Física Médica: uma área multidisciplinar
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Física Médica: uma área multidisciplinar
Simone Coutinho Cardoso
IF-UFRJ
Simone C. Cardoso
• O que é a Física Médica? – Curso da UFRJ
• Projetos de pesquisa – Hospitalar – Pesquisador
Simone C. Cardoso
• O que é a Física Médica? – Curso da UFRJ
• O que faz um físico médico ? – Hospitalar – Pesquisador
Simone C. Cardoso
O que é a Física Médica?
Ø Multidisciplinar
� Física � Ciências Biomédicas � Engenharia � Matemática
Simone C. Cardoso
IF/UFRJ
Simone C. Cardoso
Periodização do Curso de Física Médica da UFRJ
1o Período 2o Período 3o Período 4o Período 5o Período 6o Período 7o Período 8o 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
Top Fís Geral I FIW491
Fundamentos de Biologia Celular
e Molecular I BMB113
Fundamentos de Biologia Celular e
Molecular II BMB123
Física Moderna I FIW364
Termodinâmica 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
Convênio em andamento
l DAAD l Intercâmbio
l Estudantes l Professores
Simone C. Cardoso
O que faz um físico médico?
Físico médico
Hospitalar
Pesquisador
Simone C. Cardoso
Mercado de trabalho
• Serviço clínico e consultoria
• Pesquisa e desenvolvimento
• Ensino
� Radiodiagnóstico • CT • Mamografia • US • RMN
� Radioterapia
• Teleterapia • Braquiterapia
� Medicina Nuclear
• Diagnóstico • Tratamento
Simone C. Cardoso
Clínica
Simone C. Cardoso
O que faz um físico médico?
Simone C. Cardoso
O que faz um físico médico?
Simone C. Cardoso
IMRT- Feixe Intensidade não Uniforme
� Radiocirurgia
• Modalidade da radioterapia;
• Não invasiva;
Gamma Knife Cyber Knife
Radiocirurgia com Acelerador Linear
Pesquisa
Métodos em Física Médica
» Experimental » Monte Carlo » Clínica
Simone C. Cardoso
Simone C. Cardoso
Espalhamento:
Compton ou elástico
Nenhuma interação
Efeito foto-elétrico
Característico do material ou elemento
Simone C. Cardoso
� Radiação emitida é característica do elemento. � Seção de choque independente do ângulo de
saída do fóton.
ee
E2
E3
E1 e
Simone C. Cardoso
– Seção de choque dependente do ângulo de espalhamento
– Seção de choque diferencial varia com o quadrado de Z
θσ 222 cos)(xfrdd
oRayleigh=Ω
)(sin398.12
2)sin()(.
3*
2
1
θ
ρ
ψψ
Ex
drrxrxrxiesfersimetria
dieif
fFZ
ii
=
∫⇒
∫∫∫=
=∑=
rk.r
Simone C. Cardoso
– Seção de choque dependente do ângulo de espalhamento
– Seção de choque diferencial varia com o número atomico
2
o
c
c
if
2
i
f
f
i
i
f20
KN
KNCompton
F1)q(S
A0243.0
)cos1(398.12E
1E1
)sinEE
EE(
EE
2r
dd
Sdd
dd
−=
=λ
θ−λ
=−
θ−+=Ω
σ
Ω
σ=
Ω
σ
Física e Medicina
• 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
Radioterapia
Radioterapia
IMRT
Forma do MLC Fluência
• Heterogeneidades – Mudanças na distribuição de dose
• 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
Variações na absorção do feixe primário e fótons espalhados Variações na fluência dos elétrons
Radioterapia
Simone C. Cardoso
Heterogeneidade pulmonar
Simone Cardoso
Simone CardosoRAU 2011
Heterogeneidade óssea na cabeça
Estudos demonstram que a radioterapia pós-mastectomia possui benefícios associados a sobrevida da paciente.
- Maior tempo de vida;
- Menores chances de reincidiva;
MASTECTOMIA + RADIOTERAPIA
Heterogeneidade metálica
Radioterapia pós-mastectomia • - Reconstrução mamária
-Tumores com diâmetro ≥ 5cm - Pele comprometida - Dissecação inadequada da axila - Margem comprometida - Quatro ou mais linfonodos comprometidos
Falha na reconstrução: 40%
Radioterapia pós-mastectomia
Radioterapia pós-mastectomia
Radioterapia pós-mastectomia
Radioterapia pós-mastectomia
Submetido à Medical Physics: fase de revisão
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Braquiterapia de próstata
Ø Casos novos de próstata estimados para o Brasil em 2008: 49.530. Ø Tumor na fase inicial: pouco sintomático, maior probabilidade cura.
- PSA - Exame digital retal
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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.
Braquiterapia de próstata
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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%).
Braquiterapia de próstata
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Braquiterapia de próstata
1- Ultrassom completo da próstata
2 - Marcação do volume alvo
3 - Digitalização dos contornos
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4- Dosimetria Clínica 5 –Avaliação do Plano
Braquiterapia de próstata
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Braquiterapia de próstata
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Braquiterapia de próstata
Ø Atividades típicas: 11,1 a 14,8 MBq ou 0,38 a 0,51 U.
Ø T1/2 : 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.
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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.
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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.
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Avaliação da aproximações envolvidas em um tratamento de braquiterapia de próstata
Ø Validação do MC
Experimental Simulations
(cubic phantom) Simulations
(voxel phantom) Comparison
Point Dose (Gy)
Unc. (%)
Dose (Gy)
Unc. (%)
Dose (Gy)
Unc. (%)
Exp/Cubic Phantom
simulation
Exp/Voxel Phantom
simulation 1 1.186 3.32% 1.299 3.83% 1.274 2.08% 0.91 0.93 3 1.165 4.66% 1.325 3.81% 1.266 2.09% 0.88 0.92 6 1.207 3.66% 1.191 4.01% 1.281 2.08% 1.01 0.94 8 1.245 4.94% 1.242 3.94% 1.263 2.09% 1.00 0.98
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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
Ø Efeito intersementes
*F8 (MeV)/
part mass (g)
Absorbed dose per particle (Gy/
part)
Absorbed dose per source (Gy/
source)
Total absorbed dose
(Gy) Volume (cm3)
30.02 4.19E-03 31.521 2.13E-14 1.93 125.58
35.00 4.52E-03 36.75 1.97E-14 1.79 116.21 40.00 4.78E-03 42.00 1.82E-14 1.65 107.54 45.00 4.99E-03 47.25 1.69E-14 1.53 99.70 52.10 5.23E-03 54.705 1.53E-14 1.39 90.30
Number of
seeds
*F8 (MeV)/part
mass (g) Absorbed dose per particle (Gy/part)
Absorbed dose per seed (Gy/seed)
14 7.26E-03 54.705 2.13E-14 1.93 65 5.23E-03 54.705 1.53E-14 1.39
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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)
0.25 5.85E-03 54.705 1.71E-14 1.555 21.768 0.50 5.84E-03 54.705 1.71E-14 1.551 21.716 0.70 5.51E-03 54.705 1.61E-14 1.463 20.482
Radiocirurgia
Simone C. Cardoso
� 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.
� Fatia Confeccionada . � Simular um tumor próximo ao tronco cerebral (neurocirurgião); � Filmes radiocrômico
� Confecção da máscara fixadora.
� Tomografia do conjunto. • Cortes transversais de 2 mm de espessura e espaçamentos de
2 mm; • Área de reconstrução – 480 x 480 mm².
� Filmes radiocrômico • 3 x 3 cm² para preencher o local da lesão
Pesquisa em Física Médica (Radiação não ionizante)
Terapia Fotodinâmica
Simone C. Cardoso
Dispositivo LED desenvolvido no laboratório que vem sendo utilizado para o tratamento em pacientes.
Foto ilustrativa de uma aplicação laser da terapia fotodinâmica em carcinoma oral
Física e Engenharia ambiental
Simone C. Cardoso
Simone C. Cardoso
Física e Biologia
Pluripotência de células-tronco estudada por SR-µXRF
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.
Pluripotência
Capacidade de diferenciação de todos os tipos de células
Embrionárias Adultas
Pluripotência
Os mecanismos relacionados com a pluripotência não são conhecidos:
• Sobrevivência celular;
• Morte;
• Processo de diferenciação
• dinâmica;
• comportamento
• Medicina Regenerativa;
• Terapia http://jpphysiology.blogspot.com/
Objetivo
Descrever a transição do estado de pluripotência à diferenciação neural através da SR-µXRF • Células tronco embrionárias humanas
Metodologia
Resultados
Diferenciação espontânea x neural: • S and P
• Ácidos nucleicos • composição de proteínas
• Cu and Zn.
Resultados
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
Doenças neurais a nível atômico e embrionário: esquizofrenia
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
H9 FN EZQ 2
K - lio
colônia
neuroesfera
Tratar as neuroesferas com fármacos: Ácido valproico (VPA): diminui o ROS. Clozapina: medicamento clássico da esquizofrenia
[email protected] Sala 307
Modelagem do espalhamento elástico em radiologia diagnóstica: a importância dos fatores de forma estruturais
Simone C. Cardoso