Applicazioni della fisica delle particelle elementari alla medicina

Allora, è il mio compito di oggi guidarvi un pochettino su come la fisica, diciamo, la fisica moderna, tra virgolette, in particolare la fisica delle radiazioni e delle particelle elementari, effettivamente viene utilizzata oggi in medicina. Daremo anche uno sguardo a quali sono alcuni aspetti di frontiera.

Il mio taglio è stato soprattutto un tentativo di rivedere con voi gli aspetti di fisica delle particelle elementari che servono per applicazioni mediche, con un occhio applicativo. In concreto, ci chiederemo: "Ok, ma in concreto che fanno?" Quindi spero di riuscire a darvi un taglio concreto e magari qualche spunto per eventuali insegnamenti.

In particolare, comincerò a parlarvi di cos'è la radiazione, come si comporta e quali caratteristiche ha, di nuovo con l'occhio delle applicazioni successive. Dopo di che, tratterò due grandi rami: uno è la diagnostica, quindi la biografia, la scintigrafia, la PET e le applicazioni mediche correnti; l'altro è la parte di radioterapia, quindi l'utilizzo di fasci per fini terapeutici, radioterapia, adroterapia e le tecniche via via più innovative.

Cominciamo a parlare un pochettino di radiazione. In realtà, io sono un figlio di particelle elementari. Come diceva Claudio, ho fatto prima di cerchi erboso in parte grandi esperimenti e per me tornare alla fisica applicata vuol dire andare verso energie molto più basse, quindi cambiare ragionamenti e cambiare anche il linguaggio.

Quella che normalmente si chiama particella elementare qui diventa radiazione, ma a tutti gli effetti di quello stiamo parlando.

Dal punto di vista concreto, quindi, le particelle di cui avete sentito parlare in abbondanza in questi giorni, viste però dal punto di vista dell'interazione del paziente o dell'interazione paziente-medico.

Quali sono i tipi di particelle di cui parleremo? Per prima cosa, le particelle neutre. Queste potrebbero essere raggi gamma o neutroni. In realtà, non parlerò dei neutroni per evitare di estendere troppo l'argomento, quindi parleremo soprattutto di raggi gamma.

I raggi gamma sono la radiazione elettromagnetica di alta energia. A tutti gli effetti, in questo campo, il raggio gamma è la cosa più penetrante che c'è, cioè l'oggetto che passa attraverso tutto.

Si deve ricordare cos'è un raggio gamma: è un oggetto che attraversa la materia e, prima o poi, però si ferma. Si ferma tipicamente lasciando degli elettroni.

In questo campo, bisogna tener presente che quando stiamo parlando di elettroni leggeri, non sono delle particelle che schizzano via in chissà quale direzione, ma sono particelle che indagano all'interno della materia e quindi, in particolare, del corpo, visto che di quello stiamo parlando.

Si fermano dopo breve tempo e lasciano tutto quello che fa veramente male. Alla fine, in questo caso, sono effettivamente gli elettroni e i fotoni in sé che tenderebbero a passare fintantoché non interagiscono, come vedremo, e producono degli elettroni.

Un altro tipo di radiazione con la quale avremo a che fare sono i positroni. I positroni sono l'antiparticella dell'elettrone e anche loro si comportano a bassa energia, quindi anche loro zigzagano nel paziente o nel corpo per brevi tragitti. Dopo di che, vedremo, si fermano e producono, a tutti gli effetti, due raggi gamma.

Quindi, paradossalmente, il positrone ha l'effetto sia di un elettrone sia, alla fine, dei raggi gamma.

Poi abbiamo le altre particelle cariche, in particolare adesso buttiamo tutto insieme: elettroni, protoni e ioni. Vedremo a cosa si riferiscono, ma i nostri fini sono oggetti che penetrano poco e hanno un cammino relativamente corto a seconda della loro energia.

Quindi, in realtà, pure di quanto effettivamente penetrano è qualcosa di aggiustabile come energia, a patto di poter aggiustare l'energia. Quindi parleremo di raggi gamma, positroni e altre particelle cariche.

Cominciamo a vedere di che cosa vi dirò di queste particelle. Vi dirò sostanzialmente come interagiscono, perché poi vedremo che risulta rilevante nelle varie applicazioni mediche.

Poi vi racconterò come effettivamente vengono prodotte, cioè come possiamo generare e far nascere queste particelle all'interno del paziente. Infine, vedremo nelle applicazioni con che finalità.

Ma per prima cosa, qual è il rapporto tra un raggio gamma e la materia? Il raggio gamma può interagire con la materia in tre modi diversi.

Il primo è l'effetto fotoelettrico. L'effetto fotoelettrico è quello in cui il fotone primario, diciamo, scompare, tra virgolette, e alla fine esce un elettrone presente all'interno dell'atomo. Quindi, a tutti gli effetti, abbiamo un fotone che si trasforma in un elettrone.

Cosa che ovviamente non può avvenire di per sé. Diciamo che un fotone in ingresso è un elettrone che viene estratto. L'alternativa è che tutta l'energia del fotone venga trasferita all'elettrone.

L'altra possibilità è che il fotone faccia un conto scattering, quindi abbiamo un fotone che entra e un fotone che esce. Ma a tutti gli effetti, questo fotone che esce ha un'energia ridotta e quello che invece viene prodotto è un elettrone che compensa, ovviamente, l'energia che uno ha perso con il fotone.

Quindi, alla fine della fiera, se vado a vedere qual è l'energia trasferita all'elettrone, posso avere due effetti: l'effetto fotoelettrico, in cui tutta l'energia del fotone mi viene effettivamente trasferita all'elettrone, oppure un effetto Compton, in cui soltanto una frazione dell'energia viene trasferita all'elettrone.

Quindi, a tutti gli effetti, vedo meno energia rispetto a quella originaria del fotone. Un altro processo possibile è la produzione di coppia, in cui, dati un fotone interagente con un fotone prodotto dall'interazione con la materia, vengono prodotti una coppia elettrone-positrone.

Questo avviene soltanto a un'energia maggiore di due volte la massa dell'elettrone, quindi di circa un milione di elettronvolt. Queste energie sono raramente di interesse per questa scala di energia, quindi per lo più parleremo di effetto fotoelettrico e di Compton.

Una cosa che risottolineo è che la differenza tra il fotone e tutte le altre radiazioni è che il fotone non rilascia energia poco alla volta: o la rilascia o nulla.

In particolare, se ho un fascio di fotoni, questo fascio di fotoni gradualmente si fa depauperare, sono sempre meno fotoni man mano che camminano attraverso la materia.

E man mano che attraversano la materia, invece, sempre più fotoni vengono convertiti in altre forme, tipicamente in elettroni, che poi trasferiscono l'energia alla materia.

Se vado a vedere il numero di fotoni presenti a una certa profondità, avrò che questo numero di fotoni all'inizio della preparazione viene attenuato con un coefficiente che si chiama fattore di attenuazione, legato alla sezione d'urto tramite la densità.

Quindi, a tutti gli effetti, maggiore è la sezione d'urto, maggiore è il coefficiente di attenuazione e quindi minore è il cammino che fanno i fotoni prima di interagire.

È per questo che è rilevante studiare come è fatta la sezione d'urto per i vari processi, in particolare i due più rilevanti: fotoelettrico e Compton.

Dipende dall'energia. Su questa scala, vedete qui ci sono 10 elettronvolt, un kilo elettronvolt, un mezzo, un giga elettronvolt, 100 mega e 100 giga.

Sono cose che vengono lasciate alla pura fisica delle particelle elementari. Noi siamo più in questa zona qua, attorno al mega, un po' sotto al mega.

Dove vedete qui ci sono i vari effetti. Questo è l'effetto fotoelettrico, mentre la curva Compton è questa qua. Vedete che fino a qualche frazione del mega domina l'effetto fotoelettrico.

I fotoni fino a una frazione del mega sostanzialmente rilasciano totalmente la loro energia. Inoltre, vedete che la loro sezione d'urto è grande.

Questa è l'assenza del costo totale, che comunque è dominata dalla sezione d'urto fotoelettrica. Sezione d'urto grande vuol dire attenuazione grande, vuol dire che penetrano poco, cioè che si fermano presto.

Quindi i raggi gamma bastano relativamente poco per fermarsi. I raggi gamma stanno qui, qui sotto, a 100 keV. La zona dominata dal fotoelettrico è quella dei raggi X.

Dopodiché, invece, salendo l'energia cresce l'effetto Compton, quindi anche un rilascio parziale di energia. Inoltre, la sezione d'urto è un po' più bassa e quindi i fotoni penetrano un pochettino di più.

Cosa succede invece alle particelle cariche? Le particelle cariche, invece, perdono energia durante tutto il loro cammino perché incontrano via via ioni e quindi atomi che ionizzano, cioè che rilasciano energia e usano tale energia per strappare all'atomo degli elettroni.

Quindi ho, da un lato, una ionizzazione, quindi la produzione di un elettrone, e dall'altro, l'elettrone originario ha perso un pochino della sua energia.

Però si fermano gradualmente con una curva di ionizzazione che è rappresentata da questa curva, che ha questa caratteristica sostanzialmente di non dipendere dalla particella, se non tramite l'impulso.

L'unica cosa che conta è l'impulso della particella incidente. Inoltre, questa è una scala logaritmica. Diciamo che per energie quando uno ha valori di beta-gamma, cioè impulso diviso la propria massa, dell'ordine dell'unità, si trova al proprio minimo.

Quindi, il minimo qui si raggiunge per elettroni dell'ordine di 3 volte la massa della particella, quindi elettroni da un metro e mezzo sono al minimo, oppure protoni da 3 GeV sarebbero al minimo.

Questo è l'ordine di grandezza di dove si rilascia la minima energia. Questa è l'energia rilasciata per unità di lunghezza. La minima energia viene rilasciata qua.

Se vado su con l'energia, il rilascio di energia cresce poco. Il grosso problema viene quando invece vado giù con l'energia, quindi quando comincio a frenare. Man mano che freno, l'energia che lascio è sempre maggiore.

Quindi, man mano che miro a lento, la velocità con cui rallento aumenta gradualmente. Questo è un fenomeno, un effetto che utilizzeremo pesantemente.

Le particelle cariche, da ricordare per il futuro per le applicazioni, rilasciano un po' di energia poco alla volta. Inoltre, quello che succede è che finché non raggiungono il minimo, bene o male rilasciano sempre la stessa energia per unità di lunghezza, a meno di questa piccola differenza.

A un certo punto scatta un meccanismo per cui cominciano a rilasciare sempre più energia e sempre più velocemente, quindi si fermano rapidamente.

Cosa succede ai positroni? Ai positroni succede la stessa cosa. Sono particelle cariche, quindi se vogliamo, succede la stessa cosa che è successa alle altre particelle di interesse.

Mettiamo che siano generate qua. Prima effettuano un cammino che, notate bene, scusatemi, distorto. Non ho menzionato questo effetto, mi sono dimenticato. C'è ovviamente il boschetto in Colombia, il fenomeno in cui si perde un'energia trascurabile.

Non si perde energia, quindi un urto praticamente lazio, però si cambia direzione. A tutti gli effetti, il cammino della particella è una camicia e un cammino che ha molte variazioni di direzione.

Sebbene il cammino fatto totalmente possa essere anche un centimetro o due centimetri, se uno va a vedere il cammino effettivo come distanza percorsa, è molto di meno.

Comunque, i positroni arrivano a un certo punto a fermarsi per ionizzazione, come abbiamo visto prima. Solo che a questo punto incontrano degli elettroni degli atomi della materia.

Ovviamente, amano particolarmente incontrarvi, visto che sono proprie antiparticelle. Formano uno stato intermedio. In realtà, nel 70% dei casi, formano uno stato intermedio. Dopodiché, in un'altra frazione dei casi, questo stato intermedio, che si chiama positronio, decade effettivamente in due fotoni che hanno la grande bellezza di ricadere in due fotoni di uguale energia e opposti in direzione.

Quindi, morale della favola, il positrone per noi è una particella che, bene o male, si ferma relativamente presto e ha come segnatura caratteristica il fatto di avere due fotoni di 511 keV di energia, pari per l'altro alla massa del positrone, e di direzione opposta l'uno all'altro.

È una segnatura molto forte e che vedremo sarà sfruttata molto nelle applicazioni.

A questo punto, va bene, questa è la radiazione che ci interessa. Quali sono le possibilità di accelerazione che abbiamo sotto mano e quindi come effettivamente possiamo generare questa radiazione?

La prima possibilità è quella di accelerare queste particelle. Un acceleratore tipico in questi rami per gli elettroni è quello di usare un LINAC, cioè un acceleratore lineare.

Il primo tipo di acceleratore è stato effettivamente utilizzato. Ora, questo acceleratore come funziona? Viene generata una differenza di potenziale tra diverse strutture metalliche, in modo tale che, effettivamente, gli elettroni, passando in mezzo a queste strutture metalliche, vedono una differenza potenziale, dunque un campo elettrico, e vengono accelerati.

Quando sono all'interno di questi schermi, riescono a passare inalterati e quindi riescono ad attraversare il tubo senza essere accelerati.

È importante avere queste fasi in cui non vengono accelerati, perché la prima idea, ovviamente, potrebbe essere, come l'ha fatta alle origini, di avere semplicemente una grossa differenza di potenziale.

La differenza di potenziale non può essere più di tanto grande, perché a un certo punto si crede che si causino scariche elettriche e quindi non è effettivamente adottabile questa tecnica.

Bisogna fare dei campi oscillanti, cioè dei campi elettrici che ogni tanto siano positivi e ogni tanto siano negativi. Quindi, quello che occorre fare è che, mentre per metà del periodo gli elettroni vengono effettivamente accelerati, per l'altra metà vengono frenati.

Bisogna fare in modo che durante il periodo in cui sarebbero frenati, gli elettroni non vedano il campo. Questa è la logica di farli attraversare dentro al tubo.

Un altro strumento di cui vi parlerò sono i ciclotroni, che sono stati acceleratori per protoni e ioni più utilizzati per le energie più basse. In particolare, vedremo applicazioni che richiedono al massimo qualche centinaio di MeV di protoni, che vengono effettivamente realizzate con i ciclotroni.

Il ciclotrone è un oggetto che ormai è in giro da un'ottantina d'anni, è estremamente stabile e ben accertato. Qual è la logica dietro a un ciclotrone?

La logica dietro un ciclotrone è far passare la particella tante volte dentro lo stesso campo. Poiché non posso applicare un'unica grande differenza di potenziale per accelerare, devo far passare la particella tante volte dentro lo stesso campo e schermarla durante questo passaggio.

In questo caso, ho un campo magnetico generato da un elettromagnete che mi fa fare una traiettoria circolare. Solo che queste particelle, ogni volta, vengono prese e rimandate dentro alla regione dove c'è un campo elettrico, che è questa regione in mezzo tra queste due porzioni.

Quando passano qui in mezzo, le particelle vengono accelerate e quindi fanno una traiettoria con la circonferenza via via maggiore. Ogni volta riesco ad accelerare maggiormente le particelle, facendole fare una traiettoria via via crescente.

In definitiva, particelle generate quasi da fermo vengono accelerate in questo meccanismo a spirale e prendono accelerazione ogni volta che passano nella gap.

Ora, perché non posso usare questo per elettroni o per particelle protoni e ioni di energie molto maggiori? Perché affinché questo giochino funzioni, bisogna che il tempo impiegato da una particella per effettuare in questo arco, questa semicirconferenza, sia pari al tempo che impiega il campo elettrico a tornare del segno utile.

Questo è possibile solo nel caso di particelle non relativistiche, quindi posso accelerare solo fino a una certa energia. Per darvi un'idea, questo è un bel ciclotrone, cioè uno dei più grossi ciclotroni.

Vedete che non sono dimensioni abnormi, ma dimensioni ragionevoli per una struttura anche ospedaliera. Se vogliono andare a energie maggiori e avere caratteristiche anche diverse, per esempio, una delle caratteristiche del ciclotrone è che, dopo una decadenza, il ciclotrone spara.

Ovviamente, visto che le particelle devono essere in fase con l'attraversamento tra le gap, sparano le particelle in pacchetti. Quindi è una struttura pulsata e non è detto che sia ciò che io effettivamente voglio.

L'alternativa per andare a energie più alte è usare invece dei sincrotroni, che usano sempre lo stesso concetto, cioè di far passare più volte all'interno della stessa regione accelerante.

Se ho una regione accelerante, per esempio qui, costruirò una serie di magneti per la curvatura che mi permettono di passare più volte all'interno dello stesso campo accelerante.

Qui subentrano tutte le problematiche di atteggiamento, di gestione del fascio e così via. Ma per dare un'idea della grandezza, questo è il sincrotrone necessario per l'adroterapia CNAO, questo del centro di adroterapia a Pavia.

Quindi, evidentemente, stiamo salendo significativamente in dimensioni di questi acceleratori. Giusto per darvi un'idea, nel 2004, e ancora siamo in crescita, ma qui era stata fatta questa survey: c'erano più di 17.500 acceleratori usati per fini medici in giro per il mondo.

In particolare, si va da acceleratori in giro per il mondo, 17.500, di cui per la fisica e altre l'energia soltanto 120 acceleratori e poi per la fisica su tale materia e altri 100. Ma il grosso, vedete, è per applicazioni mediche, in particolare per radioterapia, di cui parleremo successivamente.

Però non è detto che io per avere della radiazione debba per forza accelerare delle particelle o avere dei fasci coerenti. Un altro modo per portare la radiazione dove mi interessa è quello di sfruttare la possibile instabilità dei nuclei.

Se ho un nucleo instabile, questo nucleo decade in vari modi, però più interazioni forti o interazioni elettromagnetiche. In particolare, possiamo vedere i decadimenti più sfruttati.

Ci sta la possibilità di un decadimento beta più, cioè di emissione di un positrone, oppure la possibilità di emissione di un fotone, oppure la possibilità di emissione di un elettrone, questo beta meno.

In alternativa, visto che il nucleo alfa, cioè l'unione di due protoni e due neutroni, è particolarmente stabile, c'è una forte propensione anche a un decadimento alfa, cioè all'emissione di due elettroni e due neutroni, dell'unione loro, cioè una particella alfa, cioè di un nucleo di elio 4.

Dopo di che, l'altra possibilità è quella di avere la fissione, cioè che effettivamente il nucleo si spezza in più nuclei più leggeri. Questi decadimenti ci permettono di avere, ed è quello che descriveremo, delle emissioni di particelle di alta energia, che poi è quello che effettivamente mi serve.

Notate che pure qua la domanda è come si fa ad ottenere questi nuclei di cui parleremo abbondantemente. Ci sono due modi possibili: da un lato, utilizzando delle relazioni forti.

Notate bene, se io prendo un nucleo che esiste in natura stabilmente, quello normalmente non decade o non decade con i tempi che mi interessano.

Se voglio curare il paziente sulla scala delle ore o anche dei giorni, non posso prendere un carbonio 14 che mi decade in migliaia e migliaia di anni. Quindi devo avere qualcosa che è altamente instabile, ma se è altamente stabile non esiste in natura e quindi devo produrlo.

Come si può produrre? Da un lato, con le interazioni forti, cioè prendendo degli acceleratori. In particolare, normalmente ci sono dei ciclotroni bombardando degli oggetti stabili e creando degli oggetti instabili.

Per esempio, se uno prende un protone contro dell'ossigeno 18, poi tiene il forno 18, che effettivamente decade in positrone, un oggetto che vedremo.

Quindi, una prima possibilità, che è quella più usata al momento, è come vengono prodotti i farmaci che vengono usati per le terapie di cui vi descriverò.

Effettivamente ci sono dei centri in giro per l'Europa, in particolare per quel che ci riguarda, che hanno ciclotroni che producono ogni mattina il radioisotopo, che viene spedito per via aerea nei vari centri, in modo tale da essere utilizzabile per i trattamenti del giorno successivo.

Quindi c'è effettivamente tutta una rete di produzione di isotopi per fini medici. L'altra sorgente è invece quella di riciclo delle scorie radioattive.

Ci sono molti, ovviamente, all'interno della catena di decadimento dei reattori nucleari, che generano spesso degli isotopi instabili. Proprio il motivo per cui viene fatto è che una parte di queste scorie radioattive, con lunga vita media, di per sé non sono interessanti, perché avere un oggetto che decade un miliardo di anni, ovviamente non mi interessa.

Però produce come figlio qualcosa magari di più instabile, che quindi io posso via via selezionare e utilizzare per fini medici.

Questo è per darvi un pochettino delle fondamenta di quello che usiamo per tentare di usare nel seguito concetti almeno menzionati o che almeno potete ritrovare e ricordare.

Adesso passiamo ad affrontare i due aspetti che mi premeva sottolineare. Ovviamente, chiaramente, in un'ora, questo è un corso di 48 ore normalmente, quindi è ridotto in un'ora.

Devo tentare giusto di darvi un senso, una sensazione di che cosa si può parlare, però magari vi dà qualche spunto per riflettere.

Vediamo un pochettino gli aspetti legati alla diagnostica. Prima di tutto, che cos'è la diagnostica? Diagnostica vuol dire riuscire a valutare cosa sta succedendo all'interno di un corpo umano senza aprirlo, cioè senza effettivamente accedere, quindi avendo un'immagine da fuori.

Serve sostanzialmente radiazione che sia in grado di attraversare il corpo umano e di estrarre informazioni riguardo al corpo umano.

La diagnosi si divide in due categorie: quella morfologica e quella funzionale. La diagnostica morfologica è quella che è in grado di dirmi se c'è qualche corpo estraneo, se c'è qualche massa tumorale, se c'è una frattura dell'osso e quindi mi permette di dire se ci sono delle zone in cui la densità è anomala rispetto a quella che dovrebbe essere.

Sostanzialmente, misure di densità. Tra questi ci stanno la biografia, la TAC e l'ultrasuono, che non fa parte del nostro ramo, è anche molto.

L'altra è quella funzionale, che mi permette di valutare se un organo funziona, ovverosia se un tumore è in fase di sviluppo, ovverosia se un tumore effettivamente è stato curato, cioè non è più in fase di sviluppo e così via.

Tra queste ci sono la PET, la SPECT. Mi scuso, ovviamente, essendo le slide in inglese, questa parola un po' è la cosa che si perde di più. SPECT è quella che in italiano si chiama scintigrafia, quindi ricordatevi: SPECT traduce scintigrafia.

Cominciamo dal caso più semplice, il più semplice a livello concettuale, poi a livello realizzativo non è stato ovviamente così semplice.

Allora, prendiamo tutto il AGX, quindi normale radiografia. La prima cosa che va fatta in tutti questi casi è chiedersi come si genera la radiazione, come si interagisce col paziente e come si osserva.

La radiazione si genera tramite un tubo catodico, sfruttando la radiazione X. Quindi, un fascio di elettroni, però di bassa energia, urta contro una targhetta e produce radiazione X.

Dopodiché, questa radiazione X viene sparata contro un paziente e dietro adesso ci sta un rivelatore. Oggigiorno non ci sono più le due belle vecchie lastre fotografiche, ma ci sono più le camere a CCD, cioè come il sensore di macchinette fotografiche.

Incidentalmente, non far notare che se uno toglie il filtro alla macchinetta fotografica digitale, quella è il sensore dietro e sensibile alla radiazione X. In teoria potremmo fare doppia fila X alle persone anche con le macchinette fotografiche.

Adesso, parte scherzi, ci vuole la sorgente, ovviamente. Però lo stesso sensore delle macchinette fotografiche digitali funziona anche per le radiazioni X in qualche forma.

Dopodiché, come faccio ad acquisire però informazione? Come faccio a sapere se un osso è rotto, se c'è una massa che non mi torna, se c'è una macchia nel polmone e così via?

Perché quando il fotone tende a passare attraverso il paziente, se il paziente fosse tutto della stessa densità, avrei che l'attenuazione dei fotoni, della radiazione X che passano attraverso il corpo, che abbiamo visto, è che il fotone o passa o muore.

La produzione dei fotoni che passano attraverso il corpo sarebbe sempre la stessa. In realtà, la sezione d'urto sia dell'effetto fotoelettrico che poi del Compton non dipendono dalla densità dell'oggetto.

Quindi, il numero di fotoni che effettivamente interagisce con gli atomi della materia dipende dalla densità attraversata. A tutti gli effetti, quello che vado a fare è vedere quanti dei fotoni sparati all'inizio arrivano dall'altra parte del paziente e do a tutti gli effetti la misura dell'integrale della densità attraverso la linea che congiunge la sorgente al mio rivelatore.

Quindi, ogni rivelatore praticamente mi dice l'integrale lungo questa linea della densità. È per questo che, ovviamente, questa va da un'immagine 2D a un'immagine 3D.

Se c'è qualcosa dietro un oggetto denso che non lo vedo, ed è uno dei grossi limiti di queste radiografie così semplici, cioè che io sono in grado di valutare soltanto l'integrale lungo una linea.

Se ho un effetto già noto molto denso davanti, qualsiasi cosa ci sia dietro o anche davanti non è misurabile.

Allora si è sviluppata la tecnica che si chiama tomografia. La tomografia sta ovunque, tutte le parole della diagnostica medica.

Da un lato, quella che si chiama la TAC, tomografia assiale computerizzata, che ora in realtà si chiama TC, perché non è più assiale, essendo andata avanti la tecnologia.

Se voleva dire che uno era limitato a fare delle fette perpendicolari a un asse, mentre adesso puoi avere l'immagine completamente tridimensionale. In inglese si chiama CT, per cui spesso non si può accettare, ovviamente, computer tomography, però centi e la TAC.

Qual è l'idea di fondo? In realtà è proprio un trucco, se vogliamo, matematico. L'idea di fondo è che se io prendo tante proiezioni bidimensionali, come quella di una singola immagine 2D, quindi io prendo tante immagini girando attorno al paziente.

Perché attorno a te? Perché, a tutti gli effetti, hai un sistema tubo catodico-rivelatore per la radiazione X che ti gira attorno. Quindi vengono prese tante immagini bidimensionali, ognuna delle quali è proporzionale all'integrale lungo una linea via via ruotata.

A tutti gli effetti, l'immagine che lo strumento vede è una cosa del genere, cioè un fascio di linee in questo piano, che è semplicemente la posizione e l'angolazione del rivelatore man mano che avviene lo scan tomografico.

Ma con una trasformazione che ricorda molto la trasformata di Fourier, che in realtà si chiama trasformata di Radon. Quindi, con un trucco matematico, si riesce ad estrarre da tante immagini, tante proiezioni 2D, un'immagine tridimensionale.

Quindi uno ottiene effettivamente l'immagine tridimensionale del paziente, come una TAC. Questo per dire che è un aspetto anche curioso, un legame matematico, e che la tomografia sta ovunque.

Mi sono fermato, cioè sia nella TAC sia nella PET. L'arte per tomografia, sia la scintigrafia, in italiano, l'ha persa prima, però in inglese SPECT, quindi salati di tomografia.

Sono tutte tecniche tomografiche, perché oggigiorno si lavora esclusivamente in 3D tramite la tecnica tomografica, che è la traduzione da immagini 2D a immagini 3D.

O, volendo, se uno va in un'immagine di tante immagini, uno di le volte può trasformare in una sola immagine 2D. Questo è il concetto di tomografia.

Dopo di che, ovviamente, è un'arte complicatissima, perché di per sé ci vorrebbero ore per analizzare una singola immagine. Per accelerare ci sono tutte delle tecniche matematiche di filtro e così via.

È un lavoro, se riuscirà a fare una buona politica. Poi, invece, l'altra possibilità è quella di avere che, lealmente, nella radiografia, la TAC e così via prevedono l'irradiazione dall'esterno per vedere dentro al paziente.

Un'altra alternativa è quella invece di avere che la radiazione viene da dentro il paziente. A tal fine, ovviamente, bocca in modo da di metri all'ora.

Questo avviene tramite iniezione di un farmaco opportuno. Qual è la logica? Se io voglio studiare effettivamente il funzionamento di un organo, quindi sono per lo più tecniche funzionali.

Io so che, se quell'organo funziona, è in grado di prendere particolari medicinali. In realtà, c'è tutta una tecnica ingegneristica.

Per esempio, il rene. Io so che, bene o male, qualunque sostanza passa per il rene. Se però io do una sostanza che metabolizza particolarmente poco, che quindi rimane poco in circolo, ben presto tutta questa sostanza sarà nel rene.

E quindi, se voglio mandare qualcosa nel rene, vedere come contenerli, devo iniettare una sostanza che viene poco metabolizzata e che arriva in sé.

Oppure i tumori possono essere trattati in due modi diversi. Da un lato, il tumore di per sé è un insieme di cellule in rapida espansione. Essendo un insieme di cellule in rapida espansione, è anche molto avidi di zucchero, perché qualsiasi cosa si espande prende molto zucchero.

Se io riesco a iniettare uno zucchero, in particolare del glucosio, questo zucchero sarà preso più dalle cellule tumorali che dalle cellule sane.

Però, iniettare dello zucchero o qualcosa che viene espulso dopo non servirebbe a molto. Quindi, quello che devo fare è riuscire a sviluppare dei farmaci che, data una molecola che è ben presa dall'organo che voglio studiare, ci si attacca un isotopo in grado di decadere.

Ricordate bene, la complicazione è massima, perché non posso mettermi un isotopo che fa questa energia e ha questo tempo e così via. È venuto fuori perché il PD è ottimale al carbonio 14, ma tatticamente abbiamo avuto dei problemi.

Abbiamo detto: "Si potrebbe iniettare nel paziente alla nascita, così qualunque analisi poi vuoi fare nella vita ce l'hai sempre." È risolto il problema.

Però i medici non erano convinti e quindi abbiamo dovuto cercare l'alternativa. Quindi bisogna fare in modo che un qualche ciclotrone in giro per l'Europa produca l'isotopo di interesse.

Poi un qualche farmacista lo leghi alla molecola che effettivamente prende. Poi siete pronti a essere il farmaco, è pronto a essere iniettato al paziente.

Dopo di che va in circolo e quindi bisogna aspettare un certo tempo perché vada in circolo. A questo punto, tramite il fatto che una radiazione riesce a passare attraverso il paziente, adesso vedremo quali radio si usano, siamo in grado di valutare con la tomografia dove effettivamente è andato il farmaco e dunque a valutare se quell'organo sta funzionando, come sta funzionando, oppure se ci sono metastasi, se ci sono cellule tumorali e così via.

Allora, con questo concetto, quali sono le diagnostiche oggi diffuse? La prima è la scintigrafia. Vediamo, per esempio, la scintigrafia renale, che è un esempio classico.

Allora, posto che inietto al paziente una sostanza che arriva presto ai reni e che quindi, sostanzialmente, a seconda della capacità del rene di filtrare o meno, si ferma più a lungo o meno a lungo all'interno di un rene.

L'idea di massima è quella di valutare quanta di questa sostanza si ferma e per quanto tempo all'interno dei reni. In questo modo valuto la funzionalità renale e relativa, ovviamente, non è assolutamente negativa tra i due reni, perché se uno solo funziona, tutta la sostanza andrà e verrà filtrata dal rene funzionante e invece si bloccherà sul rene non funzionante.

Allora, che cosa si fa? Si prende una sostanza che poco viene metabolizzata, gli si attacca normalmente si usa il tecnezio 99, che ha la proprietà di avere una vita media di poche ore e un'energia dei fotoni emessa di 140 keV, per monocromatica.

Invece si usa l'indio o lo iodio, scusatemi, per tutte le cose di tiroide, perché la tiroide prende molto lo iodio. Dopodiché, una volta arrivato nel rene, l'oggetto decade emettendo un singolo fotone.

Il singolo fotone, appunto, esce dal paziente ed altri va nel rivelatore. Il rivelatore che viene fatto, che diciamo, con una sola immagine, ovviamente si acquisisce poca informazione.

Perché, di nuovo, se la proiezione, quindi per esempio, in particolare, se i due reni sono sovrapposti, si distingue poco. Normalmente quello che si fa è far ruotare attorno il rivelatore e quindi si prendono tante immagini bidimensionali che si trasformano in un'immagine tridimensionale.

Viene fuori un'immagine al tipo di questo tipo, che è in grado di valutare dove effettivamente è stata presa la sostanza.

Notate, non menziono, ma poi c'è tutto un altro ramo interessante eventualmente da discutere, quali sono i rivelatori utilizzati, che poi è l'attuale ramo di maggiore sviluppo.

Per oggi mi premeva, secondo me, sottolineare più quella fisicità dietro ai concetti di base. L'altra possibilità, invece, è la PET, quindi positron emission tomography, in emissione di positroni.

In questo caso si sfruttano quindi decadimenti beta più, che sono quelli dove vengono emessi dei positroni. La prima cosa che non lo fai è iniettare del nuovo radionuclide.

In questo caso, la PET viene fatta quasi sempre con uno zucchero, proprio perché è stato trovato questo zucchero che è il fluorodeossiglucosio, cioè l'importante è il glucosio e poi la F è il fluoro.

Per fortuna, c'è l'isotopo F18, fluoruro 18, del fluoro, appunto, che decade beta più con una vita media di qualche ora, quindi è perfetta per questa applicazione.

A questo punto, il farmaco viene iniettato. Ho fatto l'esempio dello studio delle funzionalità del cervello, perché una delle cose in cui è usata la PET è quello dello studio delle funzionalità del cervello, in particolare delle reazioni ai diversi stimoli.

Per esempio, l'effetto del fumo sul cervello, l'effetto della mancanza di sonno. Un cervello è stato, infatti, oggetto di svariati di questi studi.

Sostanzialmente, il farmaco che viene iniettato tende ad accumularsi nelle regioni di interesse. Dopodiché, all'interno del paziente avviene la produzione del positrone, che cammina per fortuna poco, perché ovviamente tutto quello che cammina è tutta incertezza.

Perché invece di vedere il punto esatto dove è decaduto, vedo il punto in cui interagisce il positrone. Il positrone emette due fotoni e allora posso promettere una corona di rivelatori attorno al paziente e vedere dove, cioè quando due rivelatori opposti si accendono in contemporanea.

Quindi la segnatura di un positrone, cioè li vedo un positrone perché vedo due canali opposti di un rivelatore. È tipicamente una corona attorno a me che si accendono in simultanea.

Di nuovo, ovviamente, la singola misura cosa mi dice? I conteggi che sono lungo una linea mi dicono quanti sono i positroni lungo una linea. Se voglio un'immagine bidimensionale prevenzionale, devo di nuovo applicare la tomografia.

Le altre applicazioni tipiche di questi sono, da un lato, per trovare un tumore primario. Normalmente si usano più la TAC o la risonanza magnetica, di cui non parlo perché non è nel nostro mestiere.

Però, quindi normalmente la PET non è molto utilizzata per questo. Però, sfruttando il fatto che i tumori captano maggiormente gli zuccheri, questo fluorodeossiglucosio col fluoruro 18, ci permette di individuare le metastasi.

Per quanto piccole, appariranno come pallotti di 5 mm, perché comunque il positrone cammina di 5 mm. Quindi appaiono più grandi di quelle che sono, però anche piccole masse tumorali sono ben visibili.

Cosa che, essendo ovunque nel corpo e non potendo sapere dove sono, non si può pretendere uno guardi un'immagine TAC a questo livello di dettaglio. Magari poi si può riprendere la TAC.

Infatti, una delle cose degli sviluppi maggiori che ci sono state negli ultimi anni è quello di avere delle macchine che in contemporanea fanno la PET e la TAC.

In questo modo, uno prima vede dove la PET mi dice dove è la metastasi e poi con l'immagine TAC capisce effettivamente dove si trova.

Anche perché tenere bene conto che la PET si accende soltanto, cioè misura soltanto laddove c'è un'attività, per cui non vede osso, non vede busco, niente.

Quindi, con un'immagine PET da solo è difficile capire come sta messo il paziente, dove sta nei vari organi.

L'altra funzionalità della PET è quella dell'asta di azione dopo le cure. Quando uno affronta, per esempio, una radioterapia, un tumore di per sé non è che la radioterapia rimuove la massa.

Cioè, non è che esplode e poi non c'è più la massa. Purtroppo, se uno fa un'immagine TAC dopo il trattamento, la massa è ancora lì.

La speranza, come dice, scrivere a dopo, è che non si riproduca più. Per vedere se si riproduce o non si produce, si fa una PET per vedere se effettivamente questo glucosio viene preso oppure no ancora dalla massa.

Se la massa non capta più glucosio, vuol dire che la terapia ha avuto effetto.

C'è una logica abbastanza simile a quella che poi è la linea di ricerca su cui stiamo lavorando noi, che è quella di una chirurgia radioguidata. Cioè, di riuscire a dare informazioni al chirurgo anche durante l'operazione di dove effettivamente ci sono dei piccoli residui.

Se io inietto della radiazione dentro al paziente, questa va a localizzarsi principalmente nel tumore, perché o vuoi l'avidità dello zucchero, oppure ho trovato anche delle sostanze specifiche.

Per esempio, se io ho un tumore neuroendocrino e quindi si comporta come una ghiandola, dando delle particolari sostanze, parte dei preparativi.

Poi, queste sono tutte cose che uno impara parlando, ma poi ne sa quanto ne sa poco. Però, dando particolari sostanze, queste si legano particolarmente a questo tipo di tumore.

Quindi, io sono particolarmente bravo a portare il nucleo dove voglio io e non nel tessuto tale, perché poi lì è tutto il problema.

Immaginiamo di dover fare un'operazione in cui non sono sicuro di rimuovere tutto, per esempio, sotto il cervello. Perché poi, al cervello, il tumore non è fortemente distinguibile dal cervello vero e proprio.

Quindi, devo fare in modo che la resezione completa sia particolarmente importante. In questo caso, inietto al paziente una sostanza che viene presa per lo più dal tumore.

Una volta rimosso l'intera massa tumorale, posso contare sul fatto che i residui eventuali emettono radiazione. Vado con un rivelatore apposito, però a questo punto in loco, non da lontano, e cerco di capire se effettivamente ci sono residui che il chirurgo altrimenti non vedrebbe.

Questa è quella che si chiama chirurgia radioguidata. L'idea di fondo è che nel tempo sono state state tutte e tre le radiazioni possibili.

Una è la radiazione gamma, che ha un piccolo svantaggio, essendo molto penetrante. Se io do una sostanza che emette radiazione gamma, ovviamente, se poco poco da qualche parte un altro organo che prende questa sostanza, questa mia maschera la zona di interesse.

Quindi il problema delle radiazioni gamma è che, essendo penetrante e anche poco selettiva, mi permette poco di guardare localmente dove è il residuo tumorale.

Allora è stato pensato: "Bene, allora, siamo in versione beta più." Cammina poco, perché sono positroni. Peccato che poi, di nuovo, emettono i due fotoni, che ovviamente io potrei in qualche modo tentare di eliminare.

Ci sono state varie tecniche, però diventa tutto più complesso. La pista che noi stiamo sfruttando, invece, è quella di usare l'interazione beta meno, cioè l'emissione di elettroni.

Cosa mai usata in diagnostica, perché di per sé un elettrone non esce dal paziente, non ci si può fare la pelle, aspetta e così via.

Però è importante, invece, che nell'istante in cui il chirurgo effettivamente accede alla regione, può effettivamente rivelare questa radiazione, anche se cammina dell'ordine del centimetro.

Un'altra applicazione, invece, della medicina nucleare, quindi dell'utilizzo di isotopi, è quello della terapia radiometabolica. Cioè, la possibilità di bombardare, e vedremo adesso i principi fondanti nelle successive.

Però mi sembrava più coerente qua. Uno vuole bombardare con elettroni una sostanza, una zona tumorale. Non lo fai soltanto con un acceleratore, lo puoi fare anche riuscendo a portare dei nuclei che emettono elettroni all'interno dell'organo che puoi bombardare.

Anche perché il vantaggio è che gli elettroni camminano poco, perché, se facessi raggi gamma, ovviamente porterei in un organo e bombarderei tutti quelli attorno.

Invece, così bombardo esclusivamente quell'organo. Questo tipo di trattamenti sono tipici, per esempio, degli oggetti legati alla tiroide, perché la tiroide ha la grande proprietà di essere molto avida di iodio.

Quindi, ogni volta che per portare gli elettroni, basta prendere un po' di iodio che effettivamente viene preso dalla tiroide. Quindi funziona per combattere il tumore alla tiroide e soprattutto le sue metastasi.

Se ci pensi, essendo che una metastasi si comporta come il tumore primario, quindi non avete vostra sedativi, dovunque sia effettivamente, è avida di iodio.

Quindi questo è il vantaggio, che non sapendo dove sono, se uno prende dello iodio radioattivo che emette beta meno, i residui tumorali vengono bombardati ovunque essi siano.

Alla base di questa squadra c'è anche, giusto per un altro termine che spero di no, ma potrebbe esservi capitato di sentire la brachiterapia, che usa lo stesso concetto, cioè riuscire a portare a contatto della parte malata la radiazione.

Va bene, allora, però passiamo. Parliamo adesso di aspetti della radioterapia e degli sviluppi più moderni, quindi della terapia con radiazione.

Per la radioterapia si distingue nella radioterapia convenzionale, quella fatta con macchine con elettroni e fotoni, e invece modelli sviluppi di radioterapia, che sono quelle che si chiamano adroterapia.

Qual è il concetto che sta dietro alla radioterapia? L'idea di massima è di arrestare la riproduzione completa del tumore, che appunto ha una rapida riproduzione, uccidendone in qualche modo il loro sviluppo, il tutto senza operarlo.

Perché evidentemente questa si applica nel caso uno non possa operare o nel caso, diciamo, ci sia volessi che uno effettivamente non siano operabili.

Quindi, bisogna riuscire a penetrare con sufficiente energia per spezzare la molecola, per spezzare il DNA della cellula tumorale e riuscire in questo modo a fermare la produzione tumorale.

Ora, però non sempre questo è possibile. Questo è possibile soltanto se ci sono grandi ball ex, grandi rilasci di energia per unità di lunghezza.

Il DNA di taglio è circa 2200 nanometri, quindi vuol dire che io devo riuscire a rilasciare abbastanza energia per spezzare una molecola, quindi dell'ordine di qualche elettronvolt sulla scala spaziale del nanometro.

In realtà non basta, perché se io rompo il DNA in un solo punto, è abbastanza facile che lui si riproduca. Devo spezzare entrambe le linee, entrambe le eliche del DNA e quindi ho bisogno che questo rilascio di energia mi avvenga in media almeno due volte nell'arco di quella lunghezza.

Non è banale. Nei casi in cui questo non si riesca a raggiungere, vedremo che c'è soltanto un tipo di terapia che riesce a fare questo.

Nel caso in cui questo non si raggiunga, in realtà il meccanismo invece è diverso. Cioè, la ionizzazione del DNA delle molecole attorno al tumore crea dei radicali liberi, cioè delle sostanze.

Sostanzialmente, la realizzazione delle molecole all'interno dell'acqua crea delle molecole OH meno. Queste creano delle reazioni chimiche che vanno ad attaccare le cellule e poi il DNA della cellula.

Quindi, a tutti gli effetti, alla fine la cura è chimica, cioè una sorta di chemioterapia. Soltanto è una chemioterapia, invece di essere indotta da farmaco, è indotta dalla radiazione.

Ora, come funziona la radioterapia convenzionale? L'idea di fondo è di creare un fascio di elettroni o, diciamo, adesso parleremo di fotoni per semplicità, i quali, appunto, penetrano.

Detto che penetrano, alternano al paziente, che hanno una probabilità via via esponenziale decrescente di interagire all'interno del paziente. Quando interagiscono, regalano, lasciano, creano degli elettroni.

A questo punto, vedete, vi ricordate, gli elettroni sono locali. Quindi, nell'istante in cui avviene l'interazione del fotone con il paziente, effettivamente l'energia del fotone viene tutta integralmente rilasciata in prossimità.

Quindi l'idea è quella di tentare di rilasciare sulla zona effettivamente da curare tutta l'energia del fotone. Peccato che, ovviamente, di per sé il fotone ha un andamento esponenziale.

All'inizio c'è un periodo durante il quale, non effettivamente, gli elettroni creati non rilasciano energia. Quindi, se vado a vedere l'energia rilasciata verso la profondità del paziente, vedo che, da un lato, ci vuole qualche centimetro, 12 cm, per crescere.

Questo è quello che si chiama lo skin sparing effect. Il motivo per cui un soggetto a radioterapia non si ustiona esternamente è che, altrimenti, se questo cominciasse subito con la massima energia, gli effetti anche dall'esterno.

Però, anche il brutto effetto è che, se questa è la regione tumorale, io lascio la maggior parte dell'energia prima e dopo. Quindi la radioterapia ha questo svantaggio di non preservare gli organi a rischio, se si trovano prima o dopo del tumore.

Ora, per mitigare questo problema, fatto che, oltre alla parte che si colpisce il tumore, ma offrendo anche una buona parte della parte sana. Scusatemi, prima che vi faccia vedere una tipica acceleratore per queste terapie.

Questo è un acceleratore lineare, come vi ho descritto precedentemente, che poi urta con una targhetta e viene rimesso un fascio di raggi X.

Faccio diventare un fascio, una volta collimato, emessi dai raggi X, che opportunamente collimati, vanno a interagire con la parte prevista dal trattamento. Questa è una tipica sala di trattamento.

Però come si è tentato di ridurre, di mitigare il problema del fatto che il fotone rilascia energia un po' ovunque? Immaginando di bombardare il paziente non sempre dalla stessa direzione, ma da tante direzioni diverse.

Questo è quello che si chiama "lay line amarti", cioè il questo punto, l'acceleratore effettivamente ruota attorno a te, o più ruote rispetto all'acceleratore.

Quindi il fascio di fotoni non va sempre nella stessa direzione, ma in tante direzioni diverse, per cui che abbiano, ovviamente, in comune al centro la regione che si intende bombardare.

In questo modo, la regione che si intende bombardare viene colpita da ogni fascio, mentre gli altri tessuti sani vengono colpiti invece soltanto da una parte dei fasci e quindi ricevono molta meno radiazione.

Del resto, va detto però che non si salva sostanzialmente nulla. Cioè, alla fine, comunque tutte le parti vengono colpite, anche se poco.

Non si riesce a dire: "No, io lì c'è il midollo, proprio non lo voglio toccare neanche un po'." Allora, è stato pensato di sfruttare l'adroterapia.

L'idea di fondo è quella di sfruttare quella curva di ionizzazione che mi ha fatto vedere prima. Questo è un'immagine un po' più allungata di quella che abbiamo fatto vedere prima, in cui vi dicevo che qui c'è il minimo.

Invece di esserci l'impulso per massa, c'è effettivamente l'energia dei nucleoni. Uno vede che, nell'istante in cui i nucleoni hanno energia dell'ordine del GeV, stiamo parlando quindi di protoni, per lo più, per protoni dell'ordine di qualche GeV.

Allora, sia il minimo della ionizzazione. Se andassi più in alto, in energia, ricaccerebbe un pochino, ma questo è il rilevante.

Invece, man mano che scendiamo, vi ricordate, vi avevo detto che sempre a un certo punto comincia a perdere energia in modo molto più violento.

Cosa vuol dire? Vuol dire che, nell'istante in cui io penetro all'interno del paziente, mettiamo che qui sto sparando protoni da 148 MeV, quindi mi trovo già nella regione in cui un po' di sale, ma piano logaritmica, quindi fa una grossa differenza star qui a star qui.

Allora, inizialmente rilascio poca energia, quasi quasi il minimo dell'energia. Quando però mi avvicino alla regione in cui comincio a rilasciare sempre più energia, perché la mia energia è sempre di meno, quindi meno cene o più nel rilascio.

Allora aumenta l'energia rilasciata fino a rilasciare la gran parte dell'energia proprio alla fine del suo percorso. Quindi, vedete che se questa è la regione che io intendo bombardare, c'è una profonda differenza tra un trattamento fatto con i fotoni e un trattamento fatto con gli adroni.

L'altro aspetto rilevante è che, andando su con l'energia, questo effetto si amplifica. Se io uso ioni carbonio, la struttura è ancora più stretta.

L'unico piccolo difetto è che, a causa degli effetti di frammentazione, si chiamano, cioè di rottura del nucleo della particella del carbonio, il protone non si può corrompere, mentre il carbonio sì.

Quindi ci sono dei frammenti che, vedete, rilasciano energia anche dopo la fine del rilascio dell'energia per la maggior parte delle particelle. Questo non è bello, perché normalmente quello che io intendo fare è mettere gli organi a rischio che non voglio siano contaminati.

Subito dopo, questo si chiama "i piccoli break", dove subito dopo il massimo rilascio. Però, comunque, il carbonio è una delle tecniche, una del fascio, diciamo, preferito, perché andando su nella tavola periodica avrei ancora più questo effetto di frammentazione.

Quindi avrei sicuramente questo effetto di schermatura. Però il carbonio ci piace tanto perché ha un rilascio per l'unità di lunghezza estremamente elevato.

Quindi è l'unico ione con il quale effettivamente si riesce a fare adroterapia con la rottura del DNA vero e proprio, cioè con la rottura della doppia elica del DNA. Quindi ha una sua ben efficace.

Questo perché vi lascio di energia in unità di lunghezza è sufficientemente.

Penso che tutti gli altri casi il meccanismo dominante è quello dei radicali liberi. Allora, come devono essere questi acceleratori? Tanto per farci un'idea di quali sono l'energia.

Qui hanno fatto un campionamento della profondità necessaria per i vari tipi di tumori e si vede che ci sono due categorie: quelli che devono penetrare al massimo 20 centimetri e quelli che vanno tra i 20 e 26 cm.

Non ho capito bene la logica con cui bisogna avere 26 cm per fare quelli, però va bene. Questa è la situazione reale e medica.

Quindi, a tutti gli effetti, queste sono le energie dei protoni e dei carboni necessari. Con fino a 200 MeV di protoni si riesce a curare tutti i tumori, tranne appunto questi ultimi, che sono prostata, utero e non mi ricordo che cosa avviene.

Mentre con gli ioni carbonio ci vogliono circa 350 MeV per i protoni. Dopodiché bisogna fare un salto e arrivare a circa 2400 MeV anche per i protoni per riuscire a coprire tutti i tipi di tumore.

Che poi è quello che effettivamente è stato fatto nei moderni centri. Si sta facendo nei moderni centri di adroterapia, si tenta di raggiungere 400 MeV per nucleo, né dei protoni né per gli ioni carbonio.

Quindi, se uno vede che tipo di acceleratori servono per fare queste terapie, vede che fino ai protoni, fino a 200 MeV, in realtà storicamente si possono usare ciclotroni o sincrotroni da 69 metri.

Con i ciclotroni tipicamente si aggiungono energie un po' più basse e quindi tipicamente sono stati curati soltanto tumori all'occhio.

Però, anche su questo, le case produttrici stanno veramente avanti. Ma altrimenti si usano sincrotroni fino a 9 metri, diciamo, per raggiungere i tumori più o meno energetici.

Per invece fare i carboni servono sincrotroni dell'ordine dei 25 metri di diametro. Questa è la diffusione dei centri di adroterapia nel mondo.

Come sempre, sono tutti al nord. Notate, adesso, se noi centro a Pavia, qui non è segnato il centro di Catania. In realtà, era per lo più sperimentale, però ha curato il tumore all'occhio.

Il centro, adesso, all'occhiello italiano è il CNAO di Pavia. Notate, con vista la scarsità del numero degli apparati, in fin dei conti siamo abbastanza all'avanguardia.

Ora, va detto che poi ci sono tanti altri centri. L'INFN si sta occupando appunto di sviluppare nuovi centri in Italia, opportuno a Trento, mi sembra.

Invece, in parallelo, l'ENEA sta sviluppando all'IFO di Mostacciano, qui a Roma, una linea per protoni, per fini terapeutici.

Ora, dov'è qui? I moderni sviluppi, diciamo, che mancano ancora degli strumenti, sono ancora limitati. C'è ancora dello sviluppo d'affari negli strumenti per valutare dove li lasciamo la dose, che non è una cosa ovviamente in sé piacevole.

Ma ci sono, nessuno ci sono degli strumenti, però c'è un grande margine di miglioramento. Perché qual è il problema?

Il problema è che io, effettivamente, con l'adroterapia voglio bombardare una denominata regione. Mettiamo questa regione qua. Quindi disegno il mio fascio nella regione di interesse.

Tenete presente che se io usassi un'energia monocromatica, sempre la stessa energia, il fascio sarebbe molto più stretto di quello che effettivamente mi serve.

Quindi sono costretto a rovinare io stesso l'energia in modo tale da coprire tutta la regione di interesse. Altrimenti, di per sé, un fascio di carbonio è più piccolo di un millimetro.

La zona in cui lascio energia è quasi inutile, perché poi le zone da trattare sono molto maggiori. Però, proprio perché è così selettivo, se io sbaglio di poco in partita, non è che sbaglio per cattiveria.

Io l'energia del fascio che entra la conosco benissimo, la posizione del fascio in travolto benissimo. Peccato che, da quando io ho fatto la TAC al paziente per valutare dove è andato, si potrebbero essere accumuli di acqua, ritenzione idrica di vario tipo, spostamento dell'organo per posizionamento.

Ci sono molti effetti che uno non riesce a valutare, in particolare, per esempio, per i tumori addominali. Al cervello è un po' più semplice, dipende pure quando hai fatto.

Non è che proprio ogni trattamento puoi fare una TAC, poi gli fai male perché lo bombardi di radiazione. Quindi bisogna in qualche modo riuscire a valutare durante la terapia dove effettivamente è stata rilasciata energia.

Che cosa si sfrutta? Ora, prima che volevo far riflettere, che tutto l'effetto curativo dell'adroterapia è basato su effetti interazioni elettromagnetiche.

Stiamo parlando di ionizzazione, organizzazione e un effetto elettromagnetico. L'effetto elettromagnetico è in effetti quello più frequente.

Ed è per questo che mi serve questo campionamento. Peccato che qualsiasi cosa che esce prodotto da un'introduzione elettromagnetica, io da un paziente fuori al paziente non avere interazioni elettromagnetiche alla scala delle pro volt.

Quindi non esce niente. Non si genera anche della luce di fluorescenza visibile all'interno del paziente. Non è che vedo una lucina, perché non riesce a passare il paziente.

Quindi devo cercare qualche fenomeno che mi spari fuori dai segnali e che mi dica: "Ok, allora lì è avvenuta un'interazione forte, dunque lì è passato un determinato ione."

Per fare questo, devo dunque utilizzare le interazioni forti, che sono le uniche a generare reazioni abbastanza intense da essere visibili all'esterno, abbastanza energetiche da essere visibili all'esterno.

Quindi, che cosa succede? Succede che io prendo un proiettile, cioè lo ione o il protone che io sto sparando. Questo urta un bersaglio, cioè un atomo del paziente, il nucleo del paziente, meglio dire.

Quello che avviene è che entrambi i nuclei si trovano in uno stato eccitato o perdono dei pezzi, cioè perdono dei nucleoni.

Quindi l'effetto netto è di avere due nuclei che hanno potenzialità di decadimento radioattivo. Quindi, se questa è la tabella di tutti i decadimenti che effettivamente possono avvenire per questi oggetti che si sono eccitati nell'urto tra il fascio e il paziente, devo selezionare dalle quali sono quelli che sono in grado, sperimentalmente, effettivamente di andare a rivelare.

In particolare, i decadimenti alfa, i decadimenti beta meno, sai come emissione degli elettroni, e non escono dal paziente, quindi sono inutili, perché camminano.

Potessero, poi ci sono queste altre, lightroom cup, su internet conversion, che generano neutrini. Quindi, non volendo mettere un rivelatore per neutrini di svariate tonnellate di acqua, è inutile. Evitiamo.

Allora rimangono questi tre decadimenti: beta più, che generano quindi positroni e che mi permettono di vedere il doppio fotone back to back. In pratica, come la PET, idec ad esercitazioni nucleari, che creano l'attenzione gamma.

Oppure i prodotti carichi, effettivamente sviluppati nell'interazione. Quindi l'attuale linea di sviluppo è quella di creare, di valutare quanta di questa transazione centrazione impari entra.

E fisica nucleare, a tutti gli effetti, è fisica nucleare. Cioè, i risultati delle interazioni, prodotti dalle interazioni nucleo-nucleo, è riuscire a vedere quali sono i rivelatori che vanno sviluppati per soddisfare, peraltro, tutte le condizioni di tempistica e di risoluzione necessarie.

Quindi, io vengo chiuso semplicemente dicendo che, in realtà, nella medicina e nelle cose che uno effettivamente attorno, c'è una quantità infinita di medicina.

Quindi rubo umilmente l'ultima slide di Amaldi, convegno di febbraio, che dice: "Physics is beautiful and useful." Nel senso che sottolineare è riuscire a sfruttare in qualche modo l'utilità della fisica con aspetti, diciamo, della vita che ci sta attorno.

Secondo me, è un punto che va sottolineato.