Dipartimento di Fisica. Brancaccio Rosa, Cornacchia Samantha, Giordano Marilisa, Casali Franco, Bettuzzi Matteo, Morigi Maria Pia,

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1 Università di Bologna, Dipartimento di Fisica LA FISICA APPLICATA ALLA MEDICINAEAIBENICULTURALI E AI CULTURALI Brancaccio Rosa, Cornacchia Samantha, Giordano Marilisa, Casali Franco, Bettuzzi Matteo, Morigi Maria Pia, Pasini Alessandro, Romani Davide

2 La fisica applicata alla medicina: dagli albori...

3 ...alla scoperta dell elettricità Lewis,1921 umana

4 ...quindi i raggi Roentgen Roentgen, primo premio Nobel per la Fisica 8 Novembre, 1895

5 Ma...prima di lui, a Bologna... Pi Prima radiografia : 27 Ottobre 1895 Prof. Augusto Righi

6 TAC Spirale

7 Chirurgia guidata a da Imaging g

8 Radiografie neutroniche neutroni raggi X neutroni raggi ix

9 Il David

10 LE PARTICELLE, LE RADIAZIONI E LE LORO APPLICAZIONI

11 Cosa significa radiazione? un qualsiasi fineomeno fisico che coinvolga trasporto di energia! Radiazione e vita "La radioattività ha svolto e svolge costantemente un ruolo fondamentale nell'evoluzione della natura che ci circonda. La vita sulla terra si è sviluppata infatti con un fondo di radiazione costante. Non è qualcosa inventato dalla volontà dell'uomo, ma è sempre esistita" (da: "Radiation and Life" di E. J. Hall )

12 Atomo Sorgenti e tipi di radiazione = protone = neutrone = elettrone = fotone radiazioni di natura elettromagnetica: γ radiazioni particellari: α e β (e altro) le radiazioni X di varia energia, le radiazioni γ prodotte nei decadimenti nucleari, le radiazioni luce di sincrotrone e bremsstrahlung decadimenti nucleari, acceleratori di particelle, elettroni, positroni, particelle alfa, neutroni, muoni, atomi di elementi leggeri(c,n,o) ionizzati.

13 Radiazione Elettromagnetica: Il dualismo onda-particella λ m 1900: Max Planck ebbe la grande idea che l'emissione delle onde em non fosse continua, ma che avvenisse a sprazzi, per T una piccola quantità che chiamò "quanto". sec L'energia E portata da un tale quanto di radiazione elettromagnetica era direttamente legata alla frequenza dell'onda portante dalla formula fondamentale: E=h ν h è la costante costante di Planck (ħ =6,6*10-22 MeV s) è l f d ll d ν è la frequenza dell ondaem

14 Radiazione Elettromagnetica: Il dualismo onda-particella La radiazione e.m. è un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio e nel tempo con una certa lunghezza d'onda λ efrequenzaν λ m T sec La radiazione e.m. è un fascio di fotoni che si propagano nello spazio e nel tempo con una certa energia E fotoni E

15 Un onda (periodica e regolare) Fra queste onde quale pensereste sia più energetica? Le onde che vibrano di più sono più energetiche, quindi quelle a maggior frequenza hanno maggiore energia! v = λ / T v = λ ν E=h ν N.B. se si tratta di un onda em La velocità è fissa ed è c

16 Lo spettro elettromagnetico E = h ν

17 Lo spettro elettromagnetico energia frequenza lunghezza d'onda

18 Lo spettro del sole

19 Unità di Misura Esposizione: la quantità di ionizzazione prodotta in una massa unitaria di aria, coulomb/kg; Dose assorbita: la quantità di energia ceduta in una massa unitaria di tessuto, gray (Gy) pari a 1 Joule/Kg; Dose equivalente: la dose assorbita moltiplicata per un fattore di ponderazione per la radiazione (esprime la capacità della radiazione di generare effetti biologici nei tessuti non solo in rapporto all'energia ceduta ma anche in rapporto al tipo di radiazione), sievert (Sv); Dose efficace: la probabilità che un organo irradiato possa subire un effetto stocastico rispetto al corpo intero.

20 Radiazione sull uomo Dose equivalente: 1 millisievert in tempi brevi: è una cosa che è meglio evitare, ma che non crea minimamente problemi millisievert all'anno: anno: è la dose che un italiano assorbe per il fondo di radioattività naturale millisievert all'anno: anno: il massimo ammesso per un lavoratore esposto (categoria B e A). Si ha rischio di morte pari a quello di un avvocato e meno di un muratore. 250 millisievert in un'ora: possono causare qualche lieve alterazione temporanea dell'emoglobina. 4 sievert: hanno ottime probabilità di uccidere, nel giro di qualche settimana, la persona che li assorbe.

21 Radioattività naturale Radioattività naturale: origine terrestre origine i extra-terrestre radionuclidi primordiali (K-40, Rb-87,U-238,Th-232) radiazione di fondo La concentrazione dei radionuclidi naturali nel suolo e nelle rocce varia fortemente da luogo a luogo in dipendenza della conformazione geologica delle diverse aree. I raggi cosmici: i dal sole: esplosioni nucleari protoni UV, etc,etc... t dallo spazio particelle cariche positivamente interstellare: (protoni, o alfa, a, nuclei pesanti) - La radiazione interagisce con l atmosfera - La dose dipende dalla latitudine e dalla altitudine

22 Radioattività naturale Average doses from natural radiation sources Radiazione di fondo Radionuclidi terrestri

23 Radioattività naturale e artificiale

24 Applicazioni delle tecniche di Irraggiamento Medicina: diagnosi terapia controllo Radioattività artificiale: - tubi a raggi X - acceleratori di particelle Industria: sterilizzazione strumenti sterilizzazione cibi controlli ND

25 Medicina: Diagnosi Le dosi impartite dalla maggior parte degli esami radiologici sono comprese fra 1 e 10 mgy. Nel caso della TAC le dosi sono alcune volte maggiori. (dosi minime dannose: almeno 300 mgy). Le immagini si ottengono tramite rivelatori capaci di convertire il segnale dei fotoni x, non visibili, in una immagine visibile. - pellicole radiografiche -radiologia i digitale i - manipolazione dell immagine - risparmio di dose radiante - archiviazione rapida in minimo spazio - ricostruzione tridimensionale: endoscopia virtuale

26 Esempio: Mammografia Medicina: Diagnosi Immagine originale

27 Esempio: Mammografia Medicina: Diagnosi Immagine processata

28 Esempio: Mammografia Medicina: Diagnosi Un particolare sospetto

29 Esempio: Mammografia Medicina: Diagnosi Analisi del fondo

30 Esempio: Mammografia Medicina: Diagnosi Sottrazione del fondo

31 Esempio: Mammografia Medicina: Diagnosi Immagine ripulita

32 Esempio: Mammografia Medicina: Diagnosi Ricerca dei segnali

33 Medicina: Terapia Raggi X cedono energia ionizzazione degli atomi formazione di ioni radicali liberi danneggiano DNA delle cellule Questi effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sono più marcati sulle cellule l ad alta attività ità proliferativa impiego per la radioterapia

34 Medicina: IORT Radio Terapia Intra Operatoria Acceleratore lineare di elettroni: energia da 3 12 MeV - gli elettroni emessi da un catodo - iniettati in una cavità - accelerati mediante un campo elettrico a radiofrequenza - passano, attraverso un campo magnetico oscillante, - dalla camera di scansione al cono di scansione - dal quale esce da una sottilissima finestra di titanio pronto per l utilizzo.

35 Medicina: Controllo Dosimetrico Dall immagine digitale ricaviamo: curve isodose e valori, posizione e forma del lfascio......in tempo reale(qualche l( lh sec)!

36 Applicazioni Industriali - rendere sterili prodotti medicali e alimentari, - per trattarett rifiuti che potrebbero essere inquinatii da batteri. radiazioni per sintetizzare prodotti chimici che richiederebbero altrimenti ti trattamenti tt ti lunghi, costosi si ed estremamente m t inquinanti. i (curvare il metallo, vulcanizzare la gomma, brunire il vetro, smontare la struttura della plastica.. ) il trattamento con radiazioni è in generale, molto più "pulito" ed efficiente dei processi chimici a parità di risultati. gli articoli trattati con radiazioni non diventano radioattivi!! Le dosi impiegate: migliaia di sievert cibi mila sievert sterilizzazione dei prodotti medicali milioni di sievert per la sintesi chimica.

37 Trattamento: radiazioni ionizzanti Effetti positivi: prolungamento tempi conservazione distruzione insetti, parassiti, batteri patogeni, muffe e lieviti; ritardo maturazione frutta e ortaggi; inibizione germogliazione tuberi e bulbi Se bastano 4 sievert per avere il 50 % di probabilità di uccidere un uomo, ne servono circa 1000 per avere la stessa probabilità di uccidere un batterio. Irraggiamento dei cibi

38 Irraggiamento dei cibi Non ci sono legami tra cibo irraggiato e comparsa effetti negativi L irradiazione non è l unica procedura a poter aumentare il tasso di mutazione di microrganismi Per dosi fino a 10 kgy non è stata osservata alcuna distruzione di componenti Per dosi fino a 10 kgy non è stata osservata alcuna distruzione di componenti nutrizionali (proteine, carboidrati o grassi). Le analisi chimiche hanno mostrato la presenza di leggeri cambiamenti nutrizionali per dosi pari a quelle della sterilizzazione (50 kgy).

39 Dosi PROCESSO DOSE (kgy) PRINCIPALI ALIMENTI TRATTATI BASSE DOSI (FINO AD 1 kgy) Inibizione della germogliazione Patate, cipolle, aglio, radice di zenzero Disinfestazione e disinfezione Cereali e legumi, frutta fresca e secca, carni (eliminazione di insetti e parassiti) e pesci essiccati, maiale fresco Ritardo di processi fisiologici Frutta ed ortaggi secchi (maturazione) MEDIE DOSI (1 10 kgy) Prolungamento del tempo di conservazione o e Pesce fresco, fragole, funghi Eliminazione di microrganismi patogeni Aumento della resa di succo, ortaggi disidratati(riduzione del tempo di cottura) ALTE DOSI (10 50 kgy) Pesce, frutti di mare freschi e congelati, carni crude congelate Uva Sterilizzazione industriale del cibo Carni, pesci, frutti di mare, cibi pronti, diete ospedaliere Decontaminazione di alcuni additivi Spezie, preparazioni enzimatiche, gomma e ingredienti alimentari naturale

40 Esempio di impianto per l Irraggiamento Punti di Irradiazione Carrello Nastro trasportatore Impianto di raffreddamento

41 Sterilizzazione in medicina Strumenti chirurgici Siringhe ARTICOLO Guanti

42 I RAGGI X E LA RADIOGRAFIA

43 Produzione dei Raggi X I raggi X hanno una energia tale da attraversare la materia I materiali più leggeri (ad esempio il tessuto molle) sono attraversati più facilmente rispetto a quelli pesanti (ad esempio le ossa)

44 La radiografia tradizionale 2 1 Rivelatore : lastra fotografica 1. Minor numero di Raggi X zone chiare 2. Maggior numero di Raggi X zone scure

45 La radiografia a adigitale Rivelatore digitale IMMAGINE in cui ogni punto (pixel) contiene un g p (p ) numero proporzionale al segnale prodotto dai Raggi X nel rivelatore

46 Il rivelatore: digitale Telecamera digitale Schermi fluorescenti a lettura laser Flat panel

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