"Principi fisici alla base Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapia "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" Michele Guida Dipartimento di Fisica “E. R. Caianiello” e Facoltà di Ingegneria Università e I.N.F.N., Salerno guida@sa.infn.it 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Capitolo 4 “Interazione radiazione-materia” Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapia Capitolo 4 “Interazione radiazione-materia” 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA Radiazioni ionizzanti Interazione di particelle cariche: range perdita di energia per ionizzazione perdita di energia per radiazione Interazione di particelle neutre: neutroni fotoni: effetto fotoelettrico effetto Compton produzione di coppie attenuazione strato emivalente 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Radiazioni ionizzanti Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energia alla struttura atomica/molecolare del materiale attraversato. Se l’energia ceduta è sufficiente (radiazioni ionizzanti: E  100 eV), si verificano nel materiale effetti distruttivi (frammentazioni, rotture di legami, ionizzazione,...). Radiazioni ionizzanti: elettromagnetiche (m=0, E=hn)  raggi X e g corpuscolari (m>0, E= ½ mv2)  particelle a, b, p, n,... Particelle cariche: a, b±, p  ionizzazione diretta degli atomi del mezzo Particelle neutre: n, X, g  ionizzazione indiretta tramite produzione di particelle cariche secondarie 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Interazione di particelle cariche Tutte le particelle cariche (e±, p, a, nuclei) interagiscono principalmente a causa delle interazioni coulombiane con gli elettroni del mezzo attraversato, perdendo rapidamente la loro energia cinetica. La perdita di energia della particella carica appare principalmente sotto forma di ionizzazione ed eccitazione del mezzo attraversato. L’energia cinetica ceduta dalla particella è praticamente tutta assorbita dal mezzo a una distanza caratteristica, che dipende dalle caratteristiche della particella incidente e del mezzo attraversato. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Range Range = distanza media percorsa dalla radiazione incidente nella materia In generale, indica la capacità di penetrare a fondo nella materia. E’ ovviamente tanto più alto quanto maggiore è l’energia (una particella si ferma quando esaurisce la propria energia). Per un fascio di particelle cariche di data energia, si verifica sperimentalmente che il numero di particelle trasmesse rimane pressoché costante fino a un certo spessore, dopo il quale crolla bruscamente. N0 x <r> N0/2 Range medio <r> distanza percorsa dal 50% delle particelle 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Range ed energia di particelle diverse 0.01 0.1 1 10 100 1000 (MeV) (cm) R(E)H2O E scala logaritmica scala logaritmica e elettroni p protoni alfa Dipendenza del range dall’energia in acqua (~ tessuto biologico) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

dE/dx dE/dx  energia/lunghezza (dE/dx)/r Ionizzazione specifica / potere frenante / stopping power = perdita di energia per unità di percorso dE/dx  energia/lunghezza Misurata in eV/cm (spesso keV/mm o MeV/mm) Dividendo per la densità del mezzo r: (dE/dx)/r misurata in MeV·cm2/g Fenomeno statistico: perdita di energia diversa a ogni singolo urto Straggling = fluttuazioni energetiche Per particelle cariche pesanti (p,a): (dE/dx)/r  (q2/v2)·(Z/A) dipende quasi solo (Z/A~ cost ~ 0.5) dalla particella incidente (carica e velocità) Elettroni: Piccola massa  grandi deviazioni traiettoria a zig-zag  range molto variabile Particelle cariche pesanti: Grande massa  piccole deviazioni traiettoria quasi rettilinea  range quasi costante (dE/dx)a ~ 4 (dE/dx)p 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

LET Trasferimento Lineare di Energia LET = T/R Rapporto tra l’energia totale T trasferita alla materia lungo un cammino e la lunghezza R del cammino percorso LET = T/R (misurato in keV/mm, MeV/mm) Alto LET  alta densità di ionizzazione  alta probabilità di colpire e danneggiare un sito biologico Grande variabilità: elettroni: pochi keV/mm a: diverse centinaia di keV/mm 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Bremsstrahlung Le particelle cariche perdono energia, oltre che per ionizzazione, anche per irraggiamento (“radiazione di frenamento” o bremsstrahlung) Questo processo è particolarmente importante per gli elettroni. Essi sentono forte repulsione coulombiana dagli elettroni atomici, possono perdere anche notevoli quantità di energia a ogni urto e venire fortemente deviati. Pertanto subiscono successive accelerazioni e decelerazioni, e –come tutte le particelle cariche accelerate– emettono radiazioni elettromagnetiche, sotto forma di fotoni di energia hn, sempre minore o al limite uguale all’energia degli elettroni incidenti. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Interazione di particelle neutre Al contrario delle particelle cariche, neutroni e fotoni possono essere assorbiti completamente in un’unica collisione (il neutrone da un nucleo, il fotone da un elettrone atomico o da un nucleo). Al contrario delle particelle cariche, non esistono distanze che fotoni o neutroni non possano attraversare. L’assorbimento di neutroni e fotoni nella materia – e quindi l’attenuazione di un fascio - ha un comportamento probabilistico. Neutroni: Cattura neutronica Urti elastici Urti anelastici Fotoni: Effetto fotoelettrico Effetto Compton Produzione di coppie 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Classificazione delle interazioni secondo l’energia dei neutroni: freddi (E~meV), termici (E≤0.01 eV), epitermici (E≤100 keV), veloci (E~MeV) Cattura neutronica: n + AZX  A+1ZX spesso seguita da decadimento g ( reazioni n.g o di cattura radiativa) spesso con nucleo finale radioattivo più probabile a bassa energia (~ 1/E2) I materiali sottoposti a bombardamento neutronico diventano radioattivi! Es. n+147N  146C + p +0.63 MeV  rilascio energia nel corpo umano n+105B  73Li + a +2.79 MeV  Boron Neutron Cancer Therapy Urti con nucleoni: cessione di energia a protoni eccitazione dei nuclei con successiva emissione di raggi g In tutti i processi l’effetto è la ionizzazione secondaria 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Assorbimento/Attenuazione Un fascio di N0 fotoni, attraversando uno spessore Dx di materiale, viene attenuato in quanto i singoli fotoni vengono assorbiti o deviati secondo i tre processi descritti. Fascio primario N0 P Fascio attenuato Fotoni diffusi Attenuatore Dx N Il no di fotoni che interagiscono nello spessore di materiale Dx (e che quindi vengono sottratti al fascio originario) è DN  -N0Dx DN = - m N0 Dx Il numero di fotoni ancora presenti nel fascio alla profondità x è: N(x) = N0 e-mx …come nella legge del decadimento radioattivo! 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Assorbimento esponenziale 25 50 75 100 intensità trasmessa (%) I 1/m Io/e spessore x I(x) I(x+Dx) Dx x X, g x = 0 m = coefficiente di attenuazione lineare del materiale (cm-1) 1/m = spessore dopo il quale il fascio si riduce a I0/e = 37% I0 Dipende dal materiale e dall’energia del fascio Non esistono spessori che fermano totalmente il fascio! m/r = coefficiente di attenuazione di massa del materiale (cm2/g) Dipende quasi soltanto dall’energia del fascio 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

…come tempo di dimezzamento! Strato emivalente 1/m = spessore dopo il quale rimane il 37 % dell’intensità del fascio (=1/e) Strato emivalente x1/2 = spessore dopo il quale rimane il 50 % dell’intensità del fascio x1/2<1/m x1/2 n(t) x 0.50 n0 0.37 n0 n0 Relazione tra 1/m e x1/2: n(x1/2) = n0/2 = n0 e-mx1/2 e-mx1/2 = 1/2 -mx1/2 = ln ½ = -ln2 = -0.693 x1/2 = 0.693/m …come tempo di dimezzamento! 1/m 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Lo spessore di dimezzamento Si definisce lo spessore di dimezzamento X1/2 come lo spessore di un certo materiale che dimezza l’intensità della radiazione  che attraversa il materiale stesso. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Lo spessore di dimezzamento I = I0 : 2 n I0 = intensità di esposizione iniziale (a monte dello schermo protettivo) n = numero di spessori di dimezzamento di cui si compone lo schermo I = intensità di esposizione risultante (a valle dello schermo protettivo) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Lo spessore di dimezzamento MATERIALE Co 60 Cs 137 I 131 Ra 226 Piombo 1,1 cm 0,9 cm 0,4 cm 1,4 cm Ferro 1,8 cm 1,5 cm 1,1 cm 2,3 cm Calcestruzzo 5,4 cm 4,6 cm 3,2 cm 7,1 cm Mattoni 6,2 cm 5,8 cm 3,6 cm 8,2 cm Acqua 12,5 cm 11 cm 7,3 cm 16,5 cm Legno 18 cm 16 cm 10,3 cm 23,5 cm 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Assorbimento complessivo 1 keV 1 MeV 1 GeV E 106 103 1 10 eV m (u.a.) rame Cu (Z=29) mfotoel. mCompton mcoppie mtotale = mfotoel + mCompton + mcoppie mfotoel  r Z4/E3 mCompton  r Z/E mcoppie  r Z2 lnE RAGGI X : ASSORBIMENTO 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Assorbimento in diversi materiali 0.01 (MeV) 0.1 1 10 100 m/r (cm2/g) E piombo calcio acqua m/r = coefficiente di attenuazione di massa del materiale (cm2/g) Quasi indipendente dal tipo di materiale Es. raggi X da 25 keV L’intensità si riduce di un fattore 7 (~14%) in 30 m di ossigeno oppure 0.12 mm di rame 32 mm di piombo 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" E

percorsa nella materia Penetrazione (range) Range R (E) = distanza media percorsa nella materia Radiazioni a,b,g in diversi materiali... ... e nel corpo umano (impiego terapeutico) 10 20 cm g da 60Co g da elettroni protoni E=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Schermi protettivi 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Rilascio energia in tessuto biologico 10 20 cm profondità di tessuto 1 2 3 4 unità relative (cute=1) X 200 keV elettroni 22 MeV g 1.3 MeV (60Co) g 22 MeV protoni 200 MeV picco di Bragg protoni con modulaz. energia Rilascio di energia di diverse radiazioni in tessuto biologico 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

RADIAZIONI Ionizzanti LE RADIAZIONI IONIZZANTI PROVOCANO: TUMORE DELLA MAMMELLA (sopravissute alle bombe, trattamento con raggi X per mastite, fluoroscopie nel trattamento per tubercolosi). TUMORE DEL POLMONE (sopravissuti alle bombe, trattamento per spondilite anchilosante, esposizione a gas radon dei minatori). TUMORE DELLA TIROIDE (sopravissuti alle bombe, bambini trattati con radioterapia per malattia del timo o per tigna, esposizione a gas radon dei minatori). TUMORE DELLO STOMACO E DEL COLONRETTO (sopravissuti alle bombe, trattamento per spondilite anchilosante). ALTRI TUMORI ASSOCIATI: TUMORE DEL FEGATO, CANCRO OSSEO, MIELOMA MULTIPLO, LEUCEMIA 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Particelle alfa ed altri ioni… Possono essere emesse da sostanze radioattive o dagli acceleratori per radioterapia… Attraversando un materiale seguono una traiettoria rettilinea perdendo la loro energia cinetica (e quindi ionizzando gli atomi) in tutto il percorso. Quasi tutta l’energia viene persa quando la particella è quasi ferma 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

… Si può quindi definire uno spessore di materiale (range) sufficiente a bloccare tutte le particelle di una data energia 1 Questo tipo di radiazioni ha ranges molto piccoli: SONO MOLTO FACILI DA SCHERMARE (in genere bastano pochi mm di materiale) Range (mm) 0,1 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" 0,01

Elettroni… Possono essere prodotti da sostanze radioattive, da acceleratori ma anche da tubi per raggi x. Attraversando un materiale perdono energia con una sequenza continua di urti ma, poiché sono molto leggeri (un protone “pesa” circa 2000 volte più di un elettrone) seguono una traiettoria casuale e non è possibile definire con precisione un range come per le particelle cariche più pesanti. Inoltre gli elettroni irraggiano, cioè producono x e gamma 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

… Anche in questo caso comunque gli spessori di materiale attraversati sono relativamente brevi: elettroni da circa 20 MeV sono assorbiti in circa 10 cm di acqua, le particelle b vengono fermate in 1-2 cm di acqua. Tubo a raggi x Circa 0,1 mm 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Schermature particelle cariche : nessun problema : conviene usare materiali leggeri in questo modo si riduce la produzione di fotoni piombo, ferro, rame … plexiglass 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Tracce di particelle cariche Path length: actual traveling distance. Range: actual depth of penetration. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Interazioni delle particelle indirettamente ionizzanti con la materia Le particelle indirettamente ionizzanti, principalmente raggi X fotoni e neutroni, interagendo con la materia, mettono in moto particelle cariche secondarie, a loro volta effettivi responsabili della cessione di energia alla materia. Gli effetti quindi di questo tipo di radiazioni sono gli effetti dei secondari carichi prodotti. I principali processi di interazione della radiazione elettromagnetica con la materia si possono dividere in: processi di assorbimento e processi di diffusione. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Interazioni delle particelle indirettamente ionizzanti con la materia 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Assorbimento fotoelettrico Diffusione Compton Creazione di coppie Esaminiamo con maggior dettaglio i seguenti tipi di interazione dei fotoni con la materia: Assorbimento fotoelettrico Diffusione Compton Creazione di coppie 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Fotoni Tre processi principali: Effetto fotoelettrico: Interazione con elettroni atomici interni Effetto Compton: Interazione con elettroni atomici esterni Produzione di coppie: Interazione con campo coulombiano del nucleo dipendenza da: energia dei fotoni Z del materiale 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

radiazione gamma (fotoni) - materia Interazione radiazione gamma (fotoni) - materia Effetto fotoelettrico produzione di coppie e+e- Effetto Compton 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Effetto fotoelettrico Come misurarlo? Cosa succede? La spiegazione di Einstein La luce mostra la sua natura corpuscolare: per spiegare l’effetto fotoelettrico occorre introdurre i fotoni, quanti di luce che si comportano come particelle. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Effetto fotoelettrico Un fotone di energia E = h interagisce con un atomo cedendo in pratica tutta la sua energia ad uno degli elettroni più strettamente legati. L’elettrone viene quindi espulso dall’atomo con un’energia cinetica Ek Ek = h - Eb Eb è l’energia di legame dell’elettrone orbitale. In seguito all’espulsione dell’elettrone e del riassestamento dei livelli elettronici viene emesso un raggio X caratteristico. Sia il fotoelettrone che i raggi X caratteristici sono assorbiti nel mezzo dove l’effetto si è prodotto. L’effetto fotoelettrico è proporzionale a Z5 del mezzo e inversamente proporzionale a E3. L’effetto fotoelettrico è molto pronunciato in materiali densi e a basse energie ( E≤0.5 MeV). 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Diffusione Compton Si tratta di una collisione inelastica tra un fotone ed un elettrone libero. Nell’interazione il fotone viene deflesso dalla sua direzione iniziale con cambiamento di lunghezza d’onda e quindi di energia. La differenza d’energia tra il fotone incidente e quello deflesso viene impartita all’elettrone. La diffusione Compton e’ importante fra 0.5 e 1 MeV ma predomina fino a 4 MeV. La diffusione Compton e’ proporzionale a Z e inversamente proporzionale a E. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Produzione di Coppie Un fotone interagisce con il campo elettrostatico che circonda una particella carica (normalmente un nucleo atomico, ma anche con minor frequenza un elettrone). In tal caso il fotone scompare dando origine ad una coppia di elettroni di segno opposto (un elettrone e un positrone). Affinché il processo sia energeticamente possibile, il fotone deve possedere un’energia almeno doppia di quella equivalente alla massa a riposo dell’elettrone ( m0c2 = 0,511 MeV). 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Produzione di Coppie L’energia del fotone in eccesso di 2 m0c2, nel caso di produzione di coppie, viene distribuita sotto forma di energia cinetica tra le due particelle della coppia. Solo una quantità trascurabile ne viene ceduta al nucleo. Le particelle della coppia (elettrone e positrone) dissipano entrambe la loro energia cinetica in ionizzazione ed eccitazione degli atomi della materia: solo il loro destino finale è diverso! 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Produzione di Coppie Cioè mentre l’elettrone, esaurita la sua energia cinetica, entra a far parte della popolazione degli elettroni liberi o legati negli atomi, il positrone si combina con un elettrone annichilandosi. Le due particelle infatti scompaiono e la loro massa è convertita in due fotoni aventi ciascuno un’energia di 0,511 MeV ed emessi in direzione opposta, per il principio della conservazione della quantità di moto. Questo effetto è proporzionale a Z2 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Schermature fotoni Piombo Calcestruzzo Z5 (fotoelettrico) probab. interazione  Z (Compton) Z2 (prod. coppie) spessore N  = coefficiente di attenuazione/assorbimento  = 1/ = libero cammino medio 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Interazione neutroni - materia q = 0  solo interazioni nucleari diffusione – rallentamento - cattura  p  n A 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Schermature neutroni  = sezione d’urto macroscopica N spessore N  = sezione d’urto macroscopica La massima perdita energia si ha quando: mA  mn materiali idrogenati materiali leggeri calcestruzzo o paraffina “borata”, “litiata” 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Le radiazioni elettromagnetiche (raggi x e raggi γ) e quelle corpuscolate (α, β, protoni e neutroni) sono tutte cancerogene. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Carcinoma della tiroide; Negli esseri umani esiste una gerarchia nella tendenza dei diversi tessuti a sviluppare neoplasie indotte da radiazioni: Leucemie; Carcinoma della tiroide; Tessuti della mammella, del polmone e delle ghiandole salivari; Tessuti della cute, delle ossa e del tratto gastrointestinale. Le radiazioni possono agire sul DNA sia direttamente sia indirettamente: 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Come la radiazione causa danni biologici ? + - la radiazione di alta energia rompe i legami chimici. si creano radicali liberi, come quelli prodotti o da altri agenti nocivi o nel corso dei normali processi cellulari all’interno dell’organismo. I radicali liberi possono modificare gli elementi chimici. Queste modifiche sono in grado di danneggiare le funzioni cellulari e e di distruggere le cellule stesse. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Effetti dei danni al DNA La più importante struttura molecolare che può subire modificazione da parte della radiazione è il DNA! Effetti dei danni al DNA Aberrazioni Cromosomiche A volte il danno interessa l’intero cromosomo, producendo la sua rottura o ricombinazione in maniera anomala. A volte l’effetto è la combinazione di due cromosomi diffrenti. Distruzione delle cellule Il DNA danneggiato può innescare apottosi, ovvero una programmata morte cellulare. Se ciò coinvolge solo poche cellule, ciò impedisce la riproduzione del DNA danneggiato e quindi protegge il tessuto. Espressione genica Un gene può “rispondere” alla radiazione modificando il segnale per la produzione di proteine, la cui funzione può essere o di tipo protettivo o di danneggiamento. Instabiltà genomica A volte il danno al DNA produce modifiche posteriori che possono contribuire alla formazione di cancro. Mutazioni geniche A volte un gene specifico è modificato in maniera tale di divenire incapace a produrre le proteine corrispondenti in maniera appropriata. Studi scientifici mostrano che, in condizioni normali, gran parte dei danni al DNA indotti dalla radiazione viene riparata dall’organismo. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Patologie da radiazione Cancro In che modo questo danno prodotto dalla radiazione ionizzante influenza il nostro organismo? Sufficienti alterazioni genetiche Sufficiente distruzione cellulare Patologie da radiazione Cancro 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Usi della radiazione ionizzante Conservazione degli alimenti Sterilizzazione medica Raggi X per la Medicina e l’Industria Produzione di Isotopi Medicina Nucleare Radioterapia Produzione di Energia Nucleare Trattamento dei liquami fognari Illuminazione artificiale Rivelatori di Fumo 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

EFFETTI DELLE RADIAZIONI EFFETTI SOMATICI DOSE ASSORBITA EFFETTI STOCASTICI La stessa dose assorbita di differenti radiazioni può produrre diversi livelli di danno biologico, per questo viene introdotta la grandezza DOSE EQUIVALENTE H = Q D, con Q fattore di qualità dipendente essenzialmente dal L.E.T. L.E.T.=Trasferimento lineare di energia E.B.R. = Efficacia Biologica Relativa LET EBR Q Unità di misura di H: Sv (Sievert) =J/kg 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

FATTORE DI QUALITA’ LET in acqua (keV/mm) Fattore di qualità Q < 3.5 1 7 2 23 5 53 10 >175 20 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

DOSE EFFICACE Ht = Qt Dt Dose media equivalente ad un organo HE = Equivalente di dose efficace, ora Dose Efficace Valori limiti annuali raccomandati da ICRP 60 per la Dose Efficace: Intera Popolazione: 1 mSv Lavoratori Esposti: 20 mSv 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

ORDINI DI GRANDEZZA Dose totale assorbita in un trattamento radioterapico 60 Gy (es. 30 frazioni da 2 Gy, 5 volte alla settimana) Dose assorbita in un esame RX diagnostico qualche mGy (in superficie) Dose Efficace dell’ordine dei 100mSv/mGy Dose assorbita in esame di Medicina Nucleare (es.scintigrafia ossea) Dose superfici ossee 10.5 mGy Midollo osseo 1.22 mGy Dose (total body) 1.03 mGy Dose efficace 1.82 mSv Dose efficace annuale da sorgenti di radiazione naturale 2.0 mSv (in aree particolari si può arrivare a circa 17 mSv) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Esposizione a sorgenti radioattive Si distingue tra irradiazione esterna e contaminazione interna. Nel primo caso si intende l’esposizione alle radiazioni emesse dalla sorgente senza contatto tra la persona esposta e la sorgente. Nel secondo caso la sostanza radioattiva può depositarsi sulla pelle, o venire inalata e/o ingerita restando depositata nell’organismo.. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Macchine radiogene Sono sostanzialmente i tubi a raggi X e gli acceleratori di particelle Tre informazioni essenziali: Quando sono “spente” non emettono radiazioni (SALVO ATTIVAZIONE DEI MATERIALI) Quando sono “accese” producono flussi di radiazioni molto intensi e in direzioni ben precise: non basta stare distanti…bisogna evitare di sostare nella direzione del flusso. Possono dare solo irradiazione esterna 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Come ci si protegge ? Sostanzialmente in quattro modi: Mantenendo la maggior distanza possibile tra sorgente radioattiva ed operatore (il numero di radiazioni che mi può investire diminuisce quadraticamente con la distanza) Minimizzando i tempi di esposizione alla sorgente radioattiva Schermando le radiazioni con “pareti” di materiale opportuno (piombo e calcestruzzo, solitamente) Seguendo le disposizioni dell’Esperto Qualificato 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

La dosimetria Ogni singola radiazione che colpisce un organismo biologico provoca alterazioni a livello cellulare e quindi un danno. Le conoscenze attuali portano a ritenere che il danno aumenti linearmente con l’intensità della radiazione che investe un organismo senza alcuna soglia minima: Ma come si misura il danno potenziale ? Danno Intensità della radiazione 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Dose Equivalente = DE = D x Q … Quindi: Dose Equivalente = DE = D x Q e si misura in Sievert 1 Sv = 1 Joule per chilogrammo (Q non ha dimensioni) Prima si usava, per misurare DE, il rem: 1 rem = 0.01 Sv. Attenzione: per raggi X, raggi gamma ed elettroni Q=1 quindi DE=D: Dose e Dose Equivalente coincidono. Invece Q è maggiore di 1 per neutroni (Q= 5-20), protoni (Q=5) e particelle alfa (Q=20) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

L’esposizione si misura in Roentgen (R): Per misurare i livelli di radiazione intorno a tubi a raggi X si utilizza, talvolta, una grandezza, chiamata ESPOSIZIONE, definita come il numero di atomi ionizzati dalla radiazione X in aria. Questa grandezza, con una serie di calcoli, può essere convertita in Dose Equivalente e , limitatamente al caso dei raggi X, può essere utilizzata per valutare il danno biologico. Era stata introdotta in passato perché la tecnologia non consentiva di costruire strumenti che misurassero direttamente la dose. In ogni caso è usata ancora oggi perché la si misura facilmente e con strumenti di costo relativamente basso. L’esposizione si misura in Roentgen (R): 1 R = 0.000258 Coulomb per Kg di aria, equivalenti a 2 miliardi di atomi ionizzati per cc di aria 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

L’esposizione L’esposizione è definita come la quantità di ionizzazione che una radiazione gamma produce in aria. L’unità di misura è il Coulomb/Kg (C/Kg) che equivale alla formazione in aria di circa 8 miliardi di coppie di ioni. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

La dose assorbita Rappresenta la quantità di energia che la radiazione cede alla materia L’unità di misura è il GRAY (Gy) che equivale al passaggio di 1 Joule di energia per kg di materia 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Un esempio DE = 1 mSv/anno Sorgente 60Co da 100 Ci esposizione continua per 1 anno alla distanza di 1,5 m Per confronto: Fondo naturale: 1.5 mSv/anno Impiego sanitario: 1 mSv/anno probab. danno somatico “grave” 5·10-2 per Sv  5·10-5 per mSv probab. danno genetico 1,3·10-2 per Sv  1.3·10-5 per mSv 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Azione mutagena dei raggi X il numero delle mutazioni legate al sesso aumenta linearmente con la dose somministrata il numero di mutazioni è cumulativo 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" by GP&NA

Carico da radiazione naturale nell’uomo sorgente di radiazione dose in mSv/anno radiazioni naturali 0,82 radiazione cosmica 0,28 radioisotopi nel corpo 0,28 altre radiazioni 0,26 radiazioni dovute alla civilizzazione 0,35 esami radioscopici 0,20 radiofarmaci 0,02-,04 irradiazione da raggi X dovuti a 0,04-,05 televisione, radiazione da edifici 0,04-,05 inquadramento da test armi nucleari 0,04-,05 centrali nucleari 0,01 aereo 0,004-,008 TOTALE ca. 1,17 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" by GP&NA

Origine delle mutazioni spontanee Non esiste una quantità adeguata di radiazioni di fondo (raggi cosmici, materiali radioattivi terrestri) sufficiente per spiegare i tassi di mutazione osservati nella maggior parte degli organismi. Ad esempio, in Drosophila, il tasso di mutazione spontanea è circa 1300 volte quello atteso considerando l’intensità delle radiazioni naturali e quindi hanno piccola responsabilità nella determinazione delle mutazioni spontanee. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" by GP&NA

Radiazioni ionizzanti e conseguenze Le radiazioni ionizzanti penetrano nei tessuti in notevole profondità. Nel loro percorso collidono con gli atomi che incontrano e determinano il rilascio di elettroni e la formazione di ioni carichi positivamente. Questi collidono con altre molecole e quindi si liberano ulteriori elettroni e così via. Si forma quindi un cono di ioni lungo il percorso di ogni raggio ad alta energia attraverso i tessuti viventi. Le radiazioni ionizzanti possono provocare rotture cromosomiche e quindi sia riarrangiamenti cromosomici che mutazioni puntiformi. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche" by GP&NA

Radioattività naturale presente nel corpo umano Nuclide (N) massa totale attività totale ingestione giornaliera di N di N di N Uranium 90 µg 1.1 Bq 1.9 µg Thorium 30 µg 0.11 Bq 3 µg Potassium-40 17 mg 4.4 kBq 0.39 mg Radium 31 pg 1.1 Bq 2.3 pg Carbon-14 95 µg 15 kBq 1.8 µg Tritium 0.06 pg 23 Bq 0.003 pg Polonium 0.2 pg 37 Bq 0.6 µg 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Biologia e Radazione 30-100 miliardi di cellule a rischio LD/50 = 4 Gy 4 Gy = 67 calorie 67 calorie = 3 ml sorso di caffè a 60°C 30-100 miliardi di cellule a rischio Differenti tipi di cellule Differenti cicli cellulari Differenti bersagli cellulari 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

L.E.T. TIPO DI RADIAZIONE LET (keV/mm) raggi X da 25MeV 0.2 radiazione da 60Co 0.25 elettroni da 1 MeV 0.3 raggi X per diagnostica 3 fotoni da 10 MeV 4 neutroni veloci 50 alfa da 5 MeV 100 nuclei pesanti 1000 For monoenergetic particles, tracks would be similar and LET is meaningful. That is not practically true for most radiation. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Limiti di dose Popolazione: DE < 1 mSv/anno Categoria B: DE < 6 mSv/anno Lavoratori esposti Categoria A: DE < 100 mSv in 5 anni DE < 20 mSv/anno Zona CONTROLLATA: dove è possibile assorbire una DE > 6 mSv Zona SORVEGLIATA: dove è possibile assorbire una DE > 1 mSv 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Principali compiti dell'Esperto Qualificato (E.Q.) Effettuare la delimitazione delle zone controllate e sorvegliate Classificare il personale esposto Eseguire i progetti radioprotezionistici Effettuare i controlli sui dispositivi di sicurezza Effettuare i controlli dosimetrici nei luoghi di lavoro Valutare la dose assorbita dai lavoratori Istituire i documenti di radioprotezione (registri e schede dosimetriche) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

In conclusione… Informarsi sempre sul tipo di sorgente di radiazione utilizzata Limitare l’esposizione al minimo Seguire scrupolosamente le disposizioni dell’EQ per l’uso e la conservazione delle sostanze radioattive e delle macchine radiogene specie quando si opera in altri laboratori Comunicare immediatamente al medico autorizzato qualunque cambiamento significativo della salute (in particolare lo stato di gravidanza) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

… Il principio della “linearità senza soglia” porta a limitare, in qualunque attività,l’esposizione alle radiazioni al livello minimo possibile (principio ALARA) Oggi si conoscono i livelli di esposizione che con certezza portano a patologie gravi. Si conosce anche (ma con maggiori margini di incertezza) la probabilità che esposizioni a piccole quantità di radiazione possano far insorgere nel tempo diversi tipi di patologie. La legislazione della radioprotezione fissa regole per evitare i danni certi e limitare quelli probabili entro livelli di accettabilità. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

La DOSE Il danno biologico si identifica (in prima approssimazione) con una grandezza che si chiama DOSE = D = energia dissipata da radiazioni ionizzanti per unità di massa e si misura in Gray: 1Gray = 1 Gy = 1 Joule per chilogrammo. In passato si usava un’unità di misura diversa (che molto spesso ancora compare su tabelle e strumenti) e cioè il rad: 1 rad = 0.01 Gy 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

La Dose Equivalente Il danno biologico è proporzionale alla dose solo in alcuni casi, infatti tipi di radiazione diverse dissipano la loro energia in volumi più o meno grandi producendo danni a livello microscopico, a parità quindi di energia dissipata, minori o maggiori. Per questo motivo si moltiplica la dose per un numero, maggiore o uguale ad 1, (detto FATTORE DI QUALITA’, Q) che cambia a seconda del tipo di radiazione. Si ottiene così una nuova grandezza, detta DOSE EQUIVALENTE, che si ritiene sia realmente proporzionale al danno biologico. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

L’equivalente di dose Rappresenta la quantità di energia che la radiazione cede al corpo umano L’unità di misura è il SIEVERT (Sv) che equivale al passaggio di 1 Joule di energia per Kg moltiplicato per un coefficiente 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

La misura del grado di esposizione alle radiazioni 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Sievert (Sv) = Gray (Gy) = Coulomb/Kg (C/Kg) Irradiazione esterna Nel caso di diffusione di radiazioni  in aria, si può assumere con buona approssimazione in favore della sicurezza che: Rem = Rad = Roentgen (R) Sievert (Sv) = Gray (Gy) = Coulomb/Kg (C/Kg) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

Relazione fra grandezze radiometriche I = (K x C) : d2 I = intensità di esposizione alla distanza d dalla sorgente C = attività della sorgente in Curie K = costante gamma specifica coefficiente caratteristico di ciascun radioisotopo sempre minore di 1 tranne che per tre sostanze (110Ag, 60Co e 24Na) 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"

RADIAZIONI ionizzanti Una radiazione è detta ionizzante quando ha la capacità di accelerare elettroni nello spazio, sia direttamente che indirettamente. La parte dello spettro elettromagnetico conosciuta come radiazione X o g trasferisce direttamente energia dei fotoni a elettroni preesistenti L’esposizione è ubiquitaria La sorgente naturale è rappresentata da nuclidi radioattivi nell’aria, nell’acqua, nelle catene alimentari, nei minerali di superficie e dai raggi cosmici che bombardano l’atmosfera terrestre. L’esposizione dovuta all’uomo nell’utilizzo di sostanze radiogene e nella fissione nucleare ha evidenziato l’associazione tra radiazioni ionizzanti e tumori. 19/09/2018 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"