Diagnostica per immagini e radioterapia

Diagnostica per immagini e radioterapia

Prof. Sconfienza, Albano

1 - Introduzione

Radiografia: metodica di imaging che utilizza radiazioni che attraversano il corpo del paziente e permettono di ottenere delle immagini corporee.

Altri utilizzi delle radiazioni in medicina:

• Medicina nucleare: somministrazione al paziente di sostanze radioattive (radiofarmaci) che si accumulano in determinate aree corporee ed emettono delle radiazioni; il paziente diventa egli stesso emissore di radiazioni che, attraverso una “gamma camera”, vengono riconosciute e localizzate (per capire dove si accumulano di più: è utile in ambito oncologico per fare valutazioni di tipo metabolico).
• Radioterapia: disciplina che utilizza fasci di radiazione molto concentrati (ad alta energia) per uccidere volontariamente delle zone di tessuto all’interno del corpo del paziente.

N.B. Le radiazioni sono dannose per il corpo. In medicina nucleare o nelle radiografie si utilizza una quantità di raggi poco dannosi. In radioterapia invece danneggiare è l’obiettivo.

Differenza tra radiologia e medicina nucleare:

Struttura dell’atomo

L’atomo è una struttura costituita da:

• Nucleo centrale: è molto pesante ed è il cuore dell’atomo. Al suo interno è presente una certa quantità di protoni (particelle con carica +) e neutroni (particelle con carica neutra); il nucleo dell’atomo è quindi definibile come una zona carica positivamente.
• Particelle che ruotano attorno al nucleo: sono gli elettroni (particelle con carica -); controbilanciano la carica positiva del nucleo.

N.B. Ogni atomo, a seconda del numero di protoni, presenta uno specifico numero di elettroni per bilanciare la carica elettrica dell’atomo stesso; in condizioni di normalità gli atomi sono allo stato di equilibrio (neutri).

Orbitali

Gli elettroni ruotano su orbitali a distanze diverse dal nucleo.

La distanza coincide con il livello energetico dell’elettrone: gli elettroni più esterni possiedono energia più elevata, quelli più interni più bassi. Gli elettroni, fornendo o togliendo energia, possono fare salti da un orbitale all’altro. Quando l’energia cessa l’elettrone ritorna all’orbitale di riferimento.

Radiazioni

Radiazione: gruppo di fenomeni chimici e fisici che hanno in comune il trasporto di energia senza il trasporto macroscopico di materia. Un tipo di radiazione è la luce.

Radiazione corpuscolata: gli atomi perdono particelle di nucleo che si trasportano nello spazio e vanno a colpire il destinatario della radiazione (la definizione dice infatti che non c’è un trasporto macroscopico).

Caratteristiche delle radiazioni

Le onde elettromagnetiche vengono rappresentate da una funzione sinusoidale.

La curva sinusoidale è caratterizzata da 3 grandezze:

• Lunghezza d’onda (λ): spazio che separa due creste dell’onda sinusoidale.
• Frequenza (ν): numero di creste dell’onda elettromagnetica per l’unità di tempo.
• Energia dell’onda elettromagnetica che viene trasportata (E).

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N.B. Lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali: maggiore è la lunghezza d’onda e minore è il numero di picchi nell’unità di tempo.

La relazione è: λ=c/ν (con c=velocità della luce).

L’energia dell’onda elettromagnetica che viene trasformata si calcola come: E=ν·h (h=costante di Planck).

Maggiore è la frequenza d’onda e maggiore è l’energia trasportata.

Teoria di Einstein

Assimila le onde elettromagnetiche a piccole particelle.

Le onde sono costituite da microscopiche particelle di energia, che vengono definite fotoni (da luce).

L’energia dei fotoni è regolata dalla legge: E=µ·h.

Spettro elettromagnetico

Spettro che comprende tutte le lunghezze d’onda conosciute.

Le radiazioni utilizzate in medicina sono: raggi X e raggi γ.

Sono radiazioni che portano con sé una grande quantità di energia rispetto alle altre.

La quantità elevata di energia permette a queste radiazioni di attraversare determinati spessori di materiale (in particolare in medicina interessa che attraversino materiali biologici, il corpo).

L’energia portata con le radiazioni al detettore varia in base a:

• Radiazioni assorbite dal paziente.
• Come si è modificata la radiazione durante il passaggio attraverso il corpo del paziente.

I raggi X e γ sono definiti radiazioni ionizzanti e vengono prodotti con due meccanismi diversi.

• Raggi X: sono prodotti da transizioni elettroniche, ovvero fornendo energia all’atomo che faccia spostare gli elettroni dal proprio orbitale.
• Raggi γ: sono chiamati radiazioni nucleari.

Radiazioni nucleari (raggi X)

Le radiazioni nucleari sono radiazioni prodotte dallo sfaldamento dei nuclei dell’atomo.

I nuclei di alcuni materiali (che non sono stabili) si rompono, alcuni pezzi vengono lanciati nello spazio portando con sé energia. Questi nuclei instabili vengono definiti radioattivi (perché producono radiazioni).

Questi nuclei sono sostanze che vanno incontro ad una degradazione spontanea.

Le particelle di nucleo si disperdono nell’ambiente circostante.

Questi materiali hanno un tempo di consumo, durante il quale emettono radiazioni, che viene definito tempo di dimezzamento: tempo in cui il nucleo di un atomo perde la metà della propria energia.

I raggi X sono radiazioni prodotte attraverso l’energia elettrica.

Quindi, spento l’interruttore le radiazioni cessano di esistere e non c’è coinvolgimento radioattivo per le persone circostanti (paziente o operatore).

Produzione dei raggi X

Sono definiti come una radiazioni di frenamento: viene applicata una differenza di potenziale ai due poli, che crea una produzione di elettroni molto intensa, i quali vengono spediti contro una placca di tungsteno producendo due principali effetti:

• Calore (99% dissipata così).
• Il restante 1% di energia cinetica degli elettroni che sbattono viene trasformata in un’onda elettromagnetica caratteristica, che è la radiazione X.

Interazione dei raggi X con il materiale biologico

Un raggio X arriva dalla macchina verso il paziente (per comodità si considera un solo atomo) portando con sé una grande quantità di energia, che viene fornita all’atomo: gli elettroni dell’atomo si eccitano generando dei salti di orbitale (andando negli orbitali immediatamente circostanti).

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Il raggio X ha una quantità di energia sufficiente affinché l’elettrone dell’orbitale più esterno venga sparato fuori (cedendo un po’ di energia a questo elettrone).

L’elettrone che viene sparato fuori viene definito ione: per questo motivo i raggi X sono definiti come radiazioni ionizzanti (in quanto sono in grado di indurre nella materia la ionizzazione).

L’energia del fascio di radiazioni, una volta che collidono con l’atomo, viene attenuata; maggiore è l’energia ceduta all’atomo (plurale) e minore è l’energia che rimane al raggio X.

Effetti ottenuti:

• Attenuazione: il raggio X cede energia al sistema (visto sopra).
• Le strutture ossee nel corpo sono le strutture più dense, quindi attenuano maggiormente il raggio X (perché ha una quota di interazione maggiore) rispetto ai tessuti circostanti.
• Contrasto: differenza di attenuazione tra due strutture contigue; è alla base del principio radiografico (la radiografia mette in correlazione questi dati di densità).
• Ionizzazione: possibilità di strappare un elettrone più esterno.

Grandezze con le quali viene definita la dose di radiazione

• Dose assorbita.
• Dose equivalente.
• Dose efficace.

Dose assorbita (d)

È una grandezza chimica, misura l’energia media generata dalle radiazioni per l’unità di volume.

Energia/massa (si misura in Gray); Gy=J/Kg.

Dose equivalente (h1)

Tiene conto della tossicità delle diverse radiazioni.

Si moltiplica la dose assorbita per un coefficiente (che per i raggi X e gamma è 1).

La dose equivalente misura l’effetto biologico delle radiazioni su un organismo.

La misura di questa dose è il Sievert (Sv). Il mSv permette di valutare l’esposizione alle radiazioni.

Effetti dannosi si possono patire di fronte ad esposizioni molto elevate.

Una grande quota di radiazioni che arriva addosso ad un soggetto può provocare la malattia da radiazione.

Dose efficace (e)

Considera non solo il danno chimico e la tossicità, ma anche la diversa radiosensibilità dei tessuti.

I tessuti hanno diverse sensibilità, questo è legato al turnover cellulare (più è alto più sono sensibili).

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Radiobiologia

Disciplina che studia gli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla materia vivente, in particolare l’uomo.

Si tiene conto del rapporto costo/beneficio: quanto vantaggio diagnostico (e di conseguenza medico) rispetto al potenziale costo biologico (danno) fornito al paziente.

Le radiazioni ionizzanti sono dannose per l’uomo. I loro effetti sono stati studiati con:

• Analisi fisiche e chimiche.
• Colture cellulari in vitro.
• Effetti clinici delle diverse popolazioni esposte alle radiazioni ionizzanti:
• Chi si espone a scopo professionale.
• Pazienti in radioterapia.
• Soggetti esposti a bombe nucleari.
• Soggetti esposti ad incidenti nucleari.

Gli effetti delle radiazioni ionizzanti sui materiali biologici vengono suddivisi in una sequenza di eventi:

• Fase fisica: emissione delle radiazioni dal sistema radiogeno, dispersione nell’aria e assorbimento.
• Fase chimica: i raggi X interagiscono con le molecole biologiche.
• Fase biologica: c’è una modificazione del materiale biologico.

Fasi chimica e biologica

Le radiazioni ionizzanti agiscono sulle strutture molecolari delle cellule dell’organismo.

Lo ione che si produce attraverso la radiazione ionizzante cerca un sito di legame e trova all’interno del nucleo della cellula una serie di strutture (in particolare il DNA). Lo ione rompe i legami tra le molecole di DNA (soprattutto i legami covalenti) e si lega casualmente ai frammenti, danneggiandoli.

All’interno del nucleo però è presente anche acqua (H+,H+, O2- le molecole che la compongono): l’elettrone causa radiolisi (la scissione delle molecole di acqua) danneggiando ulteriormente il DNA in modo indiretto (l’acqua si ricombina in altre sostanze che vanno a danneggiare in modo maggiore il DNA).

L’azione diretta dell’elettrone sul DNA è 1/3, l’azione indiretta (da parte dell’acqua radiolizzata) 2/3.

L’acqua viene scissa producendo: e-, H+, OH. Due gruppi OH formano H2O2 (perossido di idrogeno), uno dei composti più ossidanti possibili all’interno dell’organismo umano.

Il perossido di idrogeno danneggia una serie di strutture creando dei danni a livello cellulare.

N.B. L’organismo prevede però dei meccanismi protettivi, definiti meccanismi di compenso.

Quando il DNA viene danneggiato si possono creare diversi scenari:

• Tentativo di riparazione (quello che generalmente succede): scenario migliore se viene riparato.
• Il DNA è danneggiato a tal punto che non è possibile ripararlo, la cellula muore.
• Il DNA non è riparato in maniera completa, allora la cellula mette in atto meccanismi di apoptosi (perché si accorge di non essere più in grado di svolgere in modo corretto la propria funzione).
• Il DNA non è riparato in maniera corretta, viene riparato in maniera mutata. La cellula viene quindi sottoposta a mutazioni genetiche; questo è importante per l’insorgenza di tumori.
• Le radiazioni ionizzanti hanno un potenziale oncogenico sulle cellule dell’organismo umano.

Lo scenario più grave è chiaramente la mutazione della cellula (il potenziale oncogenico).

Effetti delle radiazioni ionizzanti

Gli effetti delle radiazioni variano a seconda della quantità di radiazioni somministrate al soggetto.

Le radiazioni sono sottoposte ad un effetto soglia:

• Al di sotto di una certa soglia di radiazioni (dosi basse) gli effetti delle radiazioni sono di tipo stocastico (probabilistico), ovvero è probabile che ci sia un effetto.
• Al di sopra una certa soglia gli effetti sono di tipo deterministico (certo).

Questa soglia non è conosciuta perché varia da soggetto a soggetto.

N.B. Gli effetti deterministici si possono manifestare sia dopo molti anni, che come effetti immediati, definiti effetti acuti della radioterapia (assomigliano ad una scottatura da sole: queste radiazioni sono infatti associati alle radiazioni luminose).

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2 - Radiologia

Energie e tecniche fondamentali in radiodiagnostica:

In ambito diagnostico si possono utilizzare:

• Raggi X: radiografia digitale, TAC.
• Ultrasuoni: ecografia (studio le parti molli).
• Campi magnetici e radiofrequenze: risonanza magnetica.

Radiologia

Il fascio di radiazioni attraversa il paziente, incontra una serie di strutture e le impressiona sul detettore.

Sull’immagine radiografica si ottiene una rappresentazione in 2D. La radiografia schiaccia su un singolo piano una struttura tridimensionale (tutte le strutture che i raggi incontrano), per questo motivo viene definita immagine sintetica o di sommazione (somma tutto su un singolo piano).

È opportuno quindi che la radiografia venga effettuata da più punti di vista:

È possibile inoltre muovere il fascio di radiazioni in modo diverso, in modo tale da poter osservare zone sovrapposte e non visibili con l’esame semplice (sovrapposizione diretta).

N.B. In radiologia bisogna avere almeno due visioni (possibilmente ortogonali) della medesima zona.

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Ortopantomografia (OTP)

L’ortopantomografia è una delle principali tecniche radiografiche extraorali (extraorale in quanto tubo e detettore sono posizionate all’esterno della bocca del paziente).

La denominazione ortopantomografia è di derivazione greca ed è composta da 4 parti:

• Orto: ortogonale. La radiografia risulta dritta in ogni punto in quanto, grazie ad un movimento rotatorio, è sempre posizionata ortogonalmente al cavo orale.
• Pan: tutto. Permette di effettuare una valutazione completa di tutte le strutture del cavo orale.
• Tomo e Grafia.

Tecniche su cui si basa l’ortopantomografia:

• Tomografia rotatoria: viene eseguita mentre sia il tubo che il detentore si muovono in maniera sincrona e opposta intorno al capo del paziente; questo perché la traiettoria è quella ogivale. L’obiettivo della rotazione è permettere che le strutture posizionate sul centro di fuoco dell’immagine radiologica siano visibili (le arcate dentarie, che sono il soggetto) e risultino sfocate tutte le altre.
• Radiografia a fessura: il detettore ruota in maniera sincrona al tubo ed allo stesso tempo scorre su sé stesso offrendo ai raggi X che hanno attraversato il paziente una posizione di incidenza che sia ogni volta differente (esempio: modalità foto panoramica di iphone).

La sorgente radiogena si muove in senso antiorario e il detettore antiorario.

Magnificazione

Magnificazione: alterazione delle dimensioni delle strutture.

Le strutture sul piano frontale (anteriore al piano di fuoco) hanno dimensioni ridotte rispetto alla realtà, quelle posteriori vengono invece aumentate. C’è una magnificazione verticale del 10% e orizzontale del 20% (devo sapere che non può essere utilizzata per effettuare misurazioni precise delle strutture del dente).

Posizionamento del paziente

Essendo una immagine biplanare il piano occlusale ed il piano verticale devono essere esattamente al centro di fuoco, perché se ci sono dei tilt dell’asse si vede una immagine che non è più corretta.

Immagine ortopantomografica

Permette di valutare le arcate dentarie del paziente in modo complessivo.

Nonostante le immagini non siano sempre del tutto chiare è possibile studiare tutte le strutture presenti nella zona della mandibola, della mascella e dei denti. Tra queste strutture visibili ci sono

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Indicazioni per l’ortopantomografia

• È un esame di base per la valutazione preliminare di qualsiasi paziente odontostomatologico.
• Permette di diagnosticare anomalie dentarie.
• Permette di diagnosticare lesioni ossee clinicamente silenti o neoformazioni.
• Permette di effettuare una valutazione generale della situazione clinica di un paziente con carie o parodontoiatie.
• Permette di valutare la presenza di sinusiti o cisti sinusali clinicamente silenti.
• Permette di valutare la presenza di calcoli biliari radiopachi.
• Permette di effettuare un primo bilancio in previsione di una protesi totale in pazienti edentuli.

Limiti dell’ortopantomografia

• Ingrandimento incostante ed imprevedibile: non si può sapere quanto ingrandisca o rimpicciolisca gli elementi dentari (ogni arcata dentale è diversa).
• Ombre di trasporto: quando sono presenti strutture particolarmente dense, queste ombre vengono sfocate dal movimento di tubo e detettore; se la struttura è molto densa l’ombra può trascinarsi lungo tutta l’immagine (e quindi si ha un artefatto che comporti dei problemi a livello diagnostico).
• Centratura del cranio: se non viene fatto in modo corretto si possono osservare delle deformazioni.
• Artefatti da movimento del paziente.

Refertazione ortopantomografia

L’odontoiatra può eseguire autonomamente indagini OTP nel proprio studio odontoiatrico.

Nell’OTP non si notano solo gli elementi dentari, ma anche una serie di altre strutture: chi legge l’OTP deve sempre porre attenzione che intorno non siano presenti altre alterazioni (definite reperti incidentali).

Se è presente una lesione che non viene vista, l’odontoiatra che non la nota ne è responsabile.

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Ecografia

Piezoelettricità: proprietà di alcuni cristalli fotoelettrici di deformarsi se sottoposti ad una tensione elettrica.

Il fenomeno piezoelettrico porta alla produzione degli ultrasuoni