Fisica Sanitaria

La fisica sanitaria è una disciplina che riunisce diversi settori della fisica applicata alla medicina e alla protezione dell´uomo e dell´ambiente dagli effetti nocivi delle radiazioni (la radioprotezione). Infatti le aziende ospedaliere ed i laboratori che sfruttano, per ricerche e terapie, strutture di fisica sanitaria, si avvalgono dell´uso di radiazioni ionizzanti (come i raggi X e i raggi GAMMA che trasportano energia sufficiente da ionizzare gli atomi dell´oggetto analizzato) e non ionizzanti (radiazioni con frequenze minori ai raggi X e ai raggi GAMMA).

Tutte le strutture sanitarie d´altronde, necessitano della collaborazione di questa disciplina, in quanto i suoi specialisti sono indispensabili per il buon funzionamento degli apparecchi (come quelli di diagnostica per immagini, grazie ai quali è possibile studiare una zona interna ad un organismo non visibile dall´esterno, o per la radioterapia, disciplina che usa radiazioni ionizzanti per scopi medici, o di medicina nucleare, branca specialistica della medicina che utilizza, a scopo diagnostico e terapeutico, piccole quantità di sostanze debolmente radioattive).

Il percorso della fisica sanitaria e della radioprotezione  (la disciplina da essa derivata che si occupa di studiare e verificare il danno che potrebbero causare le radiazioni ionizzanti e non sull´uomo e l´ambiente), sono andati dalla loro comparsa di pari passo.

Fu verso la fine del XIX secolo che Wilhelm Conrad Rontgen, un fisico tedesco, scoprì i raggi X con le loro proprietà ionizzanti ed ebbe l´illuminazione di poterle usare in medicina. Sperimentò egli stesso su sua moglie: le fotografò la mano che era posta nella traiettoria dei raggi X e ne ricavò un´immagine molto netta dello scheletro della mano stessa. Era il 22 Dicembre 1895.

Neanche cinque anni più tardi, agli albori del nuovo secolo, la scoperta della radioattività suscita un´intensa attività di ricerca in tutta Europa, ma allo stesso tempo si inizia a riflettere sui possibili danni che queste radiazioni ionizzanti possono causare alla salute dell´uomo e all´ambiente. Molti sono i collaboratori di illustri scienziati che perdono la vita a causa di tumori, così, nel 1915, la British Rontgen Society, decide di adottare una risoluzione per proteggere la popolazione dalla sovra-esposizione ai raggi X: fu il primo atto ufficiale in materia di radioprotezione.

Proprio in questi anni iniziano le prime ricerche su tecniche oggi assai note: fu il medico statunitense Warren che, casualmente, notò che il miglior modo per localizzare il peduncolo aortico era far stare le pazienti con il braccio alzato: in questo modo era più facile analizzare la mammella ai raggi X. Nacque l´esame mammografico.

Nel 1927, il neurologo portoghese Egas Moniz, ideò la tecnica dell´angiografia celebrale a raggi X per diagnosticare disturbi nervosi.

Dopo il secondo conflitto mondiale, con l´avvento della bomba atomica e dei reattori nucleari, la radioprotezione diventa a tutti gli effetti materia di competenza governativa ma già dal 1928, nel Regno Unito, era stata istituita l´ICRP (International Commission on Radiological Protection). Nata come Agenzia Indipendente, dopo breve tempo, ricopre tutti gli aspetti della Protezione dalle Radiazioni Ionizzanti.

A Londra, nel 1971, all´Atkinson Morley Hospital, fu installato il primo tomografo computerizzato in grado di consentire esclusivamente lo studio delle strutture del cranio. Fu il radiologo americano di origine italiana, Ralph Alfidi, ad avere l´intuizione che tale metodica diagnostica potesse essere estesa all´intero corpo umano. I suoi esperimenti giunsero a buon fine nel 1975, anno in cui venne effettuata “ufficialmente” la prima TAC all´addome.

Per quanto riguarda il futuro della fisica sanitaria, è indispensabile che i progressi scientifici siano strettamente correlati alla sempre crescente sensibilizzazione delle implicazioni che queste tecniche possono avere sul benessere della popolazione e sull´equilibrio dell´intero ecosistema.

In tutte le regioni italiane vi è almeno un´università statale con la facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali.

Dopo la laurea in Fisica, il  titolo di Esperto in Fisica Sanitaria (o Medica) si consegue al termine di una Scuola di Specializzazione post-laurea della durata di 4 anni.

I tre principali settori di impiego dell´Esperto in Fisica Sanitaria sono in Radioterapia, Radiodiagnostica e Medicina Nucleare. Spesso l´Esperto in Fisica Medica è provvisto del titolo di  Esperto Qualificato e si occupa anche di Radioprotezione dei lavoratori.

Attività a fini di formazione, studio, ricerca e informazione si segnalano in collaborazione con strutture universitarie e organismi istituzionali vari, a livello centrale e locale, come l´Istituto Superiore di Sanità (ISS) e l´Istituto per la Prevenzione e la Sicurezza sul Lavoro (ISPESL), o come gli Assessorati Regionali alla Sanità.

Per quanto invece riguarda i corsi di aggiornamento per i Fisici esperti del settore sono  consultabili on line dal sito http://www.corsiecm.com/

Particolarmente interessanti sono i dati testimonianti la fiducia che ripongono gli italiani nelle tecnologie della fisica sanitaria. Grazie all’effetto combinato di diagnosi precoce e maggiore efficacia delle terapie, ad esempio, oggi la sopravvivenza per il tumore al seno (che colpisce 38mila italiane ogni anno) supera il 90%: un nuovo studio conferma il ruolo fondamentale della mammografia: «I benefici sono nettamente superiori ai costi e l’eventuale numero di trattamenti in eccesso è giustificato dal numero di vite salvate» dicono i ginecologi autori della ricerca. Nel nostro Paese sono attualmente attive campagne di screening, organizzate dalle Regioni, che prevedono una mammografia ogni due anni nelle donne tra i 50 e i 69 anni. Purtroppo però esiste un notevole divario nell’adesione delle dirette interessate: stando alle statistiche relative al 2007, mentre al Nord e al Centro le adesioni superano il 70 per cento, al Sud si il passa di poco il 30.

Talvolta però si eccede da un estremo all´altro: una statistica ha documentato che ben il 600% delle radiazioni assorbite dagli italiani (che si sono sottoposti ad esami che sfruttano le radiazioni ionizzanti) negli ultimi 25 anni, erano evitabili. Si ricorre sempre più spesso a radiografie, angiografie e TAC anche quando non ce ne sarebbe un reale bisogno e le informazioni richieste potrebbero anche essere fornite da esami che non necessitano l´uso di radiazioni ionizzanti.

Importante è sapere che secondo le norme europee ed italiane, ricordano gli esperti, ogni prescrizione di esami che comportino l´assorbimento di radiazioni ionizzanti dovrebbe rispondere al principio di “giustificazione”, che impone di tener conto della reale utilità e non sostituibilità dell´esame e del rischio connesso all´esposizione radiologica.

La fisica sanitaria, non solo offre un importante connubio di ricerca con la medicina, ma ha insito in sé anche il nobile intento etico di controllare che gli effetti delle strutture utilizzate in quest´ambito non diventino pericolose per l´uomo e per l´ambiente (dal momento che esse usano radiazioni ionizzanti e non ionizzanti). Rendere efficiente la struttura sanitaria presso cui lavora il fisico sanitario deve essere una delle sue priorità: l´Assicurazione della Qualità (QA) è il programma di fisica medica intento a risolvere e prevenire possibili complicazioni che possono insorgere nell´utilizzo e nella gestione dei macchinari ad alta tecnologia. Un programma QA che arrivi a buon esito, ovviamente, deve servirsi anche di controlli di qualità.

Analizziamo ora i vari campi di terapia e diagnosi in cui la fisica sanitaria diviene indispensabile per la comprensione dei vari dati e nell´utilizzo delle attrezzature.

Ogni paziente cui è stata prescritta la radioterapia (uso di radiazioni ionizzanti per scopi medici) necessita di un cosiddetto piano di cura radioterapico: una sorta di cartella medica specifica del malato, con la documentazione dei trattamenti e le sedute cui egli deve essere sottoposto. Il fisico sanitario deve quindi consultare tale piano stabilendone la dosimetria (a quante radiazioni e per quanto tempo deve essere sottoposto il paziente) e garantendone la qualità del sistema.

La radioterapia è un metodo di cura praticamente indolore. Nei casi in cui vengano utilizzate piccolissime dosi risulta inoltre avere anche effetti collaterali nulli o minimi (ad esempio, modeste irritazioni cutanee della zona bombardata). Quando invece le dosi utilizzate sono più elevate i danni causati all´organismo possono essere immediati o manifestarsi nei mesi successivi al trattamento stesso. Uno di questi effetti potrebbe essere la fibrosi, un indurimento dei tessuti e delle ghiandole nella zona sottoposta alla radiazione. In ogni caso, le reazioni dipendono dall´individuo, dalla quantità di dose assorbita ed ogni tessuto ha una diversa tolleranza massima alla radiazione. Negli ultimi anni però la ricerca proprio in questo  campo non si è mai fermata: uno degli intenti della radioterapia moderna è ridurre al minimo gli effetti collaterali.

La radioterapia esterna (detta anche a fasci esterni o transcutanea),  consiste nell’irradiare la zona interessata dall’esterno, utilizzando come sorgente di radiazioni una macchina chiamata acceleratore lineare, posta all’esterno del corpo del paziente. L´acceleratore lineare di particelle, anche conosciuto come linac (linear aceleretor), è uno strumento in grado di accelerare particelle cariche.

IMRT è una sigla che indica la radioterapia con modulazione di intensità di fascio (tecnica che permette di adattare il fascio emesso dall´acceleratore lineare a seconda di dove sia localizzato l´organo ricevente di tale fascio): un paziente con un tumore viene, in pratica, sottoposto a fasci di fotoni (le particelle elementari che formano la luce) emessi dall´acceleratore lineare. Questi fasci che, irradiando il tumore mirano alla sua distruzione, sono però nocivi anche per gli individui sani nelle vicinanze. Nasce perciò l´esigenza di competenze tecniche in grado di modificare i fasci, adattandoli esattamente alla forma e alla posizione del tumore.

In radioterapia il metodo più efficace consiste nel “bombardare” da vari punti il tumore con un cannone elettronico che agisce ruotando. Il tumore sottoposto a questi attacchi diviene sempre più piccolo e le tecniche di IMRT sono in grado di valutare, in ogni istante, adattare il fascio a seconda delle caratteristiche del bersaglio, ma lasciando illesi gli organi sani.

I metodi di erogazione delle radiazioni possono variare a seconda della testata dell´acceleratore lineare, chiamata gantry che può essere fisso o rotante. La tecnica del Pencil Beam, invece, utilizza un fascio di radiazioni molto sottile, ideale per rimozioni di estrema precisione.

E´ l´acronimo di radioterapia intraoperatoria. La terapia viene resa più efficace nei confronti del paziente perché sottoposto ai fasci irradianti dell´acceleratore lineare anche durante l´intervento chirurgico.

Qui il fisico sanitario si deve trovare in “prima linea” in sala operatoria assieme al chirurgo in quanto, la tecnica della IORT, può essere eseguita o trasportando il paziente “a ferita aperta” nel bunker o introducendo l´acceleratore portatile direttamente nella sala operatoria.

I vantaggi dell´utilizzazione di questo metodo sono una maggiore visibilità del tumore e la concentrazione del trattamento sull´organo-bersaglio (non toccando quelli sani).

E´ una branca della radiologia che effettua indagini diagnostiche mediante l’utilizzo di radiazioni ionizzanti.

La fisica sanitaria, in quest´ambito, attua il controllo di qualità delle strutture impiegate. Le tecniche di cui si occupa questa branca della radioterapia sono diverse.

Tramite una bassa dose di raggi X è possibile effettuare un esame del seno umano: la mammografia.

In genere il suo scopo è diagnosticare la presenza o meno di cisti e tumori alla mammella.

È consigliabile effettuare periodicamente degli esami mammografici proprio per prevenire queste gravi patologie: la causa di mortalità per il tumore al seno diminuisce se si tiene la situazione sotto controllo.

Il programma di screening mammografico è un percorso diagnostico che si rivolge a donne sane e prive di sintomi ed è consigliato a tutte le donne sopra i 50 anni: è sempre gratuito ed è preferibile effettuarlo ogni due anni.

Come esame di screening è consigliato a tutte le donne sopra i 50 anni ogni due anni se non sono nella classe a rischio, intercalato dall´ecografia mammaria. La mammografia di screening è gratuita.

Tecnica di radiologia interna in grado di visualizzare in tempo reale lo stato anatomico interno di un individuo. Tutto ciò avviene attraverso l´uso del fluoroscopio: strumento che emette raggi X mentre, su uno schermo fluorescente, proietta l´immagine dell´anatomia del paziente posizionato tra i due.

Questa tecnica, sfruttando i raggi X, radiazioni ionizzanti, in grado di trasportare energia sufficiente da ionizzare gli atomi dell´oggetto analizzato, comporta che i rischi potenziali siano minori dei benefici che si possono trarre da tale esame. Le dosi di radiazioni assorbite dipendono dalla grandezza della superficie esposta ai raggi X e dalla durata del trattamento.

I danni che potrebbero verificarsi, a causa del lungo tempo di esposizione, possono essere maggiori potenzialità di contrarre il cancro o, più raramente, eritemi o ustioni gravi. In qualunque di questi casi però le procedure di durata sono necessarie per la sopravvivenza di un paziente.

Negli ultimi tempi, si è cercato di introdurre l´uso della digitalizzazione delle immagini che oltre ad offrire una rivelazione più avanzata del paziente, richiede anche una dose minore di radiazioni a cui sottoporsi e così anche meno rischiosa.

Tramite l´infusione di  sostanze in grado di modificare il modo in cui una regione analizzata appare in una immagine medica, con l´angiografia è possibile vedere la rappresentazione dei vasi sanguigni e linfatici di un individuo. A seconda del vaso che si vuole analizzare, questa tecnica può essere più o meno penetrare nelle difese naturali dell´organismo. Gli esami angiografici più comuni avvengono grazie all´azione dei raggi X e a mezzi di contrasto radio-opachi, in grado di rivelare l´immagine dei vasi che altrimenti non sarebbero visibili all´esame. L´immagine che viene rimandata potrebbe essere o fissa, utile per visualizzare l´anatomia di una zona specifica, o in 3D, in grado di dare informazioni sulla funzionalità dei vasi. I rischi legati a questa tecnica potrebbero essere ematomi (raccolte di sangue), occlusione dei vasi, nausea.

TAC è una sigla che sta per tomografia assiale computerizzata: è un metodo di diagnosi che adopera radiazioni ionizzanti per avere immagini dettagliate di zone specifiche dell´organismo. Si dice assiale perché il fascio di raggi X viene proiettato lungo il piano orizzontale, infatti, chi viene sottoposto alla TAC si dovrà sdraiare su un lettino. Il paziente viene così attraversato dalla radiazione elettromagnetica che viene trasformata in algoritmi e quindi in un´immagine dettagliata del corpo. Più l´area dell´organismo verrà radiografata da più angoli, più si avranno informazioni dettagliate su quell´area stessa.

Negli ultimi anni le apparecchiature si sono notevolmente evolute e hanno dato origini a nuove varianti come la TAC multistrato e la TAC spirale. Quest´ultima, in particolare, permette l´acquisizione veloce di immagini piuttosto nitide e poco sensibili ai movimenti cardiaci e respiratori. La TAC è la terapia più utile per studiare le ossa, ma per le articolazioni più piccole, come quelle del gomito, del ginocchio e del polso, è preferibile usare la risonanza magnetica. È invece indispensabile per stabilire se sono state subite o meno fratture. Anche i traumi cranici ed i loro esiti possono essere visualizzati grazie all´utilizzo della TAC così come in campo oncologico, per constatare la presenza o meno di tumori in zone molto difficili da indagare come i vasi sanguigni, il cuore e i bronchi. Sottoporsi ad una TAC è assolutamente indolore, il paziente deve solo rimanere immobile a lungo sul lettino. Se viene utilizzato un mezzo di contrasto somministrato endovena, subito dopo l´iniezione, può comparire una leggera sensazione di bruciore locale, una vampata di calore e un sapore metallico in bocca. I danni causati dalla TAC sono causati dalle radiazioni ionizzanti che sono nocive per l´uomo, sebbene siano somministrate a piccolissime dosi. D´altro canto, al contrario della risonanza magnetica la TAC può essere eseguita anche da chi è portatore di pacemaker o di un defibrillatore interno.

La Risonanza Magnetica Nucleare, o RMN, è un esame di diagnosi che può rendere visibile l´interno di un organismo senza che questo venga sottoposto alle radiazioni ionizzanti.

Particolarmente efficiente nel fornire immagini dettagliate del cervello e della colonna vertebrale e nella diagnosi di traumi e tumori.

I costi delle apparecchiature e delle relative manutenzioni è molto elevato, proprio per questo, nonostante la sua precisione diagnostica, la risonanza magnetica, non gode ancora di molta diffusione.

Un altro dei fattore positivo di questo metodo, oltre la capacità di captare dettagliate immagini, è la sicurezza verso l´organismo umano. Non comporta alcun rischio per la salute dei pazienti grazie all´utilizzo di radiazioni non ionizzanti, permettendone anche la ripetizione di esami a breve distanza di tempo. Dal momento che la strumentazione si serve di un campo magnetico, la terapia di RMN, non può essere effettuata da individui con apparecchi metallici interni come pace-maker e protesi metalliche.

E´ una tecnica diagnostica che non si serve di alcuna radiazione ionizzante o non, ma di ultrasuoni per ottenere l´immagine di aree dell´organismo umano oppure ottenere informazioni sul flusso sanguigno.

È un cristallo ad emettere queste onde sonore: esso è contenuto in una sonda tenuta a contatto diretto con la pelle del paziente sopra la quale viene messo del gel per far penetrare maglio gli ultrasuoni nell´area interessata. Un computer elabora il segnale di ritorno captato dalla stessa sonda e ritrasmesso su un monitor.

Vi sono principalmente tre metodi di eseguire un´ecografia.

– A-MODE

Così chiamato da Amplitude Mode (Modulazioni di Ampiezza dell´onda dell´ultrasuono). È il metodo più semplice di rappresentare il segnale emesso dall´ecografia ed è monodimensionale (ad una dimensione sola). Offre informazioni solamente sulla natura  dell´oggetto esaminato: se liquido o solido. Ormai questa tecnica è usata solamente da oculisti e neurologi.

– TM-MODE

Così chiamato da Time Motion Mode (Tempo del Movimento). Questa volta l´immagine è arricchita dal movimento, divenendo così bidimensionale (a due dimensioni). È una tecnica molto usata, per esempio, in cardiologia, per controllare il movimento delle valvole del cuore.

– B-MODE

Così chiamato da Brightness Mode (Modulazione di Luminosità). Questa volta l´immagine trasmessa sul monitor viene ricostruita convertendo le onde sonore riflesse dall´oggetto analizzato in segnali luminosi proporzionali al messaggio di ritorno: vi è sempre bidimensionalità ma su una diversa scala di grigi che ne garantiscono la maggiore qualità dell´immagine.

Un´evoluzione recentissima è quella della tecnica tridimensionale, 3D, in cui oltre alle due dimensioni si aggiunge anche il fattore del volume dell´oggetto preso in esame.

Questa tecnica diagnostica utilizza l´effetto Doppler (cambiamento apparente della  frequenza o della lunghezza di un´onda percepita da un osservatore in movimento rispetto alla sorgente delle onde)  dei fluidi in movimento per rappresentare graficamente il flusso del sangue attraverso gli ultrasuoni. Anche qui la pelle del paziente viene cosparsa di gel per la trasmissione degli ultrasuoni emessi dalla sonda.

Disciplina indipendente molto connessa alla radiobiologia, studia come proteggere l´uomo e l´ambiente dagli effetti nocivi delle radiazioni. Essa è regolata da norme e atti legislativi adeguati aventi lo scopo la protezione della salute della popolazione e dei lavoratori nel campo specifico. La radioprotezione è un insieme di conoscenze provenienti dalla fisica, la biologia e anatomofisiologia.

La ICRP (International Commission on Radiological Protection) ha stilato un piano specifico sul sistema di protezione dalle radizioni ionizzanti basato su tre principi: giustificazione in ogni attività che usa radiazioni ionizzanti (il metodo deve essere riconosciuto come efficace), ottimizzazione con cui le radiazioni devono essere tenute al livello più basso possibile e applicazione dei limiti di dose in cui vengono stabiliti i  limiti di quantità per la popolazione e per i lavoratori.