CAP.3  Applicazioni alla Cura dei Tumori

 
       3.1  Metodi per generare l' ipertermia
        3.2  Ipertermia elettromagnetica
        3.3  Il trattamento terapeutico
        3.4  Gli applicatori a R.F.
        3.5  Gli applicatori a M.W.
            3.5.1  Gli applicatori non invasivi
            3.5.2  Gli applicatori invasivi
        3.6  Il controllo della temperatura
        3.7  Considerazioni sull' efficacia terapeutica


3.1 Metodi Per Generare l' Ipertermia

L'uso del calore per il trattamento dei tumori risale a circa un secolo fa (Coley,1893); inizialmente l'aumento di temperatura veniva ottenuto causando infezioni batteriche o iniettando tossine nel soggetto.
Negli ultimi 20 anni sono stati fatti progressi considerevoli nel campo, grazie anche allo sviluppo tecnologico che ha messo a disposizione mezzi più adeguati per ottenere risultati migliori. L'ipertermia per scopi terapeutici risulta efficace perché le cellule tumorali sono più ricche di acqua rispetto a quelle sane, per cui un aumento di temperatura provoca in esse un danno maggiore, inoltre sono fortemente vascolarizzate, quindi vengono riscaldate meglio.Le tecniche di ipertermia sono efficaci soprattutto contro particolari tipi di tumore, come il Melanoma.
I metodi principali per ottenere ipertermia sono:

Gli svantaggi delle tecniche non basate sull' irradiazione EM sono: Indice cap.3

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3.2 Ipertermia Elettromagnetica

Con tecniche di ipertermia elettromagnetica, invece, si possono trattare zone limitate (torace, arti, etc.) o addirittura si può focalizzare il segnale solo sulla parte malata e si possono raggiungere anche temperature di 43 °C, che non possono essere tollerate se non localmente, con una maggior efficacia per la terapia. Quindi, è conveniente ricorrere alle microonde nell'ipertermia clinica perchè:

Gli elementi negativi sono: A tutto ciò bisogna aggiungere il fatto che una terapia ad alta potenza di MW può essere rischiosa soprattutto in ambiente clinico, ciò porta all'esigenza di realizzare macchine sicure ed affidabili. L'ipertermia elettromagnetica per scopi terapeutici generalmente viene presa in considerazione quando le altre terapie adottate falliscono,e non è ancora molto diffusa a causa dei vari problemi precedentemente analizzati. Per questo motivo si ha un limitato numero di casi sui quali analizzare i risultati, quindi le percentuali di successo non sono sempre molto significative.
Le frequenze permesse per fare ipertermia sono: Le alte frequenze consentono una grande precisione spaziale nell'irradiare unicamente la zona interessata, ma vengono attenuate fortemente in mezzi dissipativi quali i tessuti biologici e quindi: Le basse frequenze vengono attenuate in modo minore e quindi riescono a penetrare più in profondità, ma hanno i seguenti svantaggi: Un equipaggiamento clinico completo per fare ipertermia comprende: 1) Un applicatore per produrre il campo che riscalda i tessuti. 2) Accorgimenti di accoppiamento tra applicatore e corpo, per evitare che tutta la potenza venga riflessa all'interfaccia tra tessuti con costanti dielettriche diverse. 3) Dispositivo che misura la temperatura del tessuto e controlla automaticamente la potenza emessa dall'applicatore.

Indice Cap. 3
 
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3.3 Il Trattamento Terapeutico

La terapia viene effettuata nel seguente modo: un applicatore invia un campo E.M. monocromatico sulla zona malata, mentre un sensore di temperatura misura la potenza emessa per evitare surriscaldamento, secondo lo schema seguente:

Il paziente dovrebbe essere messo in posizione comoda, dato che i tempi del trattamento variano da 30 ai 60 minuti. Prima dell'inizio del trattamento si deve vedere dove è situato il tumore e quanto è esteso.
La misura della temperatura va effettuata al centro del tumore e non in superficie; inoltre l'applicatore di campo non deve interferire con il sistema termometrico. Se il trattamento comporta l'irradiazione indesiderata di parti sensibili, (ad esempio l'occhio), queste devono essere schermate.
L'ipertermia a onde-corte (RF) è apparsa precedentemente rispetto a quella a microonde. Essa utilizza basse frequenze (13.56 MHz o 27.12 MHz), alle quali le correnti prevalenti sono quelle di conduzione. Gli applicatori usati sono quelli del tipo a condensatore e a bobina, e non richiedono particolari attenzioni nel dimensionamento.
Lo svantaggio più grosso di questa tecnica è che essa non consente una localizzazione molto precisa della zona da trattare, un ulteriore svantaggio è l' eccessivo riscaldamento dei tessuti più esterni, inutile e pericoloso.

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3.4 Applicatori a RF

Il primo elettrodo usato nella diatermia a RF è stato quello a condensatore: consiste in due elettrodi applicati su due zone diverse, tra i quali viene imposta una tensione sinusoidale; a 27 MHz si è lontani dalla frequenza di rilassamento dell'acqua e il riscaldamento è sostanzialmente dovuto alle perdite ohmiche. Inoltre, viste le frequenze utilizzate, la differenza di costante dielettrica tra il metallo di cui è costituito l'applicatore e la pelle del paziente non provoca una grande riflessione e quindi non c'è il problema dell'accoppiamento.
L' altro applicatore comunemente usato per la diatermia a onde-corte è la bobina d' induzione. In questo caso è il campo magnetico che induce delle correnti nei tessuti con il conseguente riscaldamento dei tesssuti stessi. Il campo elettrico, parallelo alle interfacce tra i diversi tessuti, si propaga inalterato nel passaggio dal muscolo al grasso.
Questi sistemi forniscono una buona quantità di potenza con una buona delimitazione dell'area riscaldata. Per contro, se si avvicina eccessivamente la bobina al corpo del paziente, si ottiene un eccessivo riscaldamento della pelle e del grasso sottocutaneo. Per quanto riguarda la bobina coassiale, ancora non è stata studiata sufficientemente la distribuzione di calore nel corpo, infatti mentre calcoli semplificati fatti pensando ad oggetti omogenei danno come risultato un campo magnetico uniforme nella regione centrale della bobina, la potenza assorbita misurata in casi reali risulta essere nulla in questa regione.
La presenza dei problemi correlati all'utilizzo della diatermia a onde-corte ha portato allo sviluppo della diatermia a microonde, infatti la lunghezza d'onda minore fa in modo che sia più facile controllare la zona riscaldata.

Indice Cap. 3

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3.5 Gli Applicatori a MW

3.5.1 Applicatori non invasivi

I dispositivi utilizzati per l'ipertermia elettromagnetica possono essere divisi in due categorie principali: applicatori invasivi e non invasivi.
Per quanto riguarda le tecniche non invasive, il problema maggiore è quello di conciliare la profondità di riscaldamento con le dimensioni dell'antenna o della guida d'onda che viene utilizzata ed inoltre di avere un soddisfacente adattamento. Un'altra difficoltà è rappresentata dal fatto che, irradiando il soggetto, si rischia di bruciare la pelle anzichè la metastasi interna, specialmente ad alte frequenze. Si rimedia a questo inconveniente ponendo a contatto con la superficie della zona irradiata un bolo contenente acqua ghiacciata (T = 0 °C), con il quale si riesce a mantenere costante la temperatura sulla pelle, in modo da provocare riscaldamento solamente all'interno.
La figura seguente mostra il profilo di temperatura della zona irradiata senza bolo:
 

 Fig.2
 
Mentre questo è il profilo di temperatura nel caso di presenza del bolo di ghiaccio:
 
Fig.3

La presenza dell'acqua,inoltre, offre il vantaggio di ridurre il salto di impedenza che si avrebbe all'interfaccia aria-tessuto, e quindi la riflessione. Per questo scopo vengono anche utilizzate guide d'onda riempite di un materiale che ha una costante dielettrica vicina a quella dell'acqua; in questo modo è inoltre possibile propagare nella guida modi a frequenza più bassa senza aumentarne le dimensioni, perchè si abbassa la frequenza di taglio.
Nelle figure 4,5,6 sono rappresentati tre tipi di guide d'onda più comunemente usate: la guida rettangolare viene utilizzata a 915 MHz, mentre le altre due a 2450 MHz.
 

Fig.4
 
Fig.5
 
Fig.6
 
Dalla tabella riportata di seguito risulta chiaramente che la guida circolare e quella coassiale sono migliori, in quanto, per ottenere lo stesso valore di SAR basta inviare una potenza minore rispetto
alla guida rettangolare, inoltre hanno perdite più basse.
 
Tabella 3
TIPO
Frequenza
(MHz)
Potenza
Inviata  (W)
SAR
(W/Kg)
Perdite a 
5 cm  (mW/cm2 ) 
Rettangolare
915
50
150
5
Circolare
2450
12.5
150
0.1
Coassiale
2450
17
150
0.3
 
 Un altro genere di applicatori è costituito dalle linee di trasmissione a microstrisce, che hanno il vantaggio di essere più compatte e leggere rispetto alle guide d'onda. Possono essere costituite da vari tipi di elementi radianti, come patch o loop, posti su una linea di trasmissione a microstriscia:
 
Fig.7

Indice Cap. 3

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3.5.2 Gli Applicatori Invasivi

Le tecniche invasive, invece, possono essere effettuate inserendo all'interno del corpo degli elettrodi, oppure delle particelle ferromagnetiche (tecniche a RF), o ancora mediante l'introduzione di piccole antenne. Nel primo caso il riscaldamento è ottenuto mediante la corrente prodotta dalla differenza di potenziale tra gli elettrodi; nel secondo caso si sfrutta la conduzione termica tra le particelle, che vengono scaldate per induzione magnetica mediante un campo esterno al soggetto, e il tessuto; in questa ultima tecnica si possono raggiungere al massimo frequenze intorno ai 500 kHz per il trattamento di zone piuttosto ampie, mentre per aree di dimensioni più limitate non si possono superare frequenze di 1.9 MHz. L'inserimento di antenne è particolarmente indicato nei casi in cui la parte malata è facilmente raggiungibile dall'esterno mediante un'apertura del corpo stesso (esofago, stomaco,etc.). Questi dispositivi sono costituiti da una parte radiante alimentata da un cavo coassiale, alle volte il conduttore centrale viene fatto funzionare da elemento radiante, per esempio rivestendolo con un manicotto di materiale dielettrico. In figura 8 è rappresentato un esempio di antenna invasiva.

Fig. 8
Con le tecniche invasive è possibile ottenere un'ottima focalizzazione, visto che è possibile posizionare l'elemento radiante direttamente sul tumore, senza causare apprezzabili variazioni di temperatura nel resto del corpo, l'unico svantaggio consiste nel fatto che queste terapie possono risultare fastidiose per il paziente.

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3.6 Il Controllo Della Temperatura

Come già accennato all' inizio della trattazione, un accurato controllo durante il trattamento è essenziale sia per la sicurezza del soggetto, sia per ottenere i migliori risultati possibili.
E' necessario, quindi, effettuare delle misure della temperatura all'interno del soggetto: mediante apposite sonde termometriche (per es. termo-coppie), oppure tramite l'uso della Termografia .

Un termometro a termo-coppia è realizzato ponendo una giunzione dei due metalli nel punto dove c'è la temperatura da misurare T ' e la seconda giunzione ad una temperatura di riferimento T ". Quando si ha un metallo con un estremo più caldo dell'altro, gli elettroni presenti a questo estremo acquistano più energia e tendono a diffondere verso il lato più freddo. Su quest'ultimo si crea quindi un eccesso di carica che produce una debole d.d.p. E.
Il coefficiente in temperatura di tale potenziale è chiamato Forza Termoelettrica Assoluta ed è espressa da Poichè le strutture elettroniche dei due metalli sono differenti ,anche le forze termoelettriche sono diverse. La d.d.p. agli estremi della termo-coppia viene quindi letta con un microvoltmetro. Le termo-coppie  rame-costantana (una lega rame-nichel), chiamate anche coppie di tipo T, sono quelle più diffuse e sono molto sensibili (40 microV /°C ).
Le termo-coppie possono anche essere realizzate con dimensioni estremamente ridotte, anche di 10 micron. Gli errori nelle termo-coppie sono legati a qualsiasi causa che possa originare delle tensioni continue. Si è detto dei potenziali di contatto, ma anche il lavoro meccanico e la presenza di impurità nei materiali possono essere sorgenti di errori (anche se di un'ordine di grandezza inferiore a 0.1°C), oltre al movimento degli elettroni che fluiscono nei circuiti di misura e ad eventuali campi magnetici che possono essere ulteriore causa di disturbo. Per questo motivo i campi E.M. alterano il valore di T misurato dalle termocoppie. Esistono numerosi altri dispositivi che possono essere usati come sensori. Fra i più interessanti ci sono i componenti elettronici come diodi e transistor. Attualmente vengono realizzati circuiti integrati funzionanti come sensori termici, essi risultano essere pressochè lineari semplificando così tutte le operazioni di lettura. Recentemente sono stati sviluppati termometri che usano, per trasmettere l'informazione, la luce che si propaga lungo una fibra ottica. I termometri di questo tipo misurano il coefficente di riflessione tra energia luminosa incidente e riflessa, il quale dipende da T ed hanno bisogno di una sorgente luminosa per inviare la luce al sensore e di un photodetector per rilevare la luce riflessa dal sensore.
Sono state recentemente realizzate delle sonde di questo tipo con più sensori applicati (quattro o sei per sonda), in modo da ottenere delle misure in più punti in breve tempo, aspetto molto importante se si considera il grande numero di dati che si deve avere a disposizione per caratterizzare in maniera soddisfacente la distribuzione di temperatura. Tutti i termometri a fibra ottica oltre ad essere insensibili ai campi magnetici dispongono anche di dimensioni estremamente ridotte. Lo svantaggio più grosso è nella alta qualità della tecnologia richiesta per la realizzazione. I sensori più semplici sono le termo-coppie, ma purtroppo sono sensibili al campo elettromagnetico. Per ridurre le deformazioni che i sensori possono dare al campo è necessario orientarli perpendicolarmente al vettore campo elettrico. Per comprendere se il sensore interferisce sul campo basta eliminare il campo: se la temperatura rilevata dal sensore scende molto rapidamente, allora il suo valore, misurato prima della soppressione del campo, non è reale, ma dovuto all'interferenza del sensore con il campo stesso. Tutti i sensori analizzati sono comunque di tipo invasivo; se si vuole misurare T in modo non invasivo, si può usare la termografia: si analizza lo spettro di emissione del tessuto, che dipende da T, nel campo degli infrarossi o delle microonde. La termografia IR è più localizzata rispetto alla MW, ma non permette di misurare la T in profondità.

Durante il trattamento ad ipertermia la distribuzione della temperatura è influenzata dal flusso sanguigno, che ridistribuisce il calore in tutto il corpo. Nelle prove su modelli (fantocci) questi fattori non vengono presi in considerazione, comunque è possibile studiare la conduzione termica su modello usando lunghi tempi d'esposizione e raggiungendo perciò il regime termico. Gli studi su modello danno preziose informazioni sulla distribuzione dell'energia; tali informazioni sono utili per lo sviluppo di applicatori di prestazioni migliori.
E' possibile ottenere indicazioni del SAR facendo studi sui modelli e, successivamente, tenendo conto delle proprietà termiche e fisiologiche dei tessuti e prendendo in considerazione l'effetto del flusso sanguigno, può essere costruito un modello matematico per predire la distribuzione di temperatura nella situazione reale. La tecnica per ottenere queste informazioni consiste in un riscaldamento quasi istantaneo del modello ed un immediato smontaggio del modello stesso per registrare le temperature nelle diverse sezioni .

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3.7 Considerazioni sull' Efficacia Terapeutica

Nella tabella riportata di seguito vengono illustrati i risultati ottenuti adottando, nella cura del tumore, tecniche diverse: la prima colonna di percentuali si riferisce a terapie classiche
(raggi x ), la seconda a trattamenti classici associati ad ipertermia elettromagnetica. La risposta alla terapia viene considerata "complete response" nei casi in cui il tumore non ricompare per almeno cinque anni e quindi si può essere certi di aver ottenuto la guarigione.
 

Tabella 4
Reference
 Method
N° of 
Patients
Complete response
Radiation alone
Complete response
Radiation + Heat
Arcangeli et al, 1987 
Dunlop et al, 1986 
Gonzalez et al, 1986 
Hiraoka et al, 1984 
Li et al, 1984 
Perez et al, 1986 
Scott et al, 1984 
U et al, 1980 
Valdagni et al, 1986
MW
MW
MW&RF
RF
MW
MW
MW
MW
MW
192
86
46
33
124
164
62
14
91
38%
50%
33%
25%
29%
41%
39%
14%
35%
76%
60%
50%
71%
54%
73%
87%
86%
63%
 
E' evidente che abbinando al trattamento elettromagnetico terapia con raggi x o chemioterapia si hanno percentuali di successo anche considerevolmente più alte: esiste chiaramente un effetto sinergico delle due tecniche. E' stato provato che, utilizzando solo ipertertmia elettromagnetica i risultati sono comunque migliori di quelli ottenuti con le altre tecniche di riscaldamento. Sono tuttora in corso studi per verificare se la terapia elettromagnetica è più efficace, perché il riscaldamento ottenuto in questo modo è migliore o perché il danneggiamento riportato dalle cellule tumorali è enfatizzato dalla presenza del segnale elettromagnetico in quanto tale, a prescindere dal fatto che provochi riscaldamento.
 

 
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