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LE ONDE ELETTROMAGNETICHE Lunghezza donda: =vT= v/f v: velocità 3*10 8 m/s f: frequenzaes. 6*10 14 Hz T=1/f: periodo1 / 6*10 14 s = v/f = (3*10 8 m/s)/(6*10.

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1 LE ONDE ELETTROMAGNETICHE Lunghezza donda: =vT= v/f v: velocità 3*10 8 m/s f: frequenzaes. 6*10 14 Hz T=1/f: periodo1 / 6*10 14 s = v/f = (3*10 8 m/s)/(6*10 14 Hz)=5*10 -7 m=500 nm Intensità Intensità: lenergia che unonda trasporta attraverso una superficie A in un intervallo do tempo t: I=E/(A*t) (W/m 2 ) Periodo T

2 ONDE ELETTROMAGNETICHE: i fotoni I FOTONI I FOTONI privi di massa sono privi di massa e sono caratterizzati da ENERGIA E=h*f ENERGIA E=h*f QUANTITA DI MOTO p=(h*f)/c QUANTITA DI MOTO p=(h*f)/c con h 4* eV*s COSTANTE DI PLANCK Planck scoprì che lenergia di unonda elettromagnetica non può avere un valore qualsiasi, ma è un multiplo intero di unenergia minima chiamata quanto di luce o FOTONE

3 COSE unonda elettromagnetica? UN CAMPO ELETTRICO E GENERATO DA CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO; corrente campo magnetico + campo elettrico QUANDO ESSE SI MUOVONO, GENERANO UN CAMPO MAGNETICO CAMPO ELETTROMAGNETICO QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO VARIANO NEL TEMPO LA LORO COESISTENZA DA ORIGINE AD UN CAMPO ELETTROMAGNETICO

4 LO SPETTRO del CAMPO ELETTROMAGNETICO LO SPETTRO del CAMPO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde eV m Hz

5 IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO ALLA PROPAGAZIONE DI UNONDA ELETTROMAGNETICA RADIAZIONE E DESCRITTO DAL TERMINE RADIAZIONE LE RADIAZIONI SI SUDDIVIDONO IN E 12 eV Non hanno energia Hanno energia sufficiente sufficiente per per ionizzare latomo ionizzare latomo IONIZZANTINON IONIZZANTI (N.I.R.)

6 LE RADIAZIONI IONIZZANTI si suddividono in Direttamente ionizzanti costituite da particelle elettricamente cariche, come elettroni e protoni Indirettamente ionizzanti costituite da fotoni o neutroni che trasferiscono energia agli elettroni degli atomi

7 Fenomeno della IONIZZAZIONE + -+ Le radiazioni sono ionizzanti se, interagendo con un atomo, sono in grado di spezzare il legame tra un elettrone e il nucleo dellatomo e creare una coppia di ioni, uno negativo, lelettrone libero, e uno positivo, cioè latomo privo di elettrone Ciascun atomo stabile, in funzione del suo numero atomico Z (e dunque della sua configurazione elettronica) Energia di ionizzazione possiede una determinata Energia di ionizzazione : la minima energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo

8 Quando la radiazione cede allatomo energia sufficiente soltanto per passare dallo stato fondamentale ad un livello energetico superiore, (ma non tale da strappare un elettrone) si parla di eccitazione dellatomo in seguito a tale processo,latomo tende poi a tornare allo stato fondamentale e la differenza di energia tra il livello fondamentale e quello di eccitazione raggi X viene riemessa sotto forma di raggi X Energia eV N=1 N=2 L= 0 L= 1 fotone Fenomeno dell ECCITAZIONE

9 I RAGGI X 4*10 2 eV < ENERGIA < 4*10 6 eV < < m SONO ENERGIE CHE RIGUARDANO LE TRANSIZIONI TRA I LIVELLI ELETTRONICI DEGLI ATOMI IONIZZANTI LE RADIAZIONI INDIRETTAMENTE IONIZZANTI I RAGGI GAMMA ( ) 4*10 5 eV< ENERGIA < 4*10 7 eV SONO ENERGIE CHE SI TROVANO SOLTANTO ALLINTERNO DEI NUCLEI ATOMICI m <

10 COSA SUCCEDE QUANDO UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ? SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X N.FOTONI N= N 0 e - x N 0 = n° fotoni iniziale N = n° fotoni dopo spessore x : coefficiente di attenuazione lineare Un onda elettromagnetica (ossia un fascio di fotoni) attraversando un mezzo materiale cede a questo tutta o parte della sua energia. LEGGE dellattenuazione

11 L INTERAZIONE sarà diversa a seconda di: ENERGIA NATURA DEL MEZZO ( numero atomico, spessore) 3 SONO i PRINCIPALI FENOMENI di INTERAZIONE di un fascio di fotoni con un mezzo materiale: 1. Effetto fotoelettrico 2. Effetto Compton 3. Produzione di Coppie Dipendono dallenergia del fascio Generano elettroni liberi nel mezzo

12 1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V., X e ) INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA Un fotone, urtando con un atomo, viene assorbito dallatomo e TUTTA la sua energia è ceduta ad un elettrone legato, generalmente delle orbite più interne, che si libera dallatomo con una certa energia cinetica. La lacuna che si è creata viene riempita da un elettrone delle orbite più esterne, che salta ad un livello di energia inferiore e lenergia in eccesso viene emessa sotto forma di fotone detto di fluorescenza La probalilità di emissione del fotone è elevata per i materiali con alto numero atomico Z ENERGIA < 100 keV

13 2. EFFETTO COMPTON ( per X) FOTONE INCIDENTE ELETTRONE COMPTON FOTONE DIFFUSO 100 keV < ENERGIA< MeV Un fotone cede parte della propria energia ad un elettrone dellatomo (elettrone Compton). Lelettrone è emesso dallatomo e il fotone diffonde

14 Un fotone, interagendo con il campo coulombiano del nucleo, cede TUTTA la sua energia ELETTRONEPOSITRONE sono prodotti un ELETTRONE e un POSITRONE (elettrone con carica positiva) Al termine del suo percorso nel mezzo, il positrone si combina con un elettrone libero, FOTONI DI ANNICHILAZIONE dando origine a 2 FOTONI DI ANNICHILAZIONE 3. PRODUZIONE DI COPPIE 1.02 MeV < ENERGIA < 10 MeV

15 FOTONE INCIDENTE ( 1.02 MeV) ELETTRONE POSITRONE (0.51 MeV) ELETTRONE (0.51 MeV) FOTONI PRODUZIONE DI COPPIE

16 DAI 3 processi di interazione si producono quindi ELETTRONI liberi Queste particelle cariche ( carica e- = 1.6 * C), dotate di una certa energia assorbita dal fascio di fotoni incidenti, cedono a loro volta lenergia nel mezzo COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO? Fascio di FOTONI ELETTRONI Mezzo materiale

17 FRENAMENTO IONIZZAZIONE diretta Produzione di raggi X Energia < 1 MeV Energia > 1 MeV Z del materiale INTERAZIONE degli ELETTRONI CON la materia Energia persa in prossimità elettrone Energia persa a distanze maggiori Z 2 del materiale Z 2 del materiale Produzione di elettroni liberi:

18 Fenomeno della IONIZZAZIONE diretta Quando un elettrone, interagendo con un atomo, + - è in grado di spezzare il legame tra un elettrone e il nucleo dellatomo e creare una coppia di ioni, uno negativo, lelettrone libero, e uno positivo, cioè latomo privo di elettrone si parla di ionizzazione diretta. Il fascio di fotoni, che ha liberato gli elettroni a loro volta ionizzanti, di dice per questo INDIRIRETTAMENTE IONIZZANTE

19 IL PROCESSO DI FRENAMENTO Il percorso degli elettroni viene continuamente deflesso a causa della presenza del campo elettrico creato dai protoni degli atomi del mezzo Gli elettroni decelerano e dunque perdono energia sotto forma di raggi x detti di frenamento. Questo processo è chiamato Bremsstrahlung Bremsstrahlung (= frenamento) :è il fenomeno su cui si basa la produzione artificiale dei raggi x

20 DIVERSO PERCORSO DI FOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO fotone ACQUA elettrone Percorso elettrone 1/10 mm Percorso fotone 1/2 cm

21 SORGENTI delle radiazioni ionizzanti NATURALI Raggi cosmici Raggi cosmici Radionuclidi naturali ARTIFICIALI Tubo a raggi X Tubo a raggi X (diagnostica) (diagnostica) Acceleratore lineare Acceleratore lineare (radioterapia) (radioterapia) Radionuclidi Radionuclidi (Medicina nucleare) (Medicina nucleare)

22 GLI EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONI Cosa succede ad un organismo biologico quando viene colpito da una radiazione? Il Danno Biologico si distingue in 1.Danno FISICO 2.Danno CHIMICO Gli elettroni secondari sono i RESPONSABILI del DANNO BIOLOGICO

23 LE FASI DEI PROCESSI DI 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 dellorganismo

24 FASE FISICA Linterazione 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 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

25 Sistema biologico Raggi X Fotone diffuso elettrone FASE FISICA Energia della Radiazione EFFETTI Fotoelettrico Compton Coppie 10 kV 95% 5% - 25 kV 50% 50% kV - 100% - 20 MV - 50% 50% Ionizzazione, eccitazione

26 I principali fattori che influenzano la risposta biologica sono: : qualità della radiazione DOSE Linear Energy Trasfer (LET) TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA : quantità e rateo di radiazione assorbita Definiamo una serie di Grandezze dette DOSIMETRICHE che caratterizzano il campo di radiazione e il suo effetto sul tessuto biologico

27 LA DOSE ASSORBITA E lenergia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzanti in un elemento volumetrico di massa dm Si misura in Gray (Gy) 1 Gy= 1J/1Kg Quando un fascio incide su un paziente, la dose assorbita varia con la profondità e dipende: dal tipo di radiazione, dalla sua energia, dalla densità del mezzo attraversato D= dE/dm

28 Rappresenta lenergia (in KeV) trasferita dalla radiazione nellunità di percorso (usualmente in m) indica la capacità della radiazione di provocare ionizzazione Radiazione a BASSO LET (<10 KeV/ m) Radiazione ad ALTO LET (>100 KeV/ m) Il LET linear energy transfer : TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA

29 Radiazione a ALTO LET (>100 Kev/ m) Radiazione ad BASSO LET (<10 Kev/ m) PROTONI E NEUTRONIELETTRONI Massa maggiore Massa minore Velocità minore nel mezzoVelocità maggiore nel mezzo > DENSITA di IONIZZAZIONE < DENSITA di IONIZZAZIONE

30 ESPOSIZIONE L ESPOSIZIONE Si misura in C/kg E= dQ/dm Esprime la capacità della radiazione elettromagnetica di produrre ionizzazione (elettroni con carica elettrica dQ) in un elemento volumetrico di aria di massa dm

31 La radiazione incidente nel tessuto biologico oltre ad un danno direttamente letale per la cellula (fase FISICA), in seguito ai fenomeni di ionizzazione ed eccitazione genera delle specie chimiche altamente dannose per lorganismo MOLECOLE DACQUA Reazioni chimiche negli atomi dellorganismo FASE CHIMICA RADIAZIONE

32 AZIONE DIRETTAAZIONE INDIRETTA MODIFICAZIONE STRUTTURALE DELLE MOLECOLE formazione di radicali liberi molto reattivi con le altre molecole : RADIOLISI DELLACQUA - scissione di legami inter e intra molecolari - formazione di ponti inter e intra molecolari

33 REAZIONI DI RADIOLISI DELLACQUA H 2 O La radiazione causa ionizzazione: H 2 O + + e - H + + OH - OH - : radicale idrossilico H + : radicale idrogeno H + + H + H2H2 OH - + OH - H2O2H2O2 Molto reattiva chimicamente Lo ione H 2 O + si scinde in

34 Dalla RADIOLISI DELLACQUA si generano dunque: OH - : radicale idrossilico H + : radicale idrogeno e-e- attivi contro le basi del DNA RADICALI LIBERI

35 FASE BIOCHIMICA E BIOLOGICA LESIONI CELLULARI Rottura di un singolo filamento di DNA Rottura del doppio filamento di DNA Rottura della membrana nucleare CELLULA EFFETTI A LIVELLO ATOMICO-MOLECOLARE Rottura della membrana cellulare

36 Lesioni cellulari LESIONI CELLULARI (in 1 cellula: molecole) Al CORPO CELLULARE alterazione della permeabilità delle membrane cellulari Al NUCLEO - mutazioni geniche - aberrazioni cromosomiche Linterazione fisico-chimica della radiazione con il tessuto biologico genera delle LESIONI alle cellule Morte immediata o ritardata della cellula: EFFETTI LETALI Possibilità di recupero: (ricostruzione delle strutture atomico-molecolari reazioni chimiche inverse) EFFETTI SUBLETALI EFFETTI delle LESIONI CELLULARI

37 Per esempio le cellule e i tessuti embrionali e fetali presentano una maggiore radiosensibilità dei tessuti di un adulto come tutte le cellule checrescono e si riproducono più rapidamente Per le donne in gravidanza: esposizione a raggi X per diagnosi solo in casi eccezionali La radiosensibilità di una cellula, la suscettibilità di danno la suscettibilità di danno dipendono dalla fase del ciclo mitotico in cui la cellula si trova dalla funzione specifica della cellula dalla sua struttura molecolare.

38 Quali sono gli EFFETTI sullintero ORGANISMO UMANO provocati dallirradiazione Effetto : viene trasmesso e può manifestarsi nella progenie Effetto GENETICO : viene trasmesso e può manifestarsi nella progenie Effetto Stocastico : esiste una dose soglia al di sotto della quale non vi è danno : si limita al solo individuo Effetto SOMATICO : si limita al solo individuo colpito dalla radiazione colpito dalla radiazione Si distingue tra: E tra: Effetto Non Stocastico : non esiste una dose soglia

39 ESPOSIZIONE ACUTA ESPOSIZIONE FRAZIONATA PANIRRADIAZIONE (irradiazione totale) IRRADIAZIONE PARZIALE TIPOLOGIE DI ESPOSIZIONE Si possono avere diversi tipi di irradiazione:

40 IRRADIAZIONE ACUTA AL CORPO INTERO EFFETTO DOSE (Gy) sterilità permanente nel maschio > 4 sterilità permanente nella donna cataratta > 2 rischio di morte per sindrome del midollo osseo 2-10 (settimane) morte per sindrome gastrointestinale (giorni) morte persindrome del sistema nervoso centrale > 100 (ore) morte istantanea > 1000

41 LA RADIOTERAPIA Con il termine RADIOTERAPIA si intende luso di radiazioni ionizzanti altamente energetiche (fotini X o, elettroni, protoni) nel trattamento e cura dei tumori. La radiazione incidente sui tessuti neoplastici distrugge le cellule tumorali Irradiare la regione neoplastica con una DOSE elevata senza danneggiare irreparabilmente gli organi sani adiacenti

42 La RADIOTERAPIA può essere: PRE OPERATORIA (sul volume neoplastico) POST OPERATORIA (sul volume a rischio) RADICALE ESCLUSIVA (sul volume neoplastico + volume a rischio) PALLIATIVA (sul volume neoplastico o una sua parte)

43 Cosa si irradia ? GROSS TUMOR VOLUME CLINICAL TARGET VOLUME PLANNING TARGET VOLUME TREATED VOLUME IRRADIATED VOLUME

44 RAZIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA Fotoni di alta energia ( MeV) : raggiungono regioni profonde Elettroni ( MeV) : raggiungono regioni poco profonde e poi si attenuano rapidamente nel tesssuto Protoni ( MeV) : depositano la maggior parte della dose in profondità Le radiazioni sono generate da 1. Acceleratori lineari ad uso medico (fotoni, elettroni) 2.Sincrotroni (protoni) 3.Tubi radiogeni DISTRETTO CORPOREO polmone mammella fotoni da 18 MV fotoni da 6 MV neoplasie superficialielettroni ( MeV) ESEMPIO

45 Comè fatto un ACCELERATORE LINEARE ? STAND STAND: produzione di microonde LETTINO PORTAPAZIENTE GANTRY TESTATA GUIDA ACCELERANTE isocentro

46 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN ACCELERATORE LINEARE accelerazione degli elettroni raggi X o elettroni Cannone di elettroni ( per effetto termoionico) GUIDA ACCELERANTE MAGNETE INCURVANTE della traiettoria degli elettroni TESTATA Generatore di MICROONDE di alta potenza

47 FASCIO DI ELETTRONI COLLIMATORE variabile elettroni DIMENSIONI del CAMPO DI TRATTAMENTO GENERAZIONE del FASCIO di ELETTRONI

48 FASCIO DI FOTONI BERSAGLIO DI ELEVATO Z COLLIMATORE variabile elettroni Produzione di FOTONI per FRENAMENTO DIMENSIONI del CAMPO DI TRATTAMENTO GENERAZIONE del FASCIO di FOTONI

49 LE FASI DI UN TRATTAMENTO RADIOTERAPICO: 1.Individuazione della regione anatomica da irradiare (Volume bersaglio) attraverso esame diagnostico (TAC, risonanza magnetica, ecografia) 2.Scelta del tipo di radiazione (fotoni, elettroni) 3.Definizione del trattamento attraverso il calcolatore elettronico: costruzione del PIANO DI TRATTAMENTO. Il Piano di trattamento deve erogare la massima dose possibile al volume malato risparmiando i tessuti sani 4.Realizzazione del trattamento (Dose totale erogata in una o più sedute di trattamento)

50 IRRADIAZIONE con lACCELERATORE LINEARE Realizzazione del PIANO DI TRATTAMENTO Paziente che deve essere sottoposto a radioterapia con fasci esterni CT per localizzare la zona neoplastica Simulazione del trattamento per verificare la posizione del paziente rispetto al fascio di trattamento Simulatore Nuova simulazione in base al piano di trattamento

51 COME SI REALIZZA UN CORRETTO PIANO DI TRATTAMENTO ? Sistema computerizzato dedicato 1-sono inserite le immagini CT 2- il radioterapista disegna il volume da irradiare e indica la dose da erogare 3- il fisico decide: tipo di radiazione energia numero, direzione, dimensioni campi

52 il tecnico imposta: tipo di radiazione energia numero, direzione, dimensioni campi eventuali modificatori del fascio tempi calcolati dal sistema computerizzato decisi dal fisico computer connesso allacceleratore il paziente viene irradiato ESECUZIONE DEL TRATTAMENTO

53 Esempio di immagine TAC, inserita nel sistema computerizzato volume bersaglio campi di trattamento

54 Il sistema di piani di trattamento calcola i valori di dose assorbita in ogni punto del volume irradiato distribuzioni di dose

55 Per migliorare la distribuzione della dose al vlume bersaglio si può: 1.Utilizzare una tecnica a più campi contrapposti: la regione viene irradiata non con un unico campo di irradiazione bensì con diversi fasci 2.Utilizzare spessori (in materiale tessuto equivalente) o fasci schermati in alcune parti (Acceleratori MULTILAMELLARI) per schermare in parte o del tutto gli organi critici altrimenti irradiati 3.Utilizzare modificatori del fascio (cunei) per rendere la dose più omogenea

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60 MODIFICATORI DEL FASCIO MODIFICATORI DEl FASCI posti sotto la testata

61 BLOCCHI in piombo o COLLIMATORI MULTILAMELLARI MULTILAMELLARI PER RISPARMIARE ORGANI O TESSUTI SANI LIMITROFI : VOLUME TUMORALE lamelle VOLUME TUMORALE campo di irradiazione


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