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1 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN MEDICINA - SPETTRO ELETTROMAGNETICO - RADIAZIONI TERMICHE: MICROONDE E INFRAROSSI - RADIAZIONI IONIZZANTI: ULTRAVIOLETTI, X E GAMMA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 1

2 SPETTRO ELETTROMAGNETICO (fermi) λ (m) (Å) (nm) (μm) 10 6 (mm)(cm) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) GeV λν = c MeV 10 6 RAGGI X RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA kev 10 3 E = hν 2 ULTRA- -VIOLETTO E (ev) INFRA- -ROSSO VISIBILE MICRO ONDE Hz 600 ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) λ 700 (nm)

3 RADIAZIONE TERMICA IRRAGGIAMENTO TERMICO intensità I = Q Δt ΔS cal s 1 m 2 oppure watt m 2 LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA I(λ) visibile 4000 K 3000 K 2000 K legge di Stefan I = σ T 4 (watt/m 2 ) legge di Wien λ max = / T (cm) μm λ RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 3

4 MICROONDE IN MEDICINA radiazioni non ionizzanti effetti : calore (diatermia) assorbimento : 300 MHz < ν < 300 GHz 10 6 ev < E = hν < 10 3 ev I(x) = I o e D x D = D(ν) terapia ν 2450 MHz RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 4

5 (cm) D MICROONDE IN MEDICINA (spessore caratteristico) tessuto adiposo tessuto con elevato contenuto di acqua I(x) = I o e D x RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 5 (GHz) frequenza esposizione limite per l' uomo : I = 10 mw cm 2 massima potenza radiante solare assorbita dall'uomo : I 100 mwcm 2 ν

6 intensità relativa 10 INFRAROSSI IN MEDICINA MEDICINA visibilevicino I.R. 0.7 μm < λ < 20 μm 3000 K 1200 K emissione termica (Sole) 5 Sole effetto termico RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 6 λ (μm) penetrazione λ 0.7 μm Δx 10 cm λ > 1.4 μm Δx < 1 mm fotografia I.R. immagine termica (termografia)

7 ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA intensità relativa visibile origine solare U.V. 0.5 corpo nero (SOLE) (5800 K) radiazione solare a livello del mare μm λ RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 7

8 ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA intensità (unità arbitrarie) risposta cutanea abbronzatura 90 radiazione solare rispetto al suolo 40 emissione da lampada a fluorescenza 10 μm λ eritema RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 8

9 ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA UVA : nm UVB : nm UVC : nm produzione UV : RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA emissione termica (Sole) transizioni atomiche produzione naturale (Sole) (assorbimento) I(500 nm) I(600 nm) nmassorbiti da O nm 9 Sole assorbiti in aria (produzione ozono O 3 e ossidi di azoto) * spessore atmosfera * nuvole fumi e smog diffusione * suolo

10 ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA UVA : nm UVB : nm UVC : nm produzione artificiale lampade U.V. λ = nm assorbimento : effetti biologici : RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 10 H2O nm (in 2 5 cm) vetro opaco quarzo trasparente eccitazione atomi e molecole effetto termico

11 uomo ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA sintesi vitamina D ( 280 nm) abbronzatura (formazione pigmento protezione da U.V.) eritema(uvb, UVC) (dilatazione vasi da sostanze prodotte) risposta cutanea massima λ 300 nm ( 4 ev dissociazione legame C C ) lesioni oculari (cataratta) azione battericida RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 11

12 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA RADIAZIONI IONIZZANTI radiazioni ionizzanti : E > 100 ev (ionizzazione nella materia attraversata) radiazioni elettromagnetiche (m > 0) fotoni X e fotoni γ radiazioni corpuscolari alfa (nucleo 4 (m > 0) He) beta (elettroni e, positroni e + ) protoni neutroni ioni (nuclei) assorbimento 12 E = h ν E = 1 2 m v2 cessione di energia alla struttura atomica e molecolare del materiale attraversato

13 PRODUZIONE DI FOTONI DI ALTA ENERGIA raggi X raggi γ produzione artificiale tubo a raggi X produzione naturale emissione γ da decadimento nuclei instabili (radionuclidi) produzione artificiale acceleratori di particelle RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 13

14 RAGGI X: PRODUZIONE TUBO A RAGGI X raggi X generatore di corrente catodo K F filamento vuoto trasformatore + anodo A diodo generatore di alta tensione rete RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 14

15 RAGGI X E γ: ASSORBIMENTO intensità trasmessa (%) I X, γ I(x) I(x+Δx) I o e ASSORBIMENTO ESPONENZIALE Δx I = I o e μ x x 25 0 x = μ spessore x coefficiente di attenuazione o di assorbimento RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 15

16 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA IMMAGINE RADIOLOGICA diversa opacità delle strutture biologiche (diverso coefficiente di assorbimento) μ (cm 1 ) radioscopia radiografia xeroradiografia radiografia digitale (con e senza mezzo di contrasto) 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 ) (kev) E

17 tubo a raggi X struttura biologica pellicola radiografica RADIOGRAFIA diaframmi schermo fluorescente fascio X incidente muscolo aria osso fascio X trasmesso immagine negativa sviluppo della pellicola radiografia digitale pellicola radiografica RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 17

18 contrasto radiologico RADIOGRAFIA parametri : potenziale elettrico intensità di corrente tempo di esposizione ΔV 45 kv 130 kv i 3 ma 50 ma Δt 1/60" 1/120" RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 18

19 RAGGI γ: IMPIEGO IN DIAGNOSTICA radiodiagnostica radioisotopi radiofarmaci diffusione nell'organismo decadimento radioattivo rivelazione radiazione immagine conteggio dosimetrico RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 19

20 RAGGI γ: IMPIEGO IN TERAPIA cobaltoterapia 60 Co γ (1.3 MeV) fasci di elettroni(acceleratori di particelle) fasci gamma (acceleratori di particelle) adroterapia (acceleratori di particelle) protoni neutroni (BNCT) ioni pesanti Boron Neutron Capture Therapy RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 20

21 SPETTRO ELETTROMAGNETICO : produzione λ(m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI INFRA- X ULTRA- -VIOLETTO -ROSSO tubo raggi X VISIBILE MICRO ONDE radiazione termica 10 8 ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) transizioni nucleari e acceleratori transizioni atomiche laser RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 21 circuiti oscillanti

22 SPETTRO ELETTROMAGNETICO : impiego λ(m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO VISIBILE diagnostica (RX, CT) INFRA- -ROSSO terapia MICRO ONDE ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) diagnostica (RM) diagnostica (PET, SPET) diagnostica (IR e visibile) terapia RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 22

23 SPETTRO ELETTROMAGNETICO : rivelazione λ(m) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO VISIBILE INFRA- -ROSSO emulsione fotografica (+ schermi) rivelatori di ionizzazione stato solido, NaI occhio umano sistemi CCD MICRO ONDE ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) induzione elm antenna RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 23