RADIAZIONI RADIAZIONI. elio giroletti. Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, dip. Fisica nucleare e teorica

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA dip. fisica nucleare e teorica via bassi 6, pavia, italy tel girolett@unipv.it - webgiro 1 elio giroletti RADIAZIONI raggi X, atomi e radioattività FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE elio giroletti, 2005 classe lauree di INFERMIERISTICA e OSTETRICIA corso integrato FISICA, STATISTICA e INFORMATICA disciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE RADIAZIONI raggi X, atomi e radioattività raggi X FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE elio giroletti, cenni storici - tubo a raggi x - assorbimento raggi x monocromatici - immagini radiografiche - radioscopia e radiografia lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti

2 I raggi X 2...se si tiene la mano tra l apparecchio di scarica e lo schermo si vedono le ossa della mano stessa... Comunicazione di Röntgen, R Questi raggi sono in grado di impressionare lastre fotografiche e di produrre ionizzazione in aria o altri gas. Sono diversamente assorbiti nel loro passaggio attraverso materiali a diverso numero atomico e densità. la scoperta di RöntgenR RAGGI X onde elettromagnetiche B B o λ Å ν E o E onda elettromagnetica Hz E 10 ev 200 kev produzione frenamento elettroni λ transizione atomica vel x

3 tubo di Coolidge: accelera particelle cariche 3 generatore, kv elettroni accelerati e frenati bruscamente, bremstralhung, in un tubo sottovuoto producono raggi X corrente di elettroni, ma tubo sotto vuoto i raggi X 10-3 energia si trasforma in raggi X J.Barò, OSSMA, Unv. Barcellona, 10/99 tubo a raggi X - x-ray tube elettroni accelerati e poi frenati bruscamente (bremstralhung) producono raggi X generatore,, kv ma, corrente elettroni solo ~10-3 energia si trasforma in raggi X figura: Johns, Cunningham, Phys of Radiolg, III ed. TUBO A RAGGI X schermo di tungsteno schermo filamento catodico anticatodo di tungsteno rame + involucro di vetro vetro sottile raggi X finestra di berillio alette di raffreddamento

4 Tubo ad anodo rotante rotating anode tube 4 Fonte: Johns, Cunningham, Phys of Radiolgy, III ed. Fonte: Uni Pd, Manuale radioprotezione, 2001 Spettro a raggi X X-ray spectra CL-INF/OST Fonte: Uni - FENOMENI Pd, Manuale ELETTRICI radioprotezione, Equilibrio elettrochimico 2001 SPETTRO DI EMISSIONE spettro di emissione complessivo I conteggi (x 10 9 ) Kα V tubo a raggi X = 84 kv Kβ 10 5 E (kev)

5 Tubo a raggi X 5 TRE PARAMETRI corrente, ma lineare con la dose alta tensione, kvp energia e durezza del fascio incrementa anche la dose tempo, s lineare con la dose RX presenti solo durante erogazione collimatore rivelatore assorbitore I x = µ I(x) raggi X I o I(x) I(x) = I o e µ x x µ = coefficiente di attenuazione lineare [µ] = [L] 1 ASSORBIMENTO RAGGI X (monocromatici) µ metallo > µ osso > µ muscolo > µ aria I(x) = I o e µ x immagine radiologica µ = µ(e, materiale) a parità di energia: µ metallo > µ osso > µ muscolo > µ aria Fonte: Johns, Cunningham, Phys of Radiolg, III ed.

6 tubo a raggi X struttura biologica RADIOGRAFIA fascio X incidente muscolo aria osso fascio X trasmesso 6 pellicola radiografica diaframmi schermo fluorescente immagine negativa sviluppo della pellicola radiografia digitale pellicola radiografica radioscopia fluoroscopy Image intensifier,, IB RX tube Fonte: NCRP tubo a raggi X struttura biologica RADIOSCOPIA osso muscolo fascio X incidente aria fascio X trasmesso diaframmi schermo fluorescente vetro al piombo immagine positiva schermo fluorescente osservazione visiva diretta impiego limitato (dosi maggiori) Osservatore: può stare lontano

7 sorgenti Rx fisse 7 CL-INF/OST - FENOMENI ELETTRICI Foto: cd-rom Equilibrio elettrochimico Reg.Piemonte, 2000 RADIAZIONI raggi atomi X, e e radioattività FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE elio giroletti, Struttura atomica - Struttura nucleare - Radioattività - Radiazioni ionizzanti - Radioattività naturale lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti struttura dell atomo 267 nuclidi stabili >2500 nuclidi radioattivi!!! radioattività naturale ed artificiale

8 8 Enciclopedia Rizzoli Larousse, cd-rom, 1998 STRUTTURA ATOMICA 92 elementi naturali atomi nucleo (protoni, neutroni) + elettroni dimensioni 10 8 cm = Å Z = numero atomico A = numero di massa A = Z + N N = numero di neutroni peso atomico : riferito all' isotopo 12 del carbonio ( 12 C) unità di misura S.I. unità di massa atomica (u.m.a.) = dalton grammo-atomo STRUTTURA ATOMICA carica elettrica dimensione massa vita media elettrone e < cm (*) 9, g stabile protone + e cm 1, g stabile neutrone cm 1, g 17 min (**) (*) limite superiore (**) neutrone libero massa elettrone ~1/2000 massa protone/neutrone!

9 nuclei forze protone-protone: F 4πε 1 c o FORZE NUCLEARI 1 (1, C) 2 (10 15 m) 2 Z protoni, A Z = N neutroni dimensioni m repulsione coulombiana 230 N 23 kg peso attrazione gravitazionale insufficiente: F G (1, kg) 2 (10 15 m) N = g kg peso 9 necessaria attrazione nucleare forte > 23 kg peso Nucleoni, A Neutroni, A-Z protoni = elettroni, Z Simbolo chimico, X Caratterizzazione del nuclide A Z X 219 Rn, 220 Rn, 222 Rn L isotopo di un dato elemento ha lo stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di neutroni nel nucleo e diverso numero di massa (A). Gli isotopi possono o meno essere radioattivi ISOTOPI E RADIOISOTOPI elementi: stesso Z diverso numero di neutroni (isotopi) elemento isotopi Z A N=A Z abbondanza relativa (%) carbonio C ,89 14 C ,11 C tracce ossigeno 16 O potassio piombo O O 39 K K K Pb 207 Pb 208 Pb Pb ,759 0,037 0,204 93,138 0,012 6,800 1,3 26,0 20,7 52,0 peso atomico 12,011 15, , ,19

10 RADIOATTIVITA' 10 isotopo : stesso Z (numero protoni) diverso N (numero neutroni) nuclei instabili decadimento radioattivo Z < 92 - isotopi stabili - isotopi instabili (nuclei radioattivi) Z > 92 - nuclei instabili (nuclei radioattivi) 1 emissione di radiazioni N 150 numero di neutroni U N = Z Pb nuclei stabili 60 nuclei instabili N = A Z emissione di radiazioni 30 RADIOATTIVITÀ Fe numero di protoni o Z A = 50 A = 20 A = 150 A = 100 A = 200 dn decadimento radioattivo n = λ n t dn = λ n dt dn n = λ dt n( t) = n( t 0 ) e λ( t t ) tempo, t λ è costante e caratteristica di ogni radionuclide

11 n(t) n o 0,50 no 0,37 n o legge del decadimento radioattivo no 2 no e n λ ( t t0 ) n( t0) ( t) = n( t0) e = λ ( t t0 ) e 11 o T 1/2 τ ln(2) 1 λ = = T τ 1/ 2 tempo, t τ= vita media T 1/2 =tempo dimezzamento λ = costante di decadimento decadimento radioattivo n(t) n n t e λ( t t0 ) ( 0) ( t) = n( t0) e = λ( t t0 ) λ 3 > λ 2 > λ 1 1 T 3 < T 2 < T tempo, t λ=cost. decadimento è caratteristica di ogni nuclide decadimento radioattivo e attività Att( t) = λ n( t) = λ n( t ) e attività, Att: : indica la velocità di decadimento di un materiale radioattivo, cioè il numero di atomi che decadono al secondo bequerel (Bq): unità di misura della attività, corrisponde ad una trasformazione nucleare al secondo 3, bequerel (Bq) = 1 curie (Ci) tempo dimezzamento, T 1/2 (s): tempo necessario affinché l attività si dimezzi vita media, τ (s): tempo medio Att( t) Att( t) n t) = = di sopravvivenza del nuclide λ ln(2) 0 λ( t t ) 0 T 2 ( 1/

12 da Pedroli, Milano,, decadimento radioattivo Considerazioni tasso di decadimento è costante indipendente dalla storia dei nuclei andamento esponenziale si azzera all infinito la vita media corrisponde a 1/e si dimezza in un tempo costante decadimento radioattivo

13 RADIAZIONI IONIZZANTI 13 radiazioni ionizzanti: E > 12 ev (<100 nm) (ionizzazione nella materia attraversata) radiazioni elettromagnetiche E = h ν fotoni X e fotoni γ radiazioni corpuscolari (m 0) E = T = 1 alfa (nucleo 4 2 m v2 He) beta (elettroni e, positroni e + ) protoni neutroni ioni (nuclei) cessione di energia alla assorbimento struttura atomica e molecolare del materiale attraversato Interazione radiazione/materia Eccitazioni atomiche molecolari Ionizzazioni ionizzano la materia: >12 ev <100 nm Le sorgenti di radiazioni ionizzanti naturali prodotti di consumo fallout di bombe atomiche energia nucleare attività industriali medicina: diagnosi e terapia ricerca

14 14 radiazioni naturali Fonte Dose efficace, HE (msv/anno) O Origine Italiana ( ) Mondiale ( ) Radiazione cosmica 0,30 0,39 Radionuclidi nel corpo umano, es. K40 0,23 0,23 Raggi gamma terrestri (in e outdoors) 0,60 0,46 Radon e prodotti di decadimento (*) 2,0 1,3 Totale medio annuale 3,13 2,4 Fonte: ( ) Campos Venuti G, Permattei S, Radon idoors: stato ed evoluzione della normativa, Rapporti ITISAN 98/3, CL-INF/OST convegno ARIA - FENOMENI 96, Roma; ELETTRICI ( ) UNSCEAR Equilibrio 93; elettrochimico (*) il valore italiano è sottostimato per il Rn220, toron, che è significativo radon nei luoghi chiusi i figli del radon sono radioattivi e dispersi in aria si depositano nei polmoni w R =20 w T =0,12 (0, Sv - 1 ) tumore ai polmoni (A) Fessure nel pavimento di cemento; (B) Intercapedine nelle pareti o mattoni delle pareti, se poggiano sopra i blocchi fondazioni; (C) Fori e fessure nei blocchi di cemento; (D) Giunture fra pareti e pavimenti; (E) Suolo esposto, come in un pozzetto; (F) Tubi raccolta di acqua, se convogliati in pozzo aperto; (G) Giunture tra blocchi; (H) Spazi attorno ai tubi di servizio; (I) Aperture sul top dei blocchi delle pareti; (J) Rn Materiali da costruzione, quali graniti, ecc. (K) Acqua (da pozzi locali o piccole comunità). radon: come penetra Rn 5 C Rn 20 C Rn Rn Rn Rn 10 C Rn Rn Rn Fonte: EPA 88 Rn Rn

15 15 si svegliano escono di casa rientrano si coricano mese per mese ora per ora RADON VARIAZIONI giorno per giorno Protim Serv. Lmtd, 1989 RADIAZIONI raggi diagnostica X, atomi per e radioattività immagini FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE elio giroletti, radiodiagnostica con mezzo di contrasto - angiografia - PET, SPECT - risonanza magnetica nucleare - il futuro della diagnostica per immagini - considerazioni diagnostica per immagini AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997

16 RADIOGRAFIA CON MEZZO DI CONTRASTO 16 si somministra al paziente del liquido opaco ai raggi X che riempie l organo da visualizzare AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997 ANGIOGRAFIA AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997 ANGIOGRAFIA con SOTTRAZIONE IMMAGINE L'angiografia a sottrazione digitale (DSA) è ottenuta sottraendo elettronicamente una radiografia senza mezzo di contrasto da radiografie eseguite dopo iniezione del mezzo: si evidenziano così solo le arterie. Visualizza i vasi cerebrali extra/intracraniali e i processi arteriosclerotici. È utile per restringimenti (stenosi) multipli e per preparare un intervento di chirurgia vascolare. Rischio di complicanze (disfunzione neurologica transitoria o permanente in 1-2% 1 dei casi), perché il mezzo di contrasto iniettato direttamente può causare spasmi vascolari, embolie o reazioni allergiche. Immagine DSA di un processo arteriosclerotico a livello della biforcazione dell'arteria carotide comune. AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997

17 17 TAC tomografia assiale computerizzata AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997 Fonte: cd-rom Regione Piemonte 2000 TAC tomografia assiale computerizzata La tomografia assiale computerizzata (TAC) nel 70 ha rivoluzio- nato la neurologia clinica in quanto ha permesso di visualizzare con buona risoluzione le strutture nervose del cranio e della co- lonna. Le dosi impartite possono essere significative. È indicata in situazioni di emergenza (traumi cranici, diagnosi di emorragie, ischemie o tumori, diagnosi nei casi di coma per causa scono-sciuta). sciuta). In tali situazioni (in particolare per la visualizzazione di emorragie cerebrali) hanno vantaggi rispetto alla RM. Con o senza mezzo di contrasto, visualizza i processi infiammatori e i tessuti molto vascolarizzati, come ad es. nel caso c di tumori. AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997 TAC tomografia assiale a spirale Uno sviluppo recente è costituito dalla TAC a spirale, che permet- te tempi di esame ancora più ridotti, una risoluzione migliore e, con l'uso di un mezzo di contrasto, anche la visualizzazione dei vasi sanguigni del collo e intracerebrali (angiografia TAC, TAC a perfusione). Apparecch.. TAC sempre più sofisticate promettono (assieme all'angiografia a risonanza) di essere notevolmente più rapide e meno invasive rispetto all'angiografia a sottrazione digitale, che è oggi l'esame più comune per definire i processi arteriosclerotici. Sono utili soprattutto per la rapida e completa diagnosi di ictus cerebrale. AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997

18 marcature radioattive imaging molecolare 18 1) Target bersaglio biomarcher (virus, anticorpo, anticorpo, ecc.) ecc.) 2) Ricerca del legante che si lega al bersaglio 3) Sul legante si posiziona l agente emissivo: emissivo: PET, SPECT, RMN DIAGNOSTICA NUCLEARE MEDICINA NUCLEARE Fonte: cd-rom Regione Piemonte 2000 si iniettano molecole specifiche, specifiche, con legato un atomo radioattivo, radioattivo, e che si concentrano negli organi di interesse da cui irraggiano

19 produrre radiofarmaci 19 ciclotrone DOSI e MEDICINA NUCLEARE tipo esame Ossa Cervello Cardiov. età, a > > > 20 MBq (UNSCEAR Report, 1993) Eq. dose eff, msv 9,5 5,7 6,3 11,1 7,6 8, ,1 17,5 9,8 positron emission tomography,, PET CL-INF/OST AAVV, Enciclopedia - FENOMENI ELETTRICI del corpo umano, Equilibrio elettrochimico cd-rom, 1997

20 positron emission tomography,, PET 20 La tomografia ad emissione di positroni (PET) usa composti radioattivi che emettono positroni. Visualizza la regione che accumula la sonda molecolare ('tracer tracer') impiegata; ad es. con il glucosio radioattivo, si visualizzano regioni cerebrali che hanno o un metabolismo particolarmente attivo in un determinato momento (fisiologicamente durante l'esecuzione di un particolare compito,, o patologicamente nel caso di focolai epilettici o tumori) o rileva a una perdita di attività legata ad es. a processi neurodegenerativi come la malattia di Alzheimer.. Per l'attività cerebrale, la PET viene sempre più sostituita dalla RMN funzionale, che ha un potere risolutivo temporo-spaziale migliore e non richiede radioattività. CL-INF/OST AAVV, Enciclopedia - FENOMENI ELETTRICI del corpo umano, Equilibrio elettrochimico cd-rom, 1997 CL-INF/OST AAVV, Enciclopedia - FENOMENI ELETTRICI del corpo umano, Equilibrio elettrochimico cd-rom, 1997 single photon emission tomography,, SPECT La SPECT (tomografia computerizzata a emissione di fotoni singoli) è una tecnologia simile alla PET ma più semplice, che usa composti radioattivi che emettono direttamente radiazioni gamma. Può essere impiegata per visualizzare una riduzione dell'attività cerebrale causata da malattie neurodegenerative e per confermare la loro diagnosi. Può anche aiutare a evidenziare processi di neurodegenerazione focali come le demenze fronto- temporali.. Non è richiesta comunque nella diagnosi di routine, perché nella maggior parte dei casi (malattia di Alzheimer e demenze cerebrovascolari) ) non aumenta la precisione diagnostica. DIAGNOSTICA PER IMMAGINI CT RMN PET ECO At/cell. (*) Risol. 0,5 mm 0,5-1 mm 3-5 mm 2 mm ottima per definire le dimensioni buona per la morfologia localizza la malattia o il tumore definisce dimenzioni Osservazioni Anatomico Fisiologico Molecolare Anatomico Struttura Mecca- nismi Bersaglio Struttura (*) numero di atomi/cellula necessari per visualizzare la patologia

21 predizione diagnosi DIAGNOSI TUMORI Attuale storia del paziente strutture anatomiche Futuro predisposizione genica molecolare 21 1/3 della popolazione umana presenta aberrazioni cromosomiche formazione 1g tess. morte evoluzione del tumore diagnosi futura diagnosi attuale numero di cellule altre indagini per immagine Angioscopia: introduzione di fibra ottica nelle arterie mediante un catetere Termografia: misura della temperatura del tessuto a maggior Ecografia: analisi di strutture mediante ultrasuoni Spettroscopia all infrarosso infrarosso: mediante catetere viene introdotta una sonda agli infrarossi Tomografia a coerenza ottica: mediante catetere viene introdotto un laser, con la luce riflessa si costruisce l immagine AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997 RADIOTERAPIA FASCIO ESTERNO

22 nuove frontiere della RADIOTERAPIA 22 RADIAZIONI raggi X, atomi e radioattività FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE elio giroletti, 2005 dispense su internet webgiro elio giroletti. Università degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teorica girolett@unipv.it