LE RADIAZIONI IONIZZANTI IRCCS – ISTITUTO ONCOLOGICO “GIOVANNI PAOLO II – BARI UNITA’ OPERATIVA COMPLESSA DI FISICA SANITARIA D.ssa Enza Carioggia LE RADIAZIONI IONIZZANTI E LA LORO INTERAZIONE CON LA MATERIA

le radiazioni ionizzanti con il termine radiazione si indica qualsiasi fenomeno fisico che generi un trasporto di energia nello spazio

le radiazioni ionizzanti Il termine “RADIAZIONE” viene utilizzato in fisca per descrivere: Luce visibile di una lampadina Onde radio Luce ultravioletta Emissione infrarossa di un corpo incandescente Raggi X prodotti da un generatore ecc…

le radiazioni ionizzanti In generale esso indica il trasferimento di energia da un punto ad un altro dello spazio senza il movimento di corpi macroscopici e senza il supporto di un mezzo materiale.

le radiazioni ionizzanti si muovono in linea retta nel vuoto, viaggiano sino all’infinito la velocità è prossima o uguale a quella della luce

le radiazioni ionizzanti LE RADIAZIONI IONIZZANTI Le radiazioni ionizzanti sono quelle radiazioni che possiedono un’energia sufficiente (100 eV) a ionizzare (cioè a rimuovere un elettrone dall’atomo di appartenenza) il mezzo che attraversano. Il risultato della ionizzazione è la scissione dell’atomo in due parti elettricamente cariche, dette per l’appunto ioni: la prima è costituita dall’elettrone rimosso (carico negativamente) e la seconda dall’atomo stesso privato dell’elettrone (carico positivamente).

I processi di emissione

i processi di emissione I più comuni processi di emissione sono: Radiazione elettromagnetica (Raggi x – Raggi gamma) Radioattività

i processi di emissione l’atomo dimensione approssimativa: un milione di miliardi di volte meno di un metro elettrone (-) protone (+) neutrone Il numero di protoni (carichi positivamente) é uguale al numero di elettroni (carichi negativamente), così che l'atomo é elettricamente neutro. numero totale di protoni = numero atomico (determina di quale elemento chimico si tratta)

i processi di emissione i più comuni processi di emissione delle R.I. (1) frenamento di particelle cariche radiazione X elettrone veloce

i processi di emissione i più comuni processi di emissione delle R.I. (1) collisione tra elettroni radiazione X elettrone veloce

i processi di emissione i più comuni processi di emissione delle R.I. (1) i due processi precedenti rappresentano i fenomeni di base della emissione dei raggi X utilizzati nella radiodiagnostica tradizionale e nella radioterapia con raggi X mediante gli acceleratori di particelle i raggi X appartengono alla classe delle radiazioni elettromagnetiche

i processi di emissione radiazioni elettromagnetiche Sono onde elettromagnetiche prive sia di massa che di carica, che si propagano nello spazio alla velocità della luce. Sono generalmente classificate in base all’energia che possiedono o, equivalentemente alla lunghezza d’onda. bassissima frequenza ELF 0 - 3.102 Hz 10-12 eV radiofrequenze RF 105 Hz - 3.108 Hz 10-10 eV microonde MW 3.108 Hz - 3.1011 GHz 10-5 eV infrarosso IR 1011- 1014 Hz 10-2 eV luce V 1014 Hz 1 eV ultravioletto UV 1015 Hz 2 eV raggi X e gamma X , g oltre 1016 Hz >100 eV

i processi di emissione LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO

i processi di emissione i più comuni processi di emissione delle RI (2) la radioattività proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni ionizzanti

i processi di emissione la radioattività particella a+ forme di disintegrazione: particella b - b + neutrone n radiazione g Gli isotopi costituenti la materia sono talvolta instabili, e tendono a trasformarsi spontaneamente emettendo particelle elementari (alfa, beta, neutroni), generalmente accompagnate da radiazione elettromagnetica.

i processi di emissione i più comuni processi di emissione delle RI (2) la radioattività Il processo di emissione radioattiva da parte di un atomo è chiamato disintegrazione o decadimento radioattivo mentre gli isotopi instabili sono detti radioisotopi. Ad ogni disintegrazione corrisponde la formazione del nucleo di un nuovo elemento!

i processi di emissione la radioattività Esistono sostanze radioattive naturali quali U-238, Th-228, Ra-226, Po-210, K-40 altre prodotte artificialmente (Co-60) mediante bombardamento neutronico di elementi non radioattivi come risultato del processo di fissione (Cs-137 e I-131)

la radioattività artificiale

i processi di emissione la radioattività artificiale Le reazioni nucleari Mediante una reazione nucleare è anche possibile rendere instabile (e quindi radioattivo) un nucleo inizialmente stabile: in questo caso si parla di radioisotopi artificiali per distinguerli da quelli naturali. particella carica nucleo instabile

i processi di emissione la radioattività artificiale modalità di origine: attivazione con neutroni neutrone nucleo instabile

i processi di emissione la radioattività artificiale modalità di origine: fissione nucleare isotopi radioattivi U235 neutrone rottura del nucleo

i processi di emissione la radioattività nel tempo la disintegrazione dei nuclei radioattivi segue leggi statistiche

i processi di emissione unità di misura della radioattività Per quantificare l’intensità di un radioisotopo si utilizza il concetto di attività: l’attività di una sorgente radioattiva è definita come il numero di disintegrazioni che avvengono nell’unità di tempo in una data quantità di materiale. 1 Bq (Bequerel) = 1 dis/sec la attività si dimezza in un tempo caratteristico Tempo di dimezzamento ma non si estingue mai esempio : tecnezio-99  6 ore A seconda del tipo di isotopo, il T1/2 può variare da qualche secondo fino a diversi milioni di anni (U-235)…

la radioattività naturale

la radioattività naturale la radioattività è una normale componente dell'ambiente naturale e determina il maggior contributo alla esposizione della popolazione mondiale la dose media pro capite annua si aggira intorno a 2 mSv (millisievert)

la radioattività naturale componente di origine extraterrestre raggi cosmici contribuiscono per il 14% alla dose naturale totale carta vetro piombo

la radioattività naturale i raggi cosmici nello spazio 100 km 13 mSv / h 10 km 5 mSv / h 1 km 0.1 mSv / h carta vetro piombo 0.03 mSv / h

la radioattività naturale componente di origine terrestre - potassio radioattivo K-40 radon - le famiglie radioattive uranio torio si libera nel sottosuolo nelle formazioni geologiche di origine vulcanica e da qui per diffusione giunge in superficie ove si disperde nell’ambiente è presente in molti materiali da costruzione (granito, ceneri di carbone fossile, gessi fosfatici, tufi, ecc.)

la radioattività naturale dai gas radioattivi presenti nell’aria e dai materiali da costruzione (37%) dalla radioattività originata nel sottosuolo (19%) radioisotopi primordiali

la radioattività naturale Esposizione a Sorgenti Naturali Esposizione a Sorgenti Artificiali

la radioattività naturale

le interazioni con la materia

le interazioni con la materia Le radiazioni scambiano energia in maniera differente a seconda che si tratti di particelle o di radiazione elettromagnetica

le interazioni con la materia Direttamente ionizzanti alfa:  beta:  particelle cariche (elettroni, protoni ecc.) Indirettamente ionizzanti elettromagnetiche: X -  neutroni e….altre particelle

le interazioni con la materia la interazione delle particelle cariche direttamente ionizzanti il passaggio di una particella attraverso un mezzo provoca la ionizzazione di un gran numero di atomi per attrazione o repulsione degli elettroni (ionizzazione primaria)

le interazioni con la materia la interazione delle particelle cariche ogni particella perde energia con gradualità, cedendola alle molecole incontrate sul percorso -ionizzazioni molecolari -eccitazioni molecolari -calore

le interazioni con la materia la interazione con l’ambiente intracellulare l’urto avviene secondo leggi statistiche e non dipende dalla struttura e dalla funzione chimica delle molecole incontrate radiolisi dell’acqua H2O- H2O+ - + OH• ione ossidrile H• ione idrogeno

le interazioni con la materia ……nella interazione con la materia vivente la probabilità di incontrare una molecola “vitale” e quindi di produrre un danno biologico dipende dalla rapidità con cui viene ceduta l’energia (LET) materia ionizzazioni a b

le interazioni con la materia molecola di DNA 3 nm particella b- particella a

le interazioni con la materia IL POTERE DI PENETRAZIONE NEI TESSUTI DALL’ESTERNO strato corneo derma a b- mm 200 400 600 800

le interazioni con la materia IL POTERE DI IONIZZAZIONE NELLE CELLULE strato corneo derma a mm 200 400 600 800

le interazioni con la materia la interazione dei fotoni

le interazioni con la materia i raggi X e i raggi gamma indirettamente ionizzanti Interagiscono con la materia solo quando entrano in collisione con una particella (elettrone) Nell’urto cedono tutta l’energia e scompaiono

le interazioni con la materia i fotoni spesso generano anche una radiazione secondaria (diffusa)

le interazioni con la materia radiazione secondaria

le interazioni con la materia IL POTERE DI PENETRAZIONE NELLA MATERIA

la dose la misura della dose

dose assorbita (D) 1 gray (Gy) = 1 joule/kg la dose dose assorbita (D) tessuto esprime l’energia assorbita in media da una massa unitaria di tessuto UNITA’ DI MISURA: 1 gray (Gy) = 1 joule/kg 1 mGy = 1/1000 Gy 1 cGy = 1/100 Gy

la dose TABELLA – Livelli di riferimento della dose per alcuni comuni esami radiologici su pazienti adulti.- NRPB 1992 radiogramma dose in ingresso (mGy) massima colonna lombare AP 59.1 lat 108 addome 62.4 pelvi 31.6 torace PA 1.43 10.6 cranio 13.9 9.1

la dose la probabilità del danno biologico non dipende solo dalla energia assorbita ma anche dal tipo di radiazione e dalla radiosensibilità del tessuto

FATTORI DI PESO PER LA RADIAZIONE (WR) la dose FATTORI DI PESO PER LA RADIAZIONE (WR) fotoni, tutte le energie 1 elettroni e radiazioni beta, tutte le energie neutroni, energie tra 0 - 20 MeV 5 – 20 protoni 5 particelle alfa, nuclei pesanti 20

FATTORI DI PESO PER I TESSUTI (WT) la dose FATTORI DI PESO PER I TESSUTI (WT) gonadi 0,20 midollo osseo rosso 0,12 polmone stomaco vescica 0,05 fegato tiroide ossa (superfici ossee) 0,01 pelle rimanenti organi

1 sievert (Sv) = 1 joule/kg la dose dose efficace (DE) wR = fattore di qualità della radiazione wT = fattore di sensibilità del tessuto UNITA’ DI MISURA : 1 sievert (Sv) = 1 joule/kg mSv µSv

DOSE EFFICACE IMPEGNATA la dose nel caso di introduzione di sostanze radioattive nell’organismo, l’irraggiamento si prolunga nel tempo il rischio radiobiologico è correlato alla: DOSE EFFICACE IMPEGNATA dose ricevuta da un organo o da un tessuto, in un determinato intervallo di tempo (*) (*) per gli adulti = 50 anni

la dose per esempio: a parità di radioattività introdotta cesio – 137 la dose impegnata nello scheletro è elevata perchè l’emivita è di 37 anni tecnezio-99 la dose impegnata nella tiroide è trascurabile perchè l’emivita è di poche ore

le modalità di esposizione

modalità di esposizione irraggiamento esterno la sorgente di radiazioni è situata esternamente al corpo umano contaminazione interna la sorgente viene introdotta nell'organismo a seguito di ingestione, inalazione..

modalità di esposizione irradiazione esterna nelle sale radiologiche

modalità di esposizione irradiazione esterna nei reparti di radioterapia

modalità di esposizione irradiazione esterna nei reparti di medicina nucleare

modalità di esposizione la dose dipende: dalla durata della esposizione dalla distanza dalle schermature e indumenti protettivi indossati

modalità di esposizione irradiazione interna negli operatori sanitari si determina quando si verifica una introduzione accidentale di sostanze radioattive nell’organismo

modalità di esposizione irradiazione interna trasferimento accidentale di sostanza radioattiva in aria o negli alimenti - per inalazione - per ingestione - per assorbimento

modalità di esposizione INTRODUZIONE (intake) INGESTIONE INALAZIONE CUTE polmoni linfonodi apparato gastro-intestinale clearance lesione tiroide sangue uptake ossa altri organi reni FECI SUDORE URINE ELIMINAZIONE

modalità di esposizione nella irradiazione interna la dose dipende: dalle vie di introduzione nell’organismo dalle caratteristiche fisiche e chimiche del radioisotopo introdotto dalla cinetica di eliminazione della sostanza radioattiva incorporata

modalità di esposizione la dose interna non può essere misurata direttamente si può stimare solo mediante prelievo di urina, feci, muchi, sangue, ecc.: si determina la radioattività presente nei campioni si applicano equazioni analitiche, con le quali si determina la radioattività introdotta nei vari organi si calcola la dose impegnata con le formule che convertono la attività presente in un organo in dose assorbita

effetti biologici ultima parte Effetti biologici delle radiazioni

Lo studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti effetti biologici Lo studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla materia vivente è compito della radiobiologia

alcune semplici (H2O) altre complesse (DNA) effetti biologici Il passaggio di radiazioni ionizzanti in una cellula vivente può dare origine ad una serie di eventi poiché in essa sono presenti molecole diverse alcune semplici (H2O) altre complesse (DNA)

L’ EFFETTO BIOLOGICO dipende: effetti biologici L’ EFFETTO BIOLOGICO dipende: dalla natura del danno dai componenti cellulari danneggiati dalla funzione della cellula danneggiata

Possibili danni alla cellula effetti biologici Possibili danni alla cellula

effetti biologici Pertanto gli effetti delle radiazioni sull’organismo possono essere di due tipi: SOMATICI Si riferiscono ai danni che si osservano nell’individuo e si esauriscono con lui GENETICI Sono riferiti alle conseguenze dei danni prodotti sulle cellule germinali e trasmessi ai discendenti

Danni stocastici (o probabilistici) effetti biologici sono di tipo probabilistico ovvero la loro frequenza di comparsa, comunque piccola, è funzione della dose distribuiti casualmente nella popolazione sono effetti tardivi (appaiono dopo anni) sono indistinguibili dai tumori indotti da altri fattori cancerogeni

Danni non stocastici (o deterministici) effetti biologici Danni non stocastici (o deterministici) gravità dei danni varia con la dose presentano un valore soglia di dose sono prevedibili presentano effetti immediati (giorni o settimane) presentano effetti tardivi (dopo mesi o anni)

depressione ematopoiesi effetti biologici La soglia di dose (dell’ordine del Sievert) varia fortemente a seconda dell’effetto considerato. TESSUTO ED EFFETTO dose equiv. totale esposizione singola (Sv) TESTICOLI sterilità permanente 3.5 – 6.0 OVAIO sterilità 2.5 – 6.0 CRISTALLINO cataratta 5.0 MIDOLLO OSEEO depressione ematopoiesi 0.5

effetti biologici

CONCLUSIONI Le radiazioni non devono venire demonizzate né tanto meno sottovalutate. Devono semplicemente essere note a chi le impiega così come devono essere note le loro conseguenze sull’uomo.

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