radiazioni elettromagnetiche in medicina - pg.infn.it · radiazione elettromagnetica spettro...
TRANSCRIPT
RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
IN MEDICINA
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 1
corso integrato FISICA - disciplina FISICA MEDICALaurea in LOGOPEDIA
- SPETTRO ELETTROMAGNETICO- RADIAZIONI TERMICHE: MICROONDE E INFRAROSSI- RADIAZIONI IONIZZANTI: ULTRAVIOLETTI, X E GAMMA
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
ONDERADIO
MICROONDE
INFRA--ROSSO
VISIBILE
ULTRA--VIOLETTO
RAGGIX
RAGGIGAMMA
102110–210–410–610–810–1010–1210–14(m)λ (m)
ν
(Hz)
ν
(Hz) 106108
3 108 Hz
1010101210141016101810201022
(cm)(mm)(µm)(Å)(fermi) (nm) λ
λν = c
2λ
700600500400(nm)
MeV keV
E = hν
GeV
(eV)
E103106109
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 3
RADIAZIONE TERMICA
IRRAGGIAMENTO TERMICO
intensità I = Q∆t ∆S
cal s–1 m–2
oppure watt m–2
legge di Stefan I = σ T4 (watt/m2)
legge di Wien λmax = 0.2897 / T (cm)
LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA
I(λ)
1 2 3 µmλ
4000°K
3000°K
2000°K
0
visibile
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
MICROONDE IN MEDICINA
4
radiazioni non ionizzanti
300 MHz < ν < 300 GHz10–6 eV < E = hν < 10–3 eV
effetti : calore (diatermia)
I(x) = Io e xD–
D = D(ν)
assorbimento :
terapia ν ≈ 2450 MHz
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 5
MICROONDE IN MEDICINA
(cm)
frequenza(GHz)
tessuto adiposo
tessuto con elevatocontenuto di acqua
10.05.0
2.0
1.0
0.5
0.2
0.1 2 4 6 8 10
(spessore caratteristico)
ν
D
I(x) = Io e xD
–
I = 10 mW cm–2
massima potenza radiante solare assorbita dall'uomo :I ≈ 100 mWcm–2
esposizione limite per l' uomo :
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
INFRAROSSI IN MEDICINA
6
0.7 µm < λ < 20 µmintensità relativa
10
5
0 0.5 1.0 1.5 2.0
3000°K 1200°K
visibile
Sole
vicino I.R.
MEDICINA
(µm)λ
emissione termica (Sole)
effetto termico λ ≈ 0.7 µm ∆x ≈ 10 cmλ > 1.4 µm ∆x < 1 mm
penetrazione
fotografia I.R. immagine termica (termografia)
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA
7
origine solareintensitàrelativa
corpo nero (SOLE)(5800°K)
radiazione solare a livello del mare
visibile
1 1.5 2λµm0.5
U.V.
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 8
ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA
intensità (unità arbitrarie)
1030507090
λµm0.28 0.32 0.36
90° radiazione solarerispetto al suolo
40°
10°
emissione da lampadaa fluorescenza
risposta cutanea
abbronzatura
eritema
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA
9
UVA : 400 ÷ 315 nmUVB : 315 ÷ 280 nmUVC : 280 ÷ 100 nm
produzione emissione termica (Sole)transizioni atomiche
produzione naturale (Sole)I(500 nm) I(600 nm)
(assorbimento)
Sole suoloUV :
assorbiti in aria(produzione ozono O3 e ossidi di azoto)200 ÷ 100 nm
assorbiti da O3300 ÷ 200 nm
spessore atmosferanuvolefumi e smog diffusione*
*
*
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 10
ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA
UVA : 400 ÷ 315 nmUVB : 315 ÷ 280 nmUVC : 280 ÷ 100 nm
produzione artificiale
lampade U.V. λ = 400 ÷ 270 nm
assorbimento : H2O 400 ÷ 300 nm (in 2÷5 cm)vetro opacoquarzo trasparente
effetti biologici : eccitazione atomi e molecoleeffetto termico
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA
11
uomosintesi vitamina D (≈ 280 nm)abbronzatura(formazione pigmento → protezione da U.V.)
eritema(dilatazione vasi da sostanze prodotte)
(UVB, UVC)
risposta cutanea massima λ ≈ 300 nm(≈ 4 eV → dissociazione legame C— C )
azione battericidalesioni oculari (cataratta)
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
RADIAZIONI IONIZZANTI
12
radiazioni ionizzanti : E > 100 eV(ionizzazione nella materia attraversata)
radiazioni elettromagnetiche (m > 0)fotoni X e fotoni γ
E = h ν
radiazioni corpuscolarialfa (nucleo 4He)beta (elettroni e–, positroni e+)protonineutroniioni (nuclei)
E = 12m v2
(m > 0)
assorbimentocessione di energia alla
struttura atomica e molecolare del materiale attraversato
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 13
PRODUZIONE DI FOTONI DI ALTA ENERGIA
raggi X
raggi γ
produzione artificialetubo a raggi X
produzione naturaleemissione γ da decadimento nuclei instabili(radionuclidi)
produzione artificialeacceleratori di particelle
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
RAGGI X: PRODUZIONE
14
rete
trasformatore diodo
anodoAfilamento
F
catodo K
generatore di alta tensione
generatore dicorrente
vuoto
+
raggi XTUBO A RAGGI X
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 15
RAGGI X E γ: ASSORBIMENTO
∆x x
I(x) I(x+∆x)
X, γ
0
25
50
75
100
intensitàtrasmessa
(%) I
x = µ
Io
e
spessore x
ASSORBIMENTOESPONENZIALE I = Io e –µ x
coefficiente diattenuazione o di assorbimento
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
IMMAGINE RADIOLOGICA
16
diversa opacità delle strutture biologiche(diverso coefficiente di assorbimento)
ossa (d = 1.8 g cm–3 )muscoli (d = 1.0 g cm–3 )grasso (d = 0.9 g cm–3 )polmoni (d = 0.3 g cm–3 )
50 100 1500.020.050.10.20.5
12
5
(keV)
µ(cm–1)
E
radioscopiaradiografiaxeroradiografiaradiografia digitale
(con e senza mezzo di contrasto)
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
RADIOGRAFIA
17
tubo a raggi X
strutturabiologica
diaframmischermo
fluorescente
pellicola radiografica
fascio X trasmesso
fascio X incidente
osso
muscolo aria
pellicola radiograficaimmagine negativasviluppo della pellicolaradiografia digitale
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
RADIOGRAFIA
18
contrasto radiologico
parametri : potenziale elettricointensità di correntetempo di esposizione
∆V 45 kV ÷ 130 kVi 3 mA ÷ 50 mA∆t 1/60" ÷ 1/120"
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
RAGGI γ: IMPIEGO IN DIAGNOSTICA
19
radiodiagnostica
radioisotopi radiofarmacidiffusione nell'organismodecadimento radioattivorivelazione radiazione
immagine conteggiodosimetrico
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 20
cobaltoterapia 60Co γ (1.3 MeV)
fasci di elettroni (acceleratori di particelle)
(acceleratori di particelle)fasci gamma
adroterapia (acceleratori di particelle)protonineutroniioni pesanti
(BNCT)
Boron Neutron Capture Therapy
RAGGI γ: IMPIEGO IN TERAPIA
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
SPETTRO ELETTROMAGNETICO : produzione
ONDERADIO
MICROONDE
INFRA--ROSSO
VISIBILE
ULTRA--VIOLETTO
RAGGIX
RAGGIGAMMA
102110–210–410–610–810–1010–1210–14(m)λ (m)
ν
(Hz)
ν
(Hz) 1061081010101210141016101810201022
λ
21
X
circuiti oscillanti
νONDERADIO
MICROONDE
radiazione termica
MICROONDE
INFRA--ROSSO
-VIOLETTO
transizioni atomiche
-VIOLETTO-ROSSOINFRA-
ULTRA-
laser
tubo raggi X
RAGGIULTRA-
-VIOLETTOX
transizioni nuclearie acceleratori
GAMMARAGGI
ν
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 22
ONDERADIO
MICROONDE
INFRA--ROSSO
VISIBILE
ULTRA--VIOLETTO
RAGGIX
RAGGIGAMMA
102110–210–410–610–810–1010–1210–14(m)λ (m)
ν
(Hz)
ν
(Hz) 1061081010101210141016101810201022
λSPETTRO ELETTROMAGNETICO : impiego
diagnostica (RM)diagnostica (RX , CT)
diagnostica (PET, SPET)diagnostica (IR e visibile)
terapia
terapia
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 23
ONDERADIO
MICROONDE
INFRA--ROSSO
VISIBILE
ULTRA--VIOLETTO
RAGGIX
RAGGIGAMMA
102110–210–410–610–810–1010–1210–14(m)λ (m)
ν
(Hz)
ν
(Hz) 1061081010101210141016101810201022
λSPETTRO ELETTROMAGNETICO : rivelazione
induzione elmantenna
emulsione fotografica(+ schermi)
occhio umano
sistemi CCD
rivelatori di ionizzazione
stato solido , NaI