Interazione Radiazione Materia

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Fabia Riccardi
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1 Interazione Radiazione Materia Master: Verifiche di Qualità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radioterapia Lezioni 3-4 Dr. Rocco Romano (Dottore di Ricerca) Facoltà di Farmacia, Università degli Studi di Salerno Via Ponte Don Melillo, Fisciano rocco.romano@na.infn.it, rromano@unisa.it

2 Qualità del Fascio La qualità del fascio è una misura della penetrabilità, cioè della capacità del fascio di attraversare i tessuti La qualità è definita numericamente dal HVL (Half-Value Layer), che dipende dai kvp e dalla filtrazione I mas e la distanza non cambiano la qualità del fascio, ma solo la quantità

3 Half-Value Layer 1/3 L attenuazione è la riduzione di intensità del fascio dovuta ad assorbimento e scattering La qualità del fascio è misurata dal HVL (normalmente da 3 a 5 mm Al) L HVL è lo spessore di materiale assorbente necessario a ridurre l intensità del fascio a metà del suo valore originale

4 Half-Value Layer 1/3 Disposizione per la determinazione del HVL Tipico esempio di grafico Intensità- Spessore 70 kvp con distanza 100cm tra target e rivelatore

5 Esempio Con EXCEL Utilizzeremo la funzione REGR.LOG di excel Questa funzione calcola una curva esponenziale che si adatta ai dati L equazione della curva calcolata è: y = b m x

6 Valori e Grafico Spessore Alluminio Intensità Misurata

7 PROCEDURA Si inseriscono i dati, ad esempio, nelle colonne A e B In una cella si inserisce la funzione REGR.LOG(y_nota; x_nota; cost; stat) dove: y_nota rappresenta i valori di intensità x_nota i valori dei spessori cost è una costante logica VERO o FALSO (VERO calcola la costante b; FALSO pone b=1) stat è una costante logica VERO o FALSO (VERO calcola gli errori statistici su i vari parametri)

8 PROCEDURA Spessore Alluminio y Intensità Misurata Formula = b m x Inserita la funzione, per ottenere tutti i risultati, occorre selezionare la matrice dei risultati a partire dalla cella formula, digitare F2 e quindi la combinazione di tasti Ctrl+Shift+Enter b = ; m = Valori Misurati Valori Stimati 0

9 Valore del HVL Dalla relazione y = bm x passando ai ln si ha: ln y = ln( b m x ) = ln b+ xln m da cui x y ln( ) ln y ln b = = b ln m ln m E nel nostro caso: y 59 ln( ) ln( ) HVL = b = = 2.36 ln m ln 0.76

10 Errore della Stima Propagando gli errori statistici: b m x= + x ln m b m Nel nostro caso: x = = 0.11 ln Il risultato è: 2.36 ± 0.11, meglio 2.4 ± 0.1

11 Precisazione sul Modello L attenuazione di un fascio è un fenomeno esponenziale tipicamente rappresentabile mediante una funzione del tipo: y = b e µ x Dove µ è una costante detta coefficiente di assorbimento. Essendo µ costante avremo: ( ) x x x y = b e µ = b e µ = b m Ε quindi µ m= e µ = ln( m)

12 Interazioni con la Materia I raggi X hanno una lunghezza d onda di m I raggi X di minore energia tendono ad interagire con l intero atomo (diametro di m) Quelli di energia intermedia interagiscono con gli elettroni Quelli di grande energia con i nuclei 5 interazioni di particolare rilievo: scattering elastico, effetto Compton,, effetto fotoelettrico, produzione di coppie e fotodisintegrazione

13 Scattering Elastico Energia inferiore a 10 kev Il fotone X cambia direzione, ma non energia Lo scattering elastico non è di interesse diagnostico A 70 kvp la piccola percentuale di fotoni scatterati contribuisce al velo

14 Effetto Compton 1/2 L effetto Compton si ha per energie intermedie Interazione con elettroni delle shell più esterne Il risultato è un elettrone ed un raggio X di minore energia e maggiore lunghezza d onda Il bilancio energetico è: E i = E s + (E( l + E ke )

15 Effetto Compton 1/2 La probabilità di effetto Compton va come 1/E Non dipende dal numero atomico del mezzo assorbente Riduce il contrasto

16 Effetto Fotoelettrico 1/4 Un fotone X viene completamente assorbito e viene emesso un elettrone (E i = E l + E ke ) Probabilità dell effetto fotoelettrico 1/E 3 e da Z 3

17 Effetto Fotoelettrico 2/4

18 Effetto Fotoelettrico 3/4 Tipo di Sostanza Numero Atomico Eff. Tessuto Umano Grasso 6.3 Tessuto molle 7.4 Polmoni 7.4 Ossa 13.8 Mezzi di Contrasto aria 7.6 Iodio 53 Bario 56 Altro Molibdeno 42 Tungsteno 74 Piombo 82

19 Effetto Fotoelettrico 4/4 Elemento Numero Atomico Energia di legame della shell K (KeV( KeV) Idrogeno Carbonio Azoto Ossigeno Alluminio Calcio Molibdeno Rodio Iodio Bario Tungsteno Piombo 82 88

20 Produzione di Coppie Energia necessaria 1.02 MeV al di fuori del range di energia della diagnostica radiologica

21 Fotodisintegrazione E > 10 MeV,, assorbimento da parte del nucleo con emissione di un frammento di nucleo Non interessa la diagnostica radiologica

22 Assorbimento Differenziale 1/3 Ai fini diagnostici solo lo scattering Compton, l effetto fotoelettrico e la trasmissione sono rilevanti I raggi assorbiti per effetto fotoelettrico rappresentano strutture anatomiche con caratteristiche di grande assorbimento

Assorbimento Differenziale 2/3 L Effetto Compton si traduce in velature e noise, perché il sistema interpreta i raggi come provenienti sempre

23 Assorbimento Differenziale 2/3 L Effetto Compton si traduce in velature e noise, perché il sistema interpreta i raggi come provenienti sempre in linea retta L immagine deriva dalla differenza dai raggi assorbiti per effetto fotoelettrico e quelli trasmessi: aasorbimento differenziale

24 Assorbimento Differenziale 3/3 Solo l 1% dei raggi incidenti sul paziente arriva al recettore di immagini e solo lo 0.5% interagisce per formare l immagine L assorbimento differenziale migliora al diminuire dei kvp Tuttavia bassi kvp hanno come conseguenza una maggiore dose al paziente: la ricerca del giusto compromesso è l obiettivo della garanzia della qualità

25 Dipendenza dal Numero Atomico 1/2 L immagine è dovuta al fatto che l effetto fotoelettrico ha una probabilità che va come Z 3 Z o = 13.8, Z m = 7.4 Da cui la probabilità relativa di assorbimento 3 è 13.8 =

26 Dipendenza dal Numero Atomico 2/2 Per kvp < 20 kev prevale l effetto fotoelettrico per i tessuti molli Per kvp < 40 KeV per i tessuti ossei Alti KVp ed uso di griglie per eliminare i fotoni Compton

27 Dipendenza dalla Densità 1/2 Sostanza Densità (kg/m 3 ) Polmone 300 Grasso 910 Muscolo 1000 Ossa 1850 Aria 1.3 Bario 3500 Iodio 4930 Calcio 1550 Molibdeno Piombo Tungsteno 19300

28 Dipendenza dalla Densità 2/2

Assorbimento, Scattering ed Attenuazione Assorbimento: il fotone è completamente eliminato dal fascio: effetto fotoelettrico, produzione di coppie e fotodisintegrazione

29 Assorbimento, Scattering ed Attenuazione Assorbimento: il fotone è completamente eliminato dal fascio: effetto fotoelettrico, produzione di coppie e fotodisintegrazione Scattering: il fotone è deviato dal percorso rettilineo del fascio: effetto Compton,, scattering elastico Attenuazione: la riduzione del fascio primario per assorbimento e scattering

30 Radiazione di Uscita Sono i raggi X che escono dal paziente ed interagiscono con il recettore di immagini Il recettore di immagini ha il compito di convertire il fascio di raggi X in un immagine visibile Il recettore di immagini più comune sono le lastre fotografiche

31 Struttura di una Lastra Le lastre sono composte dalla base e dall emulsione Se l emulsione è da tutti e due i lati si parla di lastre a doppia emulsione Tra l emulsione e la base si ha lo strato adesivo Il tutto racchiuso da uno strato di gelatina L emulsione contiene l informazione diagnostica

32 Struttura di una Lastra: la Base La base è spessa tra i 150 e 300 µm, semi-rigida, lucente e fatta poliestere Deve avere stabilità dimensionale Con lucentezza uniforme e trasparente alla luce Spesso sono aggiunti dei coloranti in modo da renderla bluastra

33 Struttura di una Lastra: l Emulsione Composta da un misto di gelatina e cristalli di alogenuro di argento Da 3 a 5 µm m di spessore Il 98% è bromuro di argento, il rimanente è ioduro di argento Z Br = 35, Z Ag = 47, Z I = 53, mentre la base e la gelatina hanno Z=7

Struttura di una Lastra: l Emulsione La formazione dei cristalli avviene mediante I cristalli di argento (Ag( Ag) ) sono disciolti in acido nitrico (HNO 3 ) per formare il nitrato d

34 Struttura di una Lastra: l Emulsione La formazione dei cristalli avviene mediante I cristalli di argento (Ag( Ag) ) sono disciolti in acido nitrico (HNO 3 ) per formare il nitrato d arento (AgNO 3 ). Il bromuro di argento, sensibile alla luce, è ottenuto dalla reazione AgNO3+ KBr AgBr + KNO3 Delle impurità di solfuro di argento sono aggiunte come centri sensibili

bromuro e lo ioduro sono ioni negativi che si collocano ai lati dell argento

35 Processo di Formazione dell immagine Teoria di Gurney-Mott Alla formazione di un alogenuro di argento, ogni atomo di argento rilascia un elettrone Il bromuro e lo ioduro sono ioni negativi che si collocano ai lati dell argento interstiziale I difetti di Frankel consistono di ioni o vacanze di argento interstiziale

Processo di Formazione dell immagine Da 4 a 10 atomi di argento possono formarsi in un punto sensibile: questi gruppi costituiscono l immagine latente I raggi X libeano foto elettroni secondo la

36 Processo di Formazione dell immagine Da 4 a 10 atomi di argento possono formarsi in un punto sensibile: questi gruppi costituiscono l immagine latente I raggi X libeano foto elettroni secondo la relazione Br - + fotone -> Br + e - L effetto è lo stesso sia che l interazione avvenga direttamente con fotoni X o con fotoni di luce provenienti dall intensificatore I foto elettroni migrano fino a che sono intrappolati nei centri sensibili I centri sensibili attirano gli ioni d argento che si ricombinano secondo la relazione e - + Ag + -> Ag Gli ioni Br e I sono neutralizzati e non essendo più legati possono migrare e fuoriuscire nella gelatina

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