Física Médica: uma área multidisciplinar

Transcrição

1 Física Médica: uma área multidisciplinar Simone Coutinho Cardoso IF-UFRJ

2 O que é a Física Médica? Curso da UFRJ Projetos de pesquisa Hospitalar Pesquisador Simone C. Cardoso

3 O que é a Física Médica? Curso da UFRJ O que faz um físico médico? Hospitalar Pesquisador Simone C. Cardoso

4 O que é a Física Médica? Ø Multidisciplinar Física Ciências Biomédicas Engenharia Matemática Simone C. Cardoso

5 IF/UFRJ Simone C. Cardoso

6 Periodização do Curso de Física Médica da UFRJ 1 o Período 2 o Período 3 o Período 4 o Período 5 o Período 6 o Período 7 o Período 8 o Período Cálculo I MAC118 Cálculo II MAC128 Cálculo III MAC238 Métodos de Física Teórica I FIW245 Física das Radiações I FIN482 Conceitos de Mecânica Quânt. FIW367 Ultra-som RNM Física I FIT111 Física II FIT121 Física III FIM231 Física IV FIM241 Estágio IEN FIWU01 Física das Radiações II FIW368 Estatística Aplicada FIW124 Trabalho de fim de curso FIWK02 Física Exp. I FIS111 Física Exp. II FIS121 Física Exp. III FIN231 Física Exp. IV FIN241 Radiobiologia e Fotobiologia BMB352 Estágio IRD I FIWU02 Estágio HU I FIWU05 Estágio INCA FIWU07 op Fís Geral I IW491 Fundamentos de Biologia Celular e Molecular I BMB113 Fundamentos de Biologia Celular e Molecular II BMB123 Física Moderna I FIW364 Termodinâmi ca e Física Estatística FIW363 Estágio IRD II FIWU03 Estágio HU II (Med. Nuclear) FIWU06 Computação Aplicada à Med FIW479 Anatomia Médico Aplicada BMA231 Métodos Computacionais em Física I FIW234 Biofísica BMB231 Fisiologia Humana BMB241 Estágio IRD III FIWU04 Simone C. Cardoso

7 Convênio em andamento l DAAD l Intercâmbio l Estudantes l Professores Simone C. Cardoso

8 O que faz um físico médico? Físico médico Hospitalar Pesquisador Simone C. Cardoso

9 Mercado de trabalho Serviço clínico e consultoria Pesquisa e desenvolvimento Ensino Simone C. Cardoso

10 Radiodiagnóstico CT Mamografia US RMN Radioterapia Teleterapia Braquiterapia Medicina Nuclear Diagnóstico Tratamento Simone C. Cardoso

11 Clínica

12 O que faz um físico médico? Simone C. Cardoso

13 O que faz um físico médico? Simone C. Cardoso

14 IMRT- Feixe Intensidade não Uniforme Simone C. Cardoso

15 Radiocirurgia Modalidade da radioterapia; Não invasiva; Radiocirurgia com Acelerador Linear Cyber Knife Gamma Knife

16 Pesquisa

17 Métodos em Física Médica» Experimental» Monte Carlo» Clínica Simone C. Cardoso

18 Espalhamento: Compton ou elástico Nenhuma interação Efeito foto-elétrico Característico do material ou elemento Simone C. Cardoso

19 e e E3 E2 e E1 Radiação emitida é característica do elemento. Seção de choque independente do ângulo de saída do fóton. Simone C. Cardoso

20 d σ Rayleigh = ro f (x)cos dω Seção de choque dependente do ângulo de espalhamento Seção de choque diferencial varia com o quadrado de Z θ F f i Z = i= 1 f i = ψ * e ik.r ψ d 3 r sin( xr) simetria esfer. ρ ( x) i xr E θ x = (sin 2) r 2 dr Simone C. Cardoso

21 dσ dω Compton = dσ dω KN S dσ dω 1 E λ f c KN = = 1 E i r E E o f A i E ( E i f E + E f i sin λc = (1 cosθ) θ) Seção de choque dependente do ângulo de espalhamento Seção de choque diferencial varia com o número atomico S(q) = 1 F 2 Simone C. Cardoso

22 Física e Medicina

23 Radioterapia Maior dose de radiação ao volume irradiado Danificando o mínimo possível os tecidos sadios Dose absorvida varia com: profundidade tipo de tecido energia do feixe tamanho de campo distância da fonte e sistema de colimação do feixe

24 Radioterapia

25 IMRT Forma do MLC Fluência

26 Radioterapia Heterogeneidades Mudanças na distribuição de dose Variações na absorção do feixe primário e fótons espalhados Variações na fluência dos elétrons tipo da heterogeneidade energia da radiação tamanho de campo de irradiação Somente 10 % dos hospitais do mundo tratam o corpo humano como um meio heterogêneo. Pulmão; Tumores de cabeça e pescoço: ossos e cavidade de Ar; Próteses metálicas

27 Heterogeneidade pulmonar Simone C. Cardoso

28 Simone Cardoso

29 Heterogeneidade óssea na cabeça Simone CardosoRAU 2011

30 Heterogeneidade metálica Estudos demonstram que a radioterapia pós-mastectomia possui benefícios associados a sobrevida da paciente. - Maior tempo de vida; - Menores chances de reincidiva; MASTECTOMIA + RADIOTERAPIA

31 - Reconstrução mamária Radioterapia pós-mastectomia -Tumores com diâmetro 5cm - Pele comprometida - Dissecação inadequada da axila - Margem comprometida - Quatro ou mais linfonodos comprometidos Falha na reconstrução: 40%

32 Radioterapia pós-mastectomia

35 Radioterapia pós-mastectomia Submetido à Medical Physics: fase de revisão

36 Braquiterapia de próstata Ø Casos novos de próstata estimados para o Brasil em 2008: Ø Tumor na fase inicial: pouco sintomático, maior probabilidade cura. - PSA - Exame digital retal 36

37 Braquiterapia de próstata Ø Indicações Massa da próstata <40g. Indicadores químicos: Gleason <6 PSA<10 ng/ml. Tumor confinado à cápsula prostática. Ø Vantagens 1 dia de hospitalização. Anestesia peridural. Procedimento pouco invasivo. Preservação da função sexual. 37

38 Braquiterapia de próstata Ø Desvantagens Custo das sementes (US$ 60,00 cada uma). Ø Efeitos colaterais Uretrite (frequente, porém transitória). Retenção (rara, tratável). Impotência (<17%). Retite (rara). Migração das sementes (<5%). 38

39 Braquiterapia de próstata 1- Ultrassom completo da próstata 2 - Marcação do volume alvo 3 - Digitalização dos contornos 39

40 Braquiterapia de próstata 4- Dosimetria Clínica 5 Avaliação do Plano 40

41 Braquiterapia de próstata 41

42 Braquiterapia de próstata Ø Atividades típicas: 11,1 a 14,8 MBq ou 0,38 a 0,51 U. Ø T 1/2 : 59,4 dias. Ø Principais energias de fótons: 27,202 kev, 27,472 kev, 30,98 kev, 31,71 kev, 35,492 kev. Ø Energia média: 28,37 kev. 42

43 Braquiterapia de próstata Ø Implante planejado para entregar uma dose mínima. Ø Problemas: Ø Edema pós-implante pode favorecer a redução da dose entregue. Ø Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%. Ø Cálculo das distribuições de dose via sistema de planejamento - fontes pontuais. - paciente é considerado um meio homogêneo. - efeito entre as sementes é desprezado. - desprezar a orientação exata das sementes pode alterar a distribuição das doses. 43

44 Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata Ø Implante planejado para entregar uma dose mínima. Ø Problemas: Ø Edema pós-implante pode favorecer a redução da dose entregue. Ø Edema tipicamente aumenta o volume da próstata de 40 a 50%. Ø Cálculo das distribuições de dose via sistema de planejamento -fontes pontuais. - paciente é considerado um meio homogêneo. - efeito entre as sementes é desprezado. - desprezar a orientação exata das sementes pode alterar a distribuição das doses. 44

45 Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata Ø Validação do MC Point Experimental Dose (Gy) Unc. (%) Simulations (cubic phantom) Dose (Gy) Unc. (%) Simulations (voxel phantom) Dose (Gy) Unc. (%) Exp/Cubic Phantom simulation Comparison Exp/Voxel Phantom simulation % % % % % % % % % % % %

46 Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata Ø Variação do volume da próstata 65 sementes Tamanho do voxel, reescalonando o phantom Volume (cm 3 ) *F8 (MeV)/ part mass (g) Absorbed dose per particle (Gy/ part) Absorbed dose per source (Gy/ source) Total absorbed dose (Gy) E E E E E E E E E E Ø Efeito intersementes Number of seeds *F8 (MeV)/ part mass (g) Absorbed dose per particle (Gy/part) Absorbed dose per seed (Gy/seed) E E E E

47 Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata Ø Espaçamento intersementes Spacing (cm) *F8 (MeV)/ part mass (g) Absorbed dose per particle (Gy/part) Absorbed dose per seed (Gy/seed) Total absorbed dose (Gy) E E E E E E

48 Simone C. Cardoso Radiocirurgia

49 Tratamento de Radioterapia; Testado. Dose entregue. Simulador antropomórfico RANDO da Alderson; Esqueleto humano envolto por uma borracha sintética; 36 seções axiais de 2,5 cm de espessura cada.

50 Fatia Confeccionada. Simular um tumor próximo ao tronco cerebral (neurocirurgião); Filmes radiocrômico

51 Confecção da máscara fixadora.

52 Tomografia do conjunto. Cortes transversais de 2 mm de espessura e espaçamentos de 2 mm; Área de reconstrução 480 x 480 mm².

53 Filmes radiocrômico 3 x 3 cm² para preencher o local da lesão

54

55

56 Pesquisa em Física Médica (Radiação não ionizante) Terapia Fotodinâmica

57 Foto ilustrativa de uma aplicação laser da terapia fotodinâmica em carcinoma oral Dispositivo LED desenvolvido no laboratório que vem sendo utilizado para o tratamento em pacientes. Simone C. Cardoso

58 Física e Engenharia ambiental

59 Simone C. Cardoso

60

61 Simone C. Cardoso

62 Física e Biologia Pluripotência de células-tronco estudada por SR-µXRF

63 O que são células-tronco? Células não diferenciadas que tem a capacidade de formar qualquer célula adulta. - coração, fígado, nervosas, da pele Motivação Mecanismos de reparação em organismos adulto; Conhecimento sobre o desenvolvimento de uma única célula; Base da Terapia celular; Medicina regenerativa.

64 Pluripotência Capacidade de diferenciação de todos os tipos de células Embrionárias Adultas

65 Pluripotência Os mecanismos relacionados com a pluripotência não são conhecidos: Sobrevivência celular; Morte; Processo de diferenciação dinâmica; comportamento Medicina Regenerativa; Terapia

66 Objetivo Descrever a transição do estado de pluripotência à diferenciação neural através da SR-µXRF Células tronco embrionárias humanas Metodologia

67 Resultados Diferenciação espontânea x neural: S and P Ácidos nucleicos composição de proteínas Cu and Zn.

68 Resultados

69 Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia Esquizofrenia Doença neural Causas desconhecidas ips saudáveis ips esquizofrênicas Células-tronco embrionária Neuroesferas Um modelo experimental para estudos da potencialidade das células-tronco neurais Agregados celulares que crescem em suspensão na presença de fatores de crescimento, como FGF-2 ( crescimento, como FGF-2 (fifi broblast growth factor-2 broblast growth factor-2) e EGF (epidermal growth factor); Podem diferenciar-se nos três tipos celulares do SNC: neurônios, astrócitos e oligodendrócitos Cada neuroesfera é derivada de uma única célula-tronco Simone Cardoso

70 Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia K - lio colônia neuroesfera H9 FN EZQ 2 Tratar as neuroesferas com fármacos: Ácido valproico (VPA): diminui o ROS. Clozapina: medicamento clássico da esquizofrenia

71 Sala 307

72 Modelagem do espalhamento elástico em radiologia diagnóstica: a importância dos fatores de forma estruturais Simone C. Cardoso