Grandezze dosimetriche specifiche per pratiche radiologiche interventistiche

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1 Grandezze dosimetriche specifiche per pratiche radiologiche interventistiche D. LGS. 187/2000: CORSO DI FORMAZIONE OBBLIGATORIA IN MATERIA DI RADIOPROTEZIONE DEL PAZIENTE (Area Attività radiologiche complementari ALTE DOSI ) Liviana Pozzi Servizio di Fisica Sanitaria Ospedale di Circolo e Fondazione Macchi, Varese

2 Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sull organismo Il passaggio di radiazioni ionizzanti attraverso cellule viventi può dare origine a una complessa catena di eventi: in ciascuna cellula sono presenti molecole molto diverse, alcune più semplici (acqua), altre molto complesse (DNA). In particolare l interazione tra radiazioni ionizzanti e tessuti ha come primo effetto nel tessuto la produzione di molecole d acqua ionizzate ; questa fase dura frazioni di secondo ma determina modificazioni fisicochimiche che sono alla base degli effetti biologici prodotti: danno indotto a livello del DNA cellulare.

3 Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sull organismo Pubblicazione 103 dell ICRP (55) La maggior parte degli effetti negativi sulla salute, conseguenti alle esposizioni alle radiazioni, può essere raggruppata in due categorie generali: effetti deterministici (reazioni tissutali avverse) dovuti in gran parte alla morte o a disfunzioni delle cellule, conseguenti a esposizione a dosi elevate; effetti stocastici come, per esempio, neoplasie ed effetti ereditari che possono comportare lo sviluppo di un tumore negli individui esposti, a causa della mutazione di cellule somatiche, o malattie ereditarie nella loro progenie, a seguito di mutazione di cellule riproduttive (germinali).

4 Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sull organismo EFFETTI DETERMINISTICI Sono prevedibili: presentano un valore soglia di dose al di sopra del quale colpiscono tutti o quasi tutti gli irradiati mostrano un aggravio dei sintomi con l'aumentare della dose EFFETTI STOCASTICI sono di tipo probabilistico, ossia la loro frequenza di comparsa è funzione della dose non hanno gradualità di manifestazioni con la dose assorbita

5 Scopo di questa presentazione è mostrare le principali grandezze dosimetriche usate per descrivere le caratteristiche del campo radiante, in particolare nell ambito di pratiche radiologiche interventistiche. Tali grandezze sono correlabili in maniera più o meno diretta al rischio di comparsa di effetti biologici sull organismo del paziente. In generale si possono considerare 4 tipi di radiazione (particelle) fondamentali: Particelle cariche: particelle pesanti (ad es. protoni e particelle α) elettroni Particelle neutre: neutroni fotoni (raggi X, raggi γ)

6 Come interagiscono i raggi X con la materia? I fotoni (raggi X) sono radiazioni indirettamente ionizzanti perché lungo il loro percorso nel tessuto cedono energia alle particelle secondarie (elettroni) che a loro volta producono un elevato numero di coppie di ioni lungo il loro percorso ( ionizzazione ). Da cosa dipendono gli effetti biologici prodotti? Quantità di energia assorbita nel tessuto Distribuzione spaziale di ionizzazioni ed eccitazioni Dal tipo di radiazione incidente Dal tipo di tessuto irradiato Dalla durata dell esposizione

7 Durante le procedure mediche di imaging che utilizzano i raggi X, non è normalmente possibile misurare direttamente le dosi assorbite negli organi o nei tessuti del paziente sottoposto al trattamento diagnostico o interventistico. Pertanto, come guida per la valutazione della dose al paziente, vengono utilizzate delle grandezze misurabili che caratterizzano il campo di radiazione esterno. Grandezze dosimetriche fondamentali: esposizione dose assorbita kerma

8 Grandezze dosimetriche fondamentali: ESPOSIZIONE: é la grandezza che esprime la capacità di ionizzare le molecole d aria da parte della radiazione incidente: rappresenta la misura della carica elettrica prodotta (correlata al numero di ioni prodotti) per unità di massa d aria. La sua unità di misura è il C/kg. L unità di misura storica è il Roentgen (R): 1 R = 2, C/kg

9 Grandezze dosimetriche fondamentali: DOSE ASSORBITA: é la grandezza che rappresenta la quantità di energia assorbita dal tessuto in seguito all interazione con la radiazione incidente. La sua unità di misura è il Gray (1Gy = 1 J/kg): descrive la quantità di energia assorbita per unità di massa di tessuto (o aria) attraversato. L unità di misura storica è il Rad: 1 Rad = 0,01 Gy

10 Grandezze dosimetriche fondamentali: KERMA: é la grandezza definita come quantità di energia cinetica, di tutte le particelle cariche secondarie (elettroni) messe in movimento in seguito alla cessione di energia da parte della radiazione incidente, per unità di massa. La sua unità di misura è il Gray (1Gy = 1 J/kg): descrive la quantità di energia cinetica prodotta per unità di massa di tessuto (o aria) attraversato dalle radiazioni ionizzanti.

11 Grandezze dosimetriche fondamentali: OSSERVAZIONE: non tutta l energia cinetica trasferita dai fotoni incidenti agli elettroni é assorbita nel piccolo volume di tessuto (o aria) in cui avviene l interazione; una piccola frazione di questa energia sarà assorbita a distanza. La dose assorbita sarà quindi in genere inferiore al kerma. Per energie tipiche dei raggi X usati in diagnostica questa differenza è tuttavia molto piccola. Ai fini pratici in radiologia diagnostica e interventistica si assume che kerma e dose assorbita siano numericamente uguali.

12 Dosimetria per la garanzia di qualità Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (cute) Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico Dosimetria per la garanzia di qualità: Kerma in aria: Caratterizza il fascio di radiazione di ciascun apparecchio radiologico; si misura facilmente con una camera a ionizzazione posta al centro del fascio radiante, ad una fissata distanza dal fuoco. L unità di misura è il Gray (Gy). Il suo valore diminuisce allontanandosi dal fuoco dell apparecchio radiologico. E indipendente dalla presenza del paziente.

13 Dosimetria per la garanzia di qualità: KAP: E definito come prodotto tra il kerma misurato in aria e l area del campo radiante (è numericamente equivalente al DAP, definito come prodotto tra dose assorbita in aria e area del campo radiante) KAP = Kerma in aria x Area Si misura solitamente con una camera a ionizzazione (radiotrasparente) fissata in prossimità dei diaframmi del tubo radiogeno. L unità di misura é Gy cm 2.

14 A parità di apertura dei diaframmi il suo valore resta fisso al variare della distanza dal fuoco (se ci si avvicina al fuoco aumenta la dose ma diminuisce la dimensione del campo e viceversa) E indipendente dalla presenza del paziente. Il KAP viene visualizzato in tempo reale durante l erogazione: durante la fluoroscopia (KAP/tempo: Gy cm 2 /s) Nelle pause delle acquisizioni e alla fine della procedura viene visualizzato il KAP totale cumulativo (Gy cm 2 )

15 Dosimetria per la garanzia di qualità Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (cute) Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (ad es. alla cute): Pubblicazione 103 dell ICRP (58) L'induzione di reazioni tissutali è, in linea generale, caratterizzata da una dose soglia. La ragione dell esistenza di un valore soglia sta nel fatto che il danneggiamento (morte o disfunzione grave) di una popolazione critica di cellule in un dato tessuto causato dalle radiazioni, deve essere sostanziale prima che una lesione si esprima in forma clinicamente rilevante. Al di sopra della dose soglia, la gravità della lesione, inclusa la diminuzione della capacità di recupero del tessuto, aumenta con la dose.

16 Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (ad es. alla cute): Pubblicazione 103 dell ICRP (59) Le revisioni dei dati biologici e clinici hanno condotto ad un ulteriore sviluppo delle valutazioni della Commissione sui meccanismi cellulari e dei tessuti che sono alla base delle reazioni tissutali e delle soglie di dose che si applicano ai principali organi e tessuti. Tuttavia, per valori di dose assorbita fino a circa 100 mgy si ritiene che nessun tessuto esprima danni funzionali clinicamente rilevanti. Questa valutazione si applica sia a singole irradiazioni acute sia alle situazioni dove tali basse dosi sono assorbite nel corso del tempo come esposizioni annuali ripetute.

17 Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (ad es. alla cute): In radiologia interventistica gli effetti deterministici più frequenti riguardano la cute (eritema, epilazione, ecc). Le grandezze dosimetriche da considerare sono: la dose massima locale alla cute, MESD (maximum entrance skin dose), definita in modo equivalente anche come PSD (peak skin dose) kerma cumulativo al punto di riferimento interventistico, Interventional Reference Point: IRP (CEI EN : )

18 Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (ad es. alla cute): dose massima locale alla cute, MESD (o PSD): è quantificabile tramite misure dirette sulla cute del paziente (ad esempio con pellicole gafchromiche) oppure è valutabile a partire dal valore di DAP (KAP). Il DAP rappresenta la dose assorbita in aria per una certa apertura dei diaframmi e non tiene conto della presenza del paziente. Per poter valutare la dose in cute è necessario in primo luogo annotare il DAP di ciascuna proiezione e dividere per le dimensioni del campo radiante valutate sul piano d ingresso al paziente rispetto al fuoco.

19 Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (ad es. alla cute): In questo modo si ottiene la dose assorbita in aria alla distanza minima a cui si trova la cute per una determinata proiezione. Infine è necessario moltiplicare questo valore per un fattore che tiene conto della dose assorbita in cute dovuta alla radiazione retrodiffusa dal paziente. Questo fattore viene definito fattore di backscatter: dipende dall area del fascio e dall energia della radiazione incidente. Tipicamente assume valori compresi tra 1,2 e 1,4 in radiologia diagnostica e interventistica. MESD = DAP Area DFP cute B(Area,E)

20 Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (ad es. alla cute): kerma cumulativo al punto di riferimento interventistico (Interventional Reference Point (IRP) (CEI EN : ): è un punto rappresentativo della posizione della cute. 15 cm isocentro La stessa norma tecnica CEI EN : prevede che l apparecchiatura indichi le seguenti quantità dosimetriche durante le procedure interventistiche: rateo di kerma in aria all IRP kerma in aria all IRP cumulativo dall inizio dell esame (che deve tener conto sia della scopia che della grafia)

21 Dosimetria per la garanzia di qualità Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (cute) Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 105 dell ICRP (27) La grandezza fisica di base utilizzata in radioprotezione per gli effetti stocastici è la dose assorbita media in un organo o in un tessuto. (28) Durante le procedure mediche di imaging che utilizzano i raggi x, non è normalmente possibile misurare direttamente le dosi assorbite negli organi o nei tessuti del paziente sottoposto al trattamento diagnostico o interventistico. Pertanto, come guida per la valutazione della dose al paziente, sono utilizzate delle grandezze misurabili che caratterizzano il campo di radiazione esterno.

22 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Rischio di induzione di neoplasie Pubblicazione 103 dell ICRP (62) Per quanto riguarda le neoplasie, gli studi epidemiologici e sperimentali forniscono, anche se con incertezze, evidenze di rischio connesso con l esposizione alle radiazioni a livelli di dose di circa 100 msv o inferiori. (64) Sebbene ci siano eccezioni riconosciute, ai fini della radioprotezione la Commissione ritiene che il peso dell evidenza sui processi cellulari fondamentali associati con i dati dose risposta, sostenga l opinione che per le basse dosi, al di sotto di circa 100 msv, è scientificamente plausibile assumere che l'incidenza di neoplasie o di effetti ereditari aumenti in modo direttamente proporzionale con l aumento della dose equivalente negli organi e tessuti interessati. Questo modello dose-risposta è generalmente noto come ''lineare senza soglia o LNT (linear non threshold).

23 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Induzione di malattie non neoplastiche Pubblicazione 103 dell ICRP (91) Dopo il 1990, sono state raccolte evidenze sull aumentata frequenza di malattie diverse dalle neoplasie in alcune popolazioni irradiate. La più importante delle evidenze statistiche circa l induzione di questi effetti non tumorali, a dosi efficaci dell'ordine di 1 Sv, deriva dalla più recente analisi della mortalità dei sopravvissuti giapponesi alla bomba atomica seguiti dopo il 1968 (Preston et al, 2003). Questo studio ha rafforzato l evidenza statistica di una associazione con la dose, in particolare per le malattie cardiache, l ictus, i disturbi digestivi e le malattie respiratorie.

24 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Induzione di malattie non neoplastiche Pubblicazione 103 dell ICRP (92) La Commissione, mentre riconosce la potenziale importanza delle osservazioni sulle malattie diverse dalle neoplasie, ritiene che i dati disponibili non permettono la loro inclusione nella valutazione del detrimento conseguente all esposizione a basse dosi, inferiori a circa 100 msv. Ciò è in accordo con le conclusioni della UNSCEAR (2008), che ha trovato scarsa evidenza di qualsiasi rischio in eccesso per dosi al di sotto di 1 Gy.

25 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Dose equivalente Pubblicazione 103 dell ICRP (106) La procedura [ ] adottata dalla Commissione consiste nell utilizzare la dose assorbita come la grandezza fisica fondamentale, nel mediarla su specifici organi e tessuti, nell applicare fattori di ponderazione adeguatamente scelti per tenere conto delle differenze di efficacia biologica di radiazioni diverse.

26 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 105 dell ICRP (29) Alcune radiazioni sono più efficaci di altre nel provocare gli effetti stocastici. Per tener conto di questo, è stata introdotta la grandezza dose equivalente.

27 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 103 dell ICRP Dose equivalente ad organi e tessuti: dose assorbita media in un organo o in un tessuto moltiplicata per un fattore adimensionale di ponderazione della radiazione. Poiché il fattore di ponderazione è adimensionale, l unità di misura della dose equivalente è uguale a quella che esprime la dose assorbita, ovvero Gy, e il suo nome speciale è Sievert (Sv).

28 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 103 dell ICRP Per tutti i principali tipi di radiazioni utilizzati in medicina (fotoni ed elettroni), si assegna un fattore di ponderazione della radiazione pari a 1: la dose assorbita e la dose equivalente in questo caso risultano numericamente uguali. Per le particelle alfa e gli ioni pesanti, il fattore di ponderazione della radiazione è 20, per i protoni il fattore di ponderazione è 2, mentre per i neutroni il fattore di ponderazione della radiazione è una funzione continua dell energia del neutrone incidente sul corpo.

29 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Dose media assorbita Pubblicazione 103 dell ICRP (B 48) Come descritto in precedenza, la grandezza dose assorbita è definita per fornire un valore specifico in ogni punto nella materia. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, le dosi assorbite sono spesso mediate su volumi maggiori di tessuto. Si suppone così che, per basse dosi, il valore medio di dose assorbita in uno specifico organo o tessuto, possa essere correlato, con la precisione sufficiente a scopi radioprotezionistici, con il detrimento dovuto agli effetti stocastici in tutte le parti di quell'organo o di quel tessuto.

30 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Dose efficace Pubblicazione 103 dell ICRP Dose efficace, E: somma delle dosi equivalenti ponderate per i vari organi o tessuti, secondo l espressione: H T è la dose equivalente in un tessuto o in un organo T, e w T è il fattore di ponderazione del tessuto. L unità di misura della dose efficace è la stessa che esprime la dose assorbita, ovvero il Gray, e il suo nome speciale è Sievert (Sv).

31 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Dose efficace Pubblicazione 103 dell ICRP I fattori di ponderazione del tessuto, w T, permettono di tenere conto delle variazioni nella sensibilità alle radiazioni dei diversi organi e tessuti rispetto all'induzione di effetti stocastici. La somma è fatta su tutti gli organi e i tessuti del corpo umano considerati sensibili all induzione di effetti stocastici. Questi valori di w T sono scelti in modo da essere rappresentativi del contributo dei singoli organi e tessuti al detrimento complessivo da radiazione dovuto agli effetti stocastici. L unità di misura della dose efficace è il Gray a cui è attribuito il nome speciale di Sievert (Sv).

32 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 103 dell ICRP

33 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 103 dell ICRP (127) Sulla base di studi epidemiologici sull induzione di tumori nelle popolazioni esposte, e di valutazione di rischio per gli effetti ereditari, è stato scelto per queste Raccomandazioni un insieme di valori di w T (tabella precedente) basati sui rispettivi valori di detrimento relativo da radiazioni. Essi rappresentano valori medi per esseri umani ottenuti mediando sui due sessi e su tutte le età, e pertanto non si riferiscono alle caratteristiche di individui particolari.

34 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 103 dell ICRP Esposizione medica dei pazienti (151) La grandezza rilevante per pianificare l esposizione dei pazienti ed effettuare le valutazioni rischio-beneficio è la dose equivalente o la dose assorbita dai tessuti irradiati. L uso della dose efficace per valutare l esposizione dei pazienti ha severe limitazioni che devono essere considerate nel quantificare l esposizione medica. La dose efficace può essere utile per confrontare dosi da differenti procedure diagnostiche e per confrontare l uso di tecnologie e procedure simili in ospedali e paesi diversi, così come l uso di tecnologie diverse per lo stesso esame medico. Comunque, per pianificare l esposizione dei pazienti e per le valutazioni rischio-beneficio è la dose equivalente, o la dose assorbita al tessuto irradiato, la grandezza significativa da prendere in considerazione.

35 Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico: Pubblicazione 103 dell ICRP Esposizione medica dei pazienti (152) La valutazione e l interpretazione della dose efficace derivante da esposizione medica di pazienti è molto problematica quando gli organi e i tessuti sono soggetti solo ad un esposizione parziale o ad un esposizione molto eterogenea, come in particolare nel caso degli esami diagnostici con raggi X. La dose efficace non è basata su dati di singoli individui. Nella sua applicazione generale, la dose efficace non fornisce la dose per un individuo specifico, ma piuttosto per una Persona di Riferimento in una data situazione di esposizione.