la fisica medica nell'infn

LA FISICA MEDICA NELL’INFN

Le attivita’ di ricerca interdisciplinare

rivolte alla medicina

promosse dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Andrea Chincarini, INFN Sezione di Genova

L’INFN E LA RICERCA

Studio dei costituenti fondamentali della materia, fisica

subnucleare, nucleare e astroparticellare.

Tecnologie e strumenti di ricerca d'avanguardia

Trasferimento delle competenze verso campi di

la medicina

i beni culturali

l'ambiente


RICERCA APPLICATIVA E MULTIDISCIPLINARE

Continuo sviluppo di tecnologie

Elettronica

calcolo e reti informatiche.

Industria

Collabozioni con vari policlinici italiani

ricerca medica.

diagnosi precoce del tumori

misure di dosimetria

trattamento ed analisi dei dati.


L’INFN PER LA FISICA MEDICA

Acceleratori strutture acceleranti, magneti, diagnostica del fascio ...

Tecnologie e materiali criogenia, superconduttivita’, elettronica e controlli, tecnologie del vuoto

Calcolo & GRID Analisi dati, algoritmi, calcolo distribuito, gestione dei dati ...

Matematica Metodi della fisica teorica e statistica ...

Divulgazione e training scuole di specializzazione, seminari ...

Partecipazione a progetti di interesse nazionale ed internazionale centri di eccellenza


ACCELERATORI


ACCELERATORI NEL MONDO

I rami germogliati dal tronco della ricerca di

base in fisica nuclearesolo 110 acceleratori su circa 15000 sono

dedicati alla ricerca di base!


ACCELERATORI E MEDICINA

Terapia

Adroterapia

Sorgenti X monocromatiche

Elettroni

Produzione di radioisotopi.

Diagnostica

Captazione del radiofarmaco


ADROTERAPIA IN PILLOLE

La dose rilascata dai

protoni in funzione della

penetrazione

nell’organismo ha una

caratteristica dipendenza

dall’energia dei protoni

Modulando opportunamente

l’intensita’, posizione ed energia del

fascio si riesce ad ottenere un rilascio

della dose la’ dove serve, con minima

invasivita’ nei tessuti circostanti


ESEMPI NOTEVOLI: CATANA

Progetto [CATANA ]

sfruttando i fasci di protoni da 62 MeV prodotti dal Ciclotrone Superconduttore dei

Laboratori del Sud, possono già trattare pazienti affetti da tumori all’occhio.

In funzione dal 2002

Interno del Ciclotrone

Superconduttore ai

Laboratori Nazionali del

Sud


UN PROGETTO COMPLESSO Allineamento molto complesso: decine

di gradi di liberta’

Dal febbraio del 2002 ad oggi:

18 settimane di trattamento, 150

pazienti.

Il 98% dei pazienti affetti da

melanoma oculare trattati con Catana

sono sopravvissuti e nel 96% dei casi

la malattia viene tenuta sotto

controllo

Vantaggio : non dover asportare

l’occhio del paziente, come sarebbe

stato necessario in assenza di

radioterapia.


ESEMPI NOTEVOLI: CNAO

Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO, Pavia).

acceleratore di particelle per produrre sia protoni che ioni di carbonio, realizzato

grazie alle competenze dell'INFN.

centro d’avanguardia per il trattamento e le ricerche in radiobiologia

Si prevede l’entrata in funzione per la fine del 2008


CENTRO DI ECCELLENZA

Il centro dispone di una

struttura di accoglienza

affiancata alla struttura che

ospita l’acceleratore e le

camere di irraggiamento

Si stima il centro possa servire circa 800

pazienti/anno.


TECNOLOGIA DEGLI ACCELERATORI: MAGNETI

I magneti di deflessione del fascio che controllano la precisa traiettoria finale sono molto

complessi (8 dipoli + un dipolo di grandi dimensione a 90º per la linea verticale)

Sviluppati in collaborazione con la

sezione INFN di Genova


ADROTERAPIA CON NUCLEI

[SCENT] (Superconducting Cyclotron for Exotic

Nuclei Therapy)

5m di diametro x 350 ton

4.2T (circa 80.000 il campo magnetico

terrestre) @ 279 C


Ciclotroni sono piu’

facilmente installabili negli

ospedali

Sviluppato accelerare ioni

leggeri (Carbonio)

TECNOLOGIE E MATERIALI


TECNOLOGIE E MEDICINA

Sono molte le tecnologie derivate dalla ricerca di base applicabili in ambito medico:

Rivelatori

Dosimetria

Uso e adattamento di sorgenti radioattive

Elettronica

Nuovi strumenti diagnostici


RIVELATORI IN MEDICINA

ottimizzare l'esame mammografico

ridurre la dose

aumentare la qualità dell'immagine [PICASSO]

Migliorare sia la sorgente sia il rivelatore: INFN, Sincrotrone e Dip. Scienze

Cliniche di TS

Nuovo rivelatore

passo è di 50 micron

singolo rivelatore avrà ~4800 canali. mammografie planari in contrasto di fase

presso la linea di luce di sincrotrone SYRMEP (Elettra, TS).

Intensita’ Contrasto di fase


ULTERIORI RICERCHE SUI RIVELATORI

Sviluppo di rivelatori dedicati per PET (Positron Emission Tomography)

rivelatore a gas a piani paralleli [HPPC], derivato da rivelatori TOF montati sull’esp. Alice (LHC)

fotomoltiplicatori al Siclicio [DASiPM] – INFN BA, BO, PI, TN

•Maggiore efficienza

•Elettronica di readout compatta

•Affidabilita’

•Risoluzione spaziale e temporale


DOSIMETRI: MATRIXX

Un dosimetro clinico è un particolare rivelatore di particelle collocato sul fascio radioterapico.

Il dosimetro 3D per fasci di adroni & dosimetro 2D per fasci con fotoni Strumento nuovo e tecnologicamente innovativo

Innovativo circuito integrato di controllo e acquisizione dati

Industrializzazione del prodotto

Costante, rapido e accurato monitoraggio

dei fasci radioterapici con fotoni

Piani di trattamento più efficaci e meno

invasivi.

“progetto adroterapia” promosso da Ugo

Amaldi.


ALTRI ESEMPI DI DOSIMETRI

Misura accurata della dose e della sua

distribuzione

Rischi legati a lunghe permanenze di

equipaggi fuori dell’atmosfera terrestre

Strumento per lo studio della

componente nucleare dei raggi cosmici

e per il monitoraggio dell’esposizione

degli astronauti [SilEye]

Studiare come la radiazione cosmica

interagisce con i materiali [SPADA]


TERAPIA E RADIAZIONI

La Neutron Capture Therapy (NCT)

Progetto [SPES] (INFN –LNL)

Sviluppo di dosimetri e

rivelatori specifici (dosimetri

a gel [PHADON])


SVILUPPO DI SORGENTI AVANZATE

Sorgenti X quasi monocromatiche

Plasma indotto da fascio laser su bersaglio di rame [LASEX]

Thomsom backscattering [MAMBO2] (LNF sorgente SPARC)


STRUMENTI INNOVATIVI: THALAS

Un misuratore di Fe nel fegato per la diagnosi di anemie quali la thalassemia e l’emocromatosi ereditaria.

Dal feb. 2005 misurati 150 pazienti e 90 volontari sani, Ospedale Galliera, Genova.

10 20 30 40

Liver Iron Concentration (mg/g)

1 2 3 4

5 6 7 8

9 10 11


RADIOBIOLOGIA E FARMACOLOGIA

Sviluppo di sensori (telecamere) scintigrafiche di

radiofarmaci [SCINTIRAD]

Valutazione del danno radiobiologico sia in-vivo che in-vitro [EPICA], [CRIORAD]


CALCOLO


CALCOLO E MEDICINA

Infrastrutture

Calcolo distribuito, sicurezza e immagazzinamento dei dati

HealthGRID

BioinfoGRID

Algoritmi

Simulazione e modellistica

Elaborazione di immagini medicali

Metodi matematici e statistici


CALCOLO DISTRIBUITO: GRID

BioInfoGRID (Bioinformatics Grid Applications for life sciences) e HealthGRID sono strutture che promuovono lo sviluppo di applicazioni e strumenti informatici basati su GRID:

biologia molecolare

genomica

proteomica

dinamica molecolare

data mining genetica

databases clinici ed epidemiologici distribuiti

Creazione di Virtual Organizations

Calcolo distribuito su dati clinici, segnali e immagini mediche

Portali Web basati su GRID

Supporto per la creazione di un sistema informatico nazionale


FLUKA E GEANT4

FLUKA: Codice Monte Carlo per la simulazione di fasci di particelle e della loro interazione con la materia

GEANT4: insieme to strumenti per la modellizzazione fisica delle interazioni adroniche ed elettromagnetiche fisica nucleare e delle alte energie

fisica del neutrino

trattamento di scorie nucleari

dosimetria

radioprotezione

adroterapia.


STRUMENTI DALLA FISICA TEORICA

estendere alla biologia le competenze di statistica e sistemi a molti corpi

mutuate dalla fisica teorica

laboratori virtuali, ovvero dalla sperimentazione in vitro a quella in silico

reti neurali e analisi non lineare

termodinamica fuori equilibrio

chimica quantistica


DINAMICA MOLECOLARE E CELLULARE

Dinamica molecolare su GRID

Dinamica cellulare [VBL]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500

Cell dens. (10^6 ml^-1)

t (h)

Esempio di applicazione: crescita di una popolazione di cellule in bioreattore (punti: dati sperimentali; linee: risultati di singole simulazioni in condizioni analoghe)

modellizzazione della biomeccanica cellulare e dei processi di diffusione


ANALISI DATI E IMMAGINI MEDICHE

Computer Assisted Detection & Distributed Computing

Infrastructure

Analisi di immagini mediche

Mammografia

CT polmonari

Neuroimmagini

Medical (Imaging) Applications on a GRID

Infrastructure Connection [MAGIC-5]


APPLICAZIONI E RISULTATI

Stazione di analisi mammografica

installata in diversi ospedali in Italia e al centro Suzanne Mubarak, Alessandria d’Egitto

Validazione clinica si mammografie digitali

Database in collaborazione con la ASL2, Perugia (IT)

CAD polmonare

Sviluppato un insieme di algoritmi per la ricerca di noduli

In fase di ultimazione il database nazionale


INSORGENZA DELL’ALZHEIMER Analisi di neuroimmagini

Attivita’ iniziata nel 2007

Non tutti gli MCI sviluppano l’Alzheimer: analisi delle immagini di risonanza magnetica

Base dati: 135 Normali, 247 MCI, 150 AD, presi tra S.Martino, GE (130 pz) e ADNI.

Dei 51 MCI di S.Martino, abbiamo il followup clinico a 3 anni

(MCI -> Normal: 5 pz [blu] e MCI -> AD 25 pz [rosso] ).

Il valore dell'osservabile "all'istante zero" indica chiaramente il destino di coloro che evolverannno in AD in capo

a 3 anni.

Segmentazione ed

analisi della regione

ippocampale


TRATTAMENTO DEI SEGNALI

Studio della dinamica dei segnali EEG di

scalpo ed intracranici per l’epilessia

farmaco-resistente

“early detection” di una crisi epilettica

[TIRESIA]

Obiettivo: sviluppo di un “pace maker”

intracranico per prevenire l’attacco

epilettico


ASPETTI CULTURALI E STRATEGICI


DIVULGAZIONE

Molte la applicazioni della ricerca in fisica alla medicina

Impatto sociale e tecnologico.

INFN divulgazione scientifica

sviluppo delle competenze conferenze e workshops

corsi per il personale

scuole di specializzazione per giovani ricercatori.

Master in adroterapia e radioterapia di precisione

Progetto strategico INFN-MED Imaging

Adroterapia

Treatment Planning System

Boron Neutron Capture Therapy

Rivelatori per diagnostica


TPS

Treatment Planning System

Nuclear fragmentation study

and measurements.

Radiobiological modeling and

measurements.

Treatment plan calculation

and optimization.

Monte Carlo developments for

treatment planning.

Online treatment monitoring

using in-beam PET.


UN LAVORO DI SQUADRA

• Diverse sezioni INFN dislocate sulterritorio insieme ai laboratori nazionalipartecipano alle ricerche tecnologiche

in campo medico

• Nella sezione di Genova sono presenti

attivita’ su:

• progettazione e realizzazione dimagneti

• simulazione

• trattamento delle immagini mediche

• infrastruttura di calcolo

• strumenti diagnostici innovativi

• divulgazione


IN CONCLUSIONE...

Grandi progressi nel trattamento e diagnostica medica con l’impiego di metodologienucleari risonanza magnetica nucleare

tomografia a emissione di positroni

adroterapia

I rivelatori sviluppati per ricerche di fisica delle particelle si sono adattati rivelandosiottimi strumenti diagnostici risoluzione molto maggiore dei sistemi tradizionali

esposizione molto ridotta alle radiazioni

mezzi ideali per diagnosi precoci.

Successo delle tecnologie sviluppate per lo studio dei componenti fondamentalidella materia nella diagnostica medicale. Competenze

Tecniche di ricostruzione di immagini

Strumenti per la diagnostica sempre più raffinati ed efficienti.

L’INFN sostiene studi e sviluppi strumentali di acceleratori per terapia oncologicanell’ambito del Programma Nazionale di Adroterapia.


LINKS

Sito nazionale dell’INFN: www.infn.it

nelle sezioni: generale e attivita’/ricerca tecnologica

Sezione di genova www.ge.infn.it

Siti dei principali laboratori nazionali coinvolti nella ricerca tecnologica e in fisicamedica: www.lns.infn.it

www.lnl.infn.it

www.lnf.infn.it

lasa.mi.infn.it

Altri siti: www.cnao.it


http://www.infn.it/

http://www.infn.it/

http://www.lns.infn.it/



http://www.lnl.infn.it/





http://www.cnao.it/


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