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P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.1
INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA
Radiazioni
ionizzantiInterazione
di
particelle
cariche:
rangeperdita
di
energia
per ionizzazione
perdita
di
energia
per radiazioneInterazione
di
particelle
neutre:
neutronifotoni:
effetto
fotoelettricoeffetto
Compton
produzione
di
coppieattenuazionestrato
emivalente
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.2
Radiazioni
ionizzantiOgni
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=hν) raggi X e γ
- corpuscolari
(m>0, E= ½
mv2) particelle α, β±, p, n,...
Particelle
cariche: α, β±, p ⇒
ionizzazione
diretta
degli
atomi
del mezzoParticelle
neutre: n, X, γ ⇒
ionizzazione
indiretta
tramite
produzione
di
particelle
cariche
secondarie
L’assorbimento
delle
radiazioni
nella
materia
è
un processomolto
vario
e complesso. I parametri
importanti
sono:
tipo
e energia
della
radiazione
incidente, natura
del materiale.
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.3
Interazione di particelle caricheTutte le particelle cariche (e±, p, α, 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 persa per unità
di lunghezza da una particella carica è proporzionale alla carica al quadrato (z2) della particella, alla densità
del
mezzo.
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.
22
v1ρz
ΔxΔE
∝
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.4
RangeRange
=
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 verificasperimentalmente 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
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.5
Range
ed energia di particelle diverse
0.01 0.1 1 10 100 1000 (MeV)0.1
1
10
100(cm)
R(E)H2O
Escala logaritmica
scalalogaritmica
e
elettroni
p
protoni
alfa
Dipendenza del range
dall’energiain acqua (~ tessuto
biologico)
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.6
LET
Trasferimento Lineare di EnergiaRapporto tra l’energia totale T trasferita alla materia lungo un cammino
e la lunghezza R del cammino percorso
LET = T/R(misurato in keV/μm, MeV/mm)
Alto LET alta densità di ionizzazione alta probabilità di colpire e danneggiare un sito biologico
Grande variabilità:elettroni: pochi keV/μm
α: diverse centinaia di keV/μm
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.7
BremsstrahlungLe 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 hν, sempre minore o al limite uguale all’energia degli elettroni incidenti.
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.8
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
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.9
Neutroni
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 + AZ
X A+1ZX
• spesso seguita da decadimento γ
( reazioni n.γ o di cattura radiativa)• spesso con nucleo finale radioattivo• più
probabile a bassa energia (~ 1/v)
Urti con nucleoni:• cessione di energia a protoni• eccitazione dei nuclei con successiva emissione di raggi γ
I materiali sottoposti a bombardamento neutronico
diventano radioattivi!
Es.
n+147
N 146C + p +0.63 MeV rilascio energia nel corpo umano
n+105
B 73Li + α +2.79 MeV Boron Neutron Cancer Therapy
In tutti i processi l’effetto è
la ionizzazione secondaria
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.10
Fotoni
Tre processi principali:
Effetto fotoelettrico:Interazione con elettroni atomici interni
Effetto Compton:Interazione con elettroni atomici esterni
Produzione di coppie:Interazione con campo coulombianodel nucleo
In dipendenza da:• energia dei fotoni• n.atomico
del materiale
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.11
Effetto fotoelettrico
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.13
Produzione di coppie
Visualizzazione in camera a bolle (rivelatore di particelle cariche)
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.14
Assorbimento/AttenuazioneUn fascio di N0
fotoni, attraversando uno spessore Δx
di materiale, viene attenuato in quanto i singoli fotoni vengono assorbiti o deviati
secondo i tre
processi descritti.
Il no
di fotoni che interagiscono nello spessore di materiale Δx(e che quindi vengono sottratti
al fascio originario) èΔN
∝
-N0
Δx
Fascio primario
N0
P
Fascio attenuato
Fotoni diffusi
Attenuatore
Δx
NΔN = - μ
N0 Δx
Il numero di fotoni ancora presenti nel fascio alla profondità
x è:
N(x) = N0
e-μx …come
nella legge del decadimento
radioattivo!
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.15
Assorbimento esponenzialeI(x) I(x+Δx)
Δx x
X, γ
x = 0
μ
= coefficiente di attenuazione linearedel materiale (cm-1)
1/μ
= spessore dopoil quale il fascio si riduce a I0
/e = 37% I0
Dipende dal materialee dall’energia del fascio
0
25
50
75
100
intensitàtrasmessa(%) I
1/μ
Io
/e
spessore x
μ/ρ
= coefficiente di attenuazione di massadel materiale (cm2/g)
Dipende quasi soltantodall’energia del fascio
Non esistono spessori che fermano totalmente
il fascio!
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.16
Strato
emivalente
1/μ
=
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
Relazione
tra
1/μ
e x1/2
:n(x1/2
) = n0
/2 = n0
e-μx1/2
e-μx1/2
= 1/2-μx1/2
= ln
½
= -ln2 = -0.693x1/2
= 0.693/μ
1/μ
x1/2
<1/μ
x1/2
n(t)
x0
0.50
n0
0.37
n0
n0
…come
tempo di dimezzamento!
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.17
Assorbimento complessivo
μ = μfotoel
+ μCompton
+ μcoppie
1 keV 1 MeV 1 GeVE
1 keV 1 MeV 1 GeV
106
103
1
10 eV
106
103
1
μ(u.a.)
rame Cu (Z=29)
E
μfotoel.
μCompton
μcoppie
μtotaleμfotoel
∝ ρ Z4/E3
μCompton
∝ ρ Z/Eμcoppie
∝ ρ Z2
lnE
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.18
Assorbimento in diversi materiali
E0.01
(MeV)
0.1
1
10
100
μ/ρ(cm2/g)
0.1 1 10 E
piombo
calcioacqua
μ/ρ
= coefficiente di attenuazione di massadel materiale (cm2/g)
Quasi indipendente dal tipo di materiale
Es.
raggi X da 25 keV
L’intensità
si riduce di unfattore 7 (~14%) in
30 m di ossigenooppure
0.12 mm di rame oppure
32 μm di piombo
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.19
Rilascio energia in tessuto biologico
0 10 20 cm profondità
di tessuto
1
2
3
4
unitàrelative(cute=1)
X 200 keVelettroni 22 MeV
γ
1.3 MeV
(60Co)
γ
22 MeV
protoni 200 MeV
picco di Bragg
protoni con modulaz. energia
Rilascio di energia di diverse radiazioni in tessuto biologico
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.20
DOSIMETRIA E RADIOPROTEZIONE
Effetti biologici delle radiazioni•
Range, esposizione
•
Dose assorbita, equivalente, efficace•
Danno
biologico
•
Dosi
limite
e radioprotezione
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.21
Emissione
e assorbimento di
radiazioni
Le radiazioni
emesse
da
unasorgente
radioattiva
vengono
irraggiate
nello
spazio
in tuttele direzioni.Una
loro
frazione, dipendente
dall’angolo
solido
e dalladistanza
(I∝Ω/r2), colpisce
il
soggetto
esposto
cedendoglienergia. I danni
che
esso
ne
riceve
dipendono
dall’energia, dal
tipodi
radiazione, dagli
organi
che
ne
vengono
colpiti.
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.22
Penetrazione
(range)
0
10
20
0
10
20
cm
cm
γ
da 60Co γ
da elettroni protoniE=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV
Radiazioni
α,β,γin diversi
materiali...
... e nel
corpo
umano(impiego
terapeutico)
Range R (∝E) =distanza
media
percorsa
nella
materia
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.23
Dose assorbita
Dose = energia
assorbita
per unità
di
massa
D = ΔE/ΔmUnità
di
misura:
SI Gray = J/kgpratico rad = 100 erg/g
m = massa
delmateriale
assorbitore,
non della
radiazione!
1 Gy
= 100 rad
Problema: la stessa
dosedovuta
a radiazioni
diverse
e/o
assorbita
da
materiali
diversiproduce effetti/danni
diversi!
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.24
Dose equivalente
Per uniformità
si
definisce
una
radiazione
standard: raggi
X a 200 keV
Efficacia
Biologica
Relativa: RBE = D(X 200 keV)
/DR= rapporto
tra
le dosi
della
radiazione
standard e della
radiazione
R
che
producono
lo stesso
effetto
nel
materiale
di
riferimento.
Unità
di
misura:SI Sievert = RBE• Graypratico rem = RBE•rad
1 Sv
= 100 rem
Al posto
della
RBE si
usa
ilfattore
di
qualità
QF
che
tiene
conto
degli
effettiglobali
di
ionizzazione
Radiazione
QFfotoni, elettroni
1
protoni
5neutroni
(varie
energie) 5-20
particelle
alfa, nuclei pesanti
20es. 1 Gy
(α) = 10 Sv1 Gy
(X 200 keV) = 1 Sv
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.25
Dose efficaceUlteriore
problema: la stessa
dose equivalente
assorbita
in organi
o tessuti
diversi
produce effetti/danni
diversi!
Dose efficace
= dose equivalente
“pesata”
a seconda
del diverso impatto
sugli
organi:
Deff
= w•Deq
= w•QF•DA ogni organo/tessutosi
assegna
un
fattore
di
peso w.La somma dei
fattori
di
peso di
tutti
gli
organi
è
1(su
tutto
il
corpo:
dose efficace
= dose equivalente)
Organi
wgonadi 0.20midollo
osseo
0.12
colon
0.12polmone
0.12
stomaco
0.12vescica
0.05
mammella
0.05fegato
0.05
esofago
0.05tiroide
0.05
cute
0.01superfici
ossee
0.01
altri
tessuti
(tot.) 0.05
totale
1.00
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.26
Dall’irraggiatore
all’irraggiato: sintesiDall’emissione...
...all’assorbimento
Sorgente
radioattivaAttività becquerel, curie
Materiale
irraggiatoEsposizione C/kg, röntgen
AssorbimentoDose assorbita gray, rad
Danno
biologicoDose equivalente/efficace
sievert, rem
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.27
Gli
effetti
biologici
dipendono
da...
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.28
Il danno
cellulare
radioindotto
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.31
La sensibilità
di una cellula alla radiazione dipende dalla fase della vita della cellula. Cellule con più
alta radiosensibilità
hanno la più
alta frequenza di
divisione cellulare.
Nei mammiferiCellule estremamente radiosensibili: midollo osseo, tessuti linfatici, mucosa
intestinale, ovaie e testicoli, cellule dell’embrione.Cellule meno radiosensibili: encefalo, muscoli, ossa e reni.
L’effetto delle radiazioni sull’uomo dipende non soltanto dalla dose equivalente totale ma anche dal tempo e dal modo in cui essa viene somministrata:• una dose equivalente non frazionata
nel tempo è
più
dannosa della stessa
dose frazionata (⇒
radioterapia)• una dose somministrata all’intero volume del corpo è
più
dannosa della
stessa dose somministrata soltanto a qualche parte del corpo• una dose somministrata ad una parte radiosensibile
del corpo è
più
dannosa della stessa dose somministrata ad una parte radioresistente• dose somministrata a tessuto più
ossigenato
è
più
dannosa della stessa dose a
tessuto poco vascolarizzato
Effetti
dell’irradiazione
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.32
sogliaDose letale per il 50% popolazioneal 30°
giorno dopo singola esposizione
Effetti
deterministici
(necrosi)
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.33
Effetti
stocastici
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.34
I limiti di dose (ICRP60, D. Lgs. 230/95)
Principi
e obiettivi
della
radioprotezione
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.35
Limiti
di
dose annuaDosi
efficaci
annue
in mSv
Radiazioni
Dose media popolazione
Raggi
cosmici
0.39Radiazione
terrestre
0.46
Radionuclidi
naturali
nel
corpo
0.23Radon e suoi
discendenti
1.3
TOTALE rad.naturali
2.4
Rad.diagnostica
medica
0.33(paesi
industrializzati
1.1 )
Dosi
efficaci
annue
in mSvRadiazioni
Dose media
lavoratoriAttività
ciclo
nucleare
2.9
Attività
altra
industria
0.9Attività
diagnosi/terapia
medica
0.5
MEDIA in attività
con radiazioni
1.1
Limiti
di
dose annua
per radiazioni
artificiali:popolazione
normale
1 mSv/anno
lavoratori
esposti
20 mSv/anno
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.36
Radiazioni
naturali
e artificialiRadiazioni
naturali
Sorgenti esterne radiazionecosmica
e ambientaleSorgenti interne
40K,226Ra,228Ra,210Pb,14C,222Rn
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.37
Radiazione
cosmica
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.38
Il radon nel
terreno
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.39
Esposizione in esami clinici e altre attività
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.40
Radioattività
ambientale
in Italia
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.41
Dosi
annuali
e dosi
acute: sintesi
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.42
Attività
con uguale valore di rischio
Entità
del rischio da radiazione
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.43
inserire
schermi
allontanarsi
abbreviare
le procedure
Tempo di
esposizione
L’irradiazione
dipende
da:materiale
interposto
distanza
tempo di
esposizione
RADIOPROTEZIONE
E’
determinante
la durata
dell’esposizione:una stessa dose, assorbita senza danno su tempi lunghi,
può
essere
letale
se assorbita
in tempi brevi(irraggiamento
acuto).
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.45
Applicazioni
mediche
delle radiazioni
ionizzanti
Diagnostica•
Radiografia
•
TAC•
Medicina
nucleare
(SPECT e PET)
Terapia•
Radioterapia
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.46
La diagnostica radiologica è
la branca delle scienze mediche che utilizza le radiazioni ionizzanti artificialmente prodotte. La diagnostica radiologica convenzionale si basa sullo studio delle immagini che si formano tramite l’interazione dei raggi X (trasmessi dal paziente) con il recettore d’immagine.
Fotoni primari: attraversano il
paziente senza interagire ⇒
informazione utile
Fotoni secondari: interagiscono nel paziente e sono deflessi da traiettoria originale ⇒degradano qualità
immagine
Fotoni assorbiti
dal paziente
⇒
dose
Diagnostica radiologica
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.47
I fotoni primari danno uma misura dellaprobabilità di non-interazione nei tessuti, probabilità che dipende dai coefficienti diattenuazione dei raggi X dei tessuti.
L’immagine è quindi la proiezionebidimensionale delle proprietà di attenuazionedei tessuti lungo la traiettoria dei raggi X.
I fotoni diffusi degradano la qualitàdell’immagine: infatti, mentre i primari sono direttamente correlati alle proprietà di attenuazione del mezzo tramite la legge di attenuazione, i secondari non trasportano informazioni rispetto a tali proprietà.
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.48
Da dove vengono i raggi X ?
Impossibile una produzione naturaleL’emissione caratteristica di atomi/molecole eccitati per via termica
o elettrica dà
radiazioni elettromagnetiche di energia inferiore
Necessaria una produzione artificialeBisogna produrre fenomeni atomici cui sia associata un’energia
maggiore di quella delle eccitazioni termiche o elettriche
Due metodi:
Emissione per transizioneTransizione diretta di elettroni
legati tra orbitali esterni e interni di un atomo
Emissione per frenamentoProduzione di elettroni libericon alta energia cinetica eloro successivo frenamento
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.49
Il tubo a raggi X
rete 220 V
trasformatore diodo
anodoA
filamentoF
catodoK
generatore di alta tensione
generatore di corrente
vuoto
+
raggi X
Tubo a vuoto con anodo e catodoGeneratore di tensione + trasformatore:• alta corrente nel catodo• alta d.d.p. tra anodo e catodo
Alta corrente nel filamento:• effetto Joule• effetto termoionico
emissione di elettroniElettroni in alta d.d.p.:• moto accelerato verso l’anodo• urto con l’anodo e cessione di energia
Radiazione di frenamentoRadiazione di transizione
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.50
Il tubo a raggi XEnergia degli elettroni
nel moto accelerato dalla d.d.p.dal catodo all’anodo/anticatodo
E = T = ½me
v2
= eΔV
è
l’energia totale massimamessa in gioco nel processo
Con questa energia gli elettroni urtano contro l’anticatodo di tungsteno e interagiscono ( perdono energia) con la materia secondo i consueti processi ( interaz.radiazione-materia)
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.51
Spettro di emissione complessivoSpettro continuo di frenamento
+
Spettro discreto di transizione
ΔV = 84 kV Emax = 84 keV !
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
51015
202530
conteggi (x 109)I
E
Kα
Kβ
(keV)
Energia: dipende da d.d.p.Intensità: dipende da corrente
Bersaglio:anticatodo di tungsteno
Calore da frenamento• Alto punto di fusione• Alta conducibilità
termica
Raggi X da transizione• Alto numero atomico
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.53
La lastra radiografica
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.54
Scelta dello schermo guidata da accoppiamento tra λ
luce fluorescenza e λ
per
cui si ha massima efficienza della lastra.Per fotoni da 60 keV
si può avere 60%
efficienza e risoluzione 1 mm
Film + schermo di rinforzo
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.55
μm
Film + schermo di rinforzo
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.56
Sistema schermo-lastra =
rivelatore
di
raggi
X +
visualizzazione
immagine
+
supporto
di
archiviazione
Range dinamico limitato⇒
Minimo
contrasto
rivelabile
~ 3%
Bassa efficienza di rivelazione
Rivelatore
+ sistema
acquisizione
+ display immagine
+ archivio
digitale
Range dinamico illimitatoNo “fog”
effect
No zona
saturazioneRisposta
lineare
Rivelatore molto efficiente⇒
riduzione
dose
al paziente
Elaborazione software delleimmagini
Radiografia convenzionale/digitale
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.57
Limiti della radiografia convenzionale:
l’ immagine è proiezione su di un piano di una struttura tridimensionale ⇒perdita dell’ informazione di profondità
Il contrasto minimo rivelabile da una lastra è 3% (corrispondente a differenza di densita’ ottica percepibile dall’occhio umano ~1%) ⇒impossibilità di visualizzare dettagli nei tessuti molli.
La tomografia assiale computerizzata ha risolto molti dei limiti
connessi alla radiografia convenzionale. Questa tecnica:
utilizza raggi X sempre nell’intervallo diagnostico e sfrutta quindi sempre le stesse proprietà di attenuazione dei tessuti attraversati;
consente di effettuare l’immagine di una sezione trasversa all’asse del corpoin studio, con somiglianze ad una sezione anatomica.
TAC : tomografia assiale computerizzata
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.58
La TAC si contraddistingue dalla radiografia convenzionale per
: • il sistema di rivelazione ed elaborazione dell’immagine;• il sistema d’irraggiamento.
TAC scanner
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.59
Molte proiezioni ottenute a diversi angoli di rotazione del fascio X
I pixel dell’immagine corrispondono a voxel (elementi di volume) nel paziente.
La scala di grigio nell’immagine è associata al valore di densità in ogni elemento o voxel della fetta.
TAC : ricostruzione dell’immagine
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.60
TAC : esempi di immagini
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
pag.61
Radiografia/TAC:• Irradiazione
dall’esterno
• Immagine
in trasmissione• Imaging dell’anatomia
Medicina
nucleare:• Irradiazione
dall’interno
(radiofarmaco)
• Immagine
in emissione• Imaging delle
funzioni
fisiologiche
di
organi
o tessuti. Localizzazione
di
tumori
scintigrafia planare (statica) : proiezione 2D della distribuzione 3D dell’attività
del radiofarmaco
scintigrafia dinamica: più immagini a tempi diversi⇒
diversa
distribuzione
del radiofarmaco
⇒
studio della
funzionalità
dell’organoSingle Photon Emission Computed Tomography (SPECT): ricostruzione diun’immagine
3D con acquisizione
in posizioni
diverse
Medicina nucleare
P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
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I raggi γ emessi nel decadimento del radioisotopo sono emessi in tutte le direzioni ⇒ Collimatori di Piombo per determinare la linea di risposta.
Il radioisotopo più usato è il 99mTc che emette γ da 140 keV.
La γ-camera (o camera di Anger) è il rivelatore di fotoni
Principi fisici della SPECT
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SPECT planare e tomografica
Nella SPECT tomografica, il rivelatore diradiazione ruota attorno al paziente.
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Some clinical SPECT applications
99mTc-MIBImyocardium
perfusion
CardiologyOncology
99mTcWhole body scan
Anterior Posterior
Anterior Posterior
Transaxial
131Ithyroid study
Horizontallong axis
Vertical long axis
Short axis
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Il radiofarmaco è un emettitore β+
Il positrone emesso dalla sorgente si annichila con un’elettrone del mezzo sono prodotti due fotoni “back-to-back”
(da 511 keV)
Lo scanner PET rivela i due fotoni in coincidenza
PET (positron-emission
tomography)
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Some clinical PET applications /1
Oncology
18F-FDGTotal body
Neurology
18F-FDGBrain study for
Alzhemeir’s disease
18F-DOPABrain study for
Parkinsons’s disease
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Some clinical PET applications /2
Cardiology
18F-FDGHeart metabolism
Horizontal Vertical
13N-H3 (Ammonia) Perfusion study
Horizontallong axis
Vertical long axis
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Radioisotope Energy (keV) Mean life 99mTc 140 6 h
123I 159 13 h
201Tl 68-80.3 73 h
67Ga 93/184/300 78.3 h
133Xe 81 5.27 d
Radiofarmaci
: composti (“carrier”) marcati con radioisotopi in quantità
piccolissime. Il “carrier”
permette di portare, tramite flusso sanguigno e altri processi metabolici, il radioisotopo nell’organo da investigare. Scelta del radioisotopo per imaging:
decadimento con fotoni (particelle cariche darebbero troppa dose) breve T1/2 del radioisotopo. Veloce eliminazione del farmaco da organismoenergia dei fotoni > 50 keV (⇒piccola attenuazione nei tessuti)
Radionuclidi
per imaging
medico
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Disciplina medica che si serve delle radiazioni ionizzanti (r.i.) per la terapia di alcune malattie, in particolare dei tumori.E’
un trattamento localizzato e coinvolge zone ben delimitate dell’organismo.
RT oncologica
su patologie tumorali con finalità:-
radicale
-
sintomatica o palliativa
Scopo:
Somministrazione di una dose di r.i. a un definito volume tumorale con il minor danno possibile per i tessuti sani
Effetti collaterali:
Parte delle cellule sane nelle vicinanze, o attraversate dalle r.i., vengono colpite, ma sopravvivono più
facilmente (maggiore capacità
di riparare i danni indotti dalle radiazioni)
RT non oncologica
-
prevenzione restenosi
vascolari-
malattie benigne dei tessuti connettivi
Radioterapia (RT)
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Radioterapia a fasci esterni: le r.i. sono generate all’esterno del corpo del paziente e, in generale, ne attraversano la cute (transcutanea)
Radioterapia intraoperatoria: erogazione di una dose elevata di r.i.durante l’intervento chirurgico (IORT)
Brachicurieterapia: utilizzo di piccole sorgenti di radiazioni posizionate all’interno del corpo del paziente
Radioterapia metabolica: utilizzo di opportuni radiofarmaci
Megavoltaggio• 1 –
30 MeV• Cobaltoterapia, Linac• Lesioni profonde
Ortovoltaggio• 50 –
500 keV• Tubi RX• Tumori della pelle e scheletrici
RT -
Tipologie
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Fattori che influenzano risposta biologica
Dose totaleMassima azione biologicaLimite fissato dai tessuti saniIn un trattamento si arriva a ~ 60 Gy
Rateo di dose100 -200 cGy/minInizio trattamento con campi grandiSovradosaggio al letto tumoraleParte centrale del tumore radioresistente (ipossia)
FrazionamentoCapacità di recupero del danno subletale maggiore cellule sane rispetto a cellule tumoraliFrazionamento tipico; 1 fraz./die 2 Gy/fraz. per 6 settimane
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Produzione di fasci per radioterapia
Unità cobaltoterapiaFasci di fotoni
BetatroniFasci di elettroni e fotoniNon piu’ usati
Acceleratori lineari (LINACs)Fasci di elettroni e fotoni
Acceleratori circolari (sincrotroni e ciclotroni)Fasci di particelle di alta energiaProtoni, pioni, neutroni, ioni pesanti
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Unità
cobaltoterapia
Sorgenti di 60Co contenute in capsule sigillateIrraggiatori con sistemi di controllo della sorgenteSistemi di collimazione
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fotoni 4 ÷
25 MeV
elettroni 4 ÷
30 MeV
Elettroni all’uscita della regione di accelerazione sono: o focalizzati su collimatore ⇒ fascio di fotoni o inviati su fogli diffusori ⇒ fascio di elettroni
Collimatori per definizione del campo di irraggiamentoCamere a ionizzazione per controllo della dose e della posizione del fascioIl centro di rotazione (isocentro) del fascio è localizzato nel bersaglio tumorale
LINAC medicali
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Adroterapia
L’adroterapia
utilizza
fasci
di
protoni,di
ioni
carbonio
e ossigeno.
p accelerati
fino
a 200 MeV
(ciclotroni di
3-4 m, sincrotroni
di
diametro
6-8 m)Ioni
C, O fino
a 400 MeV/n
(sincrotroni
di
diametro
20-25 m)
Vantaggi rispetto a RT convenzionale:• Maggiore
selettività
balistica
(picco
di
Bragg).•
Maggiore
dose al tumore
e riduzione
dose a tessuti
sani.• Dose a maggiore
profondità
• Ioni
C, O A parità
di
dose, ioni
C, O hanno
maggiore
efficacia
su
tumori
poco
ossigenati
e/o
radioresistenti.