principi fisici allabase della formazione delle immagini...

81
19/07/2005 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" 1 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapia radioterapia Michele Guida Dipartimento di Fisica “E. R. Caianiello” e Facoltà di Ingegneria Università e I.N.F.N., Salerno [email protected]

Upload: trannga

Post on 20-Feb-2019

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

1

"Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare ein Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapiaradioterapia

Michele Guida Dipartimento di Fisica

“E. R. Caianiello” e Facoltà di Ingegneria Università e I.N.F.N.,

Salerno

[email protected]

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

2

Capitolo 4Capitolo 4

““““““““Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione

radiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazione--------materiamateriamateriamateriamateriamateriamateriamateria””””””””

Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare ein Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapiaradioterapia

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

3

INTERAZIONE INTERAZIONE RADIAZIONERADIAZIONE--MATERIAMATERIA

Radiazioni ionizzantiInterazione di particelle cariche:

rangeperdita di energia per ionizzazioneperdita di energia per radiazione

Interazione di particelle neutre:neutronifotoni:

effetto fotoelettricoeffetto Comptonproduzione di coppie

attenuazionestrato emivalente

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

4

Radiazioni ionizzantiRadiazioni ionizzanti

Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energiaalla struttura atomica/molecolare del materiale attraversato.

Se l’energia ceduta è sufficiente (radiazioni ionizzanti: E ≥≥≥≥ 100 eV),

si verificano nel materiale effetti distruttivi(frammentazioni, rotture di legami, ionizzazione,...).

Radiazioni ionizzanti:- elettromagnetiche (m=0, E=hνννν)àààà raggi X e γγγγ- corpuscolari (m>0, E= ½ mv2) àààà particelle α, βα, βα, βα, β±±±±, p, n,...

Particelle cariche: αααα, ββββ±, pàààà ionizzazione diretta degli atomi del mezzo

Particelle neutre: n, X, γγγγàààà ionizzazione indiretta tramite produzione di particelle cariche secondarie

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

5

Interazione di particelle Interazione di particelle carichecariche

Tutte le particelle cariche (e±, p, a, nuclei) interagisconoprincipalmente a causa delle interazioni coulombiane con glielettroni del mezzo attraversato, perdendo rapidamente la loroenergia cinetica.

La perdita di energia della particella carica appare principalmente sotto forma di ionizzazione ed eccitazione del mezzo attraversato.

L’energia cinetica ceduta dalla particella è praticamente tuttaassorbita dal mezzo a una distanza caratteristica, che dipende dalle caratteristiche della particella incidente e del mezzoattraversato.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

6

RangeRangeRange =

distanza media percorsa dalla radiazione incidente nella materia

In generale, indica la capacità di penetrare a fondo nella materia.E’ ovviamente tanto più alto quanto maggiore è l’energia

(una particella si ferma quando esaurisce la propria energia).

Per un fascio di particelle cariche di data energia, si verifica sperimentalmente che il numero di particelle trasmesse rimane pressoché costante fino a un certo spessore, dopo il quale crolla bruscamente.

N0

x

<r>

N0/2

Range medio <r>distanza percorsa dal 50% delle particelle

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

7

RangeRange ed energia di particelle diverseed energia di particelle diverse

0.01 0.1 1 10 100 1000 (MeV)0.1

1

10

100(cm)

R(E)H2O

E

scala logaritmica

scalalogaritmica

e

elettroni

p

protoni

alfa

Dipendenza del range dall’energiain acqua (~ tessuto biologico)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

8

dE/dE/dxdxIonizzazione specifica / potere frenante / stopping power =

perdita di energia per unità di percorso

dE/dx àààà energia/lunghezza

Misurata in eV/cm (spesso keV/µµµµm o MeV/mm)

Fenomeno statistico:perdita di energia diversa a ogni singolo urtoà Straggling = fluttuazioni energetiche

Elettroni:Piccola massa àààà grandi deviazioni

à traiettoria a zig-zag à àààà range molto variabile

Particelle cariche pesanti:Grande massa àààà piccole deviazioni

à traiettoria quasi rettilinea àààà range quasi costante

Dividendo per la densità del mezzo ρρρρ:

(dE/dx)/ρρρρmisurata in MeV·cm2/g

Per particelle cariche pesanti (p,αααα):(dE/dx)/ρρρρ ∝∝∝∝ (q2/v2)·(Z/A)

dipende quasi solo (Z/A~ cost ~ 0.5)

dalla particella incidente (carica e velocità)

(dE/dx)αααα ~ 4 (dE/dx)p

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

9

LETLET

Trasferimento Lineare di EnergiaRapporto tra l’energia totale T trasferita alla materia lungo un cammino

e la lunghezza R del cammino percorso

LET = T/R(misurato in keV/µµµµm, MeV/mm)

Alto LET àààà alta densità di ionizzazione àààà alta probabilità di colpire e danneggiare un sito biologico

Grande variabilità:elettroni: pochi keV/µµµµm

αααα: diverse centinaia di keV/µµµµm

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

10

BremsstrahlungBremsstrahlung

Le particelle cariche perdono energia, oltre che per ionizzazione,anche per irraggiamento (“radiazione di frenamento” o bremsstrahlung)

Questo processo è particolarmente importante per gli elettroni. Essi sentono forte repulsione coulombiana dagli elettroni atomici, possono perdere anche notevoli quantità di energia a ogni urto e venire fortemente deviati.

Pertanto subiscono successive accelerazioni e decelerazioni, e –come tutte le particelle cariche accelerate– emettono radiazioni elettromagnetiche, sotto forma di fotoni di energia hνννν, sempre minore o al limite uguale all’energia degli elettroni incidenti.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

11

Interazione di particelle Interazione di particelle neutreneutre

Al contrario delle particelle cariche, neutroni e fotoni possonoessere assorbiti completamente in un’unica collisione (il neutrone da un nucleo, il fotone da un elettrone atomico o da un nucleo).

Al contrario delle particelle cariche, non esistono distanze che

fotoni o neutroni non possano attraversare.

L’assorbimento di neutroni e fotoni nella materia – e quindi

l’attenuazione di un fascio - ha un comportamento probabilistico.

Neutroni:

•Cattura neutronica•Urti elastici•Urti anelastici

Fotoni:

•Effetto fotoelettrico•Effetto Compton•Produzione di coppie

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

12

Neutroni

Classificazione delle interazioni secondo l’energia dei neutroni:freddi (E~meV), termici (E≤0.01 eV), epitermici (E≤100 keV), veloci (E~MeV)

Cattura neutronica: n + AZX àààà A+1ZX

• spesso seguita da decadimento γγγγ (àààà reazioni n.γγγγ o di cattura radiativa)• spesso con nucleo finale radioattivo• più probabile a bassa energia (~ 1/E2)

Urti con nucleoni:• cessione di energia a protoni• eccitazione dei nuclei con successiva emissione di raggi γγγγ

I materiali sottoposti a bombardamento neutronico diventano radioattivi!

Es. n+147N àààà 14

6C + p +0.63 MeV àààà rilascio energia nel corpo umanon+10

5B àààà 73Li + αααα +2.79 MeV àààà Boron Neutron Cancer Therapy

In tutti i processi l’effetto è la ionizzazione secondaria

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

13

Assorbimento/AttenuazioneAssorbimento/Attenuazione

Un fascio di N0 fotoni, attraversando uno spessore ∆∆∆∆x di materiale, viene attenuato in quanto i singoli fotoni vengono assorbiti o deviati secondo i tre processi descritti.

Il no di fotoni che interagiscono nello spessore di materiale ∆∆∆∆x (e che quindi vengono sottratti

al fascio originario) è

∆∆∆∆N ∝∝∝∝ -N0∆∆∆∆x

Fascio primario

N0

P

Fascio attenuato

Fotoni diffusi

Attenuatore

∆∆∆∆x

N

∆∆∆∆N = - µµµµ N0 ∆∆∆∆x

Il numero di fotoni ancora presenti nel fascio alla profondità x è:

N(x) = N0 e-µµµµx …come nella legge del decadimento

radioattivo!

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

14

Assorbimento esponenzialeAssorbimento esponenziale

I(x) I(x+∆∆∆∆x)

∆∆∆∆x x

X, γγγγ

x = 0

µµµµ = coefficiente di attenuazione linearedel materiale (cm-1)

1/µµµµ = spessore dopoil quale il fascio si riduce a I0/e = 37% I0

Dipende dal materialee dall’energia del fascio

0

25

50

75

100

intensitàtrasmessa

(%) I

1/µµµµ

Io/e

spessore x

µ/ρµ/ρµ/ρµ/ρ = coefficiente di attenuazione di massadel materiale (cm2/g)

Dipende quasi soltantodall’energia del fascio

Non esistono spessori che fermano totalmente

il fascio!

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

15

StratoStrato emivalenteemivalente

1/µµµµ = spessore dopo il quale rimane il 37 % dell’intensità del fascio (=1/e)

Strato emivalente x1/2 = spessore dopo il quale rimane il 50 %dell’intensità del fascio

Relazione tra 1/µµµµ e x1/2:

n(x1/2) = n0/2 = n0 e-µµµµx1/2

e-µµµµx1/2 = 1/2-µµµµx1/2 = ln ½ = -ln2 = -0.693

x1/2 = 0.693/µµµµ

1/µµµµ

x1/2<1/µµµµ

x1/2

n(t)

x0

0.50 n00.37 n0

n0

…come tempo di dimezzamento!

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

16

Si definisce lo spessore di dimezzamento

X1/2 come lo spessore di un certo materiale

che dimezza l’intensità della radiazione γche attraversa il materiale stesso.

Lo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamento

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

17

I = I0 : 2 nI0 = intensità di esposizione iniziale

(a monte dello schermo protettivo)

n = numero di spessori di dimezzamento di cui si

compone lo schermo

I = intensità di esposizione risultante (a valle dello schermo protettivo)

Lo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamento

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

18

Lo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamentoMATERIALE Co 60 Cs 137 I 131 Ra 226

Piombo 1,1 cm 0,9 cm 0,4 cm 1,4 cm

Ferro 1,8 cm 1,5 cm 1,1 cm 2,3 cm

Calcestruzzo 5,4 cm 4,6 cm 3,2 cm 7,1 cm

Mattoni 6,2 cm 5,8 cm 3,6 cm 8,2 cm

Acqua 12,5 cm 11 cm 7,3 cm 16,5 cm

Legno 18 cm 16 cm 10,3 cm 23,5 cm

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

19

Assorbimento complessivoAssorbimento complessivo

RAGGI X : ASSORBIMENTO

µ = µµµµfotoel

+ µµµµCompton

+ µµµµcoppie

1 keV 1 MeV 1 GeVE

1 keV 1 MeV 1 GeV

106

103

1

10 eV

106

103

1

µµµµ(u.a.)

rame

Cu (Z=29)

E

µµµµfotoel.

µµµµCompton

µµµµcoppie

µµµµtotale

µµµµfotoel ∝∝∝∝ ρρρρ Z4/E3

µµµµCompton ∝∝∝∝ ρρρρ Z/Eµµµµcoppie ∝∝∝∝ ρρρρ Z2 lnE

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

20

Assorbimento in diversi materialiAssorbimento in diversi materiali

E

0.01

(MeV)

0.1

1

10

100

µµµµ/ρρρρ(cm2/g)

0.1 1 10 E

piombo

calcioacqua

µ/ρµ/ρµ/ρµ/ρ = coefficiente di attenuazione di massadel materiale (cm2/g)

Quasi indipendente dal tipo di materiale

Es. raggi X da 25 keV

L’intensità si riduce di unfattore 7 (~14%) in

30 m di ossigenooppure

0.12 mm di rame oppure

32 µµµµm di piombo

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

21

PenetrazionePenetrazione (range)(range)

0

10

20

0

10

20

cm

cm

γγγγ da 60Co γγγγ da elettroni protoniE=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV

Radiazioni α,β,γα,β,γα,β,γα,β,γin diversi materiali...

... e nel corpo umano(impiego terapeutico)

Range R (∝∝∝∝E) =distanza media

percorsa nella materia

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

22

SchermiSchermi protettiviprotettivi

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

23

Rilascio energia in tessuto Rilascio energia in tessuto biologicobiologico

0 10 20 cm profondità di tessuto

1

2

3

4

unitàrelative(cute=1)

X 200 keVelettroni 22 MeV

γγγγ 1.3 MeV (60Co)

γγγγ 22 MeV

protoni 200 MeV

picco di Bragg

protoni con modulaz. energia

Rilascio di energia di diverse radiazioni in tessuto biologico

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

24

RADIAZIONIRADIAZIONI

IonizzantiIonizzanti

LE RADIAZIONI IONIZZANTI PROVOCANOLE RADIAZIONI IONIZZANTI PROVOCANO:•TUMORE DELLA MAMMELLA (sopravissute alle bombe,

trattamento con raggi X per mastite, fluoroscopie nel trattamento per tubercolosi).

•TUMORE DEL POLMONE (sopravissuti alle bombe, trattamento per spondilite anchilosante, esposizione a gas radon dei minatori).

•TUMORE DELLA TIROIDE (sopravissuti alle bombe, bambini trattati con radioterapia per malattia del timo o per tigna, esposizione a gas radon dei minatori).

•TUMORE DELLO STOMACO E DEL COLONRETTO (sopravissuti alle bombe, trattamento per spondilite anchilosante).

•ALTRI TUMORI ASSOCIATI: TUMORE DEL FEGATO, CANCRO OSSEO, MIELOMA MULTIPLO, LEUCEMIA

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

25

Particelle alfa ed altri ioni…

Possono essere emesse da sostanze radioattive o dagli acceleratori per radioterapia…

Attraversando un materiale seguono una traiettoria rettilineaperdendo la loro energia cinetica (e quindi ionizzando gli atomi) in tutto il percorso. Quasi tutta l’energia viene persa quando la particella è quasi ferma

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

26

Si può quindi definire uno spessore di materiale (range) sufficiente a bloccare tutte le particelle di una data energia

Questo tipo di radiazioni ha ranges molto piccoli:

SONO MOLTO FACILI DA SCHERMARE (in genere bastano pochi mm di materiale)R

ange

(mm)

0,1

0,01

1

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

27

Elettroni…

Possono essere prodotti da sostanze radioattive, da acceleratori ma anche da tubi per raggi x.

Attraversando un materiale perdono energia con una sequenza continua di urti ma, poiché sono molto leggeri(un protone “pesa” circa 2000 volte più di un elettrone)seguono una traiettoria casuale e non è possibile definire con precisione un range come per le particelle cariche più pesanti.

Inoltre gli elettroni irraggiano, cioè producono x e gamma

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

28

Anche in questo caso comunque gli spessori di materiale attraversati sono relativamente brevi:elettroni da circa 20 MeV sono assorbiti in circa 10 cm di acqua, le particelle ββββ vengono fermate in 1-2 cm di acqua.

Tubo a raggi xCirca 0,1 mm

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

29

Schermature particelle cariche

α: nessun problema

β: conviene usare materiali leggeri 800

ZE

S

S

ion

rad =

in questo modo si riduce la produzione di fotoni

piombo, ferro, rame …

plexiglass

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

30

Tracce di particelle cariche

Path length: actual traveling distance.

Range: actual depth of penetration.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

31

Le particelle indirettamente ionizzanti, principalmente raggi X fotoni e neutroni, interagendo con la materia, mettono in moto particelle cariche secondarie, a loro volta effettivi responsabili della cessione di energia alla materia. Gli effetti quindi di questo tipo di radiazioni sono gli effetti dei secondari carichi prodotti.

I principali processi di interazione della radiazione elettromagnetica con la materia si possono dividere in:

processi di assorbimento e

processi di diffusione.

Interazioni delle particelle indirettamente ionizzanti con la

materia

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

32

Interazioni delle particelle indirettamente ionizzanti con la

materia

Processi di diffusione Processi di assorbimento

Interazione con

Elastica coerente Inelastica

incoerente

Effetto fotoelettrico

Elettroni atomici Rayleigh Compton

Reazioni

fotonucleari Nucleoni

Creazione di coppie

Campo elettrico

dei carichi

circostanti

Fotoproduzione di

mesoni Mesoni

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

33

Esaminiamo con maggior dettaglio i seguenti tipi di interazione dei fotoni con la materia:

–– Assorbimento fotoelettrico Assorbimento fotoelettrico

–– Diffusione Diffusione ComptonCompton

–– Creazione di coppieCreazione di coppie

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

34

FotoniTre processi principali:

Effetto fotoelettrico:Interazione con elettroni atomici interni

Effetto Compton:Interazione con elettroni atomici esterni

Produzione di coppie:Interazione con campo coulombiano del nucleo

dipendenza da:• energia dei fotoni• Z del materiale

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

35

Interazione radiazione gamma (fotoni) - materia

Effetto fotoelettrico

Effetto Compton

produzionedi coppie e+e-

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

36

Effetto fotoelettrico

Cosa succede? Come misurarlo?

La spiegazione diLa spiegazione di EinsteinEinstein La luce mostra la sua natura corpuscolare:

per spiegare l’effetto fotoelettrico occorre introdurre i fotoni, quanti di luce che si comportano come particelle.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

37

Un fotone di energia E = hνννν interagisce con un atomo cedendo in pratica tutta la sua energia ad uno degli elettroni più strettamente legati.

L’elettrone viene quindi espulso dall’atomo con un’energia cinetica Ek

Ek = hνννν - Eb

Eb è l’energia di legame dell’elettrone orbitale.

In seguito all’espulsione dell’elettrone e del riassestamento dei livelli

elettronici viene emesso un raggio X caratteristico.

Sia il fotoelettrone che i raggi X caratteristici sono assorbiti nel mezzo dove l’effetto si è prodotto.

L’effetto fotoelettrico è proporzionale a Z5 del mezzo e inversamente

proporzionale a E3.

L’effetto fotoelettrico è molto pronunciato in materiali densi e a basse energie ( E≤0.5 MeV).

Effetto fotoelettrico

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

38

Si tratta di una collisione inelastica tra un fotone ed un elettrone libero.

Nell’interazione il fotone viene deflesso dalla sua direzione iniziale con cambiamento di lunghezza d’onda e quindi di energia. La differenza d’energia tra il fotone incidente e quello deflesso viene impartita all’elettrone.

La diffusione Compton e’ importante fra 0.5 e 1 MeV ma predominapredomina fino a 4 MeV.

La diffusione Compton e’ proporzionale a ZZ e inversamente proporzionale a EE.

Diffusione Compton

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

39

Un fotone interagisce con il campo elettrostatico che circonda una particella carica (normalmente un nucleo atomico, ma anche con minor frequenza un elettrone).

In tal caso il fotone scompare dando origine ad una coppia di elettroni di segno opposto (un elettrone e un positrone).

Affinché il processo sia energeticamente possibile, il fotone deve possedere un’energia almeno doppia di quella equivalente alla massa a riposomassa a riposodell’elettrone ( m0c

2 = 0,511 MeV).

Produzione di Coppie

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

40

L’energia del fotone in eccesso di 2 m0c2, nel caso di

produzione di coppie, viene distribuita sotto forma di

energia cinetica tra le due particelle della coppia.

Solo una quantità trascurabile ne viene ceduta al nucleo.

Le particelle della coppia (elettrone e positrone) dissipano

entrambe la loro energia cinetica in ionizzazione ed

eccitazione degli atomi della materia:

solo il loro destino finale è diverso!

Produzione di CoppieProduzione di Coppie

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

41

Cioè mentre l’elettrone, esaurita la sua energia cinetica,

entra a far parte della popolazione degli elettroni liberi o

legati negli atomi, il positrone si combina con un

elettrone annichilandosi. Le due particelle infatti

scompaiono e la loro massa è convertita in due fotoni

aventi ciascuno un’energia di 0,511 MeV ed emessi in

direzione opposta, per il principio della conservazione

della quantità di moto.

Questo effetto è proporzionale a Z2

Produzione di CoppieProduzione di Coppie

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

42

Schermature fotoni

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

spessore

N

( ) xoeNxN µ−=

λ = 1/µ = libero cammino medio

PiomboCalcestruzzo

Z5 (fotoelettrico)probab. interazione ∝ Z (Compton)

Z2 (prod. coppie)

µ = coefficiente di attenuazione/assorbimento

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

43

Interazione neutroni - materia

diffusione – rallentamento - cattura

q = 0 → solo interazioni nucleari

α p

γ

n

A

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

44

Schermature neutroni

Σ = sezione d’urto macroscopica

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

spessore

N

( ) xoeNxN Σ−=

La massima perdita energiasi ha quando: mA ≈ mn

materiali idrogenatimateriali leggeri

calcestruzzo o paraffina“borata”, “litiata”

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

45

Le radiazioni elettromagneticheelettromagnetiche (raggi xraggi x e raggi raggi ) e quelle

corpuscolatecorpuscolate ( , , protoniprotoni e neutronineutroni) sono tutte cancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogene.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

46

Negli esseri umani esiste una gerarchia nella tendenza dei diversi

tessuti a sviluppare neoplasie indotte da radiazioni:

1. Leucemie;2. Carcinoma della tiroide;

3. Tessuti della mammella, del polmone e delle ghiandole salivari;

4. Tessuti della cute, delle ossa e del tratto gastrointestinale.

Le radiazioni possono agire sul DNA sia direttamente sia indirettamente:

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

47

Come la radiazione causa danni

biologici ?

• Queste modifiche sono in grado di danneggiare le funzionicellulari e e di distruggere le cellule stesse.

• la radiazione di alta energia rompe i legami

chimici.

• si creano radicali liberi, come quelli prodotti o da altri

agenti nocivi o nel corso dei normali processi cellulari

all’interno dell’organismo.

• I radicali liberi possono modificare gli elementi chimici.

+

-

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

48

Instabiltàgenomica

A volte il danno al

DNA produce

modifiche posteriori

che possono

contribuire alla

formazione di cancro.

Espressione

genica

Un gene può

“rispondere” allaradiazione

modificando il

segnale per la

produzione di

proteine, la cui funzione può

essere o di tipo

protettivo o di

danneggiamento.

Effetti dei danni al DNA

La più importante struttura molecolare che può subire

modificazione da parte della radiazione è il DNA!

Studi scientifici mostrano che, in condizioni normali, gran parte deidanni al DNA indotti dalla radiazione viene riparata dall’organismo.

Mutazioni geniche

A volte un gene

specifico è

modificato in

maniera tale di

divenire incapace a

produrre le proteine

corrispondenti in

maniera

appropriata.

AberrazioniCromosomiche

A volte il danno

interessa l’intero

cromosomo,

producendo la sua

rottura o

ricombinazione in

maniera anomala. A

volte l’effetto è la

combinazione di due

cromosomi diffrenti.

Distruzione dellecellule

Il DNA danneggiato può

innescare

apottosi, ovvero

una programmata

morte cellulare. Se ciò coinvolge

solo poche cellule,

ciò impedisce la

riproduzione del

DNA danneggiatoe quindi protegge

il tessuto.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

49

In In In In chechecheche modomodomodomodo questoquestoquestoquesto dannodannodannodanno prodottoprodottoprodottoprodotto dalladalladalladallaradiazioneradiazioneradiazioneradiazione ionizzanteionizzanteionizzanteionizzante influenza influenza influenza influenza ilililil nostronostronostronostro

organismoorganismoorganismoorganismo????

Cancro

Sufficiente distruzione cellulareSufficienti alterazioni

genetiche

Patologie da

radiazione

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

50

Conservazione degli alimenti

Sterilizzazione medica

Raggi X per la Medicina e l’Industria

Produzione di Isotopi

Medicina Nucleare

Radioterapia

Produzione di Energia Nucleare

Trattamento dei liquami fognari

Illuminazione artificiale

Rivelatori di Fumo

Conservazione degli alimenti

Sterilizzazione medica

Raggi X per la Medicina e l’Industria

Produzione di Isotopi

Medicina Nucleare

Radioterapia

Produzione di Energia Nucleare

Trattamento dei liquami fognari

Illuminazione artificiale

Rivelatori di Fumo

UsiUsi delladella radiazioneradiazione ionizzanteionizzante

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

51

EFFETTI DELLE EFFETTI DELLE

RADIAZIONIRADIAZIONI

DOSE ASSORBITA

EFFETTI SOMATICI

EFFETTI STOCASTICI

La stessa dose assorbita di differenti radiazioni può produrre

diversi livelli di danno biologico, per questo viene introdotta la

grandezza DOSE EQUIVALENTE H = Q D, con Q fattore

di qualità dipendente essenzialmente dal L.E.T.

L.E.T.=Trasferimento lineare di energia

E.B.R. = Efficacia Biologica Relativa LET EBR Q

Unità di misura di H: Sv (Sievert) =J/kg

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

52

FATTORE DI QUALITA’FATTORE DI QUALITA’

20>175

1053

523

27

1< 3.5

Fattore di qualità

Q

LET in acqua

(keV/µµµµm)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

53

DOSE EFFICACEDOSE EFFICACE

Ht = Qt Dt Dose media equivalente ad un organo

HE = Equivalente di dose efficace, ora Dose Efficace

T

T

TE HwH ∑=

Valori limiti annuali raccomandati da ICRP 60 per la Dose Efficace:

Intera Popolazione: 1 mSv

Lavoratori Esposti: 20 mSv

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

54

ORDINI DI GRANDEZZAORDINI DI GRANDEZZA• Dose totale assorbita in un trattamento radioterapico 60 Gy

(es. 30 frazioni da 2 Gy, 5 volte alla settimana)

• Dose assorbita in un esame RX diagnostico qualche mGy

(in superficie) Dose Efficace dell’ordine dei 100µSv/mGy

• Dose assorbita in esame di Medicina Nucleare (es.scintigrafia ossea)

Dose superfici ossee 10.5 mGy

Midollo osseo 1.22 mGy

Dose (total body) 1.03 mGy

Dose efficace 1.82 mSv

• Dose efficace annuale da sorgenti di radiazione naturale 2.0 mSv

(in aree particolari si può arrivare a circa 17 mSv)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

55

Esposizione a sorgenti radioattive

Si distingue tra irradiazione esterna e contaminazione interna.

Nel primo caso si intende l’esposizione alle radiazioni emesse dalla sorgente senza contatto tra la persona esposta e la sorgente.

Nel secondo caso la sostanza radioattiva può depositarsi sulla pelle, o venire inalata e/o ingerita restando depositata nell’organismo..

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

56

Macchine radiogeneSono sostanzialmente i tubi a raggi X e gli

acceleratori di particelle

Tre informazioni essenziali:

1. Quando sono “spente” non emettono radiazioni (SALVO ATTIVAZIONE DEI MATERIALI)

2. Quando sono “accese” producono flussi di radiazioni molto intensi e in direzioni ben precise: non basta stare distanti…bisogna evitare di sostare nella direzione del flusso.

3. Possono dare solo irradiazione esterna

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

57

Come ci si protegge ?

Sostanzialmente in quattro modi:

1. Mantenendo la maggior distanza possibile tra sorgente radioattiva ed operatore (il numero di radiazioni che mi può investire diminuisce quadraticamente con la distanza)

2. Minimizzando i tempi di esposizione alla sorgente radioattiva

3. Schermando le radiazioni con “pareti” di materiale opportuno (piombo e calcestruzzo, solitamente)

4. Seguendo le disposizioni dell’Esperto Qualificato

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

58

La dosimetria

Ogni singola radiazione che colpisce un organismo biologico provoca alterazioni a livello cellulare e quindi un danno. Le conoscenze attuali portano a ritenere che il danno aumenti linearmente con l’intensità della radiazione che investe un organismo senza alcuna soglia minima:

Ma come si misura il danno potenziale ?

Danno

Intensità della radiazione

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

59

…Quindi:

Dose Equivalente = DE = D x Q

e si misura in Sievert

1 Sv = 1 Joule per chilogrammo (Q non ha dimensioni)

Prima si usava, per misurare DE, il rem: 1 rem = 0.01 Sv.

Attenzione: per raggi X, raggi gamma ed elettroni Q=1 quindi DE=D: Dose e Dose Equivalentecoincidono. Invece Q è maggiore di 1 per neutroni (Q= 5-20), protoni (Q=5) e particelle alfa (Q=20)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

60

L’esposizionePer misurare i livelli di radiazione intorno a tubi a raggi X siutilizza, talvolta, una grandezza, chiamata ESPOSIZIONE, definita come il numero di atomi ionizzati dalla radiazione X inaria. Questa grandezza, con una serie di calcoli, può essere convertita in Dose Equivalente e , limitatamente al caso dei raggi X, può essere utilizzata per valutare il danno biologico.Era stata introdotta in passato perché la tecnologia non consentiva di costruire strumenti che misurassero direttamente la dose. In ogni caso è usata ancora oggi perché la si misura facilmente e con strumenti di costo relativamente basso.

L’esposizione si misura in Roentgen (R):

1 R = 0.000258 Coulomb per Kg di aria, equivalenti a 2 miliardi di atomi ionizzati per cc di aria

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

61

L’esposizioneL’esposizione

L’esposizione è definita come la quantità di ionizzazione che una radiazione gamma produce in aria.

L’unità di misura è il Coulomb/Kg (C/Kg) che equivale alla

formazione in aria di circa 8 miliardi di coppie di ioni.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

62

La dose assorbitaLa dose assorbita

• Rappresenta la quantità di energia

che la radiazione cede alla materia

• L’unità di misura è il GRAY (Gy) che

equivale al passaggio di 1 Joule di

energia per kg di materia

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

63

Un esempio

Fondo naturale: 1.5 mSv/anno Impiego sanitario: 1 mSv/anno

probab. danno somatico “grave”

5·10-2 per Sv ≡ 5·10-5 per mSv

Per confronto:

probab. danno genetico

1,3·10-2 per Sv ≡ 1.3·10-5 per mSv

DE = 1 mSv/anno Sorgente 60Co da 100 µCiesposizione continua per 1 annoalla distanza di 1,5 m

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

64

Azione mutagena dei raggi X

* il numero delle mutazioni legate al sesso aumenta linearmentecon la dose somministrata

* il numero di mutazioni è cumulativo

by GP&NA

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

65

Carico da radiazione naturale nell’uomo

sorgente di radiazione dose in mSv/annoradiazioni naturali 0,82radiazione cosmica 0,28radioisotopi nel corpo 0,28altre radiazioni 0,26radiazioni dovute alla civilizzazione 0,35esami radioscopici 0,20radiofarmaci 0,02-,04irradiazione da raggi X dovuti a 0,04-,05televisione, radiazione da edifici 0,04-,05inquadramento da test armi nucleari 0,04-,05centrali nucleari 0,01aereo 0,004-,008TOTALE ca. 1,17

by GP&NA

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

66

Origine delle mutazioni spontanee

Non esiste una quantità adeguata di radiazioni di fondo (raggi cosmici, materiali radioattivi terrestri) sufficiente per spiegare i tassi di mutazione osservati nella maggior parte degli organismi. Ad esempio, in Drosophila, il tasso di mutazione spontanea è circa 1300 volte quello atteso considerando l’intensità delle radiazioni naturali e quindi hanno piccola responsabilità nella determinazione delle mutazioni spontanee.

by GP&NA

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

67

Radiazioni ionizzanti e conseguenze

M Le radiazioni ionizzanti possono provocare rotture cromosomiche e quindi sia riarrangiamenticromosomici che mutazioni puntiformi.

& Le radiazioni ionizzanti penetrano nei tessuti in notevole profondità. Nel loro percorso collidono con gli atomi che incontrano e determinano il rilascio di elettroni e la formazione di ioni carichi positivamente. Questi collidono con altre molecole e quindi si liberano ulteriori elettroni e così via. Si forma quindi un cono di ioni lungo il percorso di ogni raggio ad alta energia attraverso i tessuti viventi.

by GP&NA

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

68

Nuclide (N) massa totale attività totale ingestione giornaliera

di N di N di N

Uranium 90 µg 1.1 Bq 1.9 µg

Thorium 30 µg 0.11 Bq 3 µg

Potassium-40 17 mg 4.4 kBq 0.39 mg

Radium 31 pg 1.1 Bq 2.3 pg

Carbon-14 95 µg 15 kBq 1.8 µg

Tritium 0.06 pg 23 Bq 0.003 pg

Polonium 0.2 pg 37 Bq 0.6 µg

Radioattività naturale presente nel corpo umano

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

69

BiologiaBiologia e e Radazione Radazione

30-100 miliardi di cellule a rischio 3030--100 100 miliardimiliardi di cellule a di cellule a rischio rischio

• Differenti tipi di cellule

• Differenti cicli cellulari

• Differenti bersagli cellulari

•• Differenti Differenti tipi di celluletipi di cellule

•• Differenti cicli cellulariDifferenti cicli cellulari

•• Differenti bersagliDifferenti bersagli cellulari cellulari

LD/50 = 4 LD/50 = 4 GyGy

4 4 GyGy = 67 calorie= 67 calorie

67 calorie = 3 ml 67 calorie = 3 ml sorso sorso di di caffè caffè a 60°C a 60°C

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

70

L.E.T.TIPO DI RADIAZIONE LET (keV/mm)

raggi X da 25MeV 0.2

radiazione da 60Co 0.25

elettroni da 1 MeV 0.3

raggi X per diagnostica 3

fotoni da 10 MeV 4

neutroni veloci 50

alfa da 5 MeV 100

nuclei pesanti 1000

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

71

Limiti di dose

Popolazione: DE < 1 mSv/anno

Lavoratori esposti

Categoria B: DE < 6 mSv/anno

Categoria A: DE < 100 mSv in 5 anniDE < 20 mSv/anno

Zona CONTROLLATA: dove è possibile assorbire una DE > 6 mSv

Zona SORVEGLIATA: dove è possibile assorbire una DE > 1 mSv

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

72

Principali compiti dell'Esperto Qualificato (E.Q.)

Effettuare la delimitazione delle zone controllate e sorvegliate

Classificare il personale esposto

Eseguire i progetti radioprotezionistici

Effettuare i controlli sui dispositivi di sicurezza

Effettuare i controlli dosimetrici nei luoghi di lavoro

Valutare la dose assorbita dai lavoratori

Istituire i documenti di radioprotezione (registri e schede dosimetriche)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

73

In conclusione…

• Informarsi sempre sul tipo di sorgente di radiazione utilizzata

•Limitare l’esposizione al minimo

•Seguire scrupolosamente le disposizioni dell’EQ per l’uso e la conservazione delle sostanze radioattive e delle macchine radiogene specie quando si opera in altri laboratori

•Comunicare immediatamente al medico autorizzato qualunque cambiamento significativo della salute (in particolare lo stato di gravidanza)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

74

Il principio della “linearità senza soglia” porta a limitare, in qualunque attività,l’esposizione alle radiazioni al livello minimo possibile (principio ALARA)

Oggi si conoscono i livelli di esposizione che con certezza portano a patologie gravi. Si conosce anche (ma con maggiori margini di incertezza) la probabilità che esposizioni a piccole quantità di radiazione possano far insorgere nel tempo diversi tipi di patologie. La legislazione della radioprotezione fissa regole per evitare i danni certi e limitare quelli probabili entro livelli di accettabilità.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

75

La DOSE

Il danno biologico si identifica (in prima approssimazione) con una grandezza che si chiama

DOSE = D = energia dissipata da radiazioni ionizzanti per unità di massa

e si misura in Gray:

1Gray = 1 Gy = 1 Joule per chilogrammo.

In passato si usava un’unità di misura diversa (che molto spesso ancora compare su tabelle e strumenti) e cioè il rad: 1 rad = 0.01 Gy

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

76

La Dose Equivalente

Il danno biologico è proporzionale alla dose solo in alcuni casi, infatti tipi di radiazione diverse dissipano la loro energia in volumi più o meno grandi producendo danni a livello microscopico, a parità quindi di energia dissipata, minori o maggiori. Per questo motivo si moltiplica la dose per un numero, maggiore o uguale ad 1, (detto FATTORE DI QUALITA’, Q) che cambia a seconda del tipo di radiazione. Si ottiene così una nuova grandezza, detta DOSE EQUIVALENTE, che si ritiene sia realmente proporzionale al danno biologico.

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

77

L’equivalente di doseL’equivalente di dose

• Rappresenta la quantità di energia che la radiazione cede al corpo umano

• L’unità di misura è il SIEVERT (Sv) che equivale al passaggio di 1 Joule di energia per Kg moltiplicato per un coefficiente

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

78

La misura del grado di La misura del grado di esposizione alle radiazioniesposizione alle radiazioni

1 C/kg = 3870 R

Coulomb/kg -C/kg-

(R)

Dose

di esposizione

ARIA

1 Gy = 100 Rad

Gray -Gy-

(Rad)

Dose

assorbita

MATERIA

1 Sv = 100 Rem

Sievert -Sv-

(Rem)

Equivalente

di dose

UOMO

RADIAZIONI

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

79

Irradiazione esternaIrradiazione esterna

Nel caso di diffusione di radiazioni γ in aria,

si può assumere con buona approssimazione

in favore della sicurezza che:

Rem = Rad = Roentgen (R)

Sievert (Sv) = Gray (Gy) = Coulomb/Kg (C/Kg)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

80

Relazione fraRelazione fra

grandezze grandezze radiometricheradiometriche

I = (K x C) : d2

I = intensità di esposizione

alla distanza d dalla sorgente

C = attività della sorgente in Curie

K = costante gamma specifica

coefficiente caratteristico di ciascun radioisotopo

sempre minore di 1 tranne che per tre sostanze

(110Ag, 60Co e 24Na)

19/07/2005 "Principi fisici alla base della

formazione delle immagini

radiologiche"

81

•Una radiazione è detta ionizzante quando ha la capacità di accelerare elettroni nello spazio, sia direttamente che indirettamente.

•La parte dello spettro elettromagnetico conosciuta come radiazione

X o γ γ γ γ trasferisce direttamente energia dei fotoni a elettroni preesistenti

•L’esposizione è ubiquitaria

•La sorgente naturale è rappresentata da nuclidi radioattivi nell’aria, nell’acqua, nelle catene alimentari, nei minerali di superficie e dai raggi cosmici che bombardano l’atmosfera terrestre.

•L’esposizione dovuta all’uomo nell’utilizzo di sostanze radiogene e nella fissione nucleare ha evidenziato l’associazione tra radiazioni ionizzanti e tumori.

RADIAZIONIRADIAZIONI

ionizzantiionizzanti