Scuola di specializzazione FISICA SANITARIA. DOSIMETRIA RADIAZIONI IONIZZANTI 2 anno

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1 Scuola di specializzazione in FISICA SANITARIA DOSIMETRIA RADIAZIONI IONIZZANTI 2 anno P. Corvisiero 1

2 le schermature fotoni - macchine radiogene - sorgenti - fasci elettroni - sorgenti - fasci - sciami e.m. neutroni - reattori - γ di attivazione - neutroni di alta energia 2

3 Macchine radiogene B C radiaz diffusa A radiaz di fuga radiaz primaria Fig 1 Le figure che seguono danno l' emissione misurata in dose assorbita per unità di intensità di corrente e per unità di tempo a 10 cm e ad un metro di distanza dall' anodo di una macchina radiogena. La tensione è indicata in ascisse e le diverse filtrazioni sono indicate accanto alle curve. Da queste curve, in base ai dati della macchina radiogena, è possibile ricavare il valore di emissione. 3

4 Fig. 2 4

5 Fig. 3 5

6 Fig. 4 6

7 Fig. 5 Le figure che seguono riportano i dati di attenuazione in vari materiali (perspex, acciaio, piombo e calcestruzzo). I grafici danno il fattore di barriera B, cioè la dose 7

8 assorbita misurata in mgy / ma / min ad 1 metro di distanza in funzione dello spessore della barriera. Fig. 6 8

9 Fig. 7 9

10 Fig. 8 10

11 Fig. 9 11

12 Fig

13 Fig

14 Fig

15 Fig

16 Fig

17 Fig. 15 Per esempio, per un tubo operante a 200 kvp con filtrazione 2 mm Cu, la dose assorbita ad un metro è pari a 28.7 mgy / min/ ma (fig.8) ; per una corrente di 20 17

18 ma, la dose assorbita risulta pari a 574 mgy / min. Se la filtrazione è costituita invece da 3 mm Al (fig. 12), la dose assorbita ad un metro è pari a 8.9 mgy / min/ ma. Per una macchina da 200 kvp si vede che un fattore 1000 di attenuazione è raggiunto usando 25 cm di calcestruzzo oppure 2.9 mm di Pb. L'ordinata a zero spessore dipende dalla tensione e dalla filtrazione. Dalle figure tra l'altro è evidente come la produzione di raggi X cresca rapidamente con la tensione: infatti, a parità di corrente (1 ma) si vede che, per zero spessore, l'intensità di esposizione passa da 1.7 a 23.5 mgy/ma/min (un fattore circa 15) quando la tensione passa da 50 a 400 kvp (un fattore 8). Prima di illustrare come usare queste curve introduciamo alcune definizioni: Carico di lavoro W È il prodotto del tempo di Esposizione per settimana (espresso in minuti) per la corrente del tubo (in ma). Per esempio, se un tubo opera per 4 ore al giorno per 5 giorni settimanali ad una corrente di 20 ma, il carico di lavoro W è dato da: W = = ma min/ settimana. Fattore di Occupazione T Spesso la barriera può essere ridotta se il punto in questione è frequentato da personale per una frazione ridotta delle otto ore giornaliere, come nel caso di un corridoio, di una toilette per i soli pazienti, ecc.ecc. In mancanza di dati precisi è bene attenersi alla seguente tabella di massima: 18

19 Occupazione piena T=1 Occupazione parziale T=1/4 Occupazione occasionale T=1/16 uffici, camere oscure, gabinetti per il personale, sale di attesa con presenza di personale, stanze abitate adiacenti,... corridoi, gabinetti per i pazienti, locali di disimpegno, parcheggi incustoditi,... scale, ascensori, strade, ripostigli,... Fattore d' Utilizzo U Il carico di lavoro può anche essere modificato dal fattore di utilizzo, che rappresenta la frazione del carico di lavoro durante la quale il fascio utile è puntato nella direzione della barriera allo studio. Questo concetto è particolarmente utile quando si ha a che fare con tubi rotanti. Per tubi fissi, qualche parete non sarà mai esposta al fascio diretto e lo spessore della barriera potrà essere ridotto. Altrimenti si deve tener conto della frazione di tempo durante il quale la macchina funziona con il fascio in quella particolare direzione. In mancanza di dati più precisi, si raccomanda di seguire la seguente tabella: diagnostica terapia dentale pavimento 1 1 1/16 pareti 1/4 1/4 1/4 soffitto 1/16 1/16 1/16 Calcolo delle barriere primarie Se il carico di lavoro (espresso in ma.min/settimana) è dato da W, allora la dose settimanale ad una distanza d è data da: 19

20 D Ý = BW d 2 mgy / settimana Questo nell'ipotesi che il fascio punti sempre nella direzione della barriera. Se il fattore d'uso è U e il fattore di occupazione vale T e se si vuole restare sotto al limite del valore di 1 mgy/settimana, si ha: BWU d 2 = 1 T, ossia: B = d2 WUT relazione che ci permette di calcolare B e quindi, usando i grafici precedenti, lo spessore di barriera. Esempio 1 una macchina da 300 kvp opera a 15 ma per 5 ore al giorno e per 5 giorni alla settimana. Il punto A dista 4 metri dal tubo RX e si trova in una sala d'attesa con fattore di occupazione T=1/4. Calcolare lo spessore della barriera richiesta in calcestruzzo e piombo. W = = ma min/ settimana Per essere conservativi usiamo U=1, anche se un valore U=1/4 è consigliato. Perciò: B = = e dal grafico di fig. 12 si vede che sono necessari 43 cm di calcestruzzo, oppure 1.2 cm di Pb. Se la parete originaria fosse stata, per esempio, pari a 20 cm di calcestruzzo e si dovesse rafforzare la schermatura con del piombo aggiuntivo, è necessario conoscere la relazione tra lo spessore in piombo ed il corrispondente spessore in calcestruzzo. I dati sono riportati nella tabella che segue. 20

21 Nel nostro caso si tratta di portare da 20 a 40 cm di calcestruzzo la parete e quindi scegliere uno spessore di piombo corrispondente a 20 cm di calcestruzzo. Per una macchina a 300 kvp, dalla tabella si vede che lo spessore di piombo necessario è pari a 6 mm. Esempio 2 21

22 una macchina da 2000 kvp/5 ma funziona per 3 ore al giorno per 5 giorni settimanali. Il fascio è diretto verso una parete (distante 5 metri dal tubo) che comunica con l'esterno dell' edificio verso un parcheggio riservato al personale di radiologia. Calcolare la barriera primaria necessaria. W = = 4500 ma min/ settimana con U = 1 e T = 1/4 B = = Dai grafici si vede che è necessario un metro di calcestruzzo (fig. 13) oppure 20 cm di Pb (fig. 10): è sicuramente più economico usare il calcestruzzo. Barriere di protezione per radioterapie con isotopi In questo caso l'intensità di esposizione ad un metro dalla sorgente ed in assenza di schermature è data dal fattore Γ tipico del radioisotopo. In pratica, a causa della difficile valutazione dell' autoassorbimento, le sorgenti sono quasi sempre vendute sulla base della intensità di esposizione misurata ad un metro di distanza e denotata con il simbolo Rhm. Il carico di lavoro W' è immediatamente calcolato una volta nota la durata settimanale dei trattamenti. Il fattore di attenuazione per 60 Co, 137 Cs e 226 Ra e altri isotopi di uso comune è riportato nei grafici che seguono. 22

23 Fig

24 Fig

25 Fig

26 Fig

27 Fig

28 Fig. 21 Dal valore di B' si calcola lo spessore della barriera in modo del tutto simile a quanto visto nel caso delle macchine radiogene: 28

29 d 2 B' = W' UT Esempio 3 Una unità di 60 Co usa una sorgente da 4000 Rhm. Calcolare lo spessore della barriera primaria supposto che questa si trovi a 5 metri dalla sorgente. Si assuma che la macchina funzioni 4 ore al giorno per 5 giorni settimanali. W' = = R / settimana ad un metro, ossia passando alla dose assorbita: W' = mgy / settimana B' = = da cui si ricava che sono necessari 100 cm di calcestruzzo oppure 18 cm di piombo. Supponendo che la macchina sia usata per terapia rotante, calcolare lo spessore di schermatura per il soffitto assumendo un fattore d'uso U=0.02 ed una distanza di 4 metri. B' = = 10 3 da cui si ricava uno spessore di 70 cm di calcestruzzo oppure di 12 mm di Pb. Protezione contro la radiazione diffusa Quando il fascio primario non incide mai su una barriera, questa può essere considerata secondaria e senz' altro di spessore inferiore. È impossibile calcolare esattamente l' intensità di dose dovuta alla sola radiazione diffusa perchè questa dipende troppo 29

30 marcatamente da un enorme numero di fattori spesso imprevedibili. Per questo, in maniera conservativa, si è soliti assumere che la radiazione scatterata ad un metro dal corpo diffusore sia pari allo 0.1 % della intensità del fascio primario nel punto del diffusore. Per fasci di tensione maggiore di 500 kvp si usano i valori della curva relativa ai 500 kvp. Gli spettri della radiazione diffusa, essenzialmente dovuta ad effetto Compton, sono infatti di energia minore e dipendono poco dalla energia iniziale del fotone: un valore di 500 kv è quindi una stima ragionevole Esempio 4 Una unità di 60 Co da 4000 Rhm = mgyhm è limitata in modo che il fascio primario sia sempre diretto contro il pavimento o contro una parete. Calcolare lo spessore di calcestruzzo richiesto per una barriera secondaria, assumendo che il personale stazioni, oltre la parete, ad una distanza di 3 metri dal paziente. La distanza fuoco-pelle è pari a 80 cm e l'unità opera per 5 ore al giorno per 5 giorni alla settimana. La dose "diretta" settimanale ad 80 cm è data da: D Ý dir = = mgy / sett 80 La dose dovuta alla radiazione diffusa ad un metro di distanza è stimata essere: D Ý scatt =10 3 D Ý dir = mgy / sett per cui a tre metri di distanza, senza alcuna barriera: D Ý D d = Ý scatt =173 mgy / sett d 2 30

31 Il fattore di attenuazione richiesto per ridurre la dose assorbita ad 1 mgy/sett è allora pari a 1/173 = e dai grafici si ricava che sono necessari 55 cm di calcestruzzo (fig. 19) oppure 9 cm di Pb (fig.17). Esempio 5 Calcolare la protezione contro la radiazione diffusa per una macchina operante a 2000 kvp / 5 ma per 4 ore al giorno e per 5 giorni, sapendo che SSD=100 cm. Assumere che il personale stazioni, oltre la barriera secondaria, a 4 metri dal paziente. La dose "diretta" settimanale ad 1 metro si deduce dalla figura 9 e vale: D& 5 dir = = mgy / sett La dose dovuta alla radiazione diffusa, a d=4 metri è data da: D& 3 10 D& D& scatt dir d = = = 1120mGy / sett 2 2 d d Pertanto il fattore di attenuazione richiesto è: 1 F = = Usando la curva relativa a 500 kvp, l'ordinata di 1.0 deve ridursi dello stesso fattore, e quindi passare a : questa ordinata corrisponde a 4 cm di Pb (fig. 10) o a 50 cm di calcestruzzo (fig. 13). 31