Radiazione ed i processi biologiciLa radiazione incide sui legami chimici delle molecole ed ha la capacita’ di rompere questi legami. L’energia tipica rilasciata da una radiazione e’ 6-7 volte l’energia necessaria per rompere un lergame chimico tra due atomi ci Carbonio.

L’esposizione alla radiazione scatena diversi effetti, ognuno con i suoi tempi propri.L’interazione iniziale con la materia, ha tempi dell’ordine di 10-12-10-8 s, in cui viene trasferita energia, successivamente potrebbero attivarsi reazioni chimiche nelle molecole con tempi di 10-7s fino a diverse ore ed effetti potrebbero anche manifestarsi dopo giorni o mesi, oppure l’effetto potrebbe essere letale se la energia trasferita, dose, supera certi livelli.

Il risultato immediato dell’interazione con la radiazione e’ la cessione di energia che causa ionizzazione ed eccitazione di atomi e molecole.

Interazioni Iniziali

La radiazione rilevante per i sistemi biologici sono:

Particelle cariche pesanti protoni, α e ioni pesanti: Cedono energia interagendo con gli elettroni, secondo Bethe-Bloch; La densita’ di ionizzazione ed eccitazione alta e varia come Z2, per una data velocita’. Si ha il massimo di deposito al picco di Bragg.

Elettroni: sono piu’ penetranti perche’ perdono meno energia negli scattering, l’area interessata e’ piu’ estesa perche’ anche bremsstrahlung e anche scattering a grandi angoli. La densita’ di energia depositata per volume minore.

Neutroni: Niente ionizzazione diretta, ma attraverso nuclei scatterati. - da 0.025 a 100 eV si hanno reazioni (n,g) con H, il γ emesso ha energia di 2.2 MeV -

fino ai KeV scattering elastico con cessione di energia con H,C e O - > MeV percorrono ~6 cm prima di termalizzare, creano zona altamente ionizzata a

grande profondita’- 0.1 a 20KeV cattura e scattering, con predominanza cattura man mano che energia

diminuisce, -> 1/v- 0.2 a 0.025 eV eccitazione molecolare

Fotoni: trasferiscono energia via Compton, creazione di coppie e effetto fotoelettrico. Il coefficientte di attenuazione dipende fortemente dall’energia e da Z del tessuto. Con atomi a basso Z, (H, C.O) prevale il Compton per energie > 40 KeV fino a MeV. L’energia non e’ localizzata ma molto dispersa e decresce esponenzialmente con la profondita’.

Danno chimico indiretto

La radiazione lascia una scia di atomi e molecole ionizzati ed eccitati.Una parte della radiazione cede energia direttamente al materiale biologico sensibile, con danni irreversibili, nei casi piu’ frequenti si ha invece la ionizzazione di molecole piu’ semplici con la creazione di radicali liberi che sono chimicamente molto attivi.

Cl2 +hv--> 2Cl.

La ionizzazione diretta avviene per l’80% dei casi su acqua, e quindi i radicali liberi sono molecole di H2O con un legame rotto.I radicali diffondono e reagiscono con le molecole del tessuto e formano altre molecole rompendo legami e in questo modo possono alterare la struttura della molecola e portarla alla morte o alterarne le funzionalita’ , si pensi ai cromosomi e al DNA.

Per fortuna a bassi livelli di esposizione la materia biologica ha in se’ i mezzi per riparare ai danni da ionizzazione e quindi limitare i danni permanenti.

Dose Le unita’ di misura per le radiazioni riferiscono alla quantita’ di enrgia depositata o assorbita dai tessuti o sistemi biologici. Si hanno diverse definizioni, ognuna delle quali appropriata nel proprio contesto.

Dose assorbita (D) : ammontare di energia da radiazione assorbita per unita’ di massa del materiale. L’unita’ e’ il Gray, Gy= 1 JKg- 1=100 RAD

Per il corpo umano si definisce la dose assorbita media

€

DT = εT /mT

€

εT = energia totale assorbitamT = massa corporea, variabile da gr. a Kg

Gli effetti biologici dipendono dalla rate come pure dalla dose totale , minore e’ la rate minore sono i danni.

Ogni tipo di radiazione rilascia energia lungo la sua traiettoria, direttamente o indirettamente quindi importante la densita’ di energia media depositata per unita’ di cammino nel tessuto : Linear Energy Transfer (LET), in

€

KeVµm-1

La quantita’ LET tiene conto sia di

€

Eex e Ei, e’direttamente legata allo stopping power del materiale.

Il tessuto ha composizione simile a H2O per cui il LET varia da 1

€

KeVµm-1 per mip ed elettroni a 100

€

KeVµm-1 per protoni vicino al picco di Bragg.

La Relative biological effectiveness (RBE) e’ una quantita’ adimensionale, indica la risposta biologica ad una determinata dose di radiazione in rapporto a quella indotta da raggi X e g di 250 KeV

Una dose assorbita di 1 Gy con RBE = 2 causa lo stesso danno biologico di 2 Gy di raggi X che hanno RBE = 1.

Notare come per LET > 100 la curva decresce, questo significa che la densita’ di energia assorbita e’ maggiore del necessario per danneggiare il tessuto in modo irrimediabile

Dose equivalente

Nella protezione da radiazione si definisce la quantita’ dose equivalente (H) per indicare le implicazioni biologiche dell’esposizione a radiaione in termini di dose assorbita. La dose equivalente in un tessuto o organo e’ definita come

dove

€

DT ,R indica la dose media assorbita nel tessuto T dalla radiazione Re

€

wR e’ un fattore peso ricavato mediando la RBE per la radiazione R e per l’energia

€

HT = wR ×DT ,R

Una dose di 1 Gy rilasciata da neutroni di 1-MeV,

€

wR=20, e’ biologicamente equivalente a ad una dose di 20 Gy di gamma,

€

wR=1.

Se la radiazione e’ composita

€

HT = wRR∑ ×DT ,R

L’unita’ SI per dose equivalente e’ il sievert (Sv), Dose in Sv = dose assorbita in Gy per il fattore peso

€

wR

la vecchia unita’ il rem= 1 Rad x QF= 1/100 Sv=10 µSv

1 Gy air dose equivalente 0.7 Sv tissue dose1 R ( roentgen) esposure ~equivalente a 10 µSv tissue dose

Dose effettivaI danni biologici dipendono da : natura radiazione e tipo di esposizione ( uniforme, parziale, totale)

Si assegna un fattore peso

€

wT per tener conto della effettiva sensitivita’ alla radiazione dei tessuti e organi.

Dose effettiva (E) = somma dosi equivalenti per diversi tessuti

€

E = wT ×HTT∑

da cui si ricava

€

E = wT × wR ×DT,RR∑

T∑

I pesi sono stati calcolati in modo che la dose effettiva calcolata sia numericamente uguale alla dose equivalente uniforme data al corpo intero.

Esposizione alle radiazioni

Le radiazioni sono dannose e tutti sono esposti alle radiazioni, per questo e’ necessario valutare la dose assorbita ed i risch eventuali per la salute dei cittadini. Importante individuare le sorgenti ed i livelli di radiazione nella vita normale.

Radiazioni ambientali

La dose di radiazioni maggiore e’ dovuta al fondo naturale, il resto viene da un certo numero di sorenti artificiali , inclusi procedure mediche e dentistiche. prodotti di consumo ( tabacco), ricadute radioattiva dovute a test di bombe nucleari e ricadute da centrali nucleari a perte alcune attivita’ lavorative.

Sorgenti naturaliIl fondo naturale costituisce il 85% della dose annuale di 3600 µ S. Una parte e’ dovuta ai raggi cosmici, una parte al cibo e bevande, ma la parte maggiore dalla crosta terrestre. I raggi cosmici sono particelle cariche di energia altissima che entrando nell’atmosfera interagiscono con produzioni di gamma, elettroni e muoni di cui una parte arriva sulla terra.

La dose varia con la latitudine e con l’altitudine, a 2000 m e’ 3 volte quella a livello del maree volando a 10000m e’ 150 volte maggiore. La radiazione terrestre e’ dovuta agli isotopi radioattivi, presenti in tutte le rocce e quindianche nei materiali da costruzione. Gli isotopi piu’ comuni sono quelli primordiali: U-238, Th-232 e K-40 ed essendo presenti nelle rocce irradiano proporzionalmente tutto il corpo.

L’esposizione naturale varia da suolo a suolo a da rocce a rocce, in certe zone delBrasile dove ci sono spiagge di sabbi nera la dose e’ di circa 100 mS/h che e’ 1000 quella riscontrata normalmente ad esempio in Inghilterra.

Irraggiamento interno puo’ esser causato dall’ingestione o inalazione di isotopi che si trovano nei cibi o bevande, di cui i piu’ importanti sono K-40,Rb-87 e Ra226 e R228., per circa 300 mS/y.

Importante e’ la dose assorbita per inalazione attraverso il gas Radon, i cui isotopi Ra219, Ra220 e Ra221 che fanno parte delle catene di decadimento radioattivo naturale.

Il radon si propaga nell’ambiente dalla crosta terrestre e dal pavimento e muri. Decade per emissione alfa ed i suoi figli sono isotopi radioattivi del piombo, bismuto e polonio.Questi si “attaccano” alla polvere e quando viene respiarata vanno a finire in organi vitali.

Altre sorgenti di radiazione interna sono il H-3, C-14 e Be-7 che sono formatinell’atmosfera dall’interazione dei raggi cosmici.

Sorgenti artificiali

Le sorgenti artificili contribuiscono alla dose di fondo individuale per circa un 10%

Si distinguono in diverse categorie :

- procedure mediche e dentistiche

- materiale e rifiuti radioattivi che sono presenti in ospedali, laboratori, industria nucleare

- fall out dai test nucleari

- dosi minori sono dovute a isotopi radioattivi presenti a certi prodotti di consumo, in certi prodotti da pittura, nei prodotti sbiancanti, per dare smalto alle ceramiche, nel tabacco che assorbe in modo particolare il radon.

Valutazione della dose

Sorgenti esterne

La dose ricevuta dipende oltre che dall’esposizione a sorgenti emettenti anche dalla distanza dal soggetto e dal materiale interposto.

€

Rate dose dDdt

(µSv h-1) ≈A(MBq)×E γ (MeV)

6× [r(m)]2

Una approssimata relazione utile per il calcolo della dose assorbita da un tessuto posto a r m dalla sorgente radioattiva emettente A ( in 10**6) fotoni per secondo di energia Eγ, in Mev e’ la

Questa approssimazione lineare e’ valida in un ampio range di Eγ da 0.1 MeV a qualche MeV.

Radioattivita’ ingerita o inalata

Una sorgente interna di attuivita’ A e energia di radiazionr ER emette energia ad una rate AER e se f e’ la dose depositata in un tessuto di massa mT la dose rate si approssima con

€

dDT

dt=AER fmT

Le dosi interne non sono facili da stimare. L’energia potrebbe non essere assorbita, l’attivita’ puo’ variare col tempo dipendendo sia dal tempo di dimezzamentodel radioisotopo che dal tempo di dimezzamento biologico.

Tempo di dimezzamento biologico = tempo preso dal corpo per espellere meta’ del materiale radioattivo. Esso puo’ essere molto minore del tempo di dimezzamento.

Inoltre certi radioisotopi tendono a concentrarsi in particolare parti del corpo, come ad es. lo iodio nella tiroide, cosi’ la dose cambia in funzione dei tessuti.

Tecniche della medicina nucleare diagnosticaLe scoperte della fisica atomica e nucleare sono sempre state utilizzate dalla medicina, fin dalle prime scoperte del Radio.

Lo sviluppo delle tecniche sperimentali e strumentali nucleari hanno portato a sviluppare procedure diagnostiche molto sofisticate, per non parlare delle terapie per contrastare particolari patologie.

I radioisotopi sono utilizzati come traccianti per studiare il flusso sanguigno e la funzionalita’ di certi organi, la scansione con raggi X e gamma con i computer ha portato allo sviluppo di sofisticate tecniche di imaging, Computerized Tomography,CT, 2-D e 3-D

La combinazione CT e nuclidi emettitori di positroni ha portato allo sviluppo della tecnica molto sofisticata di imaging, la prositron emitting tomography ,(PET)

Una tecnica che utilizza la Nuclear Magnetic Resonance ha portato allo sviluppo della tecnica di imaging Magnetic Resonance Imaging (MRI) o NuclearMRI.

La CT, la PET e la MRI hanno tratto enormi vantaggi dalla potenza dei mezzi di calcolo per cui i tempi di acquisizione di un’immagine completa sono tlmente ridotti che e’ possibile utilizzare queste tecniche per studi di comportamento funzionale e dei processi dinamici dei diversi organi.

Radiografia-X e gamma cameraDue tipi: sorgente esterna e sorgente interna

Sorgente esterna : l’immagine registra variazioni dell’attenuazione dei raggi Xlungo i differenti cammini. Se

€

µ cefficiente di attenuazione, la variazione dellaattenuazione in dl lungo il raggio

€

dII

= −µdl

€

ln( I1I2

) = µdl1

2

∫Raggi paralleli

Ciascun punto nell’immagine contiene informazioni sulla attenuazione subita dai raggi X nel percorso tra I1eI2.

L’immagine completa rivela la variazione trasversale dell’integrale, in due dimensioni. Non si hanno informazioni sulla variazione di

€

µ lungo il cammino dl raggio.

E’ un integrale di linea del coefficiente di attenuazione, che dipende dalla posizione.

La radiografia a raggi X e’ utilizzata sopratutto per rivelare dettagli di organi con alto Z, es. Ca, (Z=20) quindi sistema osseo, poco adatta a risolvere dettagli di organi costituiti da tessuti a basso Z. Ricordare che il corpo umanoe’ costituitom per ~70-80% da H2O

Imaging da radiazione interna

Dalla misura della radiazione di un isotopo, introdotto in un corpo, si possono ricavare informazioni circa la struttura dell’ organo e la sua funzionalita’.

Necessari localizazre la sorgente per registrarne l’attivita’ in una determinata posizione: necessario un collimatore davanti al rivelatore, cosi’ la radiazione e’ registrata solo quando e’ esattamente davanti al rivelatore.

Per studiare zone estese si ricorre alla Gamma Chamber

Si ottengono risoluzioni di 8-12 mm

I radionuclidi sono trasportati nelle zone specifiche mediante appositi farmaci che hanno la proprieta’ di accumularsi nelle zone suddette..

I radionuclidi piu’ adatti a questo tipo di diagnosi sono quelli che emettono solo γ e non β, con vita media non troppo lunga, per non immettere dosi elevate, ma sufficiente per ottenere una buona immagine. Sono sufficienti 2MBq , circa 500 µCi per 15-20 min.

L’energia ottimale dei

€

γ e’ tra i 100-200KeV, perche’ in questo modo i

€

γ sarebbero tutti convertiti nello scintillatore e quindi si avrebbe una informazione completa della perdita di energia dovuta solo a quella nel tessuto.

Il radioisotopo piu’ adatto a questo scopo e’ il Te-99m

Il Te-99m e’ un isotopo, metastabile, figlio del Mo-98 per e.c. ,tempo di dimezzamento: 6 h, decade via γ allo stato fondamentale , con Eγ=149 KeV per il 90%.

L’emissione β e’ debole e contribuisce poco alla dose effettiva

Tomografia ComputerizzataLa radiografia a raggi x permette una buona risoluzione 2-D, ma bassa risoluzione in profondita’.

Il coefficiente di attenuazione deve variare di > 10% per poter individuare cambiamento di struttura.

Nel 1971 inventato un nuova tecnica scansione, Computer Tomography, che permette di ottenere immagini di strati sottili in 3-D.

La tecnica si basa sul fatto che l’informazione per costruire un’immagine di uno strato 2-D, e’ contenuta in un set completo di immagini proiettate da tutte le direzioni sul piano dello strato.

Un’immagine o “slice” richiedeuna rotazione di 360 gradi.Uno slice e’ focalizzato ad unospessore tra 1-10 mm.Ad ogni posizione viene registratoil “profilo” del fascio. Tipicamente si prendono 1000 profili. In media ogni profilo e’ suddiviso in un certonumero di canali,rivelatori, ~700.

Mediante il calcolatore si ricostruiscel’immagine 2-D dello slice.

Si vuole ottenere una immagine 2-D del coefficiente di attenuazione lineare

€

µ(x, y) dello slice.

Ogni punto, (x,y), dell’immagine 2-D, contiene informazioni della

€

µ(x, y) fornite da tutti gli integrali di linea dell’attenuazione della densita’ di energia che passano per (x,y).Una volta che si e’ costruito un set completo, quindi a 360o , di profili, cioe’ di integrali di linea,con la tecnica della back propagation si costruisce la funzione

€

µB (x, y) dell’immagine dello slice.

Il valore della funzione in ogni punto P e’ ottenuto integrando sull’angolo nel piano xy tutti gli integrali di linea passanti per P.

€

µ(x, y)dlA

B

∫l’integrale sulla linea AB, facente un angolo phi con asse x e passante per P

€

µB (ξ,η) = dϕ0

2π

∫ µ(x,y)dlA

B

∫

Dalla conoscenza di

€

µB (ξ ,η) si puo’ risalirealla

€

µ(x, y) ( problema inverso); data la misura dell’attenuazione si puo’ risalire alla composizione del tessuto che ha provocato l’attenuazione.

Nel sistema di coordinate

€

(r,ϕ) centrato in P la

€

µB (x, y) si riscrive come

€

µB (ξ,η ) = dϕ0

2π

∫ rdlµ(x, y)rA

B

∫

separando in due tronconi AP e PB si riscrive come

€

µB (ξ,η) = dϕ{0

2π

∫ rdlµ(x,y)rP

B

∫ + rdlµ(x,y)rA

P

∫ }

€

= dϕ0

π

∫ rdlµ(x,y)rP

B

∫ + dϕπ

2π

∫ rdl µ(x,y)rA

P

∫

ora

€

rdrdϕ = elemendo di area dA di slice, e

€

r = (x −ξ)2 + (y −η)2 e’ la distanza dal punto (x,y) da P.

€

µB (ξ,η) =µ(x,y)r∫ dA

Il valore di

€

µB (ξ ,η) in ciascun punto P dello slice, contiene i contributi da tutti gli integrali di linea

€

µ(x, y) ma pesate da 1/r . Questa tecnica e’ chiamata convoluzione di

€

µ(x, y) con 1/r.

La tecnica inversa, deconvoluzione, permette di ricavare la

€

µ(x, y) partendo dai valori di

€

µB (ξ ,η) , usando un metodo iterativo, che richiede un tempo di elaborazione elevato.

La tecnica CT e’ usata anche nella Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)

Questa tecnica utilizza i raggi gamma, emessi da un radioisotopo internamente al soggetto, come sorgente di informazione sul punto di dove sono originati.Con l’uso di una gamma camera, che si muove sul piano (x,y) e’ possibile ricavare la immagine 2-D dello slicedefinito dal sistema di collimazione della GC , con la stessa tecnica CT.Questa tecnica ha risoluzioni che dipendono da molti fattori, non ultimo la distanza della GC dalla sorgente. Altra tecnica e’ la Positron Emission Tomography (PET)

Una tecnica simile alla SPECT, con una efficienza migliore e’ la PET in cui un radioisotopo emettitore di positroni e’ introdotto nel soggetto

Quando il positrone si annichilacon un elettrone, praticamente ariposo, i 2 gamma emessi hanno un’energia di 511 KeV e sono emessi back-to-back.

Rivelando la coincidenza di questi duegamma, si definisce la traiettoriasu cui il punto di emissione giace.

Un anello di rivelatori di gamma, postiad anello attorno al soggetto, definisce un piano, slice, attraverso il medesimo e registra le coincidenze delle coppie di gamma lungo tutte le possibili direzioni giacenti sul piano.

La ricostruzione utilizza la stessa tecnica della CT, ottenendo risoluzioni molto buone.

Il vantaggio sulla CT tradizionale deriva dal fatto che la dose cui il soggetto e’ sottoposto risulta molto inferiore,a parita’ di risoluzione.

BoronNeutronCaptureTherapyMetodo di terapia radiologica basata sulla reazione 10B(n,4He)7Li. la terapia radiologicacon le tecniche tradizionali consiste nel conformare la dose e la geometria deifasci di fotoni o particelle cariche in modo da definire gradienti di dose fisica attorno alla zona interessata. La BNCT invece consiste nel concentrare una definita quantita’ ( 15 µg 10B per g di massa) solo nella zona di interesse ed attivare la reazione nucleare con neutroni termici.

Le moderne facility per generare neutroni termici sono in grado di produrre flussidi ~2 109-2 1010 /cm2 /s neutroni , con un picco di intensita’ da 1-3 cm di profondita’

Tra i nuclidi con alta probabilita’ di cattura neutronica il 10B e’ preferibile perche’:- non radiattivo e 20% B naturale-le particelle emesse nella reazione di cattura B(n,α)Li son di alta LET , dE/dx- il loro cammino totale e’ circa un diametro di cellula , ~12 um.-la chimica del Boro e’ ben conosciuta e quindi puo’ essere incorporato in diverse strutture chimiche

La materia biologica e’ composta anche di sostanze che hanno alta xsect di cattura neutronica, es. H e N. e quindi contribuiscono alla dose totale assorbitaPer ridurre questo “background” e’ necessario che la zona di interesse abbia la massimaconcentrazione di B in modo che la fluenza ( neutroni/cm2) sia minima per:- minimizzare le reazioni (n,p) con 14N(n,p)14C e le (n,α) con 1H(n,α)2H - massimizzare la BC con la reazione 10B(n,α)7Li

Tecniche diverse sono utilizzate per concentrare il Boro nella zona di interesse,vanno da iniettare direttamente la quantita’ nel punto utile a composti che si fissanonella zona voluta. Ugualmente lo studio di ottimizzazione dei fasci di neutroni procede intensivamenteper fornire fasci sempre piu’ collimati e monoenergetici.