E SE LA MATERIA ATTRAVERSATA E TESSUTO VIVENTE?

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1 E SE LA MATERIA ATTRAVERSATA E TESSUTO VIVENTE? M. Ruspa 1

2 Cosa succede ad un organismo biologico quando viene colpito da una radiazione? DANNO BIOLOGICO 1. Danno FISICO 2. Danno CHIMICO M. Ruspa 2

3 INTERAZIONE TRA RADIAZIONE E TESSUTI BIOLOGICI FASE TEMPO EFFETTO Fisica secondi ionizzazione-eccitazione Fisico-chimica secondi formazione di radicali liberi Biochimica frazioni di secondi-settimane inattivazione enzimi e organuli cellulari Biologica giorni-mesi-anni inattivazione, riparazione, morte cellulare e tissutale Clinica giorni- mesi- anni manifestazioni cliniche a carico dell organismo M. Ruspa 3

4 FASE FISICA L interazione delle radiazioni con la struttura cellulare che costituisce il tessuto biologico può causare danni fisici diretti letali par la cellula: se la deposizione di energia da parte degli elettroni di ionizzazione è elevata si possono avere infatti mutazioni nella replicazione cellulare a causa della rottura delle eliche del DNA. In questo caso la cellula non si riproduce correttamente: MORTE CELLULARE Questo effetto è POSITIVO: se si vuole distruggere un tessuto malato (tumore) NEGATIVO: se si colpisce un tessuto sano M. Ruspa 4

5 COME QUANTIFICARE LA DEPOSIZIONE DI ENERGIA? ovvero quantità di radiazione assorbita ovvero qualità della radiazione, densità di dose depositata M. Ruspa 5

6 Radiazione a ALTO LET (>100 Kev/ µm) PROTONI E IONI Massa maggiore Radiazione a BASSO LET (<10 Kev/ µm) ELETTRONI Massa minore Velocità minore nel mezzo Velocità maggiore nel mezzo > DENSITA di IONIZZAZIONE < DENSITA di IONIZZAZIONE M. Ruspa 6

7 Che cosa si intende per radiazione ionizzante? M. Ruspa 7

8 Che cosa si intende per radiazione ionizzante? Radiazione in grado di ionizzare gli atomi dei tessuti biologici M. Ruspa 8

9 Indirettamente ionizzanti costituite da fotoni o neutroni che trasferiscono energia agli elettroni degli atomi Direttamente ionizzanti costituite da particelle elettricamente cariche, come elettroni, protoni e ioni M. Ruspa 9

10 TORNIAMO ALLA RADIOTERAPIA M. Ruspa 10

11 RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Fotoni di alta energia ( MeV) : raggiungono regioni profonde M. Ruspa 11

12 RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Elettroni ( MeV) : raggiungono regioni poco profonde e poi si attenuano rapidamente nel tessuto Range di energie: 6-20 MeV M. Ruspa 12

13 RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Protoni ( MeV) : depositano la maggior parte della dose in profondità M. Ruspa 13

14 RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Le radiazioni sono generate da Acceleratori lineari Ciclotroni Betatroni Radionuclidi In passato: Kilovoltage units, acceleratore di Van de Graaf M. Ruspa 14

15 ACCELERATORI LINEARI M. Ruspa 15

16 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? M. Ruspa 16

17 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? Impulsi distribuiti al magnetron/klystron e simultaneamente all electron gun; M. Ruspa 17

18 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? Impulsi distribuiti al magnetron/klystron e simultaneamente all electron gun; Microonde impulsate prodotte nel magnetron/klystron (più precisamente il magnetron è effettivamente un generatore di microonde mentre il klystron è un amplificatore le microonde sono prodotte in un oscillatore annesso) e iniettate nel tubo accelerante attraverso una struttura a guida d onda; M. Ruspa 18

19 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? Impulsi distribuiti al magnetron/klystron e simultaneamente all electron gun; Microonde impulsate prodotte nel magnetron/klystron (più precisamente il magnetron è effettivamente un generatore di microonde mentre il klystron è un amplificatore le microonde sono prodotte in un oscillatore annesso) e iniettate nel tubo accelerante attraverso una struttura a guida d onda; All istante opportuno iniettati gli elettroni a un energia iniziale di circa 50 kev; M. Ruspa 19

20 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? Impulsi distribuiti al magnetron/klystron e simultaneamente all electron gun; Microonde impulsate prodotte nel magnetron/klystron (più precisamente il magnetron è effettivamente un generatore di microonde mentre il klystron è un amplificatore le microonde sono prodotte in un oscillatore annesso) e iniettate nel tubo accelerante attraverso una struttura a guida d onda; All istante opportuno iniettati gli elettroni a un energia iniziale di circa 50 kev; La cavita accelerante consiste di un tubo di rame, in cui viene fatto il vuoto, suddiviso in dischi di rame; M. Ruspa 20

21 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? Impulsi distribuiti al magnetron/klystron e simultaneamente all electron gun; Microonde impulsate prodotte nel magnetron/klystron (più precisamente il magnetron è effettivamente un generatore di microonde mentre il klystron è un amplificatore le microonde sono prodotte in un oscillatore annesso) e iniettate nel tubo accelerante attraverso una struttura a guida d onda; All istante opportuno iniettati gli elettroni a un energia iniziale di circa 50 kev; La cavita accelerante consiste di un tubo di rame, in cui viene fatto il vuoto, suddiviso in dischi di rame; Gli elettroni interagiscono con il campo elettromagnetico delle microonde guadagnando energia come un surfista guadagna velocità sulla cresta delle onde marine M. Ruspa 21

22 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? Gli elettroni che emergono dalla finestra di uscita sono un pencil beam di circa 3 mm di diametro. Nei linac di bassa energia (fino a 6 MeV), con un tubo accelerante relativamente corto, gli elettroni procedono diritti contro un bersaglio per la produzione di raggi X. Nei linac di piu alta energia la struttura accelerante è più lunga e forzatamente disposta in orizzontale; gli elettroni vengono quindi piegati prima di colpire il bersaglio, per mezzo di magneti e focalizzatori. Esempio: Varian Clinac 18 unit produce elettroni di energie 6,9,12,15,18 MeV e raggi X di 10 MV M. Ruspa 22

23 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? Gli elettroni che emergono dalla finestra di uscita sono un pencil beam di circa 3 mm di diametro. Nei linac di bassa energia (fino a 6 MeV), con un tubo accelerante relativamente corto, gli elettroni procedono diritti contro un bersaglio per la produzione di raggi X. Nei linac di piu alta energia la struttura accelerante è più lunga e forzatamente disposta in orizzontale; gli elettroni vengono quindi piegati prima di colpire il bersaglio, per mezzo di magneti e focalizzatori. Esempio: Varian Clinac 18 unit produce elettroni di energie 6,9,12,15,18 MeV e raggi X di 10 MV. Il fascio di elettroni è monocromatico e si suole designare con l energia in MeV. Il fascio di fotoni è eterogeneo in energie e si suole designare in MV. (L energia media del fascio di fotoni è approssimativamente 1/3 dell energia massima, che coincide con quella degli elettroni incidenti.) M. Ruspa 23

24 TESTATA Materiale ad alta densità come piombo, tungtsteno o leghe piombo-tungsteno, in spessore sufficiente a schermare la radiazione. Contiene: BERSAGLIO PER RAGGI X, spesso a sufficienza da assorbire la maggior parte degli elettroni incidenti; COLLIMATORI fissi e mobili; FOGLI DIFFUSORI (vedi dettagli del trattamento con e); FILTRI (vedi dettagli del trattamento con X); M. Ruspa 24

25 TESTATA CAMERE DI MONITORAGGIO: il fascio di X dopo il filtraggio o il fascio di elettroni dopo i fogli diffusori colpiscono un sistema di monitoraggio. Si tratta di un insieme di camere a ionizzazione per la verifica della dose e della simmetria di campo. Dal momento che questi strumenti sono situati in un campo di radiazione ad alta intensità e che il fascio è impulsato è importante assicurarsi che l efficienza di raccolta degli ioni sia costante. ULTERIORI COLLIMATORI GANTRY: la maggior parte sono oggi giorno costruiti in modo che la sorgente di radiazione possa ruotare intorno ad un asse orizzontale. Il punto di intersezione tra l asse del fascio e l asse di rotazione del gantry si chiama isocentro M. Ruspa 25

26 Com è fatto un ACCELERATORE LINEARE? GUIDA ACCELERANTE TESTATA isocentro M. Ruspa 26

27 FASCIO di FOTONI COLLIMATORE variabile DIMENSIONI del CAMPO DI TRATTAMENTO elettroni BERSAGLIO DI ELEVATO Z Produzione di FOTONI per FRENAMENTO M. Ruspa 27

28 Riguardare il funzionamento del tubo a raggi X In radioterapia al giorno d oggi i raggi X sono prodotti con gli acceleratori lineari ma la fisica sottostante è la medesima M. Ruspa 28

29 Heel effect filtri compensatori Poichè i raggi X sono prodotti a varie profondità nel bersaglio vanno incontro all attenuazione in diverse misure. L attenuazione è molto più rilevante per i fotoni provenienti da profondità maggiori che per quelli che provengono dalla superficie del bersaglio. Questo effetto è detto heel effect. Il problema si può minimizzare utilizzando un filtro compensatore M. Ruspa 29

30 Filtraggio della componente di bassa energia Se non ci fosse filtrazione lo spettro sarebbe una linea retta che interseca l asse delle ascisse nel punto corrispondente alla massima energia radiabile, ovvero a quella dell elettrone incidente M. Ruspa 30

31 SPETTRO DI RAGGI X Spettro continuo di fotoni di frenamento Fotoni di bassa energia eliminati Raggi X caratteristici M. Ruspa 31

32 Se non ci fosse filtrazione lo spettro sarebbe una linea retta che interseca l asse delle ascisse nel punto corrispondente alla massima energia radiabile, ovvero a quella dell elettrone incidente. Tuttavia i fotoni X vengono filtrati naturalmente dal materiale circostante (pareti del tubo, finestra di uscita, ). Ulteriori filtri vengono aggiunti per filtrare ulteriormente la componente molle M. Ruspa 32

33 Filtri appiattitori Di piombo, tungsteno, uranio, acciaio, alluminio servono per uniformare su tutta l estensione del campo l intensità di fotoni X che alle alte energie di un trattamento è piccata nella direzione in avanti M. Ruspa 33

34 FASCIO di ELETTRONI COLLIMATORE variabile DIMENSIONI del CAMPO DI TRATTAMENTO Poiche gli elettroni diffondono prontamente in aria, la collimazione del fascio deve avvenire molto vicino al paziente. elettroni M. Ruspa 34

35 Allargamento del fascio di elettroni FOGLI DIFFUSORI per allargare il fascio e ottenere una fluenza uniforme in tutto il campo di trattamento (sottile, metallico, solitamente di piombo, di spessore tale che la maggior parte degli elettroni siano diffusi anziche frenati; tuttavia permane un fondo di contaminazione di raggi X) M. Ruspa 35

36 MONITORAGGIO DELLA DOSE COME E QUALE DOSE VIENE VIENE EFFETTIVAMENTE ASSORBITA NEL PAZIENTE? M. Ruspa 36

37 MISURE DI DOSE: FANTOCCIO I dati sulla distribuzione di dose sono quasi interamente ricavati da misure in fantocci di materiali tessuto-equivalenti, tali cioè da approssimare le proprietà di assorbimento della radiazione tipiche dei tessuti umani e grandi abbastanza da riprodurre gli effetti di diffusione del corpo umano. Solo raramente è possibile misurare la distribuzione di dose in pazienti trattati. Poichè non è sempre possibile far lavorare i rivelatori di radiazione in acqua, sono stati sviluppati anche fantocci solidi e asciutti. La dose depositata nel paziente, come in qualsiasi mezzo attraversato, varia con la profondità. Questa variazione dipende dall energia del fascio, dalla profondità, dalla distanza dalla sorgente, dal sistema di collimazione del fascio Misure dose-profondità M. Ruspa 37

38 CURVE ISODOSE La distribuzione dose-profondità lungo l asse centrale non è sufficiente a caratterizzare il deposito di dose in 3 dimensioni. Per rappresentare variazioni volumetriche e planari della dose assorbita si fa ricorso alle curve isodose, linee che uniscono punti di uguale dose assorbita. La dose è maggiore sull asse centrale del fascio e gradualmente descresce verso i bordi, con l eccezione di alcuni linac che esibiscono corni di alta dose vicino alla periferia del campo, creati dal filtro appiattitore. Vicino al bordo del fascio (penombra) la dose diminuisce rapidamente in funzione della distanza laterale dall asse del fascio M. Ruspa 38

39 COME SI MISURA LA DOSE? GLI STRUMENTI DI MISURA SI BASANO SUI PRINCIPI FISICI DI INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE CON LA MATERIA M. Ruspa 39

40 Fisica delle Apparecchiature per Radioterapia, lez. V CAMERA A IONIZZAZIONE Misura le cariche elettriche prodotte dalla ionizzazione del gas e raccolte da elettrodi, tra cui è stabilita una opportuna differenza di potenziale. Il fascio di fotoni mette in moto elettroni per effetti fotoelettrico, Compton e produzione di coppie; gli elettroni ionizzano il mezzo. Il fascio di elettroni ionizza direttamente il gas M. Ruspa 40

41 CAMERA A IONIZZAZIONE All aumentare della differenza di potenziale tra gli elettrodi la corrente di ionizzazione cresce all inizio linearmente e poi più lentamente. Fino a che il potenziale è basso la raccolta di ioni è incompleta in quanto gli ioni positivi e negativi tendono a ricombinarsi. Quanto la tensione viene alzata molto gli ioni, accelerati dal campo elettrico, ricevono sufficiente energia da produrre ionizzazione secondaria collidendo con le molecole del gas. Ciò risulta in una rapida moltiplicazione e la corrente di nuovo dipende fortemente dalla tensione applicata fino ad un regime di moltiplicazione in cui la corrente non aumenta più al crescere della tensione. La camera deve essere usata nella regione di saturazione piuttosto che in quella di moltiplicazione per evitare che piccole variazione della tensione si riflettano in grandi variazioni della corrente. Efficienza di raccolta: rapporto tra il numero di ioni raccolti e il numero di ioni prodotti. Per quanto possibile la tensione di alimentazione deve essere aggiustata in modo tale da dare un efficienza di collezione del 99%. Se la camera non è isolata risente delle variazioni di temperatura e pressione dell aria dell ambiente circostante. La densità dell aria nel volume della camera dipende da temperatura e pressione secondo le leggi dei gas (aumenta all aumento di temperatura e pressione) M. Ruspa 41

42 Fisica delle Apparecchiature per Radioterapia, lez. V MISURE DI DOSE CON CAMERE A DITALE M. Ruspa - Esterni di grafite o plastica - Volume raccolta tipico: 0.6cc - Cavo coassiale che sia porta il segnale sia alimenta la camera. Lo strumento a cui è collegato permette sia di alimentarla sia di leggerla; la lettura dà la carica raccolta (nell ordine dei pc). -Tensione tipica di alimentazione: -250V (regime di ionizzazione) 42

43 MISURE DI DOSE CON CAMERE A IONIZZAZIONE Per mezzo di un fattore di calibrazione dose/carica la lettura restituisce: - dose in aria (bisogna allora calcolare la dose in acqua corrispondente) - direttamente la dose in acqua Poichè la densità dell aria varia con temperatura e pressione bisogna correggere dalle condizioni di taratura a quelle di misura M. Ruspa 43

44 RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Le radiazioni sono generate da Acceleratori lineari Ciclotroni Betatroni Radionuclidi In passato: Kilovoltage units, acceleratore di Van de Graaf M. Ruspa 44

45 ACCELERATORI CIRCOLARI Compattezza costruttiva Impiegati oltre che per la generazione di fasci terapeutici anche per la produzione di radioisotopi, ottenuti indirizzando contro un opportuno bersaglio il fascio estratto dall acceleratore. Ne parleremo durante il corso di Fisica delle Macchine per Medicina Nucleare M. Ruspa 45

46 RADIONUCLIDI: TELECOBALTOTERAPIA M. Ruspa 46

47 CHE COSA SI INTENDE PER SOSTANZA RADIOATTIVA? Una sostanza si definisce radioattiva se è costituita da atomi instabili che decadono emettendo radiazioni. ATTIVITA : numero di emissioni nell unita di tempo Nel Sistema Internazionale si misura in Gy 1 Gy = 1 emissione/1s Un unita di misura pratica molto diffusa e il Curie (Ci) 1 Ci = 3.7 x Gy M. Ruspa 47

48 PROCESSI DI DECADIMENTO per A molto elevati decadimento ALFA X A Z XA-4 Z-2 + He4 2 emissione di nuclei di elio per Z N decadimento BETA X A Z XA Z+1 + e- + ν emissione di elettroni o X A Z XA Z-1 + e+ + ν positroni nucleo in stato eccitato decadimento GAMMA X A Z * XA Z + γ emissione di fotoni M. Ruspa 48

49 Approfondiremo le leggi del decadimento radioattivo nel corso di Fisica delle Apparecchiature per Medicina Nucleare M. Ruspa 49

50 TELECOBALTOTERAPIA Radionuclidi come il radio 226, il cesio 137 e il cobalto 60 sono usati come sorgenti di raggi gamma per teleterapia. I raggi gamma sono emessi dal radionuclide che decade. radionuclide Energia (MeV) Attività specifica (Ci/g) Radio Cesio Cobalto , Di tutti i radionuclidi il cobalto 60 è quello che più si presta per teleterapia per la più alta attività specifica e la maggiore energia media dei fotoni emessi M. Ruspa 50

51 TELECOBALTOTERAPIA Il 60 Co viene prodotta irradiando 59 Co con neutroni in un reattore. Il 60 Co decade in 60 Ni con l emissione di particelle β di energia massima 1.32 MeV e di due fotoni di energie 1.17 e 1.33 MeV. La sorgente, usualmente di forma cilindrica (dimensioni di 1-2 cm) o di disco o di pallet, è contenuta all interno di capsule di acciaio inossidabile. I raggi β vengono assorbiti nelle capsule con conseguente emissione di fotoni di bremsstrahlung e di raggi X caratteristici. Questi ultimi, di energie medie di 0.1 MeV, non contribuiscono apprezzabilmente alla dose nel paziente perchè sono fortemente attenuati nel materiale della sorgente e della capsula. L altro contaminante sono i raggi γ di bassa energia prodotti dall interazione dei fotoni primari con la sorgente, la capsula, l alloggiamento della sorgente e il sistema di collimazione. Il fatto che la sorgente non sia puntiforme complica la geometria del fascio e dà origine alla cosidetta penombra geometrica M. Ruspa 51

52 Esercizio12: una sorgente di attività iniziale 5x10 10 Bq, che decade emettendo elettroni di energia 2.03 MeV, è posta al centro di una sfera di tessuto biologico di densità 1.5x10 3 kg/m 3 e raggio 10 cm, in grado di assorbire il 15% della radiazione emessa. Si calcoli il numero di elettroni emessi in un ora la dose assorbita nel tessuto in un ora M. Ruspa 52