medica, fisica
Settore della fisica che sviluppa la ricerca relativa ai problemi della salute dell’uomo valendosi dei principi e dei metodi propri della fisica. Essa utilizza in vario modo le conoscenze acquisite sia nell’ambito della fisica sia nell’ambito medico-biologico ed è coinvolta in molti aspetti dei programmi relativi alla cura della salute, in quanto è in grado di precisare i parametri fisici essenziali per la loro attuazione. Ne è derivato pertanto un gran numero di campi di attività che riguardano l’utilizzo di strumenti di misurazione, l’applicazione diagnostica e terapeutica di radionuclidi, la radioterapia.
Fra le tecniche di misurazione importanza crescente riveste la mineralometria ossea computerizzata (➔ MOC), con la quale si determina la quantità e la distribuzione del calcio nelle ossa. La tomografia assiale computerizzata (TAC o, più propriamente, TC) e le successive generazioni di scanner-TC hanno rivoluzionato non solo la radiodiagnostica, ma anche il monitoraggio per l’andamento clinico dei pazienti (➔ tomografia). Una tomografia all’avanguardia per le immagini funzionali del cervello è la PET. Un’altra tecnica di produzione di immagini ampiamente usata è la SPECT.
Tecniche come l’NMR (nuclear magnetic resonance) o MRI (magnetic resonance imaging) rivelano dettagliate informazioni anatomiche specialmente del cervello (➔ risonanza). La capacità della FMRI (functional magnetic resonance imaging) di dare informazioni su variazioni locali minime del flusso del sangue cerebrale e di altri parametri sensibili all’attività del cervello ha aperto importanti campi di ricerca su diversi problemi, quali la costruzione della mappa della parte laterale del cervello relativa alla parola, al linguaggio, alla percezione del dolore, all’evoluzione dell’epilessia e dell’apoplessia. La MRA (magnetic resonance angiography) sta subentrando all’angiografia arteriosa come mezzo per fornire l’immagine dei vasi sanguigni del cervello e di altri distretti corporei (aorta, circolo periferico). La MRS (magnetic resonance spectroscopy) fornisce invece utili informazioni sui fenomeni che stanno alla base di importanti malattie. Per es., nel caso di traumi o di determinate patologie, dà informazioni sui meccanismi delle alterazioni nella composizione chimica e nei livelli di energia delle diverse regioni cerebrali.
La radiazione di sincrotrone consente di adottare tecniche innovative in un ampio intervallo di applicazioni in campo biomedico. In particolare, sono stati ottenuti risultati estremamente promettenti utilizzando sorgenti di radiazione nel campo delle ricerche di base a uso clinico, come nel caso della DSA (digital subtraction angiography), della mammografia, della radioterapia e della diagnosi precoce per individuare distribuzioni anomale del calcio nelle ossa.
Altra tecnica molto utilizzata e sempre più raffinata è l’ecodoppler (➔ ecografia).
Abstract di approfondimento da Fisica medica di Ida Ortalli (Enciclopedia della Scienza e della Tecnica)
Sviluppi recenti
Le fibre ottiche, nel cui interno la luce si può propagare completamente da un estremo all’altro, sono state utilizzate già dagli anni Sessanta del XX sec. per la diagnostica endoscopica. La capacità di trasportare a distanza un’immagine ha permesso il consolidamento di varie tecniche endoscopiche in medicina. Le fibre ottiche, se associate alla luce laser, possono essere usate in vivo, con rilevante interesse diagnostico. Nell’ultimo ventennio, molti sviluppi della fisica applicata alla medicina sono stati realizzati nel campo delle immagini, dell’analisi di segnali, dei calcolatori per la diagnostica, della robotica, degli equipaggiamenti per la riabilitazione e per le articolazioni, delle valvole per il cuore, della produzione di biosensori, biomateriali e strumenti chirurgici. L’area delle bioimmagini comprende quelle metodiche in grado di misurare in vivo e di rappresentare, sotto forma di immagini, la distribuzione e la variazione spaziotemporale di variabili fisiche, funzionali o biochimiche. È suddivisa convenzionalmente in area delle tecniche ionizzanti (medicina nucleare, radiologia, TAC) e area delle tecniche non ionizzanti (NMR, ultrasuoni, termografia, bioelettromagnetismo).
L’introduzione della TAC (Tomografia assiale computerizzata) e le successive generazioni di scanner-TAC hanno comportato un profondo cambiamento nella diagnostica con raggi X, attraverso la produzione di immagini di elevata qualità per le sezioni assiali del corpo. La TAC permette di ricostruire immagini di sezioni trasverse con l’ausilio di un calcolatore. Si è rivoluzionata non soltanto la radiografia, ma anche l’andamento clinico dei pazienti, specie quelli d’interesse neurochirurgico. Altra tomografia è quella a emissione di positroni, detta PET (Positron emission tomography), che mediante l’uso di specifici traccianti radioattivi consente di visualizzare funzioni metaboliche dell’organismo; per esempio, permette la visualizzazione del metabolismo del glucosio e dell’ossigeno nelle regioni del cervello, in seguito a somministrazione di radiofarmaci. La PET ha anche consentito un avanzamento nelle conoscenze sulla demenza; può essere d’aiuto nello studio dei processi associati all’epilessia, ai tumori al cervello, alla malattia di Parkinson; combinata con elettroencefalografia e magnetoencefalografia permette di comprendere le complesse interazioni fra le attività metaboliche ed elettriche del cervello. La PET fornisce dunque informazioni diagnostiche di tipo funzionale complementari a quelle di tipo morfostrutturale fornite dall’ecografia, dalla TAC e dalla risonanza magnetica nucleare. La SPECT (Single photon emission computed tomography), è un’altra tecnica, meno costosa e meno complessa, utile per studiare i fenomeni di perfusione nel cervello e le alterazioni dei vasi sanguigni responsabili, in certe condizioni, dell’epilessia e dei tumori al cervello.
La risonanza magnetica nucleare NMR (Nuclear magnetic resonance), o MRI (Magnetic resonance imaging), trova applicazione nel caso di specie nucleari dotate di momento magnetico non nullo e prevede l’applicazione di un campo magnetico statico e di onde elettromagnetiche a radiofrequenza. Tra i molti elementi chimici d’interesse biologico analizzabili mediante NMR, di particolare importanza per l’applicazione in vivo è l’idrogeno, perché è abbondante nei tessuti biologici, possiede un momento magnetico elevato e ha spin 1/2, il che corrisponde a una sola riga di risonanza. L’utilizzazione in campo medico della NMR è relativamente recente: risale all’inizio degli anni Settanta, e già nel 1977 erano stati costruiti i primi prototipi capaci di contenere l’intero corpo umano all’interno dei magneti e di darne rappresentazioni assiali (NMR a corpo intero). Le immagini che si ottengono rappresentano la distribuzione dei protoni mobili, quali quelli contenuti nell’acqua presente nei vari tessuti: l’idrogeno è molto mobile nell’ambito dei tessuti molli, mentre lo è molto meno nelle strutture rigide, e per questa ragione i tessuti molli danno ottimi segnali e immagini soddisfacenti, mentre nelle ossa il segnale NMR non contribuisce alla formazione delle immagini.
Analisi NMR rivelano dettagliate informazioni anatomiche, specie del cervello, in modo particolare quando si utilizzano immagini eco planari. Recentemente si sono rese disponibili anche immagini di risonanza magnetica nucleare funzionale fMRI (functional Magnetic resonance imaging). La capacità della fMRI di dare informazioni su variazioni locali minime del flusso del sangue cerebrale e di altri parametri sensibili all’attività del cervello ha aperto importanti campi di ricerca su diversi problemi, quali la costruzione della mappa della parte laterale del cervello relativa alla parola, al linguaggio, alla percezione del dolore, all’evoluzione dell’epilessia e dell’apoplessia. La MRA (Magnetic resonance angiography) sta subentrando all’angiografia arteriosa come mezzo per fornire l’immagine dei vasi sanguigni del cervello. La MRS (Magnetic resonance spectroscopy) fornisce invece utili informazioni sui fenomeni che stanno alla base di importanti patologie. Nel caso di traumi o malattie, fornisce informazioni sui meccanismi delle alterazioni nella composizione chimica e nei livelli d’energia delle diverse regioni cerebrali. La MRI è stata usata con successo per individuare i tumori del cervello, proponendo un ruolo clinico più importante della MRS perché evita la necessità di un’ispezione cerebrale. Tuttavia, a parte gli alti costi, le tecniche di MRI continuano a presentare una serie di problemi che dovranno essere risolti.
Anche le onde sonore a frequenze molto più alte rispetto a quelle udibili dall’orecchio umano possono essere utilizzate in campo medico. L’ultrasonografia abbinata alle tecniche d’ecorivelazione si è rivelata molto preziosa. La strumentazione utilizzata è l’ecografia Doppler basata sull’effetto Doppler, e va sempre più raffinandosi. La più comune applicazione dell’eco-Doppler è il doppio analizzatore, mediante il quale sono acquisite in tempo reale due immagini bidimensionali, utilizzate per una visione tridimensionale che permette anche di fornire immagini fotografiche o film. Questo tipo di ecografia permette di valutare lo stato di salute del feto e di seguire, durante tutta la gravidanza, non solamente la sua anatomia, ma anche i suoi comportamenti e i movimenti. L’ecografia tridimensionale ha rivelato che il neonato sorride già nel pancione della mamma.
L’eco-Doppler è sempre più utilizzato anche in arteriografia, per valutare i pazienti con sospette lesioni dell’arteria carotide interna a livello cervicale. Altri usi sono lo studio del flusso sanguigno e la rilevazione dei movimenti del cuore fetale. Può inoltre essere impiegato per controllare il profilo della velocità del sangue attraverso i vasi sanguigni e per rilevare l’andamento di un vaso all’interno dell’addome. Un altro importante campo d’applicazione è quello della cardiologia vascolare.
A queste tecniche si è di recente aggiunta la radiazione di sincrotone, che offre possibilità uniche per applicazioni di diagnostica per immagini e garantisce un reale approccio terapeutico. È una tecnica ad ampio spettro, in quanto consente di adottare tecnologie innovative per numerose applicazioni in campo biomedico. In particolare, sono stati ottenuti risultati estremamente promettenti nel caso dell’angiografia a sottrazione digitale, della mammografia, della radioterapia e della diagnosi precoce di distribuzioni anomale del calcio nelle ossa. I risultati ottenuti nella mammografia hanno mostrato immagini ad alto contrasto, in grado di evidenziare noduli densi, di dimensioni molto inferiori a quelle osservate usando tecniche convenzionali. In ognuna di queste specifiche aree sono rilevanti le attività attinenti all’elaborazione o display delle immagini, indipendentemente dallo specifico contesto applicativo. Vi confluiscono apporti da vari settori: fisica, ingegneria, medicina, informatica, chimica, biologia, ed è difficile enucleare uno specifico contributo disciplinare. Si riscontra una compenetrazione di ruoli che, molto spesso, è il miglior indice del successo dell’integrazione interdisciplinare e, allo stesso tempo, fondamentale requisito dell’avanzamento e sviluppo di quest’area.
Ricerca nella lotta ai tumori
Nell’ultimo decennio si sono avuti notevoli progressi non soltanto per ciò che riguarda la diagnostica, ma anche per la ricerca nella lotta ai tumori. Già nel 1903 Albert Jesoniek e Hermann von Tappeiner fecero un tentativo di trattamento antitumorale, marcando colture cellulari con agenti sensibili alla luce visibile e poi irradiandole con quest’ultima. I risultati furono soddisfacenti, ma i tempi non erano, per così dire, maturi, sicché queste ricerche non ebbero seguito per decenni. Queste tecniche furono riprese solamente negli anni Settanta, e fino agli anni Novanta ci fu una vera e propria esplosione d’interesse per le terapie basate sulla fotoinattivazione PDT (Photo-dynamic therapy). Le terapie fotoinattivanti, tuttavia, per quanto efficaci, sono circoscritte al trattamento di tumori superficiali o alle cavità. Le sperimentazioni sono proseguite pertanto anche in altre direzioni.
Esistono tecniche che si propongono di inattivare le cellule tumorali mediante l’azione combinata di opportune sostanze sensibilizzanti e radiazioni di bassa energia, un approccio che ha avuto anche recentemente un intenso sviluppo. L’inattivazione cellulare accoppia la capacità distruttiva delle radiazioni ionizzanti, normalmente radiazioni gamma, con la selettività verso le cellule tumorali. La terapia consiste nel portare in modo selettivo sulle cellule neoplastiche i cosiddetti isotopi bersaglio e quindi nell’irraggiare la massa con radiazione gamma. Poiché l’effetto è rilevante soltanto per i siti che contengono i bersagli, cioè le cellule tumorali, si può avere in linea di principio la distruzione selettiva della massa neoplastica. Questa metodologia è molto recente e ancora in fase di sperimentazione.
È in atto negli Stati Uniti, in Russia, in Canada, in Svizzera e anche in Italia la sperimentazione dell’adroterapia, che fa uso di acceleratori di protoni e altre particelle adroniche, ossia particelle pesanti come neutroni, protoni e nuclei, prodotte da macchine acceleratrici come il sincrotrone. Il vantaggio principale di questo particolare tipo di radioterapia è che essa, oltre a consentire una migliore distribuzione della radiazione, dovrebbe permettere di aumentarne la dose indirizzata al tumore senza con ciò aumentare quella che colpisce i tessuti sani o gli organi critici vicini. Un secondo vantaggio dovrebbe venire dall’eliminazione, o riduzione, del fattore ossigeno, che è ancora un grave problema in radioterapia, in quanto correlato alle cellule ipossiche, quelle maggiormente radioresistenti. La situazione a livello mondiale, dal punto di vista sia della risposta terapeutica sia dell’efficacia, non è ancora chiara. I risultati finora ottenuti dimostrano che rispetto alla terapia convenzionale l’adroterapia presenta un sicuro vantaggio clinico nel caso dei tumori dell’occhio (melanomi uveali e condrosarcomi). Andrebbe poi valutato anche l’alto costo in funzione del numero di casi per i quali si prospetti un effettivo vantaggio clinico.
Una nuova e originale terapia nella cura del cancro è quella mediante cattura neutronica da parte del boro (BNCT, Boron neutron capture therapy), rivolta al cancro diffuso negli organi, una patologia priva di rimedi risolutivi. Questo studio, inaugurato nel 1987, sfrutta la grande capacità di assorbimento dell’isotopo 10 del boro da parte delle cellule tumorali. Il metodo consiste nell’irraggiare con neutroni l’organo espiantato, per esempio il fegato, dopo averne arricchito i tessuti con l’isotopo 10 del boro. Il fegato metastatico viene espiantato, posto entro un reattore nucleare e irradiato con un fascio omogeneo di neutroni, in grado di provocare la disintegrazione dei nuclei di boro e di conseguenza la completa distruzione delle cellule neoplastiche, pressoché senza danno per le cellule sane. Le dosi sono dovute al passaggio, nelle cellule, delle particelle a e dei nuclei di litio-7, prodottisi dalla disintegrazione del boro dopo che questo ha catturato i neutroni, secondo la reazione 10B(n, a)7Li. L’azione terapeutica non è dovuta alla radiazione proveniente dall’esterno sul paziente, ma alle particelle prodotte dentro la cellula tumorale: le particelle alfa e gli ioni litio si sprigionano dalla reazione fra i neutroni e il bersaglio contenente boro, che funziona come una microscopica ‘mina’ che esplode dentro la cellula. In un tempo compreso fra 2 e 3,5 ore dalla somministrazione della soluzione borata, sono cedute dosi letali (60470 Gy-Eq) nel tumore e dosi sotto il limite di tolleranza (8418 Gy-Eq) nel tessuto sano. I risultati sui pazienti trattati sono molto promettenti.