LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN MEDICINA Spettro elettromagnetico Radiazioni termiche: microonde infrarossi Radiazioni ionizzanti: ultravioletti raggi X raggi gamma

Spettro elettromagnetico ONDE RADIO MICRO INFRA- -ROSSO ULTRA- -VIOLETTO RAGGI X GAMMA 102 1 10–2 10–4 10–6 10–8 10–10 10–12 10–14 (m) l n (Hz) 106 108 3 108 Hz 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 (cm) (mm) (Å) (fermi) (nm) VISIBILE MeV keV GeV (eV) E 103 106 109 700 600 500 400 l (nm) colori ln = c E = hn

Radiazioni termiche I(l) Q intensità I = Dt DS I  T4 (W/m2)  Irraggiamento termico I(l) 1 2 3 mm l 4000°K 3000°K 2000°K visibile intensità I = Q Dt DS cal/(s•m2) oppure W/m2 legge di Stefan I  T4 (W/m2) legge di Wien lmax  1/T (cm) LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA Sono radiazioni termiche: microonde, infrarossi

Microonde Frequenza: 300 MHz < n < 300 GHz  non ionizzanti Energia: 10–6eV < E=hn < 10–3eV  non ionizzanti effetti : calore (diatermia) Riscaldamento di regioni limitate e profonde in corpi ricchi di acqua. Uso in terapia: artriti, borsiti, strappi muscolari. Esposizione limite per l’uomo: I = 10 mW/cm2 (1/10 della massima potenza radiante solare assorbita)

Infrarossi 0.7 mm < l < 20 mm l (mm) effetto termico intensità relativa 10 5 0.5 1.0 1.5 2.0 3000°K 1200°K visibile Sole vicino I.R. MEDICINA (mm) l 0.7 mm < l < 20 mm vicino IR lontano IR emissione termica (Sole) effetto termico l » 0.7 mm Dx » 10 cm l > 1.4 mm Dx < 1 mm penetrazione fotografia I.R. immagine termica (termografia)

Radiazioni ionizzanti Ionizzare un atomo = togliergli uno o più elettroni rendendolo ione. Si distrugge così la struttura chimica del materiale. Per togliere (=allontanare) elettroni bisogna compiere un lavoro, cioè fornire energia. Energia minima di ionizzazione: E = 13.6 eV (potenziale di ionizzazione atomo idrogeno) Di fatto si considerano ionizzanti le radiazioni con E>100 eV. All’aumentare dell’energia, gli elettroni estratti ricevono energia cinetica e possono ionizzare “a catena” altri atomi. Sono radiazioni ionizzanti: ultravioletti, raggi X, raggi gamma (solo UVC)

Ultravioletti Assorbimento UV Produzione UV Si distinguono in: naturale: Sole artificiale: lampade UV Si distinguono in: UVA:  = 400-315 nm UVB:  = 315-280 nm UVC:  = 280-100 nm (ionizzanti) Assorbimento UV in alta atmosfera: ozono (O3) – inclinazione raggi nubi - inquinamento materiali: vetro opaco acqua trasparente (penetrazione alcuni cm) Effetti chimico-biologici: eccitazione atomi e molecole dissociazione legame C-C (4 eV) benefici... abbronzatura - sintesi vitamina D azione battericida ... o malefici eritemi - lesioni oculari tumori alla pelle

Radiazioni ad alta energia raggi X produzione artificiale tubo a raggi X raggi g produzione naturale emissione g da decadimento nuclei instabili (radionuclidi) produzione artificiale acceleratori di particelle

Raggi X: produzione TUBO A RAGGI X raggi X catodo generatore di rete trasformatore diodo anodo A filamento F catodo K generatore di alta tensione generatore di corrente vuoto + raggi X TUBO A RAGGI X

Raggi X: assorbimento e intensità trasmessa X, g I Io –m x I = Io e Dx x I(x) I(x+Dx) X, g 25 50 75 100 intensità trasmessa (%) I x = m Io e spessore x ASSORBIMENTO ESPONENZIALE I = Io e –m x coefficiente di attenuazione o di assorbimento

Immagine radiologica m E diversa opacità delle strutture biologiche (diverso coefficiente di assorbimento) ossa (d = 1.8 g cm–3 ) grasso (d = 0.9 g cm–3 ) muscoli (d = 1.0 g cm–3 ) polmoni (d = 0.3 g cm–3 ) 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 (keV) m (cm–1) E radioscopia radiografia xeroradiografia radiografia digitale (con e senza mezzo di contrasto) 50 100

Radiografia tubo a raggi X fascio X incidente muscolo aria osso struttura biologica diaframmi pellicola radiografica fascio X trasmesso fascio X incidente osso muscolo aria pellicola radiografica schermo fluorescente immagine negativa sviluppo della pellicola radiografia digitale

Parametri per la radiografia contrasto radiologico parametri : potenziale elettrico intensità di corrente tempo di esposizione DV 45 kV ¸ 130 kV i 3 mA ¸ 50 mA Dt 1/60" ¸ 1/120"

Raggi gamma: impiego diagnostico radiodiagnostica radioisotopi radiofarmaci diffusione nell'organismo decadimento radioattivo rivelazione radiazione immagine conteggio dosimetrico

Raggi gamma: impiego terapeutico cobaltoterapia 60Co g (1.3 MeV) fasci di elettroni (acceleratori di particelle) fasci gamma (acceleratori di particelle) adroterapia (acceleratori di particelle) protoni (BNCT) neutroni ioni pesanti Boron Neutron Capture Therapy

Spettro elettromagnetico: produzione

l l n n n n SPETTRO ELETTROMAGNETICO : produzione (m) (m) (Hz) (Hz) 10–14 10–12 10–10 10–8 10–6 10–4 10–2 1 102 RAGGI RAGGI RAGGI RAGGI INFRA- INFRA- INFRA- MICRO MICRO ONDE ONDE RADIO MICRO ONDE ULTRA- ULTRA- GAMMA GAMMA X X X ULTRA- -ROSSO -ROSSO -ROSSO ONDE RADIO n n -VIOLETTO -VIOLETTO -VIOLETTO -VIOLETTO n n 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 (Hz) (Hz) VISIBILE tubo raggi X radiazione termica transizioni nucleari circuiti oscillanti e acceleratori transizioni atomiche laser Lauree in Discipline Sanitarie Tecniche P.Montagna dic.02 Corso di Fisica Medica Le radiazioni elettromagnetiche in Medicina pag. 17

l l n n SPETTRO ELETTROMAGNETICO : impiego (m) (m) (Hz) (Hz) 10–14 10–12 10–10 10–8 10–6 10–4 10–2 1 102 RAGGI RAGGI INFRA- MICRO ONDE GAMMA X ULTRA- -ROSSO ONDE RADIO n -VIOLETTO n 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 (Hz) (Hz) VISIBILE diagnostica (RX , CT) diagnostica (RM) terapia diagnostica (PET, SPET) diagnostica (IR e visibile) terapia Lauree in Discipline Sanitarie Tecniche P.Montagna dic.02 Corso di Fisica Medica Le radiazioni elettromagnetiche in Medicina pag. 18

l l n n SPETTRO ELETTROMAGNETICO : rivelazione (m) (m) (Hz) (Hz) 10–14 10–12 10–10 10–8 10–6 10–4 10–2 1 102 RAGGI RAGGI INFRA- MICRO ONDE GAMMA X ULTRA- -ROSSO ONDE RADIO n -VIOLETTO n 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 (Hz) (Hz) VISIBILE occhio umano emulsione fotografica (+ schermi) induzione elm rivelatori di ionizzazione antenna stato solido , NaI sistemi CCD Lauree in Discipline Sanitarie Tecniche P.Montagna dic.02 Corso di Fisica Medica Le radiazioni elettromagnetiche in Medicina pag. 19