Fisica e Medicina

Siamo abituati ad associare la fisica alla ricerca scientifica e al lavoro pionieristico che il CERN sta svolgendo sulle particelle che sono all’origine dell'universo. Ma la fisica ha anche avuto un impatto grande sulla medicina e la cura delle persone. In che modo?

Da decenni, la ricerca di base in fisica svolta in ambito universitario e da grandi centri come il CERN di Ginevra ha avuto ricadute importanti in ambito medico: basti pensare all’invenzione della TC (tomografia computerizzata), della Risonanza Magnetica e della PET (tomografia a emissione di positroni, dove questi ultimi sono elettroni a carica positiva), apparecchiature impiegate ogni giorno da migliaia di persone in tutto il mondo per esami di diagnostica strumentale. Oppure vorrei ricordare l’enorme progresso tecnologico nell’ambito della cura dei tumori, con lo sviluppo degli acceleratori lineari per radioterapia, o ancora della produzione di radio-farmaci sempre più avanzati per diagnostica e terapia medico-nucleare.

In particolare, la fisica medica, cioè la fisica applicata alla medicina, ha avuto e svolge tuttora un ruolo di primo piano nelle attività di protezione dei lavoratori, della popolazione e dei pazienti dai rischi derivanti dall’impiego medico delle radiazioni ionizzanti, ottiche ed elettromagnetiche, attraverso l’ottimizzazione sia delle pratiche radiologiche (col duplice obiettivo di migliorare la qualità delle immagini ottenute e ridurre le dosi erogate al paziente), sia dei piani di trattamento radioterapici (miglior conformazione della dose somministrata al volume bersaglio tumorale e risparmio di dose a tessuti e organi sani). I fisici medici (laureati in fisica e con il diploma di specializzazione appunto in fisica medica) si sono sempre occupati anche di garanzia della qualità in radioterapia, radiodiagnostica e medicina nucleare, così come di sicurezza in medicina, cioè prevenzione del rischio di esposizioni accidentali a carico dei pazienti.

L’adroterapia è un esempio significativo di applicazione della fisica alla medicina. Come funziona?

L’adroterapia è una forma avanzata di radioterapia che sfrutta le “particelle pesanti”, protoni e ioni carbonio” per colpire le cellule tumorali in modo preciso.

Al CNAO, come avviene nei centri moderni di radioterapia, il tumore viene definito e localizzato in relazione all’anatomia del paziente mediante l’impiego di immagini tri-dimensionali morfologiche e funzionali acquisite con apparecchiature TAC, RM e PET. Le immagini vengono spedite ad un sistema di pianificazione del trattamento, che permette l’elaborazione del miglior piano di cura per lo specifico paziente. Il trattamento consiste nell’irraggiamento del volume bersaglio tumorale mediante i nostri fasci a scansione di protoni e ioni carbonio di alta energia. Immaginate di tagliare a fettine il tumore: ognuna di essa viene colpita in modo molto preciso da un fascetto di una particolare energia, che deposita lì la maggior parte della propria energia (grazie al cosiddetto picco di Bragg, tipico della deposizione della dose degli adroni). Per ciascuna fetta, il fascetto sottile viene rapidissimamente indirizzato in tutta l’area del tumore, grazie all’azione dei magneti di scansione (simili a grandi calamite). In tal modo, in pochi minuti si riesce ad erogare una dose di radiazioni molto alta e ben conformata al volume bersaglio tumorale, risparmiando invece tessuti e organi critici circostanti.

Al CNAO esiste un’unità di fisica medica, all’interno del Dipartimento medico, responsabile delle attività di messa in esercizio e controllo di qualità periodico delle apparecchiature impiegate nelle varie fasi del trattamento con i fasci di protoni e ioni carbonio prodotti dal nostro sincrotrone. Ogni giorno, lavoriamo fianco a fianco col personale medico nella messa a punto e nella verifica del piano di trattamento ottimale per ciascuno dei pazienti sottoposti a trattamento adroterapico. Siamo in prima fila anche nello sviluppo di nuove tecniche, come successo di recente per i trattamenti di lesioni mobili (pancreas, fegato) con necessità di gestione adeguata degli effetti del movimento degli organi, causati dalla respirazione, oppure nel caso della cura del melanoma oculare con un fascio di protoni a scansione.

Quali sono i progetti innovativi in corso?

Il CNAO collabora intensamente e molto proficuamente con varie Università italiane e straniere, l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), altri centri adroterapici come quello di Heidelberg in Germania e il NIRS di Chiba in Giappone, allo scopo di sviluppare strategie terapeutiche e progetti di ricerca sempre all’avanguardia. Per esempio, stiamo attualmente collaborando con l’INFN nell’ambito di un ambizioso progetto orientato alla verifica dosimetrica dei trattamenti in tempo reale, grazie alla determinazione accurata del range (percorso) effettivo delle particelle nei tessuti del paziente: questo sarà possibile mettendo a punto un sistema dotato di un’apparecchiatura PET a doppia testa e di un tracciatore di particelle, che verrà installato nelle sale di trattamento e sarà in grado di rivelare le radiazioni secondarie prodotte dall’interazione del fascio con i tessuti del paziente ed emergenti dal paziente stesso.

Abbiamo inoltre in corso parecchi progetti con il Dipartimento di bio-ingegneria del Politecnico di Milano, nell’ambito in particolare dei sistemi robotici di posizionamento del paziente e di verifica del set-up in sala di trattamento, così come dei sistemi di verifica on-line della fissazione dello sguardo del paziente durante i trattamenti oculari.

Vorrei infine ricordare il progetto sulla caratterizzazione radiobiologica dei nostri fasci di ioni carbonio, che vede coinvolti l’Unità di fisica medica e il gruppo di ricerca sulle simulazioni con metodo Monte Carlo, il Dipartimento medico, il NIRS di Chiba e l’Università di Bergen (Norvegia).