LE ONDE ELETTROMAGNETICHE Periodo T Lunghezza d’onda: =vT= v/f v: velocità 3*108 m/s f: frequenza es. 6*1014Hz T=1/f: periodo 1 / 6*1014 s = v/f = (3*108 m/s)/(6*1014Hz)=5*10-7m=500 nm Intensità: l’energia che un’onda trasporta attraverso una superficie A in un intervallo do tempo t: I=E/(A*t) (W/m2)

ONDE ELETTROMAGNETICHE: i fotoni Planck scoprì che l’energia di un’onda elettromagnetica non può avere un valore qualsiasi, ma è un multiplo intero di un’energia minima chiamata ”quanto di luce” o FOTONE I FOTONI sono privi di massa e sono caratterizzati da ENERGIA E=h*f QUANTITA’ DI MOTO p=(h*f)/c con h 4*10-15 eV*s COSTANTE DI PLANCK

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

LO SPETTRO del CAMPO ELETTROMAGNETICO correnti radio micro I.R. visibile UV X e  alternate onde onde 10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV 105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m 103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

NON IONIZZANTI (N.I.R.) IONIZZANTI E <12 eV E >12 eV IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO ALLA PROPAGAZIONE DI UN’ONDA ELETTROMAGNETICA E’ DESCRITTO DAL TERMINE RADIAZIONE LE RADIAZIONI SI SUDDIVIDONO IN NON IONIZZANTI (N.I.R.) IONIZZANTI E <12 eV E >12 eV Non hanno energia Hanno energia sufficiente sufficiente per per ionizzare l’atomo ionizzare l’atomo

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

+ - + - 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 dell’atomo e creare una coppia di ioni, uno negativo, l’elettrone libero, e uno positivo, cioè l’atomo privo di elettrone + - Ciascun atomo stabile, in funzione del suo numero atomico Z (e dunque della sua configurazione elettronica) possiede una determinata Energia di ionizzazione: la minima energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo

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

I RAGGI GAMMA (g) I RAGGI X LE RADIAZIONI INDIRETTAMENTE IONIZZANTI 4*105 eV< ENERGIA < 4*107 eV SONO ENERGIE CHE SI TROVANO SOLTANTO ALL’INTERNO DEI NUCLEI ATOMICI 10-11 m <  I RAGGI X 4*102 eV < ENERGIA < 4*106 eV 10-10<  < 10-12 m SONO ENERGIE CHE RIGUARDANO LE TRANSIZIONI TRA I LIVELLI ELETTRONICI DEGLI ATOMI

UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ? COSA SUCCEDE QUANDO UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ? Un onda elettromagnetica (ossia un fascio di fotoni) attraversando un mezzo materiale cede a questo tutta o parte della sua energia. SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X N.FOTONI LEGGE dell’attenuazione N= N0 e-x N0 = n° fotoni iniziale N = n° fotoni dopo spessore x : coefficiente di attenuazione lineare

3 SONO i PRINCIPALI 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: Effetto fotoelettrico Effetto Compton Produzione di Coppie Dipendono dall’energia del fascio Generano elettroni liberi nel mezzo

1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X e ) INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA 1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X e ) ENERGIA < 100 keV Un fotone, urtando con un atomo, viene assorbito dall’atomo e TUTTA la sua energia è ceduta ad un elettrone legato, generalmente delle orbite più interne, che si “libera “dall’atomo 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 l’energia 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

2. EFFETTO COMPTON ( per X) 100 keV < ENERGIA<  MeV Un fotone cede parte della propria energia ad un elettrone dell’atomo (elettrone Compton). L’elettrone è emesso dall’atomo e il fotone diffonde ELETTRONE COMPTON FOTONE INCIDENTE FOTONE DIFFUSO

3. PRODUZIONE DI COPPIE  1.02 MeV < ENERGIA < 10 MeV Un fotone, interagendo con il campo coulombiano del nucleo, cede TUTTA la sua energia 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”, dando origine a 2 FOTONI “DI ANNICHILAZIONE”

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

DAI 3 processi di interazione si producono quindi ELETTRONI liberi Queste particelle cariche ( carica e- = 1.6 * 10-19 C), dotate di una certa energia assorbita dal fascio di fotoni incidenti, cedono a loro volta l’energia nel mezzo Mezzo materiale Fascio di FOTONI ELETTRONI COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO?

in prossimità elettrone INTERAZIONE degli ELETTRONI CON la materia Energia < 1 MeV Energia > 1 MeV IONIZZAZIONE diretta FRENAMENTO  Z2 del materiale  Z del materiale Produzione di raggi X Produzione di elettroni liberi: Energia persa a distanze maggiori Energia persa in prossimità elettrone

+ - + - Fenomeno della IONIZZAZIONE diretta Quando un elettrone, interagendo con un atomo, è in grado di spezzare il legame tra un elettrone e il nucleo dell’atomo e creare una coppia di ioni, uno negativo, l’elettrone libero, e uno positivo, cioè l’atomo 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 + - + -

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” (= frenamento) :è il fenomeno su cui si basa la produzione artificiale dei raggi x

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

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

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

LE FASI DEI PROCESSI DI INTERAZIONE TRA RADIAZIONE E TESSUTI BIOLOGICI FASE TEMPO EFFETTO Fisica 10-13 secondi ionizzazione-eccitazione Fisico-chimica 10-9-10-6 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

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 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

FASE FISICA Raggi X Ionizzazione, eccitazione Sistema biologico Fotone diffuso elettrone Energia della Radiazione EFFETTI Fotoelettrico Compton Coppie 10 kV 95% 5% - 25 kV 50% 50% - 100-1022 kV - 100% - 20 MV - 50% 50%

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

D= dE/dm LA DOSE ASSORBITA E’ l’energia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzanti in un elemento volumetrico di massa dm D= dE/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

Il LET “ linear energy transfer” : TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA Rappresenta l’energia (in KeV) trasferita dalla radiazione nell’unità 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)

Radiazione a ALTO LET (>100 Kev/ m) Radiazione ad BASSO LET (<10 Kev/ m) PROTONI E NEUTRONI ELETTRONI Massa maggiore Massa minore Velocità minore nel mezzo Velocità maggiore nel mezzo > DENSITA’ di IONIZZAZIONE < DENSITA’ di IONIZZAZIONE

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

FASE CHIMICA 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 l’organismo RADIAZIONE MOLECOLE D’ACQUA Reazioni chimiche negli atomi dell’organismo

AZIONE DIRETTA AZIONE INDIRETTA formazione di radicali liberi molto reattivi con le altre molecole : RADIOLISI DELL’ACQUA - scissione di legami inter e intra molecolari - formazione di ponti inter e intra molecolari MODIFICAZIONE STRUTTURALE DELLE MOLECOLE

REAZIONI DI RADIOLISI DELL’ACQUA H2O La radiazione causa ionizzazione: H2O+ + e- Lo ione H2O+ si scinde in H+ : radicale idrogeno H+ + OH- OH- : radicale idrossilico H+ + H+ H2 OH- + OH- H2O2 Molto reattiva chimicamente

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

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

Lesioni cellulari EFFETTI delle LESIONI CELLULARI L’interazione fisico-chimica della radiazione con il tessuto biologico genera delle LESIONI alle cellule LESIONI CELLULARI (in 1 cellula: 1013 -1014 molecole) Al CORPO CELLULARE alterazione della permeabilità delle membrane cellulari Al NUCLEO - mutazioni geniche - aberrazioni cromosomiche EFFETTI delle LESIONI CELLULARI Morte immediata o ritardata della cellula: EFFETTI LETALI Possibilità di recupero: (ricostruzione delle strutture atomico-molecolari reazioni chimiche inverse) EFFETTI SUBLETALI

La radiosensibilità di una cellula, 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. 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

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

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

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 10-100 (giorni) morte persindrome del sistema nervoso centrale > 100 (ore) morte istantanea > 1000

LA RADIOTERAPIA Con il termine RADIOTERAPIA si intende l’uso di radiazioni ionizzanti altamente energetiche (fotini X o g, 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

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)

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

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 ESEMPIO DISTRETTO CORPOREO polmone fotoni da 18 MV mammella fotoni da 6 MV neoplasie superficiali elettroni (6-9-12 MeV) Le radiazioni sono generate da 1. Acceleratori lineari ad uso medico (fotoni, elettroni) 2. Sincrotroni (protoni) 3. Tubi radiogeni

Com’è fatto un ACCELERATORE LINEARE ? GUIDA ACCELERANTE STAND: produzione di microonde TESTATA GANTRY isocentro LETTINO PORTAPAZIENTE

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

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

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

LE FASI DI UN TRATTAMENTO RADIOTERAPICO: Individuazione della regione anatomica da irradiare (Volume bersaglio) attraverso esame diagnostico (TAC, risonanza magnetica, ecografia) Scelta del tipo di radiazione (fotoni, elettroni) 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)

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

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

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

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

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

Per migliorare la distribuzione della dose al vlume bersaglio si può: Utilizzare una tecnica a più campi contrapposti: la regione viene irradiata non con un unico campo di irradiazione bensì con diversi fasci 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 Utilizzare modificatori del fascio (cunei) per rendere la dose più omogenea

Tecnica a un campo

Tecnica a due campi

Tecnica a tre campi

Tecnica a quattro campi

MODIFICATORI DEL FASCIO posti sotto la testata

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