19/07/2005 "Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
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"Principi fisici alla base della formazione delle immagini radiologiche"
Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare ein Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapiaradioterapia
Michele Guida Dipartimento di Fisica
“E. R. Caianiello” e Facoltà di Ingegneria Università e I.N.F.N.,
Salerno
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Capitolo 4Capitolo 4
““““““““Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione Interazione
radiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazioneradiazione--------materiamateriamateriamateriamateriamateriamateriamateria””””””””
Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare ein Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapiaradioterapia
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INTERAZIONE INTERAZIONE RADIAZIONERADIAZIONE--MATERIAMATERIA
Radiazioni ionizzantiInterazione di particelle cariche:
rangeperdita di energia per ionizzazioneperdita di energia per radiazione
Interazione di particelle neutre:neutronifotoni:
effetto fotoelettricoeffetto Comptonproduzione di coppie
attenuazionestrato emivalente
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Radiazioni ionizzantiRadiazioni ionizzanti
Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energiaalla 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=hνννν)àààà raggi X e γγγγ- corpuscolari (m>0, E= ½ mv2) àààà particelle α, βα, βα, βα, β±±±±, p, n,...
Particelle cariche: αααα, ββββ±, pàààà ionizzazione diretta degli atomi del mezzo
Particelle neutre: n, X, γγγγàààà ionizzazione indiretta tramite produzione di particelle cariche secondarie
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Interazione di particelle Interazione di particelle carichecariche
Tutte le particelle cariche (e±, p, a, nuclei) interagisconoprincipalmente a causa delle interazioni coulombiane con glielettroni del mezzo attraversato, perdendo rapidamente la loroenergia cinetica.
La perdita di energia della particella carica appare principalmente sotto forma di ionizzazione ed eccitazione del mezzo attraversato.
L’energia cinetica ceduta dalla particella è praticamente tuttaassorbita dal mezzo a una distanza caratteristica, che dipende dalle caratteristiche della particella incidente e del mezzoattraversato.
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RangeRangeRange =
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 verifica sperimentalmente 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
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RangeRange ed energia di particelle diverseed energia di particelle diverse
0.01 0.1 1 10 100 1000 (MeV)0.1
1
10
100(cm)
R(E)H2O
E
scala logaritmica
scalalogaritmica
e
elettroni
p
protoni
alfa
Dipendenza del range dall’energiain acqua (~ tessuto biologico)
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dE/dE/dxdxIonizzazione specifica / potere frenante / stopping power =
perdita di energia per unità di percorso
dE/dx àààà energia/lunghezza
Misurata in eV/cm (spesso keV/µµµµm o MeV/mm)
Fenomeno statistico:perdita di energia diversa a ogni singolo urtoà Straggling = fluttuazioni energetiche
Elettroni:Piccola massa àààà grandi deviazioni
à traiettoria a zig-zag à àààà range molto variabile
Particelle cariche pesanti:Grande massa àààà piccole deviazioni
à traiettoria quasi rettilinea àààà range quasi costante
Dividendo per la densità del mezzo ρρρρ:
(dE/dx)/ρρρρmisurata in MeV·cm2/g
Per particelle cariche pesanti (p,αααα):(dE/dx)/ρρρρ ∝∝∝∝ (q2/v2)·(Z/A)
dipende quasi solo (Z/A~ cost ~ 0.5)
dalla particella incidente (carica e velocità)
(dE/dx)αααα ~ 4 (dE/dx)p
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LETLET
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/µµµµm, MeV/mm)
Alto LET àààà alta densità di ionizzazione àààà alta probabilità di colpire e danneggiare un sito biologico
Grande variabilità:elettroni: pochi keV/µµµµm
αααα: diverse centinaia di keV/µµµµm
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BremsstrahlungBremsstrahlung
Le 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 hνννν, sempre minore o al limite uguale all’energia degli elettroni incidenti.
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Interazione di particelle Interazione di particelle neutreneutre
Al contrario delle particelle cariche, neutroni e fotoni possonoessere 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
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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 + AZX àààà A+1ZX
• spesso seguita da decadimento γγγγ (àààà reazioni n.γγγγ o di cattura radiativa)• spesso con nucleo finale radioattivo• più probabile a bassa energia (~ 1/E2)
Urti con nucleoni:• cessione di energia a protoni• eccitazione dei nuclei con successiva emissione di raggi γγγγ
I materiali sottoposti a bombardamento neutronico diventano radioattivi!
Es. n+147N àààà 14
6C + p +0.63 MeV àààà rilascio energia nel corpo umanon+10
5B àààà 73Li + αααα +2.79 MeV àààà Boron Neutron Cancer Therapy
In tutti i processi l’effetto è la ionizzazione secondaria
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Assorbimento/AttenuazioneAssorbimento/Attenuazione
Un fascio di N0 fotoni, attraversando uno spessore ∆∆∆∆x 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 ∆∆∆∆x (e che quindi vengono sottratti
al fascio originario) è
∆∆∆∆N ∝∝∝∝ -N0∆∆∆∆x
Fascio primario
N0
P
Fascio attenuato
Fotoni diffusi
Attenuatore
∆∆∆∆x
N
∆∆∆∆N = - µµµµ N0 ∆∆∆∆x
Il numero di fotoni ancora presenti nel fascio alla profondità x è:
N(x) = N0 e-µµµµx …come nella legge del decadimento
radioattivo!
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Assorbimento esponenzialeAssorbimento esponenziale
I(x) I(x+∆∆∆∆x)
∆∆∆∆x x
X, γγγγ
x = 0
µµµµ = coefficiente di attenuazione linearedel materiale (cm-1)
1/µµµµ = 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/µµµµ
Io/e
spessore x
µ/ρµ/ρµ/ρµ/ρ = coefficiente di attenuazione di massadel materiale (cm2/g)
Dipende quasi soltantodall’energia del fascio
Non esistono spessori che fermano totalmente
il fascio!
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StratoStrato emivalenteemivalente
1/µµµµ = 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/µµµµ e x1/2:
n(x1/2) = n0/2 = n0 e-µµµµx1/2
e-µµµµx1/2 = 1/2-µµµµx1/2 = ln ½ = -ln2 = -0.693
x1/2 = 0.693/µµµµ
1/µµµµ
x1/2<1/µµµµ
x1/2
n(t)
x0
0.50 n00.37 n0
n0
…come tempo di dimezzamento!
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Si definisce lo spessore di dimezzamento
X1/2 come lo spessore di un certo materiale
che dimezza l’intensità della radiazione γche attraversa il materiale stesso.
Lo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamento
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I = I0 : 2 nI0 = intensità di esposizione iniziale
(a monte dello schermo protettivo)
n = numero di spessori di dimezzamento di cui si
compone lo schermo
I = intensità di esposizione risultante (a valle dello schermo protettivo)
Lo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamento
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Lo spessore di dimezzamentoLo spessore di dimezzamentoMATERIALE Co 60 Cs 137 I 131 Ra 226
Piombo 1,1 cm 0,9 cm 0,4 cm 1,4 cm
Ferro 1,8 cm 1,5 cm 1,1 cm 2,3 cm
Calcestruzzo 5,4 cm 4,6 cm 3,2 cm 7,1 cm
Mattoni 6,2 cm 5,8 cm 3,6 cm 8,2 cm
Acqua 12,5 cm 11 cm 7,3 cm 16,5 cm
Legno 18 cm 16 cm 10,3 cm 23,5 cm
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Assorbimento complessivoAssorbimento complessivo
RAGGI X : ASSORBIMENTO
µ = µµµµfotoel
+ µµµµCompton
+ µµµµcoppie
1 keV 1 MeV 1 GeVE
1 keV 1 MeV 1 GeV
106
103
1
10 eV
106
103
1
µµµµ(u.a.)
rame
Cu (Z=29)
E
µµµµfotoel.
µµµµCompton
µµµµcoppie
µµµµtotale
µµµµfotoel ∝∝∝∝ ρρρρ Z4/E3
µµµµCompton ∝∝∝∝ ρρρρ Z/Eµµµµcoppie ∝∝∝∝ ρρρρ Z2 lnE
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Assorbimento in diversi materialiAssorbimento in diversi materiali
E
0.01
(MeV)
0.1
1
10
100
µµµµ/ρρρρ(cm2/g)
0.1 1 10 E
piombo
calcioacqua
µ/ρµ/ρµ/ρµ/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 µµµµm di piombo
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PenetrazionePenetrazione (range)(range)
0
10
20
0
10
20
cm
cm
γγγγ da 60Co γγγγ da elettroni protoniE=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV
Radiazioni α,β,γα,β,γα,β,γα,β,γin diversi materiali...
... e nel corpo umano(impiego terapeutico)
Range R (∝∝∝∝E) =distanza media
percorsa nella materia
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SchermiSchermi protettiviprotettivi
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Rilascio energia in tessuto Rilascio energia in tessuto biologicobiologico
0 10 20 cm profondità di tessuto
1
2
3
4
unitàrelative(cute=1)
X 200 keVelettroni 22 MeV
γγγγ 1.3 MeV (60Co)
γγγγ 22 MeV
protoni 200 MeV
picco di Bragg
protoni con modulaz. energia
Rilascio di energia di diverse radiazioni in tessuto biologico
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RADIAZIONIRADIAZIONI
IonizzantiIonizzanti
LE RADIAZIONI IONIZZANTI PROVOCANOLE RADIAZIONI IONIZZANTI PROVOCANO:•TUMORE DELLA MAMMELLA (sopravissute alle bombe,
trattamento con raggi X per mastite, fluoroscopie nel trattamento per tubercolosi).
•TUMORE DEL POLMONE (sopravissuti alle bombe, trattamento per spondilite anchilosante, esposizione a gas radon dei minatori).
•TUMORE DELLA TIROIDE (sopravissuti alle bombe, bambini trattati con radioterapia per malattia del timo o per tigna, esposizione a gas radon dei minatori).
•TUMORE DELLO STOMACO E DEL COLONRETTO (sopravissuti alle bombe, trattamento per spondilite anchilosante).
•ALTRI TUMORI ASSOCIATI: TUMORE DEL FEGATO, CANCRO OSSEO, MIELOMA MULTIPLO, LEUCEMIA
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Particelle alfa ed altri ioni…
Possono essere emesse da sostanze radioattive o dagli acceleratori per radioterapia…
Attraversando un materiale seguono una traiettoria rettilineaperdendo la loro energia cinetica (e quindi ionizzando gli atomi) in tutto il percorso. Quasi tutta l’energia viene persa quando la particella è quasi ferma
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…
Si può quindi definire uno spessore di materiale (range) sufficiente a bloccare tutte le particelle di una data energia
Questo tipo di radiazioni ha ranges molto piccoli:
SONO MOLTO FACILI DA SCHERMARE (in genere bastano pochi mm di materiale)R
ange
(mm)
0,1
0,01
1
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Elettroni…
Possono essere prodotti da sostanze radioattive, da acceleratori ma anche da tubi per raggi x.
Attraversando un materiale perdono energia con una sequenza continua di urti ma, poiché sono molto leggeri(un protone “pesa” circa 2000 volte più di un elettrone)seguono una traiettoria casuale e non è possibile definire con precisione un range come per le particelle cariche più pesanti.
Inoltre gli elettroni irraggiano, cioè producono x e gamma
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…
Anche in questo caso comunque gli spessori di materiale attraversati sono relativamente brevi:elettroni da circa 20 MeV sono assorbiti in circa 10 cm di acqua, le particelle ββββ vengono fermate in 1-2 cm di acqua.
Tubo a raggi xCirca 0,1 mm
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Schermature particelle cariche
α: nessun problema
β: conviene usare materiali leggeri 800
ZE
S
S
ion
rad =
in questo modo si riduce la produzione di fotoni
piombo, ferro, rame …
plexiglass
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Tracce di particelle cariche
Path length: actual traveling distance.
Range: actual depth of penetration.
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Le particelle indirettamente ionizzanti, principalmente raggi X fotoni e neutroni, interagendo con la materia, mettono in moto particelle cariche secondarie, a loro volta effettivi responsabili della cessione di energia alla materia. Gli effetti quindi di questo tipo di radiazioni sono gli effetti dei secondari carichi prodotti.
I principali processi di interazione della radiazione elettromagnetica con la materia si possono dividere in:
processi di assorbimento e
processi di diffusione.
Interazioni delle particelle indirettamente ionizzanti con la
materia
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Interazioni delle particelle indirettamente ionizzanti con la
materia
Processi di diffusione Processi di assorbimento
Interazione con
Elastica coerente Inelastica
incoerente
Effetto fotoelettrico
Elettroni atomici Rayleigh Compton
Reazioni
fotonucleari Nucleoni
Creazione di coppie
Campo elettrico
dei carichi
circostanti
Fotoproduzione di
mesoni Mesoni
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Esaminiamo con maggior dettaglio i seguenti tipi di interazione dei fotoni con la materia:
–– Assorbimento fotoelettrico Assorbimento fotoelettrico
–– Diffusione Diffusione ComptonCompton
–– Creazione di coppieCreazione di coppie
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FotoniTre processi principali:
Effetto fotoelettrico:Interazione con elettroni atomici interni
Effetto Compton:Interazione con elettroni atomici esterni
Produzione di coppie:Interazione con campo coulombiano del nucleo
dipendenza da:• energia dei fotoni• Z del materiale
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Interazione radiazione gamma (fotoni) - materia
Effetto fotoelettrico
Effetto Compton
produzionedi coppie e+e-
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Effetto fotoelettrico
Cosa succede? Come misurarlo?
La spiegazione diLa spiegazione di EinsteinEinstein La luce mostra la sua natura corpuscolare:
per spiegare l’effetto fotoelettrico occorre introdurre i fotoni, quanti di luce che si comportano come particelle.
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Un fotone di energia E = hνννν interagisce con un atomo cedendo in pratica tutta la sua energia ad uno degli elettroni più strettamente legati.
L’elettrone viene quindi espulso dall’atomo con un’energia cinetica Ek
Ek = hνννν - Eb
Eb è l’energia di legame dell’elettrone orbitale.
In seguito all’espulsione dell’elettrone e del riassestamento dei livelli
elettronici viene emesso un raggio X caratteristico.
Sia il fotoelettrone che i raggi X caratteristici sono assorbiti nel mezzo dove l’effetto si è prodotto.
L’effetto fotoelettrico è proporzionale a Z5 del mezzo e inversamente
proporzionale a E3.
L’effetto fotoelettrico è molto pronunciato in materiali densi e a basse energie ( E≤0.5 MeV).
Effetto fotoelettrico
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Si tratta di una collisione inelastica tra un fotone ed un elettrone libero.
Nell’interazione il fotone viene deflesso dalla sua direzione iniziale con cambiamento di lunghezza d’onda e quindi di energia. La differenza d’energia tra il fotone incidente e quello deflesso viene impartita all’elettrone.
La diffusione Compton e’ importante fra 0.5 e 1 MeV ma predominapredomina fino a 4 MeV.
La diffusione Compton e’ proporzionale a ZZ e inversamente proporzionale a EE.
Diffusione Compton
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Un fotone interagisce con il campo elettrostatico che circonda una particella carica (normalmente un nucleo atomico, ma anche con minor frequenza un elettrone).
In tal caso il fotone scompare dando origine ad una coppia di elettroni di segno opposto (un elettrone e un positrone).
Affinché il processo sia energeticamente possibile, il fotone deve possedere un’energia almeno doppia di quella equivalente alla massa a riposomassa a riposodell’elettrone ( m0c
2 = 0,511 MeV).
Produzione di Coppie
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L’energia del fotone in eccesso di 2 m0c2, nel caso di
produzione di coppie, viene distribuita sotto forma di
energia cinetica tra le due particelle della coppia.
Solo una quantità trascurabile ne viene ceduta al nucleo.
Le particelle della coppia (elettrone e positrone) dissipano
entrambe la loro energia cinetica in ionizzazione ed
eccitazione degli atomi della materia:
solo il loro destino finale è diverso!
Produzione di CoppieProduzione di Coppie
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Cioè mentre l’elettrone, esaurita la sua energia cinetica,
entra a far parte della popolazione degli elettroni liberi o
legati negli atomi, il positrone si combina con un
elettrone annichilandosi. Le due particelle infatti
scompaiono e la loro massa è convertita in due fotoni
aventi ciascuno un’energia di 0,511 MeV ed emessi in
direzione opposta, per il principio della conservazione
della quantità di moto.
Questo effetto è proporzionale a Z2
Produzione di CoppieProduzione di Coppie
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Schermature fotoni
0
2
4
6
8
10
0 20 40 60 80 100 120
spessore
N
( ) xoeNxN µ−=
λ = 1/µ = libero cammino medio
PiomboCalcestruzzo
Z5 (fotoelettrico)probab. interazione ∝ Z (Compton)
Z2 (prod. coppie)
µ = coefficiente di attenuazione/assorbimento
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Interazione neutroni - materia
diffusione – rallentamento - cattura
q = 0 → solo interazioni nucleari
α p
γ
n
A
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Schermature neutroni
Σ = sezione d’urto macroscopica
0
2
4
6
8
10
0 20 40 60 80 100 120
spessore
N
( ) xoeNxN Σ−=
La massima perdita energiasi ha quando: mA ≈ mn
materiali idrogenatimateriali leggeri
calcestruzzo o paraffina“borata”, “litiata”
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Le radiazioni elettromagneticheelettromagnetiche (raggi xraggi x e raggi raggi ) e quelle
corpuscolatecorpuscolate ( , , protoniprotoni e neutronineutroni) sono tutte cancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogenecancerogene.
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Negli esseri umani esiste una gerarchia nella tendenza dei diversi
tessuti a sviluppare neoplasie indotte da radiazioni:
1. Leucemie;2. Carcinoma della tiroide;
3. Tessuti della mammella, del polmone e delle ghiandole salivari;
4. Tessuti della cute, delle ossa e del tratto gastrointestinale.
Le radiazioni possono agire sul DNA sia direttamente sia indirettamente:
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Come la radiazione causa danni
biologici ?
• Queste modifiche sono in grado di danneggiare le funzionicellulari e e di distruggere le cellule stesse.
• la radiazione di alta energia rompe i legami
chimici.
• si creano radicali liberi, come quelli prodotti o da altri
agenti nocivi o nel corso dei normali processi cellulari
all’interno dell’organismo.
• I radicali liberi possono modificare gli elementi chimici.
+
-
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Instabiltàgenomica
A volte il danno al
DNA produce
modifiche posteriori
che possono
contribuire alla
formazione di cancro.
Espressione
genica
Un gene può
“rispondere” allaradiazione
modificando il
segnale per la
produzione di
proteine, la cui funzione può
essere o di tipo
protettivo o di
danneggiamento.
Effetti dei danni al DNA
La più importante struttura molecolare che può subire
modificazione da parte della radiazione è il DNA!
Studi scientifici mostrano che, in condizioni normali, gran parte deidanni al DNA indotti dalla radiazione viene riparata dall’organismo.
Mutazioni geniche
A volte un gene
specifico è
modificato in
maniera tale di
divenire incapace a
produrre le proteine
corrispondenti in
maniera
appropriata.
AberrazioniCromosomiche
A volte il danno
interessa l’intero
cromosomo,
producendo la sua
rottura o
ricombinazione in
maniera anomala. A
volte l’effetto è la
combinazione di due
cromosomi diffrenti.
Distruzione dellecellule
Il DNA danneggiato può
innescare
apottosi, ovvero
una programmata
morte cellulare. Se ciò coinvolge
solo poche cellule,
ciò impedisce la
riproduzione del
DNA danneggiatoe quindi protegge
il tessuto.
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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49
In In In In chechecheche modomodomodomodo questoquestoquestoquesto dannodannodannodanno prodottoprodottoprodottoprodotto dalladalladalladallaradiazioneradiazioneradiazioneradiazione ionizzanteionizzanteionizzanteionizzante influenza influenza influenza influenza ilililil nostronostronostronostro
organismoorganismoorganismoorganismo????
Cancro
Sufficiente distruzione cellulareSufficienti alterazioni
genetiche
Patologie da
radiazione
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50
Conservazione degli alimenti
Sterilizzazione medica
Raggi X per la Medicina e l’Industria
Produzione di Isotopi
Medicina Nucleare
Radioterapia
Produzione di Energia Nucleare
Trattamento dei liquami fognari
Illuminazione artificiale
Rivelatori di Fumo
Conservazione degli alimenti
Sterilizzazione medica
Raggi X per la Medicina e l’Industria
Produzione di Isotopi
Medicina Nucleare
Radioterapia
Produzione di Energia Nucleare
Trattamento dei liquami fognari
Illuminazione artificiale
Rivelatori di Fumo
UsiUsi delladella radiazioneradiazione ionizzanteionizzante
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51
EFFETTI DELLE EFFETTI DELLE
RADIAZIONIRADIAZIONI
DOSE ASSORBITA
EFFETTI SOMATICI
EFFETTI STOCASTICI
La stessa dose assorbita di differenti radiazioni può produrre
diversi livelli di danno biologico, per questo viene introdotta la
grandezza DOSE EQUIVALENTE H = Q D, con Q fattore
di qualità dipendente essenzialmente dal L.E.T.
L.E.T.=Trasferimento lineare di energia
E.B.R. = Efficacia Biologica Relativa LET EBR Q
Unità di misura di H: Sv (Sievert) =J/kg
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FATTORE DI QUALITA’FATTORE DI QUALITA’
20>175
1053
523
27
1< 3.5
Fattore di qualità
Q
LET in acqua
(keV/µµµµm)
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DOSE EFFICACEDOSE EFFICACE
Ht = Qt Dt Dose media equivalente ad un organo
HE = Equivalente di dose efficace, ora Dose Efficace
T
T
TE HwH ∑=
Valori limiti annuali raccomandati da ICRP 60 per la Dose Efficace:
Intera Popolazione: 1 mSv
Lavoratori Esposti: 20 mSv
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54
ORDINI DI GRANDEZZAORDINI DI GRANDEZZA• Dose totale assorbita in un trattamento radioterapico 60 Gy
(es. 30 frazioni da 2 Gy, 5 volte alla settimana)
• Dose assorbita in un esame RX diagnostico qualche mGy
(in superficie) Dose Efficace dell’ordine dei 100µSv/mGy
• Dose assorbita in esame di Medicina Nucleare (es.scintigrafia ossea)
Dose superfici ossee 10.5 mGy
Midollo osseo 1.22 mGy
Dose (total body) 1.03 mGy
Dose efficace 1.82 mSv
• Dose efficace annuale da sorgenti di radiazione naturale 2.0 mSv
(in aree particolari si può arrivare a circa 17 mSv)
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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55
Esposizione a sorgenti radioattive
Si distingue tra irradiazione esterna e contaminazione interna.
Nel primo caso si intende l’esposizione alle radiazioni emesse dalla sorgente senza contatto tra la persona esposta e la sorgente.
Nel secondo caso la sostanza radioattiva può depositarsi sulla pelle, o venire inalata e/o ingerita restando depositata nell’organismo..
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Macchine radiogeneSono sostanzialmente i tubi a raggi X e gli
acceleratori di particelle
Tre informazioni essenziali:
1. Quando sono “spente” non emettono radiazioni (SALVO ATTIVAZIONE DEI MATERIALI)
2. Quando sono “accese” producono flussi di radiazioni molto intensi e in direzioni ben precise: non basta stare distanti…bisogna evitare di sostare nella direzione del flusso.
3. Possono dare solo irradiazione esterna
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Come ci si protegge ?
Sostanzialmente in quattro modi:
1. Mantenendo la maggior distanza possibile tra sorgente radioattiva ed operatore (il numero di radiazioni che mi può investire diminuisce quadraticamente con la distanza)
2. Minimizzando i tempi di esposizione alla sorgente radioattiva
3. Schermando le radiazioni con “pareti” di materiale opportuno (piombo e calcestruzzo, solitamente)
4. Seguendo le disposizioni dell’Esperto Qualificato
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La dosimetria
Ogni singola radiazione che colpisce un organismo biologico provoca alterazioni a livello cellulare e quindi un danno. Le conoscenze attuali portano a ritenere che il danno aumenti linearmente con l’intensità della radiazione che investe un organismo senza alcuna soglia minima:
Ma come si misura il danno potenziale ?
Danno
Intensità della radiazione
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59
…Quindi:
Dose Equivalente = DE = D x Q
e si misura in Sievert
1 Sv = 1 Joule per chilogrammo (Q non ha dimensioni)
Prima si usava, per misurare DE, il rem: 1 rem = 0.01 Sv.
Attenzione: per raggi X, raggi gamma ed elettroni Q=1 quindi DE=D: Dose e Dose Equivalentecoincidono. Invece Q è maggiore di 1 per neutroni (Q= 5-20), protoni (Q=5) e particelle alfa (Q=20)
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60
L’esposizionePer misurare i livelli di radiazione intorno a tubi a raggi X siutilizza, talvolta, una grandezza, chiamata ESPOSIZIONE, definita come il numero di atomi ionizzati dalla radiazione X inaria. Questa grandezza, con una serie di calcoli, può essere convertita in Dose Equivalente e , limitatamente al caso dei raggi X, può essere utilizzata per valutare il danno biologico.Era stata introdotta in passato perché la tecnologia non consentiva di costruire strumenti che misurassero direttamente la dose. In ogni caso è usata ancora oggi perché la si misura facilmente e con strumenti di costo relativamente basso.
L’esposizione si misura in Roentgen (R):
1 R = 0.000258 Coulomb per Kg di aria, equivalenti a 2 miliardi di atomi ionizzati per cc di aria
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L’esposizioneL’esposizione
L’esposizione è definita come la quantità di ionizzazione che una radiazione gamma produce in aria.
L’unità di misura è il Coulomb/Kg (C/Kg) che equivale alla
formazione in aria di circa 8 miliardi di coppie di ioni.
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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La dose assorbitaLa dose assorbita
• Rappresenta la quantità di energia
che la radiazione cede alla materia
• L’unità di misura è il GRAY (Gy) che
equivale al passaggio di 1 Joule di
energia per kg di materia
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Un esempio
Fondo naturale: 1.5 mSv/anno Impiego sanitario: 1 mSv/anno
probab. danno somatico “grave”
5·10-2 per Sv ≡ 5·10-5 per mSv
Per confronto:
probab. danno genetico
1,3·10-2 per Sv ≡ 1.3·10-5 per mSv
DE = 1 mSv/anno Sorgente 60Co da 100 µCiesposizione continua per 1 annoalla distanza di 1,5 m
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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64
Azione mutagena dei raggi X
* il numero delle mutazioni legate al sesso aumenta linearmentecon la dose somministrata
* il numero di mutazioni è cumulativo
by GP&NA
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65
Carico da radiazione naturale nell’uomo
sorgente di radiazione dose in mSv/annoradiazioni naturali 0,82radiazione cosmica 0,28radioisotopi nel corpo 0,28altre radiazioni 0,26radiazioni dovute alla civilizzazione 0,35esami radioscopici 0,20radiofarmaci 0,02-,04irradiazione da raggi X dovuti a 0,04-,05televisione, radiazione da edifici 0,04-,05inquadramento da test armi nucleari 0,04-,05centrali nucleari 0,01aereo 0,004-,008TOTALE ca. 1,17
by GP&NA
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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66
Origine delle mutazioni spontanee
Non esiste una quantità adeguata di radiazioni di fondo (raggi cosmici, materiali radioattivi terrestri) sufficiente per spiegare i tassi di mutazione osservati nella maggior parte degli organismi. Ad esempio, in Drosophila, il tasso di mutazione spontanea è circa 1300 volte quello atteso considerando l’intensità delle radiazioni naturali e quindi hanno piccola responsabilità nella determinazione delle mutazioni spontanee.
by GP&NA
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Radiazioni ionizzanti e conseguenze
M Le radiazioni ionizzanti possono provocare rotture cromosomiche e quindi sia riarrangiamenticromosomici che mutazioni puntiformi.
& Le radiazioni ionizzanti penetrano nei tessuti in notevole profondità. Nel loro percorso collidono con gli atomi che incontrano e determinano il rilascio di elettroni e la formazione di ioni carichi positivamente. Questi collidono con altre molecole e quindi si liberano ulteriori elettroni e così via. Si forma quindi un cono di ioni lungo il percorso di ogni raggio ad alta energia attraverso i tessuti viventi.
by GP&NA
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Nuclide (N) massa totale attività totale ingestione giornaliera
di N di N di N
Uranium 90 µg 1.1 Bq 1.9 µg
Thorium 30 µg 0.11 Bq 3 µg
Potassium-40 17 mg 4.4 kBq 0.39 mg
Radium 31 pg 1.1 Bq 2.3 pg
Carbon-14 95 µg 15 kBq 1.8 µg
Tritium 0.06 pg 23 Bq 0.003 pg
Polonium 0.2 pg 37 Bq 0.6 µg
Radioattività naturale presente nel corpo umano
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BiologiaBiologia e e Radazione Radazione
30-100 miliardi di cellule a rischio 3030--100 100 miliardimiliardi di cellule a di cellule a rischio rischio
• Differenti tipi di cellule
• Differenti cicli cellulari
• Differenti bersagli cellulari
•• Differenti Differenti tipi di celluletipi di cellule
•• Differenti cicli cellulariDifferenti cicli cellulari
•• Differenti bersagliDifferenti bersagli cellulari cellulari
LD/50 = 4 LD/50 = 4 GyGy
4 4 GyGy = 67 calorie= 67 calorie
67 calorie = 3 ml 67 calorie = 3 ml sorso sorso di di caffè caffè a 60°C a 60°C
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L.E.T.TIPO DI RADIAZIONE LET (keV/mm)
raggi X da 25MeV 0.2
radiazione da 60Co 0.25
elettroni da 1 MeV 0.3
raggi X per diagnostica 3
fotoni da 10 MeV 4
neutroni veloci 50
alfa da 5 MeV 100
nuclei pesanti 1000
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Limiti di dose
Popolazione: DE < 1 mSv/anno
Lavoratori esposti
Categoria B: DE < 6 mSv/anno
Categoria A: DE < 100 mSv in 5 anniDE < 20 mSv/anno
Zona CONTROLLATA: dove è possibile assorbire una DE > 6 mSv
Zona SORVEGLIATA: dove è possibile assorbire una DE > 1 mSv
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Principali compiti dell'Esperto Qualificato (E.Q.)
Effettuare la delimitazione delle zone controllate e sorvegliate
Classificare il personale esposto
Eseguire i progetti radioprotezionistici
Effettuare i controlli sui dispositivi di sicurezza
Effettuare i controlli dosimetrici nei luoghi di lavoro
Valutare la dose assorbita dai lavoratori
Istituire i documenti di radioprotezione (registri e schede dosimetriche)
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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In conclusione…
• Informarsi sempre sul tipo di sorgente di radiazione utilizzata
•Limitare l’esposizione al minimo
•Seguire scrupolosamente le disposizioni dell’EQ per l’uso e la conservazione delle sostanze radioattive e delle macchine radiogene specie quando si opera in altri laboratori
•Comunicare immediatamente al medico autorizzato qualunque cambiamento significativo della salute (in particolare lo stato di gravidanza)
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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…
Il principio della “linearità senza soglia” porta a limitare, in qualunque attività,l’esposizione alle radiazioni al livello minimo possibile (principio ALARA)
Oggi si conoscono i livelli di esposizione che con certezza portano a patologie gravi. Si conosce anche (ma con maggiori margini di incertezza) la probabilità che esposizioni a piccole quantità di radiazione possano far insorgere nel tempo diversi tipi di patologie. La legislazione della radioprotezione fissa regole per evitare i danni certi e limitare quelli probabili entro livelli di accettabilità.
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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La DOSE
Il danno biologico si identifica (in prima approssimazione) con una grandezza che si chiama
DOSE = D = energia dissipata da radiazioni ionizzanti per unità di massa
e si misura in Gray:
1Gray = 1 Gy = 1 Joule per chilogrammo.
In passato si usava un’unità di misura diversa (che molto spesso ancora compare su tabelle e strumenti) e cioè il rad: 1 rad = 0.01 Gy
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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La Dose Equivalente
Il danno biologico è proporzionale alla dose solo in alcuni casi, infatti tipi di radiazione diverse dissipano la loro energia in volumi più o meno grandi producendo danni a livello microscopico, a parità quindi di energia dissipata, minori o maggiori. Per questo motivo si moltiplica la dose per un numero, maggiore o uguale ad 1, (detto FATTORE DI QUALITA’, Q) che cambia a seconda del tipo di radiazione. Si ottiene così una nuova grandezza, detta DOSE EQUIVALENTE, che si ritiene sia realmente proporzionale al danno biologico.
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L’equivalente di doseL’equivalente di dose
• Rappresenta la quantità di energia che la radiazione cede al corpo umano
• L’unità di misura è il SIEVERT (Sv) che equivale al passaggio di 1 Joule di energia per Kg moltiplicato per un coefficiente
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La misura del grado di La misura del grado di esposizione alle radiazioniesposizione alle radiazioni
1 C/kg = 3870 R
Coulomb/kg -C/kg-
(R)
Dose
di esposizione
ARIA
1 Gy = 100 Rad
Gray -Gy-
(Rad)
Dose
assorbita
MATERIA
1 Sv = 100 Rem
Sievert -Sv-
(Rem)
Equivalente
di dose
UOMO
RADIAZIONI
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Irradiazione esternaIrradiazione esterna
Nel caso di diffusione di radiazioni γ in aria,
si può assumere con buona approssimazione
in favore della sicurezza che:
Rem = Rad = Roentgen (R)
Sievert (Sv) = Gray (Gy) = Coulomb/Kg (C/Kg)
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Relazione fraRelazione fra
grandezze grandezze radiometricheradiometriche
I = (K x C) : d2
I = intensità di esposizione
alla distanza d dalla sorgente
C = attività della sorgente in Curie
K = costante gamma specifica
coefficiente caratteristico di ciascun radioisotopo
sempre minore di 1 tranne che per tre sostanze
(110Ag, 60Co e 24Na)
19/07/2005 "Principi fisici alla base della
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81
•Una radiazione è detta ionizzante quando ha la capacità di accelerare elettroni nello spazio, sia direttamente che indirettamente.
•La parte dello spettro elettromagnetico conosciuta come radiazione
X o γ γ γ γ trasferisce direttamente energia dei fotoni a elettroni preesistenti
•L’esposizione è ubiquitaria
•La sorgente naturale è rappresentata da nuclidi radioattivi nell’aria, nell’acqua, nelle catene alimentari, nei minerali di superficie e dai raggi cosmici che bombardano l’atmosfera terrestre.
•L’esposizione dovuta all’uomo nell’utilizzo di sostanze radiogene e nella fissione nucleare ha evidenziato l’associazione tra radiazioni ionizzanti e tumori.
RADIAZIONIRADIAZIONI
ionizzantiionizzanti