Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
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Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche
INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA Radiazioni ionizzanti Interazione di particelle cariche: range perdita di energia per ionizzazione perdita di energia per radiazione Interazione di particelle neutre: neutroni fotoni: effetto fotoelettrico effetto Compton produzione di coppie attenuazione strato emivalente P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.1 Radiazioni ionizzanti Ogni 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)Æ raggi X e γ - corpuscolari (m>0, E= ½ mv2) Æ particelle α, β±, p, n,... Particelle cariche: α, β±, p ⇒ ionizzazione diretta degli atomi del mezzo Particelle neutre: n, X, γ ⇒ ionizzazione indiretta tramite produzione di particelle cariche secondarie L’assorbimento delle radiazioni nella materia è un processo molto 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.2 Interazione di particelle cariche Tutte 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. 2 2 ΔE 1 ∝z ρ Δx v 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. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.3 Range Range = 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 N0/2 Range medio <r> distanza percorsa dal 50% delle particelle P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche x <r> pag.4 Range ed energia di particelle diverse R(E)H2O scala logaritmica Dipendenza del range dall’energia in acqua (~ tessuto biologico) (cm) protoni 100 elettroni 10 alfa e 1 0.1 0.01 P. Maestro 0.1 1 p 10 scala logaritmica 100 1000 (MeV) Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche E pag.5 LET Trasferimento Lineare di Energia Rapporto 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 Æ alta densità di ionizzazione Æ 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.6 Bremsstrahlung 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 hν, sempre minore o al limite uguale all’energia degli elettroni incidenti. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.7 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: Fotoni: •Cattura neutronica •Urti elastici •Urti anelastici •Effetto fotoelettrico •Effetto Compton •Produzione di coppie P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.8 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 + A X Z Æ A+1 ZX • spesso seguita da decadimento γ (Æ reazioni n.γ o di cattura radiativa) • spesso con nucleo finale radioattivo • più probabile a bassa energia (~ 1/v) I materiali sottoposti a bombardamento neutronico diventano radioattivi! Es. n+147N Æ n+105B Æ 14 C 6 3Li 7 + p +0.63 MeV Æ rilascio energia nel corpo umano + α +2.79 MeV Æ Boron Neutron Cancer Therapy Urti con nucleoni: • cessione di energia a protoni • eccitazione dei nuclei con successiva emissione di raggi γ In tutti i processi l’effetto è la ionizzazione secondaria P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.9 Fotoni Tre 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 In dipendenza da: • energia dei fotoni • n.atomico del materiale P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.10 Effetto fotoelettrico P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.11 Effetto Compton P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.12 Produzione di coppie Visualizzazione in camera a bolle (rivelatore di particelle cariche) P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.13 Assorbimento/Attenuazione Un 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) è ΔN ∝ -N0Δx Fascio primario Δx Fotoni diffusi Fascio attenuato N0 N ΔN = - μ N0 Δx Il numero di fotoni ancora presenti nel fascio alla profondità x è: N(x) = N0 P. Maestro e-μx Attenuatore …come nella legge del decadimento radioattivo! Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.14 P Assorbimento esponenziale intensità trasmessa (%) I X, γ 100 75 x = 0 Io/e 50 Δx Non esistono spessori che fermano totalmente il fascio! 25 0 μ = coefficiente di attenuazione lineare del materiale (cm-1) I(x) I(x+Δx) 1/μ P. Maestro spessore x x 1/μ = spessore dopo il quale il fascio si riduce a I0/e = 37% I0 Dipende dal materiale e dall’energia del fascio μ/ρ = coefficiente di attenuazione di massa del materiale (cm2/g) Dipende quasi soltanto dall’energia del fascio Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.15 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 n(t) n0 Relazione tra 1/μ e x1/2: x1/2<1/μ n(x1/2) = n0/2 = n0 e-μx1/2 e-μx1/2 = 1/2 -μx1/2 = ln ½ = -ln2 = -0.693 0.50 n0 0.37 n0 0 x1/2 = 0.693/μ x1/2 1/μ P. Maestro x …come tempo di dimezzamento! Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.16 Assorbimento complessivo μ 1 keV (u.a.) 106 1 MeV μCompton μtotale μ 1 keV P. Maestro 106 μ = μfotoel + μCompton + μcoppie Cu (Z=29) 1 10 eV E rame μfotoel. 103 1 GeV μfotoel ∝ ρ Z4/E3 103 μCompton ∝ ρ Z/E μcoppie ∝ ρ Z2 lnE 1 coppie 1 MeV 1 GeV E Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.17 Assorbimento in diversi materiali μ/ρ = coefficiente di attenuazione di massa del materiale (cm2/g) Quasi indipendente dal tipo di materiale μ/ρ (cm2/g) 0.1 1 10 E (MeV) 100 piombo 10 Es. raggi X da 25 keV L’intensità si riduce di un fattore 7 (~14%) in 30 m di ossigeno oppure 0.12 mm di rame oppure 32 μm di piombo 1 0.1 acqua calcio 0.01 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche E pag.18 Rilascio energia in tessuto biologico unità relative (cute=1) protoni 200 MeV 4 3 Rilascio di energia di diverse radiazioni in tessuto biologico picco di Bragg γ 22 MeV 2 protoni con modulaz. energia 1 γ 1.3 MeV (60Co) elettroni 22 MeV X 200 keV 0 P. Maestro 10 20 cm profondità di tessuto Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.19 DOSIMETRIA E RADIOPROTEZIONE Effetti biologici delle radiazioni • • • • P. Maestro Range, esposizione Dose assorbita, equivalente, efficace Danno biologico Dosi limite e radioprotezione Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.20 Emissione e assorbimento di radiazioni Le radiazioni emesse da una sorgente radioattiva vengono irraggiate nello spazio in tutte le direzioni. Una loro frazione, dipendente dall’angolo solido e dalla distanza (I∝Ω/r2), colpisce il soggetto esposto cedendogli energia. I danni che esso ne riceve dipendono dall’energia, dal tipo di radiazione, dagli organi che ne vengono colpiti. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.21 Penetrazione (range) Range R (∝E) = distanza media Radiazioni α,β,γ ... e nel corpo umano in diversi materiali... percorsa nella materia (impiego terapeutico) γ da 60Co γ da elettroni protoni E=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV P. Maestro cm 0 0 10 10 20 cm 20 Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.22 Dose assorbita Dose = energia assorbita per unità di massa D = ΔE/Δm Unità di misura: SI Æ Gray = J/kg pratico Æ rad = 100 erg/g m = massa del materiale assorbitore, non della radiazione! 1 Gy = 100 rad Problema: la stessa dose dovuta a radiazioni diverse e/o assorbita da materiali diversi produce effetti/danni diversi! P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.23 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. 1 Sv = 100 rem Unità di misura: SI Æ Sievert = RBE• Gray pratico Æ rem = RBE•rad Al posto della RBE si usa il fattore di qualità QF che tiene conto degli effetti globali di ionizzazione P. Maestro Radiazione QF fotoni, elettroni protoni neutroni (varie energie) particelle alfa, nuclei pesanti es. 1 5 5-20 20 1 Gy (α) = 10 Sv 1 Gy (X 200 keV) = 1 Sv Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.24 Dose efficace Ulteriore problema: la stessa dose equivalente assorbita in organi o tessuti diversi produce effetti/danni diversi! Dose efficace = dose Organi fattore di peso w. gonadi midollo osseo colon polmone stomaco vescica mammella fegato esofago tiroide cute superfici ossee altri tessuti (tot.) totale equivalente “pesata” a seconda del diverso impatto sugli organi: Deff = w•Deq = w•QF•D A ogni organo/tessuto si assegna un La somma dei fattori di peso di tutti gli organi è 1 (su tutto il corpo: dose efficace = dose equivalente) P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche w 0.20 0.12 0.12 0.12 0.12 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.01 0.01 0.05 1.00 pag.25 Dall’irraggiatore all’irraggiato: sintesi Dall’emissione... Sorgente radioattiva Attività Æ becquerel, curie Materiale irraggiato Esposizione Æ C/kg, röntgen Assorbimento Dose assorbita Æ gray, rad Danno biologico Dose equivalente/efficace Æ sievert, rem ...all’assorbimento P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.26 Gli effetti biologici dipendono da... P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.27 Il danno cellulare radioindotto P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.28 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.29 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.30 Effetti dell’irradiazione 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 mammiferi Cellule 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 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.31 Effetti deterministici (necrosi) soglia P. Maestro Dose letale per il 50% popolazione al 30° giorno dopo singola esposizione Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.32 Effetti stocastici P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.33 Principi e obiettivi della radioprotezione I limiti di dose (ICRP60, D. Lgs. 230/95) P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.34 Limiti di dose annua Dosi efficaci annue in mSv Radiazioni Dosi efficaci annue in mSv Dose media Radiazioni popolazione Dose media lavoratori Raggi cosmici Radiazione terrestre Radionuclidi naturali nel corpo Radon e suoi discendenti 0.39 Attività ciclo nucleare 2.9 0.46 Attività altra industria 0.9 0.23 Attività diagnosi/terapia medica 0.5 1.3 TOTALE rad.naturali 2.4 Rad.diagnostica medica (paesi industrializzati 0.33 1.1 ) MEDIA in attività con radiazioni 1.1 Limiti di dose annua per radiazioni artificiali: popolazione normale lavoratori esposti P. Maestro 1 mSv/anno 20 mSv/anno Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.35 Radiazioni naturali e artificiali Radiazioni naturali ¾Sorgenti esterne radiazione cosmica e ambientale ¾Sorgenti interne 40K,226Ra,228Ra,210Pb,14C,222Rn P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.36 Radiazione cosmica P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.37 Il radon nel terreno P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.38 Esposizione in esami clinici e altre attività P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.39 Radioattività ambientale in Italia P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.40 Dosi annuali e dosi acute: sintesi P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.41 Entità del rischio da radiazione Attività con uguale valore di rischio P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.42 Tempo di esposizione 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). L’irradiazione dipende da: materiale interposto distanza tempo di esposizione inserire schermi allontanarsi abbreviare le procedure RADIOPROTEZIONE P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.43 Schermature P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.44 Applicazioni mediche delle radiazioni ionizzanti Diagnostica • • • Radiografia TAC Medicina nucleare (SPECT e PET) • Radioterapia Terapia P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.45 Diagnostica radiologica 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: paziente senza informazione utile attraversano interagire il ⇒ Fotoni secondari: interagiscono nel paziente e sono deflessi da traiettoria originale ⇒degradano qualità immagine Fotoni assorbiti dal paziente ⇒ dose P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.46 ¾ I fotoni primari danno uma misura della probabilità di non-interazione nei tessuti, probabilità che dipende dai coefficienti di attenuazione dei raggi X dei tessuti. ¾ L’immagine è quindi la proiezione bidimensionale delle proprietà di attenuazione dei tessuti lungo la traiettoria dei raggi X. ¾ I fotoni diffusi degradano la qualità dell’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.47 Da dove vengono i raggi X ? Impossibile una produzione naturale L’emissione caratteristica di atomi/molecole eccitati per via termica o elettrica dà radiazioni elettromagnetiche di energia inferiore Necessaria una produzione artificiale Bisogna produrre fenomeni atomici cui sia associata un’energia maggiore di quella delle eccitazioni termiche o elettriche Due metodi: Emissione per transizione Transizione diretta di elettroni legati tra orbitali esterni e interni di un atomo P. Maestro Emissione per frenamento Produzione di elettroni liberi con alta energia cinetica e loro successivo frenamento Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.48 Il tubo a raggi X Tubo a vuoto con anodo e catodo Generatore di tensione + trasformatore: • alta corrente nel catodo • alta d.d.p. tra anodo e catodo catodo K Alta corrente nel filamento: • effetto Joule • effetto termoionico Æ emissione di elettroni Elettroni in alta d.d.p.: generatore di corrente • moto accelerato verso l’anodo • urto con l’anodo e cessione di energia Æ Radiazione di frenamento Æ Radiazione di transizione raggi X F filamento + anodo A vuoto trasformatore diodo generatore di alta tensione rete 220 V P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.49 Il tubo a raggi X Energia degli elettroni nel moto accelerato dalla d.d.p. dal catodo all’anodo/anticatodo E = T = ½mev2 = eΔV è l’energia totale massima messa in gioco nel processo Con questa energia gli elettroni urtano contro l’anticatodo di tungsteno e interagiscono (Æ perdono energia) con la materia secondo i consueti processi (Æ interaz.radiazione-materia) P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.50 Spettro di emissione complessivo Spettro continuo di frenamento + conteggi Spettro discreto di transizione I (x 109) 30 Kα ΔV = 84 kV Æ Emax = 84 keV ! Energia: dipende da d.d.p. Intensità: dipende da corrente 25 20 15 Kβ 10 5 0 Bersaglio: anticatodo di tungsteno E 10 20 30 40 50 60 70 80 90 (keV) P. Maestro Æ Calore da frenamento • Alto punto di fusione • Alta conducibilità termica Æ Raggi X da transizione • Alto numero atomico Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.51 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.52 La lastra radiografica P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.53 Film + schermo di rinforzo 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 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.54 Film + schermo di rinforzo μm P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.55 Radiografia convenzionale/digitale ¾ Sistema schermo-lastra = ¾ Rivelatore rivelatore di raggi X + + sistema acquisizione visualizzazione immagine + + display immagine supporto di archiviazione + archivio digitale ¾ Range dinamico limitato ⇒ Minimo contrasto rivelabile ~ 3% ¾ Bassa efficienza di rivelazione ¾ Range dinamico illimitato No “fog” effect No zona saturazione Risposta lineare ¾ Rivelatore molto efficiente ⇒ riduzione dose al paziente ¾ Elaborazione software delle immagini P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.56 TAC : tomografia assiale computerizzata Limiti della radiografia convenzionale: ¾ l’ immagine è proiezione su di un piano di una struttura tridimensionale ⇒ perdita dell’ informazione di profondità ¾ 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: ¾ utilizza raggi X sempre nell’intervallo diagnostico e sfrutta quindi sempre le stesse proprietà di attenuazione dei tessuti attraversati; ¾ consente di effettuare l’immagine di una sezione trasversa all’asse del corpo in studio, con somiglianze ad una sezione anatomica. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.57 TAC scanner La TAC si contraddistingue dalla radiografia convenzionale per : • il sistema di rivelazione ed elaborazione dell’immagine; • il sistema d’irraggiamento. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.58 TAC : ricostruzione dell’immagine ¾ Molte proiezioni ottenute a diversi angoli di rotazione del fascio X ¾ I pixel dell’immagine corrispondono a voxel (elementi di volume) nel paziente. ¾ La scala di grigio nell’immagine è associata al valore di densità in ogni elemento o voxel della fetta. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.59 TAC : esempi di immagini P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.60 Medicina nucleare 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 ¾ scintigrafia dinamica: più immagini a tempi diversi ⇒ diversa distribuzione del radiofarmaco ⇒ studio della funzionalità dell’organo ¾ Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT): ricostruzione di un’immagine 3D con acquisizione in posizioni diverse ¾ P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.61 Principi fisici della SPECT ¾I raggi γ emessi nel decadimento del radioisotopo sono emessi in tutte le direzioni ⇒ Collimatori di Piombo per determinare la linea di risposta. ¾Il radioisotopo più usato è il 99mTc che emette γ da 140 keV. ¾La γ-camera (o camera di Anger) è il rivelatore di fotoni P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.62 SPECT planare e tomografica Nella SPECT tomografica, il rivelatore di radiazione ruota attorno al paziente. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.63 Some clinical SPECT applications Oncology Cardiology Horizontal long axis Anterior Posterior Transaxial Anterior Posterior 99mTc Short axis 131I thyroid study Whole body scan P. Maestro Vertical long axis Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche 99mTc-MIBI myocardium perfusion pag.64 PET (positron-emission tomography) ¾Il radiofarmaco è un emettitore β+ ¾Il positrone emesso dalla sorgente si annichila con un’elettrone del mezzo sono prodotti due fotoni “back-to-back” (da 511 keV) ¾Lo scanner PET rivela i due fotoni in coincidenza P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.65 PET scanner P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.66 Some clinical PET applications /1 Oncology Neurology 18F-FDG 18F-DOPA Brain study for Alzhemeir’s disease Brain study for Parkinsons’s disease 18F-FDG Total body P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.67 Some clinical PET applications /2 Cardiology Vertical long axis Horizontal long axis Horizontal 13N-H3 Vertical (Ammonia) Perfusion study P. Maestro 18F-FDG Heart metabolism Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.68 Radionuclidi per imaging medico Radioisotope Energy (keV) Mean life 99m Tc 140 6h I 159 13 h 201 Tl 68-80.3 73 h 67 Ga 93/184/300 78.3 h 81 5.27 d 123 133 Xe 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: ¾ decadimento con fotoni (particelle cariche darebbero troppa dose) ¾ breve T1/2 del radioisotopo. Veloce eliminazione del farmaco da organismo ¾ energia dei fotoni > 50 keV (⇒piccola attenuazione nei tessuti) P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.69 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.70 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.71 Radioterapia (RT) 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 P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.72 RT - Tipologie ¾ Radioterapia a fasci esterni: le r.i. sono generate all’esterno del corpo del paziente e, in generale, ne attraversano la cute (transcutanea) Ortovoltaggio • 50 – 500 keV • Tubi RX • Tumori della pelle e scheletrici Megavoltaggio • 1 – 30 MeV • Cobaltoterapia, Linac • Lesioni profonde ¾ Radioterapia intraoperatoria: erogazione di una dose elevata di r.i. durante l’intervento chirurgico (IORT) ¾ Brachicurieterapia: utilizzo di piccole sorgenti di radiazioni posizionate all’interno del corpo del paziente ¾ Radioterapia metabolica: utilizzo di opportuni radiofarmaci P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.73 Fattori che influenzano risposta biologica ¾ Dose totale Massima azione biologica Limite fissato dai tessuti sani In un trattamento si arriva a ~ 60 Gy ¾ Rateo di dose 100 -200 cGy/min Inizio trattamento con campi grandi Sovradosaggio al letto tumorale Parte centrale del tumore radioresistente (ipossia) ¾ Frazionamento Capacità di recupero del danno subletale maggiore cellule sane rispetto a cellule tumorali Frazionamento tipico; 1 fraz./die 2 Gy/fraz. per 6 settimane P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.74 Produzione di fasci per radioterapia ¾ Unità cobaltoterapia Fasci di fotoni ¾ Betatroni Fasci di elettroni e fotoni Non piu’ usati ¾ Acceleratori lineari (LINACs) Fasci di elettroni e fotoni ¾ Acceleratori circolari (sincrotroni e ciclotroni) Fasci di particelle di alta energia Protoni, pioni, neutroni, ioni pesanti P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.75 Unità cobaltoterapia Sorgenti di 60Co contenute in capsule sigillate Irraggiatori con sistemi di controllo della sorgente Sistemi di collimazione P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.76 LINAC medicali fotoni 4 ÷ 25 MeV elettroni 4 ÷ 30 MeV ¾ Elettroni all’uscita della regione di accelerazione sono: o focalizzati su collimatore ⇒ fascio di fotoni o inviati su fogli diffusori ⇒ fascio di elettroni ¾ Collimatori per definizione del campo di irraggiamento ¾ Camere a ionizzazione per controllo della dose e della posizione del fascio ¾ Il centro di rotazione (isocentro) del fascio è localizzato nel bersaglio tumorale P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.77 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. P. Maestro Radiazioni ionizzanti – Effetti biologici e applicazioni mediche pag.78