Elementi di Radioprotezione. Corso base di Formazione UOC FISICA MEDICA E SANITARIA

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1 Elementi di Radioprotezione Corso base di Formazione UOC FISICA MEDICA E SANITARIA

2 SORGENTI DI RADIAZIONI IONIZZANTI Sorgenti naturali (raggi cosmici, radionuclidi,...) Sorgenti naturali modificate dalla tecnologia (materiali da costruzione, viaggi in aereo ad alta quota,...) Sorgenti di prodotti di consumo (apparecchi televisivi, orologi luminescenti,...) Sorgenti impiegate in medicina (tubi a raggi X, LINAC, radioisotopi per diagnostica, radiofarmaci,...) Sorgenti da ricadute da bombe atomiche (fallout) Sorgenti associate con la produzione di energia nucleare (estrazione e trattamento del combustibile, rilasci delle centrali, rifiuti)

3 ESPOSIZIONE DOVUTA AL FONDO NATURALE DI RADIAZIONE La più importante fonte di esposizione per gli esseri umani è il fondo di radiazione naturale che fornisce il contributo maggiore alla dose collettiva della popolazione mondiale. L esposizione al fondo naturale può variare molto da regione a regione, prevalentemente in dipendenza della diversa composizione del territorio (suolo o rocce). Mediamente l equivalente di dose efficace pro-capite è pari a 2.4 msv/anno

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6 ESPOSIZIONE DOVUTA AD APPLICAZIONI DI TIPO MEDICO Le applicazioni di tipo medico sono, dopo il fondo naturale, la maggiore fonte di esposizione della popolazione specie nei paesi industrializzati. Ancora nel 1982 l UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effect of Atomic Radiation) stimava che, nei paesi industrializzati, l esposizione a causa delle pratiche mediche risulta essere circa il 50% di quella dovuta alla radiazione di fondo. Oggi????

7 Origine delle radiazioni ionizzanti il decadimento radioattivo Alcuni atomi hanno nuclei che possiedono energia in eccesso, il loro nucleo è quindi instabile, per raggiungere la stabilità il nucleo emette spontaneamente particelle e/o energia elettromagnetica e si trasforma in un atomo differente (cambiano A e Z)

8 il decadimento radioattivo.. segue La stabilità dei nuclei è influenzata da molti fattori tra cui il principale è il numero di neutroni che possiede. Un eccesso di neutroni è causa di instabilità e determina il decadimento, le modalità per raggiungere l equilibrio tra il numero di protoni e quello di neutroni sono diverse.

9 il decadimento radioattivo.. segue Emissione β: una particella simile all elettrone viene espulsa dal nucleo, con considerevole energia cinetica (contemporaneamente nel nucleo stesso un un neutrone si trasforma in un protone e lo Z dell atomo cala di 1, rimanendo A invariata), Emissione α: è un processo di emissione più violento: vengono emessi tutti insieme due protoni e due neutroni legati insieme (Z cala di 2 e A di 4 unità) in genere la maggioranza dei nuclei emettitori α e β emette contemporaneamente anche energia (elettromagnetica)

10 Emivita radioattiva o tempo di dimezzamento I radioisotopi si disintegrano in atomi stabili di elementi diversi con intensità decrescente

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14 Interazione radiazioni - materia Le particelle α, β e γ emesse dalla sorgenti radioattive, i raggi X delle macchine radiogene e gli elettroni dei LINAC interagiscono con i materiali nei quali si propagano (es. aria, materiali biologici, ) Lungo il loro percorso cedono frazioni della loro energia agli elettroni del mezzo attraversato Le modalita di interazione sono molto diverse a seconda che si parli di particelle cariche: α o elettroni oppure di particelle neutre: raggi X, fotoni e neutroni

15 Interazione radiazioni - materia Particelle cariche Perdono energia per ionizzazione: cedono cioe agli elettroni del mezzo energia sufficiente a staccarli dall atomo al quale sono legati dalla forza di Coulomb. Se il mezzo e un materiale biologico, queste ionizzazioni creano un danno in quanto spezzano legami molecolari ed alterano quindi dal punto di vista chimico i tessuti. I legami chimici sono caratterizzati da energia w = ev. Cosi una particella α di energia E = 8 MeV e in grado, prima di arrestarsi nel mezzo, di rompere un numero di legami pari a: 6 E N = = = 4 10 w 20 Si tratta di un numero elevato di distruzioni Teniamo pero presente che in ogni cm 3 di materiale biologico (assimilato all acqua) vi sono molecole ρ 1 N = N = 6 10 =. M AV

16 Interazione radiazioni - materia Particelle cariche Se la particella carica e un elettrone, questo ha una massa confrontabile con quella dei bersagli colpiti (elettroni atomici) e subisce quindi ad ogni urto delle brusche deviazioni di traiettoria e quindi brusche accelerazioni e decelerazioni. Associato a queste variazioni di velocita vi e il meccanismo di perdita di energia per irraggiamento (Bremsstrahlung): l elettrone perde energia emettendo dei raggi X. I due tipi di perdita di energia, per ionizzazione (S ion ) e per Irraggiamento (S rad ) coesistono quindi per gli elettroni Perdita di energia per ionizzazione S ion p, α, ioni pesanti, elettroni e ± irraggiamento S rad Elettroni e ±

17 Interazione radiazioni - materia Particelle cariche e ± S ion +S rad p, α S ion

18 Particelle cariche: Range Si chiama Range (o percorso) lo spessore penetrato da una particella all interno di un materiale prima di arrestarsi A parita di energia particelle cariche pesanti (protoni e α) Sono molto meno penetranti degli elettroni: il loro range e circa 1000 volte piu corto Depositano quindi la stessa quantita di energia in un volume di materia estremamente piu piccolo: per questo motivo il danno biologico associato alle particelle cariche pesanti e maggiore di quello associato agli elettroni e ± p, α

19 Interazione radiazioni - materia Particelle cariche: Range N non costituiscono problema per irraggiamento esterno Range alfa: qualche cm aria un foglio di carta Range spessore m aria Range elettroni: cm plastica 1 mm Piombo Sorgenti radioattive

20 Particelle cariche: Range Naturalmente se lo spessore del materiale attraversato e minore Del range, la particelle deposita solo una frazione di energia nel mezzo. E iniz E fin ΔE = E iniz -E fin Se quindi si vuole schermare una sorgente radioattiva che emette Particelle cariche (α o β) e necessario adottare una schermatura di spessore superiore al range delle particelle stesse

21 Schermature particelle cariche: α: nessun problema β: conviene usare materiali leggeri S S rad = ion ZE 800 in questo modo si riduce la produzione di fotoni di bremsstr. piombo, ferro, rame plexiglass

22 Interazione radiazioni - materia Fotoni A differenza delle particelle cariche i fotoni non interagiscono In maniera continua con la materia, ma in maniera stocastica: Esiste cioe una probabilita di interazione con la materia (quella che i fisici chiamano Sezione d urto) Le interazioni sono discontinue: tra una interazione e la successiva il fotone non cede energia al mezzo E E γ E γ γ Il fotone entra nel mezzo con energia E γ ed esce con energia E γ

23 Effetto fotoelettrico Interazione radiazioni - materia Fotoni Quindi i fotoni, a seguito della loro interazione con la materia, qualsiasi sia il meccanismo di interazione (fotoelettrico, Compton o produzione di coppie) mettono in moto degli elettroni. Effetto Compton produzione di coppie e + e -

24 Interazione radiazioni - materia Fotoni probab. interazione Z 5 (fotoelettrico) Z (Compton) Z 2 (prod. coppie) Piombo Calcestruzzo μ = coefficiente di attenuazione/assorbimento μ x ( ) = N o e N x N 10 8 λ = 1/μ = libero cammino medio spessore

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28 Conseguenze della interazione delle radiazioni ionizzanti Fase fisica Fase chimica Fase biologica

29 Fase fisica Emissione di energia in forma di radiazioni da parte della sorgente Trasferimento dell energia attraverso lo spazio, Assorbimento di energia da parte degli atomi della materia

30 Fase chimica Scissioni di legami o formazione di nuovi e diversi legami interatomici con conseguenti modificazioni strutturali delle molecole sotto forma di: rottura della catena principale o di catene collaterali, formazione di ponti intramolecolari, formazione di ponti intermolecolari.

31 Fase biologica (1) Effetti a livello cellulare: morte della cellula, perdita della capacità proliferativa (morte riproduttiva) perdita o alterazione di funzioni cellulari specifiche, alterazioni dell informazione ereditaria: aberrazioni cromosomiche, mutazioni geniche

32 Fase biologica (2) Effetti a livello di popolazioni cellulari: effetti graduati a carico di sistemi biologici complessi: tessuti e organi: alterazioni della componente connettivo-vascolare precoci (reazione infiammatoria acuta) croniche (processi fibrosclerotici) alterazioni della componente parenchimale: precoci (reazione infiammatoria acuta) croniche (lesioni distrofiche a seguito fibrosclerosi connettivali)

33 Fase biologica (3) Effetti a livello dell organismo umano: per irradiazione acuta del corpo intero con dosi < 10 Gy morte per sindrome gastrointestinale o del sistema nervoso, con dosi tra 4 e 10 Gy grave rischio di morte per sindrome del sistema ematopoietico per irradiazione acuta del corpo intero con dosi < 4 Gy o per irradiazione acuta di settori corporei limitati : anemia, sterilità, cataratta, etc) per irradiazione cronica ed a piccole dosi, rischio di: effetti graduati per organi più radiosensibili, effetti statistici (mutazioni geniche, induzione leucemie o neoplasie )

34 CLASSIFICAZIONE DEGLI EFFETTI DELLE RADIAZIONI SULL UOMO Il processo di ionizzazione porta ad alterazione di atomi o molecole e può quindi produrre danno alle cellule.

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44 Unità di misura SI delle radiazioni ionizzanti grandezza valore nome simbolo Dose assorbita Rateo di dose assorbita Equivalente di dose assorbita 1 J/Kg Gray Gy 1J/Kg*sec Gray/sec Gy/s 1 J/kg Sievert Sv Radioattività 1 dis/sec Bequerel Bq

45 RAGGI X Produzione sorgente di elettroni (effetto Joule effetto termoionico) sistema per accelerare gli elettroni prodotti (elevata d.d.p) materiale (ad alto Z) con cui far interagire gli elettroni veloci Frenamento degli elettroni che interagiscono con i nuclei + collisioni con gli elettroni atomici Raggi X

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49 IRRAGGIAMENTO ESTERNO MEZZI E PROCEDURE DI PROTEZIONE M E Z Z I (HARDWARE) DISTANZA SCHERMATURE (ADATTE AL TIPO DI RADIAZIONE) D.P.I. PROCEDURE (SOFTWARE) IDENTIFICAZIONE SEGNALETICA PROCEDURE DI LAVORO

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51 CONFRONTO TRA VALORI APPROSSIMATIVI DELLO SPESSORE DI DIMEZZAMENTO (SEV) PER I FOTONI DI CO-60 E RAGGI X PER DIAGNOSTICA Tipo radiazione SEV mm Pb SEV cm cemento X 100 kv 0,26 2,1 Co ,1

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53 SOSTANZE RADIOATTIVE UTILIZZAZIONE IN FORMA SIGILLATA IN FORMA NON SIGILLATA

54 NEI LABORATORI DI DIAGNOSTICA IN VITRO SI UTILIZZANO SORGENTI NON SIGILLATE QUESTE DETERMINANO PER GLI OPERATORI DUE DIFFERENTI TIPI DI RISCHIO: - DA IRRAGGIAMENTO ESTERNO - DA IRRAGGIAMENTO INTERNO

55 RADIAZIONE GAMMA ionizzazione indiretta attraverso le particelle cariche secondarie entità della ionizzazione dipendente dalla Costante Gamma Specifica della sorgente legge dell inverso del quadrato della distanza attenuazione con andamento esponenziale dipendente dalla densità del mezzo e dalla energia della radiazione

56 ... qualche esempio: lo spessore di acqua necessario a ridurre di un fattore 10 l intensità di un fascio di gamma da 100 kev è pari a circa 13 cm lo spessore di Piombo necessario a dimezzare l intensità di esposizione di una sorgente di I-125 (X da 35 kev) è pari a meno di 0.04 mm

57 RADIAZIONE BETA la ionizzazione è diretta il percorso massimo (range) in un mezzo è funzione dell energia della radiazione e della densità del mezzo attraversato ad alte energie, in mezzi ad alta densità fenomeno di bremsstrahlung (funzione di EZ 2 )

58 ...qualche esempio: lo spessore protettivo della cute (0.07 mm) non può essere attraversato da particelle β di energia inferiore a 70 kev l intensità di dose a 30 cm da una sorgente puntiforme di 32 P da 37 MBq (1 mci) è pari a circa 3mGy (300 mrad) la Bremmstrahlung di 37 MBq (1 mci) di 32 P in soluzione acquosa contenuta in un recipiente di vetro è di circa 0.01 μgy (1 μrad) ad 1 metro

59 range in aria ed in acqua di alcuni β emittenti di uso comune aria acqua H cm mm C cm 0.29 mm S cm 0.32 mm Ca cm 0.60 mm P cm 8 mm

60 IRRAGGIAMENTO INTERNO CONSEGUENTE A INTRODUZIONE DI RADIONUCLIDI PER: INGESTIONE INALAZIONE ASSORBIMENTO PERCUTANEO

61 IRRAGGIAMENTO INTERNO la entità dell irraggiamento interno dipende da: tipo ed energia della emissione radioattiva tempo di dimezzamento fisico e biologico destino metabolico e selettività del composto contaminazione accidentale o cronica

62 IRRAGGIAMENTO INTERNO il livello di radiotossicità dei radionuclidi dipende dalle loro caratteristiche fisico-chimiche. le classi di radiotossicità sono 4 la pericolosità complessiva di un radionuclide dipende anche dal composto chimico in cui è presente.

63 SUDDIVISIONE DEI PRINCIPALI RADIONUCLIDI NEI GRUPPI DI RADIOTOSSICITA (D.Lgs 230/ 95) Gruppo 2 (Radiotossicità elevata) 60 Co; 90 Sr; 125 I; 131 I; 194 Hg Gruppo 3 (Radiotossicità moderata) 14 C; 32 P; 57 Co; 198 Au; 111 In Gruppo 4 (Radiotossicità debole) 3 H; 35 S; 51 Cr; 99m Tc; 201 Tl; 133m Xe

64 ingestione inalazione esalazione cute polmoni linfonodi ferita apparato gastro intest. polmoni e liquidi intercell. tiroide..... ossa fegato reni feci urine

65 NORME DA SEGUIRE IN CASO DI CONTAMINAZIONE PERSONALE In caso di contaminazione personale: 1. Avvisare immediatamente il Responsabile del Laboratorio 2. Evitare di venire a contatto con altre persone 3. Avvisare l esperto qualificato Per la decontaminazione procedere cosi': Contaminazione localizzata senza ferite: -lavare per 2 minuti con sapone e spazzola morbida, sciacquare e ripetere altre 2 volte il trattamento, -effettuare un controllo con monitor G.M.), se la contaminazione persiste -lavare per 2 minuti con Citrosil, sciacquare, ripetere il trattamento, -effettuare un controllo, se la contaminazione persiste -ungere con pasta Fissan, fasciare, consultare il Medico Competente Contaminazione diffusa senza ferite: -liberarsi di tutti gli indumenti contaminati (da chiudere in doppio sacco di plastica), -effettuare un controllo con monitor G.M.,se non si evidenziano contaminazioni del corpo, indossare indumenti puliti, altrimenti -lavare ripetutamente ed abbondantemente le parti contaminate, -effettuare un successivo controllo e se la contaminazione persiste avvisare il Medico Competente Contaminazione complicata da ferite e/o ustioni: -far sanguinare abbondantemente le ferite, lavare ripetutamente con sola acqua, medicare, chiamare immediatamente il Medico autorizzato,, -lavare ripetutamente con soluzione tampone o acqua le parti ustionate, chiamare il Medico Competente Contaminazione complicata da lesioni gravi: -lesioni gravi come fratture, ustioni diffuse, lesioni emorragiche rappresentano elemento di urgenza maggiore rispetto alla contaminazione, seguire pertanto le procedure di Pronto Soccorso, informando della contaminazione il Medico soccorritore e avvertendo il Medico Competente Ingestione di materiale radioattivo - informare urgentemente Esperto qualificato e Medico Competente

66 Gli strumenti di rivelazione delle radiazioni Dosimetri ambientali Dosimetri personali Rivelatori a gas Camera a ionizzazione, contatore geiger emulsioni fotografiche Dosimetri a termoluminescenza

67 I rivelatori a termoluminescenza (TL) sono formati da cristalli inorganici, che possiedono la capacità di intrappolare elettroni. La radiazione che incide sul cristallo, cede energia agli elettroni in stato non eccitato (banda di valenza), permettendone il passaggio nella banda di conduzione, e creando così coppie elettrone-lacuna Le trappole (introdotte nel materiale da impurità) catturano alcuni elettroni liberi di muoversi nella banda di conduzione, trattenendoli nella banda proibita. Solo in seguito a riscaldamento del dispositivo sarà possibile liberare questi elettroni intrappolati. Le energie di tali livelli sono differenti, e il salto energetico creatosi tra la trappola e l'energia di banda di conduzione, è detto profondità della trappola. Con l'aumento della temperatura, gli elettroni intrappolati a profondità minore, cominciano a liberarsi, portandosi in banda di conduzione, per poi ritornare nella banda di valenza, a riempire le lacune. Il salto energetico degli elettroni dalla banda di conduzione a quello di valenza, è accompagnato da emissione di luce, che misurata con un fotomoltiplicatore, può essere messa in relazione alla dose assorbita

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69 Materiale termoluminescente composto da Fluoruro di Litio (Li naturale) LiF:Mg,Ti la cui caratteristica principale è quella di essere tessuto equivalente. Disponibile in differenti forme e dimensioni. Specifiche tecniche: - Sensibilità al 60Co relativa al LiF: 1 - Risposta in energia 30 KeV/60Co: Range di utilizzo: 10mGy-10Gy - Fading: 5%/anno a 20 C corretto.

70 Lettore TLD automatico per la lettura di cards dosimetriche mediante riscaldamento a flusso di Azoto caldo. Trova applicazione per la dosimetria personale ed ambientale su ampia scala.

71 Dispositivi di protezione e monitoraggio individuali

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