Radiazioni ionizzanti

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1 Radiazioni ionizzanti Flavio Marchetto Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Torino 21 Aprile 2010 flavio marchetto 1

2 Argomenti Introduzione alle radiazioni ionizzanti. Effetto biologico. Sorgenti di radiazioni ionizzanti: naturali e artificiali. Utilizzo diagnostico e terapeutico. Misura delle radiazioni ionizzanti.

3 Che cosa sono le radiazioni ionizzanti? Onde elettromagnetiche così come la luce visibile, ultravioletti, alta frequenza alta energia radiazioni ionizzanti 10 ev bassa frequenza bassa energia E = h ν ~ 4.15 x ev s frequenza

4 Che cosa sono le radiazioni ionizzanti (continua)? Caratterizzano una grande famiglia che comprende onde (massa nulla) e particelle (massive) Onde: Radio (100 MHz, λ~3 m) 10-7 ev Telefonini (1.8 GHz, λ~15 cm ) 10-5 ev Forni a micro-onde (2.45 GHz) 10-5 ev Stufa a irraggiamento (infrarossi) (λ ~10 µm) 0.1 ev Luce visibile (blu: ν ~ s -1 e λ = 450 nm) 3 ev Ultra-violetti 5 ev Raggi X 20 ev 10 4 ev Raggi γ > 10 4 ev elettroni protoni, etc radiazioni non ionizzanti ionizzanti

5 Che cosa sono le radiazioni ionizzanti? (continua) raggi X e γ: stessa forma di trasporto energia contraddistinte soltanto dall energia coinvolta X = basse energie (20 ev 10 kev) γ = alte energie (> 10 kev) anche altri tipi di particelle sono importanti e sono da comprendere in una trattazione delle radiazioni ionizzanti elettrone (e) protone (p) muone (µ)

6 In Fisica medica sono largamente impiegate sia per: Diagnostica: radiografia, TAC (tomografia assiale computerizzata), PET Trattamenti radioterapeutici

7 Le radiazioni NON ionizzanti sono invece caratterizzate da bassa frequenza e di conseguenza bassa energia telefonino ~ 1.8 GHz forno a micronde ~2.45 GHz

8 Ritorniamo alle radiazioni ionizzanti e in particolare cerchiamo di capire quale sia il loro impatto sulla vita animale 1. Raggi X e raggi γ (ma anche p, µ, e) penetrano nella materia e 2. perdono energia nell attraversare la materia che 3. cedono alla materia attraversata qual e il meccanismo con cui cedono energia?

9 Schematizzazione dell atomo: nucleo costituito da protoni e neutroni circondato da una nuvola elettronica

10 Meccanismo della ionizzazione elettrone proiettile ione positivo il proiettile urta uno degli elettroni dell atomo cedendogli parte della sua energia l elettrone urtato e staccato dall atomo lo stato finale consiste del proiettile deviato, l elettrone liberato e dell atomo che e ora uno ione

11 Effetti biologici della radiazione Attraverso la ionizzazione ed eccitazione delle molecole del tessuto si provoca un danno cellulare: danno diretto al DNA per rottura dei legami molecolari danno indiretto con la ionizzazione delle molecole di H 2 O (65% del peso corporeo) e produzione di radicali liberi H+ e OH- molto reattivi che attaccano la cellula

12 prima dopo radiazione rottura della doppia elica e conseguente morte della cellula

13 Sommario Se la radiazione incidente ha abbastanza energia, nell attraversare la materia urta elettroni atomici e conseguentemente ionizza gli atomi urtati Se la materia attraversata è una cellula allora il DNA può essere danneggiato ( doppia elica rotta) Nella gran parte dei casi il DNA si autoripara oppure la cellula muore oppure (caso più pericoloso) avviene una mutazione Conclusione: controllare, limitare e, in ultima analisi, saper misurare la quantità di radiazione che incide sul nostro corpo è di grande importanza

14 1. naturale: raggi cosmici, emissioni terrestri (rocce ) e emissioni del cemento (casa) 2. artificiale : dovuta alle attivita umane essenzialmente legate alla medicina

15 Oltre alla radioattivita' naturale, si e' soggetti alla radiazione dovuta alle 'attivita' umane': radiografie; TAC, PET; trattamenti radioterapeutici; emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia).

16 Unità di misura Per la misura della quantità di radiazione che attraversa un corpo si introduce la dose = energia E (rilasciata dalla radiazione nell corpo di massa M) divisa per M GIUSTIFICAZIONE INTUITIVA DELLA DEFINIZIONE Una singola ionizzazione richiede un energia media (33 ev) -> misurare l energia rilasciata in un oggetto di massa M fornisce indirettamente il numero di ionizzazioni D = E M Unità di dose: 1 Gray (Gy) = 1 Joule/kg Dose equivalente ( per danno biologico) = Q D

17 Dose equivalente ( per danno biologico) = Q D ove Q dipende dal tipo di radiazione Q = 1 per fotoni, elettroni, muoni Q = 20 per neutroni lenti etc Unità di dose equivalente = Sievert (Sv) Per fotoni, elettroni -> 1 Sv = 1 Gy

18 Dose totale annuale 2.2 msv 87% naturale 13% artificiale

19 Contributi delle diverse sorgenti di radiazioni ionizzanti In media: 2.2 msv/anno con variazione da 0.4 a 4 msv/anno (con punte a 50 msv/anno) a seconda delle aree Italia : 0.5 (Ao) 2.1 (Na) msv/anno Naturale (87%) Artificiale (13%) Raggi cosmici: 0.30 msv/anno Terrestre: 0.40 msv/anno Interno(cibo): 0.38 msv/anno Radon : 0.80 msv/anno Esami medici: 0.28 msv/anno Rilascio Centrali Nucleari: 0.03 msv/anno gas emesso da muri, pavimenti

20 Alcuni cenni di diagnostica con radiazioni ionizzanti Radiografia (raggi X) Tomografia assiale computerizzata (TAC) Positron emission tomography (PET)

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22 Radiografia Radiografia al torace: Dose equivalente = msv (equivalente a circa 2 mesi di radioattivita' naturale.)

23 Tomografia assiale computerizzata (TAC) Ricostruzione tridimensionale della densità elettronica, dalla quale si ricostruiscono gli organi anatomici TAC: Dose equivalente 10 msv (equivalente a circa 5-10 anni di radioattivita' naturale.)

24 Tomografia ad emissione di positroni (PET) 18 F-FDG e+ e+ γ e- γ Mappa tridimensionale dei processi funzionali degli organi anatomici Si introduce un radioisotopo ( 18 F) in uno zucchero (FDG) che viene messo in circolo nel sangue. Dose tipica: 7 msv

25 PET a riposo

26 PET durante l ascolto di musica

27 CT-PET eseguito contemporaneamente: lesione polmonare prima dell associazione di ambedue le immagini dopo l associazione delle immagini

28 Ricapitolando: La radiazione ionizzante di natura artificiale e prevalentemente da associarsi a attivita mediche Diagnostica Radiografie TAC PET Trattamenti radioterapeutici

29 Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico trattamento per i tumori: tutte le cellule del bersaglio sono distrutte dose somministrate da 50 Sv in su

30 Terapia dei tumori con radiazioni 100 %dei pazienti Trattamento disponibile 45 % 90 % 10 % Trattamenti locali (chirurgia,radioterapia) 40 % 56 % 44 % Trattamento non disponibile 55 % Trattamenti globali (chemioterapia, etc) 5 % Soltanto Chirurgia 22 % Con radioterapia 18 % 40 % del totale

31 Come appare. Acceleratore = produce raggi X collimatore La testata inoltre puo essere fatta ruotare attorno al paziente

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33 collimatore costituito da (50+50) lamelle che vengono retratte per lasciare un buco con forma uguale al tumore

34 Per riassumere: La strumentazione si puo schematizzare come segue: misuratore quantita radiazione paziente tumore generatore di elettroni lamina di Tungsteno in elettroni collimatore out fotoni

35 Esempio di collimatore lamellare

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37 Radioprotezione Nel 1925 e nel 1928 vennero create due istituzioni scientifiche: ICRU (International Commission on Radiation Units), il cui compito e quello di aggiornare le unita di misura della radiazione, stabilire standard di misura, catalogare e rendere disponibili i dati sperimentali ICRP (International Commission on Radiological Protection) il cui compito e quello di formulare i principi generali a cui ci si deve ispirare per la protezione delle persone dalla radiazione e fornire raccomandazioni che verranno recepite dalle normative nazionali. Nasceva la radioprotezione, disciplina preposta alla protezione degli individui esposti, della loro progenie e del genere umano dai danni che potrebbero derivare dallo svolgimento delle attivita a rischio da radiazioni ionizzanti

38 Dopo aver definito la radiazione ionizzante e compreso il meccanismo di impatto con il nostro corpo le sorgenti di radiazione l uso in diagnostica e radioterapia Affrontiamo il problema della misura in particolare della misura della dose rilasciata da una radiazione

39 Misura della dose Perche e importante misurare la dose? Fornisce una indicazione diretta sulla pericolosita della radiazione Ricordiamo che la dose dovuta alla radioattivita ambientale integrata su un anno va da 0.4 a 4 msv a seconda della localita Quindi valori che sono in quell intervallo non possono essere pericolosi (il nostro corpo ne e abituato )

40 Dose equivalente = Q x Dose [Sv] = Q x [Gy] Q = 1 per radiazioni dovute a fotoni (la piu parte della radiazione) elettroni protoni Quindi in prima approssimazione si ha che numericamente Dose equivalente = Dose Dose = Energia rilasciata / Massa 1 Gy = 1 Joule / 1 kg

41 Quindi occorre determinare l energia E rilasciata in un corpo di massa M nel tempo T La misura di M e T non presenta problemi quindi ci si puo concentrare sulla misura di E Misura dell energia E rilasciata nel corpo di massa M Rivelatori molteplici soluzioni e possibilita Rivelatori Geiger Scintillatori inorganici

42 Rivelatori Geiger Fanno parte della famiglia dei rivelatori a gas Schema di principio

43 oppure elettroni prodotti dalla ionizzazione vanno verso l anodo (polo positivo), ioni positivi vanno verso il catodo (polo negativo) V+ t segnale V-

44 t V+ elettroni prodotti dalla ionizzazione vanno al polo positivo e generano un impulso che viene contato

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46 Riassumendo: Per misurare la massa del gas (aria) contenuto nel contatore Geiger occorre misurare il volume V e conoscendo la densita dell aria d: M = V*d Il numero di conteggi N C in un dato tempo Τ fornisce il numero di particelle ionizzanti che hanno attraversato il contatore Se in media una singola particella rilascia un energia E immediatamente si avra : D = N C * E / M La derivazione di E e sostanzialmente l operazione che e detta calibrazione dello strumento e viene fatta una volta per tutte: D = N C * K

47 Misura radioattivita ambientale con contatore Geiger: RAYdetector 2020 D = N C * K dalla calibrazione conteggi => 7.3 µsv 10 conteggi/minuto = 0.44 msv/anno

48 Scintillatori inorganici Ce ne sono di parecchi tipi e i piu comuni sono: NaI (ioduro di sodio), BGO, PbWO 4 Sono gli stessi tipi di materiale usati nelle macchine per le TAC e PET

49 Riassunto 1. Definito le radiazioni ionizzanti 2. Individuato le principali sorgenti: naturali e artificiali 3. Illustrato il meccanismo di danneggiamento biologico 4. Cenni sugli impieghi delle radiazioni ionizzanti in diagnostica e per trattamenti terapeutici 5. Misura delle radiazioni