Radiazioni note varie

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1 Radiazioni note varie Argomenti Radiazioni - richiami di fisica Arturo Brunetti Corso di Diagnostica per Immagini e Radioterapia 2013 Cenni su NIR Ambiente & radiazioni ionizzanti Definizione di radiazione Quali effetti possono essere causati dalle radiazioni? In fisica particolare forma di energia, o di materia corpuscolare, che si propaga nello spazio [dal latino radiatio -onis ʻemissione di raggiʼ da radius ʻraggioʼ] Effetti fisici (esempio: aumento temperatura) Effetti chimici (esempio: reazioni) EFFETTI BIOLOGICI

2 RADIAZIONI NON IONIZZANTI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI CORPUSCOLATE Attenuazione/frenamento delle radiazioni ionizzanti Tipi di radiazioni ionizzanti $ # "! Carta Vetro, plexiglas, metalli sottili Piombo, Calcestruzzo Acqua, polietilene Tipo Massa Carica Capacità di penetrazione Ionizzazione Alfa 2n, 2p +2 Scarsa Diretta Beta 1 e -1 Modesta Diretta Raggi Gamma o X No No Molto penetrante Indiretta Neutroni 1 n No Molto penetrante Indiretta 7 ab/03/2013

3 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA nella vita di tutti i giorni Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche LUCE DEL SOLE Linee di energia elettrica Televisione e Radio Telefoni cellulari Forni a microonde - Altri elettrodomestici Applicazioni mediche RADIAZIONI E.M. IONIZZANTI Effetti delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti Raggi X Raggi Cosmici Visibile Microonde Raggi gamma TV Lunghezza dʼonda (cm) Ionizzanti Non ionizzanti ab/10/2007 EFFETTO FOTOELETTRICO ionizzazione Rottura legami Effetti su DNA! Eccitazione Reazioni fotochimiche Effetti termici Riscaldamento???

4 Effetti biologici NIR 2004 NIR Origine Lunghezza d onda Frequenza Effetti Biologici UVC UVB UVA Luce Visibile IR-A IR-B IR-C Microonde Lampade UV germicide 100 nm nm 1075 THz THz Eritema cutaneo, iperpigmentazione; Fotocheratite Lampade abbronzanti 280 nm nm 950 THz THz Fotocheratite; Eritema cutaneo, iperpigmentazione; neoplasie cutanee; reazioni cutanee; produzione di Vitamina D Luce solare 315 nm nm 750 THz THz Cataratta; Eritema e iperpigmentazione lasers, luce solare, fuoco, LED, Lampadine 400 nm nm 385 THz THz Invecchiamento della pelle; Neopalsie cutanee; Danno fotochimico e termico retinico lasers, telecomandi 215 THz THz Retinopatia termica; Cataratta termica; Ustioni cutanee lasers, telecomunicazioni a lunga distanza 1.4 µm - 3 µm 100 THz THz Ulcera corneale, cataratta; Ustioni cutanee Laser far-infrared 3 µm - 1 mm 300 GHz THz Ulcera corneale, cataratta; Ustioni cutanee; Riscaldamento della superficie corporea telefoni PCS, alcuni cellulari, forni a microonde, telefoni cordless, autovelox, radar, Wi-Fi 1 mm - 33 cm 1 GHz GHz Riscaldamento della superficie corporea Radiazione a RF RF a bassa frequenza Campi statici Telefoni cellulari, TV, radio FM, AM, Onde corte, telefoni cordless 33 cm - 3 km 100 khz - 1 GHz Riscaldamento con penetrazione max 10 mm; Aumento della temperatura corporea Linee elettriche > 3 km < 100 khz Carica elettrica sulla superficie corporea; interferenza con le risposte muscolari e nervose Magneti ad elevata intensità di campo - 0 Hz Vertigini, nausea: Carica elettrica sulla superficie corporea da Martin e Sutton, 2002 modificata Unʼaltra sorgente importante di radiazioni Radioattività I materiali radioattivi naturali e artificiali A. Espressione di instabilità nucleare B. consegue ad un rapporto non equilibrato tra protoni e neutroni

5 Decadimento radioattivo NUCLIDI E RADIONUCLIDI Raggi # Raggi " + " - Cattura elettronica Raggi! ISOTOPI ISOBARI ISOTONI forme dello stesso elemento (Z= A ) nuclidi di elementi diversi con massa uguale nuclidi con uguale numero di neutroni Decadimento radioattivo: andamento esponenziale EMIVITA = tempo di dimezzamento dn (t) = - kn(t) dt N t = N 0 e -%t! Tempo in cui una certa quantità di radioattività si riduce a metà del valore iniziale ab/03/2013

6 Alcuni radionuclidi utilizzati in diagnostica in vivo Alcuni radionuclidi e radioelementi naturali * Uranio * Torio 232 * Radio 226 * Radio-228 * Radon-222 * Potassio-40 * Carbonio-14 alfa # # T 1/2 4.5x10 9 anni (238) alfa # # T 1/2 1,4x10 10 anni alfa # # T 1/ anni alfa # # T 1/2 6,7 anni alfa # # T 1/2 3,8 giorni beta gamma # T 1/ anni beta# # T 1/ anni fissione nucleare IL DNA * Tritio * Kripton-85 * Xenon-133 * Iodio-131 * Cesio-137 * Stronzio e Ittrio 90 * Stronzio 89 * Cerio - Pr 144 * Rutenio-Renio 106 beta # # T 1/2 10 anni beta gamma # T 1/2 10 anni beta gamma # T 1/2 5.3 giorni beta gamma # T 1/2 8 giorni beta gamma # T 1/2 27 anni beta # # T 1/2 28 anni beta # # T 1/2 52 giorni beta gamma # T 1/2 280 giorni beta gamma # T 1/2 1 anno! La doppia elica può essere danneggiata dallʼazione diretta e indiretta di radiazioni ionizzanti

7 Alterazioni del DNA Alterazioni del DNA Lesioni complete MA LE CELLULE HANNO BUONI STRUMENTI PER DIFENDERSI DAI RAGGI!! I processi di riparazione consentono nella maggioranza dei casi di riparare i danni indotti dalle radiazioni! Inoltre, non sempre i danni indotti da radiazioni si traducono in modificazioni del controllo della crescita cellulare " Lʼenergia delle radiazione è critica per il verificarsi di modificazioni molecolari come quelle che possono portare allo sviluppo di un tumore Effetti biologici delle radiazioni elettromagnetiche

8 Effetti delle radiazioni ionizzanti DOSIMETRIA Gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti dipendono prevalentemente dalla produzione di radicali liberi da molecole di acqua, piuttosto che da danni diretti alle molecole di DNA Branca della fisica delle radiazioni che si occupa delle correlazioni quantitative di misurazioni specifiche in un campo di radiazioni con gli effetti chimici e biologici determinabili dalle radiazioni. Le misure di esposizione alle radiazioni e di assorbimento di energia sono alla base della dosimetria RADIOATTIVITAʼ Attività specifica Vecchia unità Curie (Ci) x 10 dis/sec Nuova unità (SI) Bequerel 1 dis/sec * rapporto tra radionuclide e isotopi stabili, espresso come * numero di atomi radioattivi / atomi stabili * microci / grammo (Bq/Kg) 1 Ci = 37 GBq

9 Unità Rad, Grey (Gy) Rem, Sievert (Sv) Quantità misurata Dose Assorbita Equivalente di Dose Biologica Equivalenze 100 Rem 1 Sv 1 Rem 10 msv (millisievert) 1 mrem (millirem) 10 µsv (microsievert) 1 µrem (microrem) 0.01 µsv Si riferisce esclusivamente ai campi di raggi X e gamma X = dq/dm Vecchia unità Röntgen = 1 ues / cc aria ESPOSIZIONE Unità (SI) 1 Coulomb / Kg di aria 33 DOSE ASSORBITA QUALITAʼ DELLA RADIAZIONE de/dm Vecchia unità Unità (SI) Efficacia Biologica Relativa Relative Biological Effectiveness (RBE) rad = 100 erg/g Gray (Gy) = 1 joule/kg Trasferimento lineare di energia Linear Energy Transfer (LET) de/dl 1 Gy = 100 rad Fattore di qualità Quality Factor (QF)

10 EQUIVALENTE DI DOSE Effetti delle radiazioni ionizzanti Vecchia unità rem = rad x QF Unità (SI) Sievert (Sv) = Gy x QF 1 Sv = 100 rem * Quantità * Caratteristiche * Tempo * Possono basse dosi di radiazioni stimolare i meccanismi di difesa delle cellule? * Per maggiore sicurezza, si adotta un criterio di assenza di rischio zero Effetti delle radiazioni ionizzanti Gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti non dipendono solo dalla dose assorbita ma anche dal tipo di radiazione e dalle condizioni di irradiazione DANNI DA RADIAZIONI EFFETTI IMMEDIATI SUL SOGGETTO IRRADIATO EFFETTI TARDIVI SUL SOGGETTO IRRADIATO EFFETTI SULLA PRIMA GENERAZIONE DEL SOGGETTO IRRADIATO EFFETTI EREDITARI SULLA PROGENIE DEL SOGGETTO IRRADIATO

11 DANNI SOMATICI DANNI EREDITARI NON STOCASTICI (GRADUATI) STOCASTICI (PROBABILISTICI) cute ghiandole genitali occhio midollo emopoietico epitelio G.I. S.N.C. SOMATICI (cancro) GENETICI (mutazioni) PRIMA E SECONDA GENERAZIONE GENERAZIONI SUCCESSIVE ALCUNI ESEMPI DI DOSI DI RADIAZIONE E POSSIBILI CONSEGUENZE! DOSE (Sv) EFFETTO! Sv DL 50% in 30 giorni! Sv Caduta capelli, leucopenia, alcune morti entro 2-6 sett.! Possibile Malattia da Radiazioni! 0.10 Rischio di Cancro = 1/130! Astronauti Apollo XVI! Dose. annuale max per i lavoratori

12 ALCUNI ESEMPI DI DOSI DI RADIAZIONE AL CORPO EFFETTI TARDIVI STOCASTICI! DOSE (Sv)! dose annuale da esami medici! dose annuale dal corpo! dose annuale da raggi cosmici! volo transpolare! una settimana di vita in USA, globale! radiografia del torace! volo transatlantico! radiografia di un arto DOSE COLLETTIVA INCREMENTO DI RISCHIO Mortalità per cancro ~ 20-30% 10 6 csv-uomo* 200 tumori * per somm. acuta; 1/2, 1/3 per somm. cronica Primi anni 90 Health Physics Society

13 RADIOPROTEZIONE principi fondamentali GIUSTIFICAZIONE OTTIMIZZAZIONE DEFINIZIONE DEI RISCHI INDIVIDUALI ACCETTABILI Health Physics Society RADIOPROTEZIONE criteri fondamentali Esposizione complessiva alle radiazioni: cause TEMPO DISTANZA Irradiazione naturale Esposizione per motivi medici Esposizione per motivi accidentali BARRIERE

14 1. Raggi Cosmici 0.3 msv Irradiazione naturale circa 2-3 msv / persona / anno 3 H 7 B 14 C Radionuclidi cosmogeni 0.01 msv 2. Radionuclidi cosmogeni Radionuclidi interni 3. Interna ( 40 K) msv 4. Terrestre 5. Inalazione Raggi Cosmici Radionuclidi inalati 222 Rn 1-2 msv RADIAZIONE COSMICA # Protoni (85%) # Particelle alfa (14%) # Nuclei atomici vari (1%) Radiazione terrestre ( 232 Th, 226 Ra, 238 U) 0.3 msv RADIONUCLIDI PRODOTTI DA RADIAZIONI COSMICHE 3 H (T1/2 = 12.3 anni) 7 Be (T1/2 = 53.6 anni) 14 C (T1/2 = 5730 anni) 22 Na (T1/2 = 2.6 anni) RADON! Gas radioattivo, di origine naturale, inodore, incolore.! Prodotto dal decadimento dellʼ 238 Uranio, elemento presente in tutte le rocce della crosta terrestre.! In presenza di fessure o aperture tende a fuoriuscire, diluendosi nellʼatmosfera.! Per una data litologia, il contenuto di uranio-238, il grado di fratturazione, la permeabilità, la porosità sono caratteristiche geomorfologiche di notevole

15 RADON: dove si può trovare? # Ambienti di vita # Ambienti di lavoro # Sorgenti del radon indoor: suolo, materiali di costruzione, acqua Radon: possibili effetti mutageni #Emissione di particelle alfa dal radon (gas) e dai suoi discendenti con conseguente irradiazione delle vie respiratorie #Quindi: un aumento di rischio di sviluppo del cancro polmonare. #Il Radon è considerato attualmente il secondo agente di rischio di tumore polmonare, dopo il fumo di tabacco. Come può il radon entrare in un ambiente domestico (geoscape.nrcan.gc.ca) Radon in Italia # concentrazione media nel mondo 40 Bq/m 3 ( Dati UNSCEAR) # concentrazione media in Italia 75Bq/m 3 (stima anni 90 ISS e ANPA su 5000 abitazioni) # in Friuli, Lombardia, Lazio e in Campania ci sono i valori maggiori

16 Il Radon in Italia RAdon in It Il alia Concentrazione di Radon in Bq/m 3 Dose aggiunta alla dose naturale ultimo decennio * Lʼesposizione per esami diagnostici nei paesi avanzati aggiunge una quota di dose pari al 50% della dose naturale * Il 50% della dose per motivi medici è costituito dagli esami TAC (che percentualmente sono solo il 10-15% del totale delle prestazioni) * (dati UNSCEAR 2000) Potassio-40 # 40 K è lo 0.01% di tutto il potassso naturale (att.spec. 818 pci/g) # nellʼuomo adulto 1.5 pci/g per un totale di pci circa # dose = msv/anno # lʼuso di sali ad elevato contenuto di KCl in persone che fanno diete con basso apporto di NaCl può aumentare la dose