, decomposizione termica ( ablazione ) 80 °CPermeabilità delle membrane 60 °C Denaturazione di proteine e collagene (coagulazione) 50 °CRiduzione dell’attività enzimatica, immobilità cellulare 45 °CIpertermia

14. Set-up sperimentale

15. Effetti della luce laser sulla temperatura

16. Parametri di lavoro Laser utilizzati: CO2 Nd:Yag Argon Durata degli impulsi: 1ms - qualche min Potenze: 10 -106 W/cm2 Dimensioni delle lesioni: 3-4 mm – 2-4 cm

17. APPLICAZIONE SUL FEGATO Prima Dopo

18. Trattamenti di volumi grandi

19. LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA La luce che si irradia interagisce col tessuto e in funzione dei coefficienti di assorbimento / scattering può essere: • trasmessa • scatterata • assorbita sorgente di calore intensità del flusso luminoso Generazione del calore!

20. LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA Equazione di propagazione del flusso luminoso F nel tessuto termine di sorgente coefficiente di assorbimento coefficiente di diffusione coefficiente di scattering funzione di danneggiamento di Arrhenius

21. LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA Equazione di propagazione del calore nel tessuto (bioheat equation) densità termine di sorgente dovuto al flusso luminoso termine di convezione capacità specifica termine di irraggiamento conduttività termica

22. LA DUPLICE NATURA DEL PROBLEMA OTTICO TERMICO Equazione diffusione flusso luminoso BioHeat Equation (T) (F)

23. COME SI LAVORA IN FEMLAB • DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA in cui il software deve andare a calcolare la soluzione. • IMPOSTAZIONE DEL PROBLEMA DA RISOLVERE: • BOUNDARY CONDITIONS • SUBDOMAIN CONDITIONS • DEFINIZIONE DELLA MESH CON IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI AD ESSA RELATIVI

24. LA GEOMETRIA Applicatore: quarzo Tessuto : fegato

25. COME SI LAVORA IN FEMLAB • DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA • IMPOSTAZIONE DEL PROBLEMA: • BOUNDARY CONDITIONS • SUBDOMAIN CONDITIONS • DEFINIZIONE DELLA MESH CON IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI AD ESSA RELATIVI

26. COME SI LAVORA IN FEMLAB • DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA • IMPOSTAZIONE DELLE CONDIZIONI AL CONTORNO: • BOUNDARY CONDITIONS • SUBDOMAIN CONDITIONS • DEFINIZIONE DELLA MESH CON IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI AD ESSA RELATIVI

27. LA MESH Mesh curvature factor: 1 Mesh growth rate: 3 Mesh edge size, scaling factor: 1

28. SOLUZIONE TIME - DEPENDENT

29. SOLUZIONE TIME - DEPENDENT

30. SOLUZIONE TIME - DEPENDENT

31. LA LITT IN DUE TESSUTI DIFFERENTI Muscolo generico del collo Fegato

32. Terapia Fotodinamica (PDT)

33. Interazione fotochimica • L’interazione fotochimica è l’insieme delle reazioni indotte dalla luce all’interno delle macromolecole o dei tessuti • Si verifica per una bassa densità di potenza (~1W/cm2) ed un periodo di esposizione che va da qualche secondo fino a diversi minuti

34. La terapia fotodinamica o PDT Applicazione medica dell’interazione fotochimica • fotosensibilizzatore • laser per attivarlo • ossigeno endogeno Diagramma di Jablonski 1 Fluorescenza, 2 Fosforescenza, 3 Conversione interna, 4 Intersystem crossing, 5 Rilassamento vibrazionale. P + h P* (S) Assorbimento P* (S)  P* (T) Inter-system-crossing P* (T) + O2 O*2 + P Trasferimento di energia

35. La terapia fotodinamica o PDT • Il singlet oxigen O*2 è una specie radicale altamente reattiva dell’ossigeno • Sopravvivenza < 0.04 msec • Raggio d’azione <0.02 m • Induce danni ossidativi nelle immediate vicinanze del sito subcellulare in cui si è localizzato il fotosensibilizzatore. effetti diretti sulle cellule laser localizzazione farmaco produzione specie radicale necrosi effetti vascolari vasocostrizione

36. PDT per il trattamento delladegenerazione maculare essudativa • Il diametro dello spot del laser è al massimo 5400 m

37. PDT per il trattamento delladegenerazione maculare essudativa Fotosensibilizzatore: • BPD-MA (Visudyne) verteporfina Caratteristiche laser: • Fluenza di 50 J/cm2 per 83 sec •Intensità di 600 mW/ cm2 • = 690 nm

38. Trattamento laser miopia Fotoablazione

39. Cornea • Epitelio (con spessore di 30-50 m ) • Membrana di Bowman (10-14 m ) • Stroma (500-900 m ) • Membrana di Descemet (3-12 m ) • Endotelio (4-6 m )

40. Problema della Miopia La lunghezza del bulbo oculare è eccessiva rispetto al potere del diottro oculare L’immagine proveniente dall’infinito è focalizzata in un piano anteriore a quello retinico.

41. Modalità di Correzione • Tecniche Tradizionali: • Occhiali • Lenti a contatto • Tecniche Chirurgiche: • con lama in diamante • Cheratotomia Radiale • mediante laser ad eccimeri • PRK ( PhotoRefractive Keratectomy ) • LASIK ( Laser Assisted In Situ Keratomileusis )

42. PRK La Prk si esegue sulla superficie anteriore della cornea. Prevede l’appiattimento del profilo corneale, e quindi la riduzione del suo potere refrattivo. Al paziente viene rimosso l’epitelio per esporre lo stroma all’azione del laser.

43. LASIK Con la Lasik il trattamento avviene all’interno della cornea. Questa tecnica è anche detta “Zap and Flap” dato che si crea, con il Microcheratomo, una “lamella” di tessuto corneale. Il lembo viene sollevato e si espone lo stroma al trattamento laser. Terminata la radiazione si riposiziona il lembo nella posizione originaria.

44. Laser ad Eccimeri Il laser ad eccimeri utilizza Argon e Fluoro, in grado di generare fotoni di luce con lunghezza d’onda di 193 nm. Ad ogni impulso il laser con una densità di energia di 180 mJ/cm2 rimuove circa 0.25 m di tessuto. • L’operazione è eseguita tramite computer che hanno il compito di: • ruotare la cornea • far incidere il fascio perpendicolarmente alla superficie • regolare il raggio del fascio

45. Fotoablazione La fotoablazione UV non è solo un processo fotochimico ma è anche fotofisico e fototermico

46. Fotoablazione Corneale La cornea è un tessuto collagene e consiste in 50% di acqua. E’ costituita da 33% di glicina e 25% di prolina mentre la parte restante è costituita da altri amminoacidi più piccoli. La parte di catena contenente prolina e glicina può essere espressa dalla figura: La molecola è vista come una “super-molecola” composta da una struttura primaria, contenente glicina e prolina, e da una secondaria, che consiste in tre spirali attorcigliate contenute nell’anello di pirrolidina. L’energia dei fotoni vale hω= 620 KJ/mole, a =193 nm, ed è molto più elevata dell’energia necessaria a scindere la struttura secondaria pari a 60 KJ/mole. Sono quindi coinvolti altri processi.

47. Schema a Blocchi dell’Ablazione Energia necessaria per rompere la struttura secondaria Assorbimento Radiazione Laser Energia di Eccitamento Elettronica Ebollizione dell’Acqua Calore ed Inizio Vibrazioni Energia Meccanica di Tensione Scissione delle Macromolecole Riscaldamento della Cornea Energia Cinetica

48. Modello Fisico-Chimico Empirico • dFIS profondità di ablazione •  coefficiente di assorbimento • f densità di energia • f densità di energia di soglia TH Modello Termico Empirico • A1 costante di proporzionalità • E* costante contenente l’energia di attivazione del processo •  coefficiente di assorbimento • f densità di energia • fTH densità di energia di soglia

49. Schema di Munnerlyn Cornea e profilo di ablazione entrambi di forma sferica OZ lunghezza corda Profondità Sagittale Serie di Taylor Profondità Sagittale

50. Formula Approssimata potere diottrico