La Medicina Nucleare e il Fisico medico

Presso il reparto di Medicina Nucleare il Fisico medico si occupa sia degli aspetti fisici, dosimetrici e tecnologici relativi alla diagnosi e al trattamento dei pazienti con radioisotopi, che del corretto e sicuro funzionamento delle apparecchiature in uso. Supporta il Medico Nucleare nella definizione dei protocolli di diagnosi e terapia per ottimizzare il rapporto beneficio/rischio, che deve essere sempre al centro dell’attenzione quando ci sono in gioco le radiazioni ionizzanti.

In questo articolo si parla di Medicina Nucleare e del ruolo del FIsico medico in questo ambito.

Cosa è la Medicina Nucleare?

E’ una metodica di indagine o terapia basata sull’impiego di sostanze radioattive

Le procedure medico-nucleari possono essere suddivise in procedure “in vitro” e procedure “in vivo”. Le procedure “in vitro” sono utili alla caratterizzazione genotipica ed alla definizione del profilo molecolare e sono quindi estensivamente impiegate nella biologia molecolare clinica. Esse rivestono un ruolo sempre più rilevante e consentono di studiare fenomeni che vanno dalla caratterizzazione del comportamento e delle risposte di cellule tumorali, fino alla resistenza ai farmaci dei parassiti della malaria. L’applicazione di queste tecniche si è rivelata sempre più importante nella prevenzione degli effetti, a volte deleteri, di trattamenti terapeutici inefficaci.

La maggior parte delle procedure di medicina nucleare sono però procedure non invasive “in vivo“. Dopo la somministrazione al paziente di un radiofarmaco (farmaco marcato con materiale radioattivo), tipicamente, ma non esclusivamente, per via endovenosa, lo studio della sua distribuzione e localizzazione fornisce informazioni funzionali e/o metaboliche. Queste informazioni aiutano i clinici a prendere decisioni importanti sulla base di informazioni oggettive ed accurate sullo stato e la funzione di un particolare organo affetto o meno da malattia.

Lo studio viene effettuato mediante sofisticati sistemi di imaging ad alta tecnologia che utilizzano di fatto sistemi di rivelazione delle radiazioni presenti nel paziente. Le immagini sono di vario tipo (planari, tridimensionali) ed a seconda del radiofarmaco iniettato nel paziente sfruttano diversi sistemi in grado di rivelare i singoli fotoni emessi ( tomografi SPECT) o le coppie dovute all’annichilazione dei positroni (tomografi PET).  Queste tecniche consentono ai medici di monitorare la funzione degli organi a livello molecolare, rivelando quindi cambiamenti nello stato di salute di organi/tessuti che altre modalità diagnostiche (apparecchi a raggi X) deputate allo studio di aspetti meramente morfologici, non sono in grado di mostrare.

La medicina nucleare ha anche applicazioni terapeutiche e da più di 50 anni viene utilizzata con successo nel trattamento di patologie benigne e maligne della tiroide (grazie alla proprietà di quest’ultima di assorbire lo iodio, e quindi anche i suoi isotopi radioattivi, in specie il ¹³¹I) ed ultimamente anche di altre patologie tumorali, mediante l’utilizzo di isotopi a breve emivita, quali  ⁹⁰Y, ¹⁷⁷Lu, ¹⁵³Sm per citarne solo alcuni, che si riesce in diversi modi a veicolare sulle lesioni tumorali da trattare. Ultimamente l’iniezione di microsfere marcate con ⁹⁰Y, ad esempio, mostra promettenti sviluppi nel trattamento dei tumori del fegato.

Che cosa è un radiofarmaco?
Un radiofarmaco è un medicinale che include uno o più radionuclidi incorporati a scopo sanitario.

Esistono radiofarmaci che vengono utilizzati a scopo diagnostico ed altri che vengono usati per il loro effetto terapeutico. A causa del tracciante radioattivo in essi contenuti, i radiofarmaci usati in ambito diagnostico, una volta iniettati in vivo possono essere costantemente seguiti dall’esterno, durante il loro specifico percorso biologico, per mezzo di apposita strumentazione in grado di rivelare la radioattività. Questa strunmentazione, attraverso una serie di immagini raccolte in tempi successivi che individuano la distribuzione del radiofarmaco nel corpo, è in grado di evidenziarne la cinetica (metabolismo) negli organi nei quali viene captato (informazione funzionale).

Se il radiofarmaco ha la proprietà di fissarsi specificamente nelle cellule tumorali esso diventa anche radioterapeutico. Basta infatti utilizzare nella ‘marcatura’ un radionuclide che emetta radiazioni adatte alla distruzione delle cellule tumorali, perché il radiofarmaco affine ad esse, iniettato in vivo, trasporti l’agente terapeutico specificatamente nella zona in cui si vuole che agisca.

Che cosa è una radiofarmacia?
Una radiofarmacia è un laboratorio nel quale vengono preparate ed erogate soluzioni marcate con radioisotopi a fini diagnostici e terapeutici. Le radiofarmacie debbono rispettare standard logistici e costruttivi stabiliti da ben precise norme, che assicurano la qualità del preparato finale e la sua somministrabilità al paziente.
 

Cosa è un generatore di radionuclidi?

E’ un dispositivo che permette di produrre dei radionuclidi.

Il generatore di radionuclidi è permette la pronta separazione di un radionuclide “figlio” dal radionuclide “padre”, ovvero dal radionuclide a partire dal quale, in virtù del fenomeno del decadimento radioattivo, esso si forma. Nei sistemi generatori di importanza pratica il “padre” ha una emivita relativamente lunga rispetto al “figlio”, e il dispositivo generatore consente eluizioni ripetute ad intervalli opportuni. Il generatore di radionuclidi rende possibile l’utilizzo routinario di alcuni radionuclidi a vita media breve in località anche molto lontane dai centri di produzione. L’esempio più importante è il generatore ⁹⁹Mo – ^99mTc. Il ^99mTc, radionuclide estensivamente utilizzato nella diagnostica medico-nucleare in quanto la sua emissione fotonica a 140 keV è considerata ideale per l’imaging, ha una emivita piuttosto breve (6,02 h) il che renderebbe pressochè impossibile produrlo a grandi distanza dal sito di utilizzo, presso il quale arriverebbe in gran parte già decaduto, se non attraverso il generatore ⁹⁹Mo, la cui emivita è invece molto più lunga (66 h).
 

Il ruolo del fisico in Medicina Nucleare

Per definizione, la fisica è lo studio delle proprietà e delle interazioni della materia e dell’energia in tutte le loro forme. La medicina nucleare per sua stessa natura dipende dalla fisica, poiché tratta dell’interazione della radiazione emessa dal paziente, con i rivelatori utilizzati per fornire le immagini dell’organo o della struttura in studio.

In medicina nucleare il fisico gioca un ruolo fondamentale; il funzionamento delle apparecchiature di medicina nucleare dipende infatti da complessi principi fisici. Il funzionamento ottimale delle apparecchiature di imaging medico nucleare dipende da una chiara comprensione dei fondamenti su cui si basa questa tecnologia. Questioni fondamentali come la dose di radiazioni al paziente e/o ai lavoratori dipendono da come la radiazione interagisce all’interno dell’individuo. La profonda conoscenza di questi processi, competenza propria del fisico sanitario, consente sia stime accurate della dose di radiazione ricevuta dal paziente, sia il corretto impiego delle tecnologie atte a mantenere la dose da radiazioni al livello più basso possibile. Il fisico ha inoltre esperienza nella ricostruzione delle immagini e nell’analisi dei dati, può quindi contribuire efficacemente nella determinazione gli approcci ottimali da utilizzare nell’acquisizione ed elaborazione dei diversi tipi di studi di medicina nucleare.

Che cosa sono la SPECT e la PET?
La SPECT, acronimo per Tomografia Computerizzata ad Emissione di Singolo Fotone (Single Photon Emission Computerized Tomography) è una tecnica che, mediante l’utilizzo di particolari algoritmi, ricostruisce la distribuzione tridimensionale della radioattività all’interno di organi/tessuti del corpo umano. La radioattività è dovuta a sostanze in grado di emettere fotoni, somministrate al paziente, ed utilizza una gamma-camera che ruota attorno al paziente.  Il suo scopo essenziale è lo studio della cinetica (assorbimento e ritenzione) di particolari sostanze all’interno del corpo umano, ottenendo informazioni anche quantitative relative alla funzionalità degli organi/tessuti che si intende studiare.

Analogamente la PET (Tomografia ad Emissione di Positroni) è pure una tecnica tridimensionale che consente di rivelare, all’interno del corpo umano, la presenza e la cinetica di particolari isotopi cosiddetti positrone-emittenti, che, attraverso lo studio funzionale delle strutture interessate,  può essere così correlata, in maniera spesso complementare alla SPECT, alla diagnosi di particolari patologie.
 

Che cosa è radioimmunoterapia?
La radioimmunoterapia è una tecnica di trattamento del tumore che prevede di sottoporre alcune patologie neoplastiche ad alte dosi di radiazioni, veicolando queste ultime contro antigeni tumorali  mediante anticorpi monoclonali radiomarcati b-emettitori.

Cosa è la terapia radiometabolica?
La terapia radiometabolica consiste nella somministrazione per via endocavitaria, endovenosa, orale di radiofarmaci a o, soprattutto, b-emettitori, in grado di distruggere le cellule tumorali preservando il più possibile i tessuti sani.

Che cosa è la scintigrafia?

È il processo grazie al quale è possibile ottenere una immagine o una serie di immagini sequenziali della distribuzione di un radionuclide in tessuti, organi o sistemi del corpo utilizzando una Gamma Camera a scintillazione. Esempi di esami scintigrafici sono: la scintigrafia epatica, la scintigrafia renale, la scintigrafia miocardica, ecc.

L’acquisizione delle immagini avviene successivamente alla somministrazione di un farmaco debolmente radioattivo (tracciante). La scintigrafia permette di conoscere alcune caratteristiche morfologiche e funzionali degli organi e apparati in studio attraverso le immagini riprodotte da una particolare strumentazione denominata Gamma Camera. L’indagine fornisce informazioni importanti per la diagnosi, la terapia e la prognosi di molte malattie.

Come si effettua una scintigrafia?

L’indagine scintigrafica si articola in diverse fasi:

1. La raccolta della storia clinica da parte del Medico Nucleare e del quesito diagnostico (del perché) dell’esame.
2. La somministrazione del tracciante; avviene nella maggior parte dei casi per via endovenosa tramite una iniezione nell’avambraccio, ma talvolta anche per somministrazione orale o per inalazione.
3. Il periodo di attesa tra la somministrazione del tracciante e l’esame scintigrafico varia moltissimo. In alcuni  casi non è richiesta attesa; in altri, a seconda del tipo di esame da eseguire, sono necessari da alcuni  minuti a qualche ora, o addirittura qualche giorno, in base al differente meccanismo di accumulo nell’organo del tracciante utilizzato; in altri ancora (Scintigrafia miocardica) il tracciante radioattivo è iniettato al termine della prova da sforzo o di un test farmacologico.
4. L’esecuzione della scintigrafia avviene facendo distendere il paziente su un lettino posizionando il rilevatore della Gamma Camera vicino alla parte del corpo da esaminare. La Gamma Camera non produce radiazioni, ma registra quelle emesse dell’organo in esame per effetto dell’accumulo del tracciante. 

Durante l’esame è necessario togliere gli oggetti metallici (catene, spille) dal campo di rilevazione, in quanto potrebbero interferire nella qualità dell’immagine risultante.

Che cosa è la scintillazione?

È il nome dato alla produzione di flash di luce emessi da sostanze luminescenti quando vengono eccitate dalla radiazione ad alta energia prodotta tipicamente da fotoni gamma. I flash possono a loro volta liberare fotoelettroni da sostanze fotosensibili (per esempio, fosfori di cesio/antimonio o cristalli di sale inorganico come ad esempio il NaI  attivato con Tl). I fotoelettroni sono amplificati per mezzo di un tubo fotomoltiplicatore prima di essere convertiti in impulsi di corrente. L’altezza dell’impulso dipende l’energia della radiazione gamma originale (o della radiazione corpuscolare), gli impulsi possono così essere ordinati tramite un discriminatore (analizzatore altezza dell’impulso). I radionuclidi presenti in una miscela di isotopi possono essere rivelati utilizzando diversi canali di discriminazione.

Che cosa è un rivelatore a scintillazione?

È il sistema di rilevazione delle radiazioni ionizzanti utilizzato in gamma camere, scanner rettilinei, e contatori gamma. È costituito da un scintillatore, solitamente un cristallo di ioduro di sodio, attivato al tallio [NaI(Tl)], un tubo fotomoltiplicatore (PMT), e dall’elettronica di supporto. Gli scintillatori producono un “bagliore” quando vengono esposti ai raggi X, se esposti a raggi gamma producono flash di piccole dimensioni. tramite il tubo fotomoltiplicatore è così possibile generare un impulso elettrico per ogni interazione di un raggio gamma con lo scintillatore. Questo sistema è impiegato nella gamma camera e scanner rettilineo, per produrre una mappa di distribuzione del radionuclide all’interno del corpo umano.

Che cosa è una gamma Camera?

Apparecchiatura di imaging utilizzata per visualizzare la distribuzione dei radionuclidi all’interno del corpo. La maggior parte delle gamma camere in uso clinico funzionano sul principio ideato originariamente da H.O. Anger nel 1956 quando lavorava presso il Donner Laboratory a Berkeley. La radiazione proveniente dal paziente viene rilevata da un unico cristallo di scintillazione di NaI(Tl) di forma circolare o rettangolare. Un array di (37, 61 o 91) tubi fotomoltiplicatori rileva i quanti di luce emessa dal cristallo e converte le energie in impulsi elettrici (vedi fig.1). Una opportuna circuiteria elettronica associata determina la coordinate x, y di ogni evento di scintillazione, le uscite di tutti i fototubi vengano sommati per fornire il così detto “impulso z”, la cui ampiezza corrisponde all’energia totale dell’evento scintillazione (vedi fig. 2). La distribuzione della radioattività era originariamente visualizzata su un oscilloscopio. Per l’analisi quantitativa, la gamma camera è collegata ad un microcomputer dedicato, distribuzioni radioattive visualizzato sia su un monitor monocromatico TC come un intervallo di scala di grigi tomi o su un monitor a colori TC come una scala di colori.

Fig 1: In questa immagine (parzialmente ripresa da  Wikipedia) sono schematizzati i principali componenti di una moderna gamma camera i cui segnali preprocessati (x, y, z), vengono inviati ad un computer che si incaricherà della formazione dell’immagine finale.

In basso a sinistra è mostrato un dettaglio della sezione trasversale.

L’eventuale presenza di ADC (convertitori analogico-digitali) accoppiati ad ogni fotomoltiplicatore indica che la gamma camera è di tipo “interamente digitale”. Più è alto il livello di digitalizzazione maggiori sono i vantaggi (almeno potenziali) in termini di risoluzione energetica e spaziale. 

Prima di poter essere accettati come segnali validi per la generazione dell’immagine, le terne x, y, z sono ulteriormente elaborate e corrette mediante l’applicazione di alcuni algoritmi, richiamati nella parte alta sulla destra dell’immagine. Questi processi, in gergo ci si riferisce ad essi  parlando di mappe (di energia, linearità..), sono totalmente trasparenti all’operatore ma, la loro corretta applicazione, condiziona in modo determinante la qualità dell’immagine finale.

Fig 2: Sulla destra della figura sono richiamate le funzioni utilizzate per la localizzazione spaziale del segnale (x,y) e per la valutazione della sua energia (z) in una tipica gamma camera Anger. Le particolari espressioni corrispondono al cosiddetto “ratio circuit” che, normalizzando le coordinate di posizione per il valore energetico, consente l’acquisizione di esami con radioisotopi multipicco.

Nella diapositiva è inoltre rappresentato il campo di vista di una gamma camera ed una tipica disposizione dei fotomoltiplicatori che lo mappano.

Mediante la scala di colori sulla sinistra è rappresentata l’intensità relativa del segnale visto dai singoli fototubi a seguito di un singolo evento di scintillazione.

È evidente che alla formazione del segnale concorrono essenzialmente i fototubi che circondano immediatamente il PMT (fotomoltiplicatore) a massimo segnale. Questa informazione unita ai recenti miglioramenti tecnologici hanno consentito di sviluppare rivelatori che, abbandonata la logica Anger, producono il segnale coinvolgendo un sottogruppo variabile di fotomoltiplicatori migliorando le prestazioni delle gamma camere sia in termini di efficienza di conteggio che di distorsioni spaziali.