Dose e rischio nelle indagini radiologiche Indice della Lezione

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1 Dose e rischio nelle indagini radiologiche Indice della Lezione Un po di storia Fondo naturale di radiazioni Dose equivalente H e dose efficace E Effetti biologici dell esposizione a R.I-. Descrittori della dose nelle indagini radiologiche Valori della dose nelle indagini radiologiche

2 Action physiologique du rayonment du radium sur la peau e sur les graines (Becquerel) Les rayons du radium agisse énergiquement sur la peau. Les opérateurs qui manient les produits actifs ont éprouvé sur les mains diverses actions. Les mains ont une tendence générale a la desquamation. Les extrémités des doigts qui ont tenu les tubes ou capsule renfermant les produits actifs deviennent dures, blanches e parfois très douloureuse...

3 Riconoscimento degli effetti biologici delle R.I. un po di storia pochi mesi dopo la scoperta dei raggi X (W.C.Röntgen, 1895) un costruttore e sperimentatore di tubi sotto vuoto presenta lesioni alla cute delle mani (oggi classificabili come dermatite acuta da raggi X) H.Becquerel è affetto da un eritema della cute in corrispondenza della tasca del vestito nella quale aveva tenuto per qualche tempo una fiala contenente sali di radio fine secolo XIX - P.Curie si provoca intenzionalmente un eritema da radio sulla cute di un braccio e intuisce che le radiazioni possono avere anche effetti terapeutici

4 si osserva la degenerazione in carcinoma cutaneo di una precedente dermatite da raggi X si riconosce che l esposizione a raggi X può indurre sterilità negli animali da laboratorio; pochi anni dopo viene scoperto che gli embrioni di uova di rospo fertilizzate con sperma irradiato con raggi X presentano anormalità vengono segnalate le prime anemie e le prime leucopenie da raggi X anni 20 - si manifestano necrosi e tumori ossei alla mandibola in operai addetti a dipingere le lancette di orologi luminescenti con vernici contenenti sali di radio (utilizzando pennellini appuntiti con le labbra

5 il genetista H.J.Müller mostra che l esposizione a raggi X e provoca alterazioni geniche e mutazioni cromosomiche nel moscerino dell aceto, che sono trasmesse ai discendenti secondo le leggi dell eredità biologica alla International Conference on pacific uses of atomic energy tenutasi a Ginevra, Tzuzuki riporta la notizia che fra i sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki erano stati osservati 200 casi di leucemia, un numero assai maggiore di quello atteso in base alle caratteristiche endemiche della malattia Court Brown e Doll dimostrano un aumento della frequenza di leucemie in pazienti sottoposti a röntgenterapia per spondilite anchilosante il NRPB segnala l evidenza statistica di una riduzione del Q.I. in individui sottoposti a TC del cranio in età neonatale e nell infanzia

6 Gran parte delle conoscenze attuali sugli effetti biologici delle radiazioni derivano dagli studi compiuti sui sopravvissuti alle esplosioni atomiche su Hiroshima e Nagasaki Hiroshima, 6 agosto 1945 Il fungo di Nagasaki 9 agosto 1945

7 Fondo naturale di radiazioni Radiazione di origine cosmica + Radiazione di origine terrestre In Italia la dose a ogni individuo della popolazione dovuta al fondo naturale varia fra 2,4 e 4 msv/anno

8 Non tutti i tipi di radiazioni sono ugualmente pericolosi X, Potere di penetrazione di particelle α e β e della radiazione X e γ

9 La radiazione cosmica è costituita per oltre il 90% da protoni, per il 4-5% da particelle α, e per il resto da elettroni, fotoni, neutrini e nuclei pesanti ed è concentrata in un area che si estende per circa 65 a Nord e a Sud dell equatore celeste La dose dovuta alla radiazione cosmica è minima al livello del mare e aumenta con l altezza

10 Dose equivalente H T (msv) Dose equivalente (H T ): dose assorbita media in un tessuto o in un organo, ponderata in base al tipo di tessuto T e alla qualità della radiazione R. L unità di dose equivalente è il sievert (Sv) (1 Sv = 1 J/kg) Dose efficace - E (msv) Somma delle dosi equivalenti nei diversi organi o tessuti, ponderata per il tipo di radiazione R e per il tipo di tessuto T: E = T w R w T H T

11 Fotoni (raggi X e γ) di tutte le energie 1 Elettroni e mesoni μ di tutte le energie 1 Neutroni 5 20 Protoni con E > 2 MeV 5 Particelle α e frammenti di fissione 20 Fattori di ponderazione w R Fattori di ponderazione w T Gonadi 0,20 Midollo osseo (rosso) 0,12 Colon 0,12 Polmone (vie respiratorie toraciche) 0,12 Stomaco 0,12 Vescica 0,05 Mammelle 0,05 Fegato 0,05 Esofago 0,05 Tiroide 0,05 Pelle 0,01 Superficie ossea 0,01 Rimanenti organi o tessuti 0,01

12 Sorgente di esposizione Radiazione cosmica Componenti direttamente ionizzanti e fotoni Dose efficace annuale (msv) Media Intervallo tipico 0,28 Neutroni 0,10 Radionuclidi cosmogenici 0,01 Totale 0,39 0,3-1,0 Esposizione esterna alla radiazione terrestre All aperto 0,07 In luoghi chiusi 0,41 Totale 0,48 0,3-0,6 Esposizione per inalazione Serie dell uranio e del torio 0,006 Radon (Rn-222) 1,15 Toron (Rn-220) 0,10 Totale 1,26 0,2-10 Esposizione per ingestione K-40 0,17 Serie dell uranio e del torio 0,12 Totale 0,29 0,2-0,8 Totale 2,4 1-10

13 Effetti biologici dell esposizione a R.I. Effetti deterministici: effetti di tipo somatico oppure genetico, che si verificano nell individuo esposto soltanto se la dose è superiore a una soglia, tipica dell effetto. Per dosi superiori alla soglia, la gravità dell effetto è tanto maggiore quanto più alta la dose ( gradualità dell effetto ) Effetti stocastici: effetti senza soglia di tipo somatico (tumori solidi, leucemie, linfomi) oppure genetico, la cui probabilità di accadimento dipende linearmente dalla dose, la cui gravità è invece indipendente dalla dose (effetti tutto/niente)

14 L esposizione a R.I. può produrre effetti deterministici ed effetti stocastici. Per stimare la probabilità di insorgenza di effetti stocastici è necessario conoscere la relazione fra dose (D) e probabilità dell effetto [p(e)] p(e) D(Sv)

15 Il grafico della diapositiva precedente mostra una rappresentazione schematica e qualitativa delle curve che esprimono la probabilità dell effetto in funzione della dose. I pallini rossi rappresentano dati certi (effetti riscontrati ad alte dosi). La curva in blu (di tipo sigmoidale ) rappresenta (almeno per radiazioni a basso LET) il più probabile andamento reale della relazione dose/effetto. La retta tratteggiata (ottenuta estrapolando linearmente a dose zero la probabilità dell effetto riscontrata ad alte dosi) molto probabilmente sovrastima il rischio alle basse dosi (sino, approssimativamente, a 50 msv). Per i soli scopi della radioprotezione si ipotizza quindi che la relazione dose/effetto sia di tipo lineare; ciò significa ammettere che: RISCHIO = 0 soltanto per DOSE = 0

16 Ormesi da R.I. (L ormesi è una teoria secondo la quale basse dosi di agenti nocivi o letali letali ad alte dosi possono invece produrre effetti benefici BENEFICIO 0.1 F F 10 F 100 F DETRIMENTO Secondo la teoria dell ormesi, dosi comprese fra il fondo naturale e 100 volte il fondo naturale comporterebbero vari tipi di benefici sanitari per gli individui esposti

17 Effetti deterministici per esposizione acuta parziale Organo/tessuto Effetto Dose soglia Gy Tempo di latenza Cute Eritema semplice Eritema bolloso Eritema ulceroso 3 3, >12 Qualche ora 2 4 giorni 2 4 giorni Capelli Caduta temporanea Caduta definitiva giorni giorni Midollo osseo emopoietico Depressione Aplasia 0,5 >15 Qualche giorno Qualche giorno Cristallino Congiuntivite Cataratta Qualche giorno Qualche anno

18 Altri effetti deterministici EFFETTO Dose soglia (Gy) - Sterilità temporanea nel maschio 0.15 per esposizione acuta - Sterilità permanente nel maschio per esposizione acuta - Sterilità permanente nella donna per esposizione acuta - Opacità del cristallino (basso LET) Opacità del cristallino (alto LET) Depressione midollare DL 50/ DL (10-20 giorni): sindrome G.I. > 15 (entro 5 giorni): sistema nervoso centrale

19 Coefficienti di rischio Secondo la Pubblicazione ICRP , i coefficienti nominali di rischio per effetti stocastici a seguito di esposizione del corpo intero a radiazione a basso rateo di dose sono i seguenti: - cancro 5, Sv -1 - malattie ereditarie sino alla seconda generazione : 0, Sv -1 - riduzione del Q.I.: non significativa a basse dosi reale solo per D > 100 msv

20 Irradiazione in gravidanza Periodo Fase della gravidanza Possibili effetti 0 9 giorno Pre-impianto Morte dell embrione / Nessun effetto sui bimbi nati 10 giorno fine 2 mese Inizio 3 mese termine della gravidanza 3.a settimana termine della gravidanza Organogenesi Fetale Organogenesi - fetale Possibili malformazioni nei bimbi nati Ritardo mentale riduzione del Q.I. per dosi > 0,1 Sv Possibili effetti stocastici: Aumento della probabilità di tumori solidi e leucemie in età infantile

21 Dose soglia (Gy) Effetti deterministici per esposizione acuta totale Effetto 0,25 Assenza di sintomi soggettivi. Diminuzione temporanea del numero di linfociti 0,50 Possibile nausea, lieve malessere, riduzione degli eritrociti: 2.a 3.a settimana 1 Forte nausea con vomito e astenia. Dalla 2.a alla 4.a settimana: prima leucopenia, poi anemia. Riduzione delle capacità di difesa 2 Effetti di una pan-irradiazione in funzione della dose Sindrome acuta, proporzionale all entità della dose, con esito talvolta letale. Stadio iniziale: lieve shock con nausea, vomito, inappetenza Stadio di latenza. Stadio acuto: astenia grave, febbre, tachicardia, ipotensione arteriosa, diarrea, tendenza al collasso cardiocircolatorio, leucopenia grave, anemia grave, piastrinopenia, diatesi emorragica 4 Sindrome acuta più grave. Il 50% dei pazienti non adeguatamente curati muore entri giorni 6 Sindrome ancora più grave. Il 100% dei pazienti muore entro 30 giorni > 6 Gy Stadio acuto: distruzione dell epitelio intestinale, grave shock, setticemia, morte

22 Radionecrosi della cute del dorso 20 mesi dopo coronarografia e angioplastica Lo stesso caso dopo trapianto di cute Epilazione ed eritema dopo procedure neuroradiologiche interventistiche per ictus

23 Danni da tomografia computerizzata Eritema (simile a ustione di 1 grado) sul viso di un bambino di due anni sottoposto a 176 scansioni TC per un trauma al collo, conseguente a una caduta dal letto (New York, 2008) E stato calcolato un aumento del 39% del rischio di insorgenza di tumori

24 Nell ambito delle procedure radiografiche e fluoroscopiche il descrittore fondamentale è l ESAK (Entrace Surface Air Kerma), definito come il kerma in aria (dose misurata in aria) nel punto di intersezione fra l asse del fascio e la superficie di ingresso del fascio stesso nel paziente. Il suo valore dipende: - dal valore dell alta tensione (kv) applicata al tubo e dalla filtrazione del fascio; - dal valore del prodotto della corrente anodica (ma) per la durata dell esposizione (s), espresso in mas; - dalla distanza d fra il fuoco del tubo e la superficie di ingresso del fascio nel paziente:

25 Misura dell ESAK Entrance Surface Air kerma DFP ESD = ESAK BSF DFP Misura dell ESD Entrance Surface Dose

26 Valori dell ESAK in esami radiologici tradizionali Esame pazienti adulti ESAK (mgy) Addome 10 Urografia (per radiogramma) 10 Cranio nelle proiezioni AP e PA 5 Cranio in proiezione laterale 3 Torace in proiezione PA 0,4 Torace in proiezione laterale 1,5 Rachide lombare in proiezione AP 10 Rachide lombare in proiezione laterale 30 Rachide lombo-sacrale 40 Bacino in proiezione AP 10 Mammografia in proiezione cranio-caudale 10 Esame pazienti pediatrici (5 anni/neonati) ESAK (mgy) Addome 1 Torace nelle proiezioni PA e AP 0,1 Torace in proiezione laterale 0,2 Torace in proiezione AP (neonati) 0,08 Cranio nelle proiezioni AP e PA 1,5 Cranio in proiezione laterale 1 Bacino in proiezione AP 0,9 Bacino in proiezione AP (neonati) 0,2

27 La dose in corrispondenza della superficie di ingresso del fascio nel paziente, ESD (Entrance Surface Dose), è data dal prodotto del valore dell ESAK per un fattore di retrodiffusione BSF (backscatter factor), il cui valore dipende dall ampiezza della sezione del fascio, dallo spessore della regione corporea irradiata e dall energia media del fascio (con un massimo intorno ai 60 kev): ESD = ESAK BSF Per la misura dell ESAK e dell ESD è possibile utilizzare camere a ionizzazione, cilindriche o piatte, opportunamente calibrate.

28 Per la valutazione della dose nelle procedure fluoroscopiche il descrittore più appropriato è il DAP (Dose Area Product u.d.m.: Gy cm 2 ), definito come il prodotto il cui valore è costante su tutto il percorso del fascio dell area della sezione del fascio a una qualsiasi distanza dal fuoco del tubo per la dose in aria sull asse del fascio, alla stessa distanza. Sul complesso tubo-guaina di tutte le apparecchiature radiologiche per fluoroscopia è installato un DAP-meter che, durante l emissione di radiazione X, integra con continuità il valore del prodotto dose area. E dunque sufficiente dividere il valore misurato dalla camera DAP per l area della sezione del fascio all ingresso nel paziente per conoscere immediatamente il valore dell ESAK. Camera per le misure del prodotto Dose * Area (DAP)

29 Al fine di quantificare la dose in aria nella scansione di n strati con uno spessore T ciascuno, venne introdotto (EUR EN 6, IEC ) il descrittore di base CTDI 100 (Computed Tomography Dose Index: Indice 100 di dose in TC): D CTDI = 1 nt z 2 z 2 D(z)dz T z Z1 Z2 In TCSS N=1 In TCMS N= 4, 8, 16 NT = collimazione NT

30 Il passaggio dalla dose in aria alla dose al paziente è reso possibile dalla misura del CTDI 100 in appositi fantocci cilindrici di PMMA (polimetilmetacrilato) aventi diametro di 16 cm (head phantom) oppure di 32 cm (body phantom), provvisti di inserti removibili, paralleli all asse, per consentire l inserimento della pencil camera al centro del fantoccio e a 1 cm dalla sua superficie esterna, nei quattro punti cardinali.

31 Detti: - CTDI 100,c il valore misurato, per una singola scansione, nel centro del fantoccio - CTDI 100,p la media dei valori misurati per una singola scansione alla periferia del fantoccio si definiscono come CTDI w (weighted, pesato IEC ) la somma: CTDI w = (1/3 CTDI 100,c + 2/3 CTDI 100,p ) mgy e come n CTDI w (CTDI normalizzato e pesato) la grandezza: nctdi w (mgy/mas) = CTDI w /mas dove mas (milliampère secondo) è l esposizione tomografica E, cioè il valore del prodotto della corrente anodica (ma) per la durata (espressa in secondi) di una rotazione completa del tubo attorno al paziente.

32 In tomografia computerizzata Il descrittore della dose DLP (Dose Length Product) Per un esame completo (acquisizione tradizionale ): DLP = i n CTDI w T N C i = ogni sequenza di scansioni in un esame N = numero di strati T = spessore dello strato (cm) C = esposizione tomografica (mas) Il descrittore del rischio E (Dose Efficace) E = E DLP DLP

33 Calcolo della dose efficace (E) in TC E DLP (msv mgy -1 cm -1 ) (da European Guidelines on Quality Criteria for Computed Tomography, EUR EN, 1999) REGIONE CORPOREA DOSE EFFICACE NORMALIZZATA TESTA COLLO TORACE ADDOME PELVI

34 Calcolo della dose efficace (E) in TC Simulazioni con metodo MonteCarlo su fantocci matematici Dati in ingresso: Modello del tomografo mas, kv, spessore della fetta, pitch estensione della scansione CTDI air Dati in uscita: dose agli organi dose efficace

35 Tipo di esame Dose efficace (msv) valori medi Testa 0,1 Torace nelle proiezioni PA e LL 0,1 Rachide dorsale 0,7 Rachide lombare 1,3 Bacino 0,7 Addome 0,7 Tratto gastro-intestinale superiore 2,6 Tratto gastro-intestinale inferiore 7,2 Urografia 2,4 Mammografia 0,4 TC testa 2,0 TC torace 7,0 TC addomino-pelvica 10 Dosi efficaci - msv Procedura Dose efficace media (msv) Valori (msv) riportati nella letteratura Angiografia cerebrale e/o carotidea 5 0,8 19,6 Coronarografia (diagnostica) 7 2,0 15,8 Angioplastica coronarica, inserimento di stent, ablazione con radiofrequenze 15 6,9-57 Angiografia toracica dell arteria polmonare o dell aorta 5 4,1 9,0 Angiografia addominale o aortografia 12 4,0 48 Posizionamento di shunt intraepatico porto-sistemico Embolizzazione venosa pelvica

36 Livelli diagnostici di riferimento (LDR) Al fine di garantire che nelle singole procedure radiologiche, e in particolare negli esami radiografici e di tomografia computerizzata, la dose al paziente sia quella più appropriata per ottenere immagini di qualità soddisfacente per le esigenze cliniche, la Comunità Europea prima e il nostro Paese poi (D.lgs. 187/ ) hanno introdotto il concetto di Livelli Diagnostici di Riferimento, definendoli come Livelli di dose nelle pratiche radiodiagnostiche mediche per esami tipici per gruppi di pazienti di corporatura standard o fantocci standard per tipi di attrezzatura ampiamente definiti. Tali livelli non dovrebbero essere superati per procedimenti standard, in condizioni di applicazione corrette e normali riguardo all intervento diagnostico e tecnico.

37 Valori dei LDR in TC e in mammografia Tomografia computerizzata Regione corporea CTDIw (mgy) DLP (mgy cm) Testa Torace Addome Pelvi Spessore (cm) di un fantoccio di PMMA Spessore equivalente (cm) della mammella Valori della dose ghiandolare media mgy Livello accettabile Livello perseguibile 2,0 2,1 < 1,0 < 0,6 3,0 3,2 < 1,5 < 1,0 4,0 4,5 < 1,6 < 1,6 4,5 5,3 < 2,0 < 2,0 5,0 6,0 < 2,4 < 2,4 6,0 7,5 < 3,6 < 3,6 7,0 9,0 < 5,1 < 5,1