RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN MEDICINA Laurea in LOGOPEDIA corso integrato FISICA - disciplina FISICA MEDICA RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN MEDICINA - SPETTRO ELETTROMAGNETICO - RADIAZIONI TERMICHE: MICROONDE E INFRAROSSI - RADIAZIONI IONIZZANTI: ULTRAVIOLETTI, X E GAMMA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 1

l l n n E ln = c l SPETTRO ELETTROMAGNETICO (m) (m) (Hz) (Hz) (eV) (fermi) (Å) (nm) (mm) (mm) (cm) l (m) l (m) 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 3 108 Hz GeV MeV E keV 109 106 103 (eV) ln = c E = hn 400 500 600 700 l (nm) RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 2

RADIAZIONE TERMICA IRRAGGIAMENTO TERMICO I(l) Q intensità I = Dt DS visibile I(l) Q 4000°K cal s–1 m–2 oppure watt m–2 intensità I = Dt DS 3000°K LEGGI DELL'EMISSIONE TERMICA 2000°K legge di Stefan I = s T4 (watt/m2) mm legge di Wien 1 2 3 lmax = 0.2897 / T (cm) l RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 3

radiazioni non ionizzanti MICROONDE IN MEDICINA radiazioni non ionizzanti 300 MHz < n < 300 GHz 10–6 eV < E = hn < 10–3 eV effetti : calore (diatermia) assorbimento : x – I(x) = Io e D D = D(n) terapia n » 2450 MHz RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 4

n MICROONDE IN MEDICINA D (cm) x – I(x) = Io e D (GHz) frequenza (spessore caratteristico) 10.0 x – 5.0 I(x) = Io e D 2.0 tessuto adiposo 1.0 0.5 tessuto con elevato contenuto di acqua 0.2 (GHz) n frequenza 0.1 2 4 6 8 10 I = 10 mW cm–2 esposizione limite per l' uomo : massima potenza radiante solare assorbita dall'uomo : I » 100 mWcm–2 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 5

INFRAROSSI IN MEDICINA 0.7 mm < l < 20 mm intensità relativa MEDICINA emissione termica (Sole) visibile vicino I.R. 10 3000°K 1200°K 5 Sole l (mm) 0.5 1.0 1.5 2.0 penetrazione effetto termico l » 0.7 mm Dx » 10 cm l > 1.4 mm Dx < 1 mm fotografia I.R. immagine termica (termografia) RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 6

l ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA intensità relativa origine solare U.V. mm visibile corpo nero (SOLE) (5800°K) radiazione solare a livello del mare U.V. l mm 0.5 1 1.5 2 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 7

l ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA intensità mm (unità arbitrarie) 90 risposta cutanea 90° radiazione solare 70 rispetto al suolo 50 40° emissione da lampada a fluorescenza 30 10 10° l 0.28 mm 0.32 0.36 abbronzatura eritema RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 8

ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA UVA : 400 ¸ 315 nm UVB : 315 ¸ 280 nm UVC : 280 ¸ 100 nm produzione emissione termica (Sole) transizioni atomiche produzione naturale (Sole) (assorbimento) I(500 nm) I(600 nm) Sole suolo UV : 300 ¸ 200 nm assorbiti da O3 200 ¸ 100 nm assorbiti in aria (produzione ozono O3 e ossidi di azoto) * spessore atmosfera * nuvole diffusione * fumi e smog RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 9

ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA UVA : 400 ¸ 315 nm UVB : 315 ¸ 280 nm UVC : 280 ¸ 100 nm produzione artificiale lampade U.V. l = 400 ¸ 270 nm assorbimento : H2O 400 ¸ 300 nm (in 2÷5 cm) vetro opaco quarzo trasparente effetti biologici : eccitazione atomi e molecole effetto termico RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 10

ULTRAVIOLETTI IN MEDICINA uomo sintesi vitamina D (» 280 nm) abbronzatura (formazione pigmento ® protezione da U.V.) eritema (UVB, UVC) (dilatazione vasi da sostanze prodotte) risposta cutanea massima l » 300 nm (» 4 eV ® dissociazione legame C— C ) lesioni oculari (cataratta) azione battericida RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 11

RADIAZIONI IONIZZANTI radiazioni ionizzanti : E > 100 eV (ionizzazione nella materia attraversata) radiazioni elettromagnetiche (m > 0) E = h n fotoni X e fotoni g 1 m v2 radiazioni corpuscolari (m > 0) E = 2 alfa (nucleo 4He) beta (elettroni e–, positroni e+) protoni neutroni ioni (nuclei) cessione di energia alla struttura atomica e molecolare del materiale attraversato assorbimento RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 12

raggi X raggi g PRODUZIONE DI FOTONI DI ALTA ENERGIA produzione artificiale tubo a raggi X raggi g produzione naturale emissione g da decadimento nuclei instabili (radionuclidi) produzione artificiale acceleratori di particelle RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 13

TUBO A RAGGI X RAGGI X: PRODUZIONE raggi X catodo generatore di corrente K + anodo F A filamento vuoto trasformatore diodo generatore di alta tensione rete 14 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

e RAGGI X E g: ASSORBIMENTO intensità trasmessa X, g I Io –m x I(x+Dx) intensità trasmessa X, g (%) I 100 Dx x ASSORBIMENTO ESPONENZIALE Io 75 –m x I = Io e e 50 coefficiente di attenuazione o di assorbimento 25 x = m spessore x RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 15

diversa opacità delle strutture biologiche IMMAGINE RADIOLOGICA diversa opacità delle strutture biologiche (diverso coefficiente di assorbimento) radioscopia m radiografia xeroradiografia (cm–1) radiografia digitale 5 (con e senza mezzo di contrasto) 2 1 0.5 ossa (d = 1.8 g cm–3 ) 0.2 muscoli (d = 1.0 g cm–3 ) grasso (d = 0.9 g cm–3 ) 0.1 polmoni (d = 0.3 g cm–3 ) 0.05 E 0.02 50 100 (keV) 150 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 16

sviluppo della pellicola radiografia digitale tubo a raggi X fascio X incidente muscolo aria osso struttura biologica fascio X trasmesso diaframmi schermo fluorescente pellicola radiografica immagine negativa pellicola radiografica sviluppo della pellicola radiografia digitale RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 17

contrasto radiologico 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" RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 18

RAGGI g: IMPIEGO IN DIAGNOSTICA radiodiagnostica radioisotopi radiofarmaci diffusione nell'organismo decadimento radioattivo rivelazione radiazione immagine conteggio dosimetrico RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 19

60Co g (1.3 MeV) RAGGI g: IMPIEGO IN TERAPIA cobaltoterapia (acceleratori di particelle) fasci di elettroni fasci gamma (acceleratori di particelle) adroterapia (acceleratori di particelle) protoni (BNCT) neutroni ioni pesanti Boron Neutron Capture Therapy RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 20

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 ONDE RADIO MICRO MICRO ONDE ONDE ULTRA- GAMMA GAMMA X X X ULTRA- 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 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 21

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 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 22

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 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 23