Un breve compendio di Fisica Medica

La fisica medica comprende tutte le attività che comportano la soluzione di problemi di fisica nell'impiego di sorgenti di radiazioni, ionizzanti e non ionizzanti, in diagnostica e terapia, e in generale, le attività di collaborazione con medici specialisti per la soluzione di problemi che richiedono specifiche professionalità nelle metodologie proprie della fisica.I tre principali settori della Fisica Medica sono la Radioterapia, la Radiodiagnostica e la Medicina nucleare. Spesso l'Esperto in Fisica Medica è provvisto del titolo di Esperto Qualificato e si occupa anche di Radioprotezione dei lavoratori. Il ruolo principale del fisico sanitario in radioterapia è la consulenza sull'ottimizzazione del piano di cura (o di trattamento) radioterapico. Le attività che competono al fisico sanitario riguardano, in somma sintesi, la dosimetria dei pazienti e la garanzia di qualità del sistema, compreso il controllo di qualità. Varie sono le tecniche radioterapiche in uso oggi, una di queste è l’IMRT, acronimo di radioterapia con modulazione di intensità del fascio. In radioterapia, il trattamento del paziente avviene irradiando il tumore con opportuni fasci di fotoni, emessi dall'acceleratore lineare. Tale irradiazione, demolitiva del tumore, è però dannosa anche per gli organi sani che si trovano in stretta adiacenza. Ne consegue l’esigenza di adottare opportune tecniche, che consentano di modificare i fasci irradianti adattandoli perfettamente alla forma e alla posizione del tumore. Si definiscono tecniche radioterapiche con modulazione di intensità (IMRT) quelle metodiche, utilizzate in radioterapia, che permettono di adattare il fascio emesso dall’acceleratore lineare alle esigenze dell’organo obiettivo (target). La maggiore efficacia del trattamento radioterapico si ottiene aggredendo il tumore da diverse posizioni, grazie ad una rotazione del cannone elettronico. Durante tale rotazione, il tumore, di forma irregolare, si offre alla esposizione con un contorno e una posizione che cambiano continuamente. Di conseguenza, la capacità di adattamento del fascio ottenuta applicando le metodiche di IMRT consente di tener conto, attimo per attimo, della specifica caratteristica del bersaglio, adattando il fascio all'esigenza di aggredire il tumore salvaguardando gli organi sani. La tecnica IMRT comprende diverse tecniche di erogazione della radiazione di seguito descritte. Gantry fissoil "gantry" è la testata dell'acceleratore lineare. Con questa tecnica, il piano di trattamento viene realizzato con un acceleratore lineare (linac) tradizionale modulando l'intensità del fascio X con i collimatori multi lamellari (MLC). In realtà questa tecnica può essere ulteriormente suddivisa in tecnica statica (step and shoot) e dinamica (sliding window).Gantry rotanteQuesta tecnica può essere divisa in tecniche con fasci modulati ad arco (IMAT) e tecniche fan beam (fascio aperto). Queste ultime sono realizzate con MLC binari e danno luogo alla tomoterapia elicoidale. La tomoterapia elicoidale non è realizzata con un acceleratore linare tradizionale, bensì da un acceleratore montato su un gantry rotante come se fosse una CT in realtà è una MVCT (Mega Volt Computed Tomography). Pencil beamQuesta tecnica è stata utilizzata per avere un fascio di radiazione sottile e, quindi, ideale per la radiochirurgia e la radioterapia stereotassica. L'acceleratore con cui si applica questa tecnica è il CyberKnife, un acceleratore montato su un robot dotato di 6 gradi di libertà, con collimatori circolari da 5 a 60 mm, caratterizzato dalla non isocentricità e non complanarità.Altra tecnica radioterapica è la IORT, acronimo di radioterapia intraoperatoria. Si tratta di una metodica che amplifica i benefici della radioterapia, esponendo il paziente ai fasci dell'acceleratore lineare durante l'intervento chirurgico. In tal modo, si ottengono due risultati: 1) l'organo affetto da tumore è visibile, per cui può essere raggiunto senza dover attraversare altri tessuti del paziente; in tal modo, si ottiene un maggiore effetto con minore esposizione. 2) risulta più facile concentrare il trattamento sugli organi malati, preservando quelli sani. Il ruolo della fisica sanitaria nella radiodiagnostica riguarda invece la realizzazione e il miglioramento delle tecniche di imaging e l'attuazione dell'assicurazione della qualità (QA) delle apparecchiature, compreso i controlli di qualità. In particolare il fisico medico si occupa di sistemi di radiografia, mammografia, Fluoroscopia, Angiografia, Tomografia Computerizzata, Risonanza Magnetica , Ecografia, Monitor da refertazione. La mammografia è un esame del seno effettuato tramite una bassa dose (di solito circa 0.7 mSv) di raggi X. Viene utilizzato come strumento diagnostico per identificare tumori e cisti. La fluoroscopia è una tecnica radiologica per ottenere immagini in tempo reale dell'anatomia interna di un paziente, attraverso l'uso di un fluoroscopio. Nella sua forma più semplice, un fluoroscopio è composto di una sorgente di raggi X ed uno schermo fluorescente, tra i quali è posizionato il paziente. Nell'attraversare il corpo, i raggi X vengono attenuati in misura variabile a causa dell'interazione con le differenti strutture interne del corpo umano, proiettando determinate ombre sullo schermo fluorescente. Le immagini sullo schermo sono prodotte dai raggi X non attenuati che interagiscono con gli atomi, trasmettendo la loro energia agli elettroni e provocando così un effetto fotoelettrico. Mentre gran parte dell'energia acquisita dagli elettroni viene dissipata sotto forma di calore, una sua frazione genera luce visibile, generando le immagini. I fluoroscopi moderni accoppiano lo schermo ad un intensificatore di immagine e ad una videocameradigitale, permettendo di registrare e riprodurre su monitor le immagini ottenute.L'angiografia è la rappresentazione a scopo diagnostico dei vasi sanguigni o linfatici del corpo umano tramite una tecnica che prevede l'infusione di un mezzo di contrasto idrosolubile all'interno dei vasi e la generazione di immagini mediche tramite varie tecniche di imaging biomedico. Le tecniche angiografiche comprendono la radiografia (specificamente nella tecnica della angiografia sottrattiva, o DSA da Digital Subtraction Angiography), la tomografia computerizzata, la risonanza magnetica, l'ecografia. La Risonanza Magnetica Nucleareè una tecnica di indagine sulla materia basata sulla misura della precessione dello spin di protoni o di altri nuclei dotati di momento magnetico quando sono sottoposti ad un campo magnetico. Le indagini mediche che sfruttano la RMN sono dette anche tomografia a risonanza magnetica e danno informazioni diverse rispetto alle immagini radiologiche convenzionali: il segnale di densità in RMN è dato infatti dal nucleo atomico dell'elemento esaminato, mentre la densità radiografica è determinata dalle caratteristiche degli orbitali elettronici degli atomi colpiti dai raggi X. Si può indurre il fenomeno di risonanza magnetica nei nuclei atomici aventi numero dispari di protoni e/o neutroni. Il nucleo atomico maggiormente utilizzato nelle analisi RM è il protone che costituisce il nucleo dell'atomo di idrogeno, che essendo dotato di uno spin e carica elettrica si comporta come un piccolo dipolo magnetico. I vantaggi dell'utilizzo dell'idrogeno sono dati dalla sua abbondante presenza (nei tessuti è presente con la molecola d' acqua) e dal fatto che permette di avere un buon segnale RM.Le informazioni fornite dalle immagini di risonanza magnetica sono essenzialmente di natura diversa rispetto a quelle degli altri metodi di imaging. Infatti sono normalmente visibili esclusivamente i tessuti molli ed è inoltre possibile la discriminazione tra tipologie di tessuti non apprezzabile con altre tecniche radiologiche.
La Medicina Nucleare è la branca specialistica della medicina che si avvale dell'uso di radionuclidi artificiali impiegandoli in forma non sigillata (ossia non racchiusi in involucri a tenuta né fisicamente adesi a supporti) a scopo diagnostico, terapeutico e di ricerca biomedica. In una opportuna forma chimica o coniugati a molecole o cellule che fungono da vettori, i radionuclidi vengono introdotti nell'organismo sotto forma di soluzioni, sospensioni, aerosol o altro e possono comportarsi come traccianti funzionali, permettendo studi diagnostici "in vivo", o concentrarsi in tessuti patologici, permettendone sia il riconoscimento sia, a volte, l'irradiazione terapeutica.Al contrario delle immagini radiologiche, che vengono ottenute sfruttando l'attenuazione del fascio di radiazioni "x" da parte dei tessuti interposti tra l'apparecchiatura che le ha prodotte e il sistema di rilevazione, le immagini medico-nucleari vengono ottenute per mezzo della rilevazione di radiazioni emesse da radiofarmaci distribuiti nell'organismo. E' quindi il paziente che emette le radiazioni ("gamma" o "x") che vengono registrate da apposite apparecchiature in grado di ricreare l'immagine corrispondente. Dal termine "scintillazione", che definisce il fenomeno fisico sfruttato da queste apparecchiature per trasformare in energia elettrica l'energia quantica dei fotoni "gamma" o "x", le immagini da esse fornite vengono dette "SCINTIGRAFIE". Le immagini scintigrafiche esprimono la distribuzione spaziale o spazio-temporale del radiofarmaco. Spesso le informazioni ricavate sono esprimibili anche in forma di parametri numerici, permettendo di ottenere dati di ordine semiquantitativo o quantitativo.La peculiarità di queste immagini è, quindi, di essere "funzionali", cioè l'espressione morfologica di una funzione vitale. Perché, infatti, una sostanza radioattiva possa concentrarsi in un tessuto qualsiasi dell'organismo è necessario che il tessuto stesso sia vivo e funzionante.
Rispetto alle altre metodiche di "imaging" (Radiologia, ECO e RMN), le immagini medico-nucleari sono caratterizzate, in genere, da un dettaglio morfologico nettamente inferiore, ma sono molto più ricche di informazioni funzionali.

Erminia InfusinoDott.ssa in FisicaSpecialista in Fisica MedicaIstituto di Ricerche Cliniche Ecomedica- EmpoliDipartimento di Radioterapia