Fisica e medicina: come l’una ha migliorato notevolmente l’altra

Quando si pensa alla fisica ci vengono subito in mente formule, teoremi, calcoli, leve o particelle. In realtà è uno strumento utilissimo che negli anni si è addentrata sempre più anche in ambito medico, favorendo tecniche diagnostiche non invasive che permettono di esplorare distretti anatomici in tempi molto brevi. Basti pensare ai raggi X, alla TAC o ad una risonanza magnetica. Questo ha contribuito all’evoluzione della medicina, che negli ultimi anni ha fatto passi da gigante. Quindi fisica e medicina sono un connubio perfetto

Fisica e medicina: com’è nata la fisica medica?

Nel 1895 Röntgen, fisico tedesco, scoprì i raggi X, ovvero radiazione elettromagnetica capace di penetrare i tessuti. I raggi X ebbero sin da subito un enorme successo poiché permettevano ai medici di guardare l’interno del corpo umano senza ricorrere alla chirurgia. Questa tecnica diagnostica venne addirittura utilizzata in quegli anni durante le battaglie poiché consentiva di vedere ossa rotte o proiettili conficcato nel corpo dei soldati.

Un altro notevole contributo   è stato dato dalla scoperta della radioattività da parte del fisico A. Henri Becquerel, il quale avanzò studi circa la radioattività naturale dell’Uranio, ed in seguito i coniugi Curie  che selezionarono gli elementi radioattivi Polonio e Radio. Stavolta i raggi provenivano dai materiali stessi che quindi erano ben diversi dai raggi X. Le potenzialità delle sostanze scoperte dai coniugi Curie erano notevoli a tal punto che furono prodotte e commercializzate creme e compresse radioattive, come ad esempio la linea di cosmetici francesi “Tho-Radia”. Ben presto però ci furono dei casi sospetti di avvelenamento da radio che man mano portarono allo sviluppo delle  radioprotezioni.

Fisica e medicina: la fisica nella diagnosi delle malattie

La nascita dei raggi X portò allo sviluppo della radiologia diagnostica, disciplina medica che fa uso di radiografie, TAC, risonanza magnetica, ecografia, medicina nucleare per ottenere delle immagini necessarie per diagnosticare una malattia.

Come funziona una radiografia

La radiografia e la TAC fanno uso dei raggi X, radiazioni ionizzanti (ovvero capaci di ionizzare la materia che attraversano) che vengono assorbite dai tessuti del corpo umano ad intensità diverse a seconda della composizione del tessuto. Quello che si ottiene è un’immagine in scala di grigi creata mediante particolari rivelatori che convertono il segnale dei fotoni X in un’immagine visibile.

La tomografia assiale computerizzata

La TAC, tomografia assiale computerizzata, sfrutta gli stessi principi della radiografia, ma su più sezioni, per vincere i limiti della radiografia dettati dalla sovrapposizione delle strutture anatomiche. Esistono più generazioni di TAC che riducono via via i tempi di acquisizione per evitare artefatti dovuti al movimento dei pazienti.

Risonanza magnetica

La risonanza magnetica sfrutta invece i campi magnetici e più precisamente il fenomeno della risonanza magnetica degli spin nucleari di elementi quali l’idrogeno. Essa non fa quindi uso di radiazioni ionizzanti ed in grado di fornire immagini molto dettagliate di vari distretti anatomici. Viene quindi impiegato un grosso magnete che generalmente produce un campo magnetico di 2/3 Tesla, ma esistono anche magneti capaci di raggiungere i 7 Tesla, attualmente impiegati al solo scopo di ricerca.

Ecografia

Un altro fenomeno fisico che trova applicazione in medicina sono gli ultrasuoni, inizialmente utilizzati dai radar dei sottomarini e poi applicati in ambito medico sia come diagnosi, tramite ecografia ed eco-doppler, che come terapia per la cura di capsuliti, infiammazioni articolari e calcificazioni. A differenza delle altre tecniche gli ultrasuoni rappresentano una tecnica sicura poichè non ricorre all’utilizzo di radiazioni ionizzanti.

PET

Infine l’impiego della radioattività ha permesso lo sviluppo dell’imaging in emissione, che prende il nome di PET, che prevede la somministrazione di un radiofarmaco che va a concentrarsi nelle zone dove viene consumato maggiore metabolismo, quindi nei distretti tumorali. La scelta del radiofarmaco deve essere tale da garantire il tempo necessario all’acquisizione delle immagini senza risiedere troppo all’interno del paziente. Ad esempio in PET il più utilizzato è il Flouro-18 il cui tempo di decadimento è di circa 110 minuti.

Fisica e medicina: la fisica come terapia

Molte  tecniche descritte nel precedente paragrafo possono essere finalizzate anche a scopo terapeutico; tra queste la più importante nel corso degli ultimi anni è diventata la radioterapia. Essa consiste nell’impiego di una certa quantità, “dose”, di radiazioni ionizzanti per eradicare un tumore.  Le radiazioni ionizzanti utilizzate sono costituite da fasci di elettroni capaci di colpire il DNA delle cellule maligne. In questo ambito la ricerca lavora costantemente al fine di trovare soluzioni che possono garantire sempre più il risparmio dei tessuti sani a discapito di quelli tumorali.  Nascono quindi le radioterapie  conformazionali e a intensità modulata (IMRT).

La vera svolta però si è avuta negli ultimi anni con la radioterapia con particelle cariche o adroterapia , in particolar modo la protonterapia o la terapia con ioni carbonio , tecnica che sfrutta la caratteristica di queste particelle capaci di  rilasciare in profondità  la radiazione ionizzante colpendo così solamente la regione tumorale. L’Italia gode di tre grandi centri di adroterapia tra cui il CNAO di Pavia, il più famoso dei tre, il CATANA di Catania e l’ELETTRA sincrotrone di Trieste. Le applicazioni sono molteplici, ad esempio le patologie tumorali trattabili al CNAO sono i tumori dell’encefalo, del midollo spinale, della testa, del torace e tumori pediatrici.

Le nuove frontiere sono la BNCT, ovvero Boron Neutron Capture Therapy, tecnica che studia l’applicazione della terapia per cattura neutronica e la radioterapia Flash, in via di sperimentazione, che permette, di erogare  la dose di radioterapia in tempi di frazioni di secondo contro i minuti della radioterapia convenzionale.

Fisica e medicina: le realtà ospedaliere

Gli ospedali italiani di oggi sono dotati di strumenti diagnostici quali TAC e radiografie, mentre la presenza di tubi di risonanza magnetica non è sempre garantita in quanto l’acquisto e la manutenzione comporta un costo più elevato. Anche la presenza di ciclotroni ai fini radioterapici è spesso garantita nelle strutture, in quanto sistemi molto compatti e con costi relativamente sostenibili.

I parametri spesso valutati dal sistema sanitario nazionale italiano, prima dell’acquisto di un certo apparecchio sono:

• Rischio/beneficio, ovvero rapporto tra rischio indotto dall’esecuzione di una certa metodica (calcolato a livello statistico su tutta la popolazione coinvolta) e il beneficio che deriva dalla possibilità di fare una diagnosi precoce e quindi di trattare la malattia quando questa è ancora curabile.
• Costo/beneficio:  si valuta se costi di più sottoporre ad una certa metodica diagnostica la popolazione sana o aspettare che la malattia diventi conclamata e curare le persone con la malattia conclamata.

A cura di Mario Liuzzo