Post on 02-May-2015
IRCCS – ISTITUTO ONCOLOGICO “GIOVANNI PAOLO II – BARIUNITA’ OPERATIVA COMPLESSA DI FISICA SANITARIA
D.ssa Enza Carioggia
LE RADIAZIONI IONIZZANTI
E LA LORO INTERAZIONE
CON LA MATERIA
con il termine radiazione si indica qualsiasi fenomeno fisico che generi un trasporto di energia nello spazio
le radiazioni ionizzanti
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Il termine “RADIAZIONE” viene utilizzato in fisca per descrivere:
• Luce visibile di una lampadina • Onde radio
• Luce ultravioletta
• Emissione infrarossa di un corpo incandescente
• Raggi X prodotti da un generatore
• ecc…
le radiazioni ionizzanti
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In generale esso indica il
trasferimento di energia da un
punto ad un altro dello spazio
senza il
movimento di corpi macroscopici
e senza il supporto di un mezzo
materiale.
le radiazioni ionizzanti
si muovono in linea retta
nel vuoto, viaggiano sino all’infinito
la velocità è prossima o uguale a quella della luce
le radiazioni ionizzanti
Le radiazioni ionizzanti sono quelle radiazioni che possiedono un’energia sufficiente (100 eV) a ionizzare (cioè a rimuovere un elettrone dall’atomo di appartenenza) il mezzo che attraversano.
le radiazioni ionizzanti
Il risultato della ionizzazione è la scissione dell’atomo in due parti elettricamente cariche, dette per l’appunto ioni: la prima è costituita dall’elettrone rimosso (carico negativamente) e la seconda dall’atomo stesso privato dell’elettrone (carico positivamente).
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i processi di emissione
I più comuni processi di emissione sono:
Radiazione elettromagnetica(Raggi x – Raggi gamma)
Radioattività
i processi di emissione
l’atomo
elettrone (-)
protone (+)
neutrone
dimensione approssimativa: un milione di miliardi di volte meno di un metro
Il numero di protoni (carichi positivamente) é uguale al numero di elettroni (carichi negativamente), così che l'atomo é elettricamente neutro.numero totale di protoni = numero atomico (determina di quale elemento chimico si tratta)
i processi di emissione
i più comuni processi di emissione delle R.I. (1)
elettrone veloce
radiazione X
i processi di emissione
i più comuni processi di emissione delle R.I. (1)
elettrone veloce
radiazione X
i processi di emissione
i due processi precedenti rappresentano i fenomeni di base della
emissione dei raggi X utilizzati nella radiodiagnostica tradizionale e nella radioterapia con raggi X mediante gli
acceleratori di particelle
i più comuni processi di emissione delle R.I. (1)
i processi di emissione
bassissima frequenza
ELF 0 - 3.102 Hz 10-12 eV
radiofrequenze RF 105 Hz - 3.108 Hz10-10 eV
microonde MW3.108 Hz - 3.1011
GHz10-5 eV
infrarosso IR 1011- 1014 Hz 10-2 eVluce V 1014 Hz 1 eVultravioletto UV 1015 Hz 2 eV
raggi X e gamma X , g oltre 1016 Hz >100 eV
Sono onde elettromagnetiche prive sia di massa che di carica, che si propagano nello spazio alla velocità della luce. Sono generalmente classificate in base all’energia che possiedono o, equivalentemente alla lunghezza d’onda.
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LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
i processi di emissione
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proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni ionizzanti
i processi di emissione
i più comuni processi di emissione delle RI (2)
i processi di emissione
particella b - b
+ neutrone n
particella a+
radiazione g
forme di disintegrazione:
Gli isotopi costituenti la materia sono talvolta instabili, e tendono a trasformarsispontaneamente emettendo particelle elementari (alfa, beta, neutroni), generalmente accompagnate da radiazione elettromagnetica.
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Il processo di emissione radioattiva da parte
di un atomo è chiamato
disintegrazione o decadimento radioattivo
mentre gli isotopi instabili sono detti
radioisotopi.
Ad ogni disintegrazione corrisponde la formazione del nucleo di un nuovo elemento!
i più comuni processi di emissione delle RI (2)
i processi di emissione
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Esistono sostanze radioattive naturali quali
U-238, Th-228, Ra-226, Po-210, K-40
altreprodotte artificialmente (Co-60) mediante bombardamento neutronico di elementi non radioattivi
come risultato del processo di fissione (Cs-137 e I-131)
i processi di emissione
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la radioattività artificiale
i processi di emissione
particella carica
nucleo instabile
LE REAZIONI NUCLEARI
Mediante una reazione nucleare è anche possibile rendere instabile (e quindi radioattivo) un nucleo inizialmente stabile: in questo caso si parla di radioisotopi artificiali per distinguerli da quelli naturali.
i processi di emissione
modalità di origine:
neutrone
nucleo instabile
i processi di emissione
modalità di origine:
neutrone
rottura del nucleo
U235
isotopi radioattivi
i processi di emissione
la disintegrazione dei nuclei radioattivi segue leggi statistiche
i processi di emissione
la attività si dimezza in un tempo caratteristico Tempo di dimezzamento ma non si estingue mai
esempio : tecnezio-99 6 ore
Per quantificare l’intensità di un radioisotopo si utilizza il concetto di attività: l’attività di una sorgente radioattiva è definita come il numero di disintegrazioni che avvengono nell’unità di tempo in una data quantità di materiale.1 Bq (Bequerel) = 1 dis/sec
A seconda del tipo di isotopo, il T1/2 può variare da qualche secondo fino a diversi milioni di anni (U-235)…
la radioattività naturale
la radioattività naturale
carta vetro piombo
raggi cosmici
contribuiscono per il
14% alla dose
naturale totale
la radioattività naturale
carta vetro piombo
i raggi cosmici nello spazio
100 km
10 km
1 km
13 mSv / h
5 mSv / h
0.1 mSv / h
0.03 mSv / h
la radioattività naturale
uraniotorio
radon
si libera nel sottosuolo nelle formazioni geologiche di origine vulcanica e da qui per diffusione giunge in superficie ove si disperde nell’ambiente
è presente in molti materiali da costruzione (granito, ceneri di carbone fossile, gessi fosfatici, tufi, ecc.)
la radioattività naturale
dai gas radioattivi presenti nell’aria e dai materiali da costruzione (37%)
dalla radioattività originata
nel sottosuolo
(19%) radioisotopi primordiali
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Esposizione a Sorgenti Naturali
Esposizione a Sorgenti Artificiali
la radioattività naturale
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la radioattività naturale
le interazioni con la materia
le interazioni con la materia
Le radiazioni scambiano
energia in maniera differente
a seconda che si tratti di
particelle
o di radiazione
elettromagnetica
alfa: beta: particelle cariche (elettroni,
protoni ecc.)
Direttamente ionizzanti
Indirettamente ionizzanti elettromagnetiche: X - neutroni e….altre particelle
le interazioni con la materia
le interazioni con la materia
la interazione delle particelle cariche
il passaggio di una particella attraverso un mezzo provoca la ionizzazione di un gran numero di atomi per attrazione o repulsione degli elettroni (ionizzazione
primaria)
le interazioni con la materia
ogni particella perde energia con gradualità, cedendola alle molecole incontrate sul percorso
la interazione delle particelle cariche
-ionizzazioni molecolari-eccitazioni molecolari-calore
le interazioni con la materia
la interazione con l’ambiente intracellulare
radiolisi dell’acqua
+
H2O+ - H2O-
OH• ione ossidrile H•
ione idrogeno
l’urto avviene secondo leggi statistiche e non dipende dalla struttura e dalla funzione chimica delle molecole incontrate
le interazioni con la materia
la probabilità di incontrare una molecola “vitale” e quindi di produrre un danno biologico dipende dalla rapidità con cui viene ceduta l’energia (LET)
materia
ionizzazioni
a
b
……nella interazione con la materia vivente
le interazioni con la materia
molecola di DNA
particella a
particella b
-
3 nm
le interazioni con la materia
IL POTERE DI PENETRAZIONE NEI TESSUTI DALL’ESTERNO
0 200 400 600 800 mm
dermastrato corneo
a
b-
le interazioni con la materia
IL POTERE DI IONIZZAZIONE NELLE CELLULE
0 200 400 600 800 mm
dermastrato corneo
a
le interazioni con la materia
le interazioni con la materia
i raggi X e i raggi gamma
Interagiscono con la materia solo quando entrano in collisione con una particella (elettrone)
Nell’urto cedono tutta l’energia e scompaiono
le interazioni con la materia
i fotoni spesso generano anche una radiazione secondaria (diffusa)
le interazioni con la materia
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IL POTERE DI PENETRAZIONE NELLA MATERIA
le interazioni con la materia
la dose
la dose
tessuto
esprime l’energia assorbita in media da una massa unitaria di tessuto UNITA’ DI MISURA:
1 gray (Gy) = 1 joule/kg
1 mGy = 1/1000 Gy
1 cGy = 1/100 Gy
la dose
TABELLA – Livelli di riferimento della dose per alcuni comuni esami radiologici su pazienti
adulti.- NRPB 1992
radiogramma dose in ingresso (mGy)
massima
colonna lombare
AP 59.1
lat 108
addome
AP 62.4
pelvi
AP 31.6
torace
PA 1.43
lat 10.6
cranio
AP 13.9
lat 9.1
la dose
la probabilità del danno
biologico non dipende
solo dalla energia
assorbita ma anche dal
tipo di radiazione e dalla
radiosensibilità del
tessuto
la dose
fotoni, tutte le energie 1
elettroni e radiazioni beta, tutte le energie
1
neutroni, energie tra 0 - 20 MeV 5 – 20
protoni 5
particelle alfa, nuclei pesanti 20
FATTORI DI PESO PER LA RADIAZIONE (WR)
la dose
FATTORI DI PESO PER I TESSUTI (WT)
gonadi 0,20
midollo osseo rosso 0,12
polmone 0,12
stomaco 0,12
vescica 0,05
fegato 0,05
tiroide 0,05
ossa (superfici ossee) 0,01
pelle 0,01
rimanenti organi 0,05
la dose
UNITA’ DI MISURA :
1 sievert (Sv) = 1 joule/kg
mSv
µSv
TRE wwDD
wR = fattore di qualità della radiazione wT = fattore di sensibilità del tessuto
la dose
nel caso di introduzione di sostanze radioattive nell’organismo, l’irraggiamento si prolunga nel tempo
il rischio radiobiologico è correlato alla:
dose ricevuta da un organo o da un tessuto, in un determinato intervallo di tempo (*)
(*) per gli adulti = 50 anni
DOSE EFFICACE IMPEGNATA
la dose
per esempio:
a parità di radioattività introdotta
cesio – 137 la dose impegnata nello scheletro è elevata perchè l’emivita è di 37 anni
tecnezio-99 la dose impegnata nella tiroide è trascurabile perchè l’emivita è di poche ore
irraggiamento
esternola sorgente di radiazioni è situata esternamente al corpo umano
contaminazione interna
la sorgente viene introdotta nell'organismo a seguito di ingestione, inalazione..
modalità di esposizione
modalità di esposizione
nelle sale radiologiche
60
modalità di esposizione
nei reparti di radioterapia
modalità di esposizione
nei reparti di medicina nucleare
modalità di esposizione
la dose dipende:
dalla durata della esposizione
dalla distanza
dalle schermature e indumenti protettivi
indossati
negli operatori sanitari si determina quando si verifica una introduzione accidentale di sostanze radioattive nell’organismo
modalità di esposizione
- per inalazione
- per ingestione
- per assorbimento
trasferimento accidentale di sostanza radioattiva in aria o negli alimenti
modalità di esposizione
modalità di esposizione
INTRODUZIONE (intake)
INGESTIONE INALAZIONE
polmoni
ap
pa
rato
ga
str
o-i
nte
sti
na
le
ELIMINAZIONE
san
gu
eclearance
linfonodi
tiroide
ossa
altri organi
uptake
CUTE
lesione
FECIreni
URINE SUDORE
nella irradiazione interna la dose dipende:
dalle vie di introduzione nell’organismo
dalle caratteristiche fisiche e chimiche del radioisotopo introdotto
dalla cinetica di eliminazione della sostanza radioattiva incorporata
modalità di esposizione
modalità di esposizione
• la dose interna non può essere misurata direttamente• si può stimare solo mediante prelievo di urina, feci, muchi, sangue, ecc.:
si determina la radioattività presente nei campioni
si applicano equazioni analitiche, con le quali si determina la radioattività introdotta nei vari organi
si calcola la dose impegnata con le formule che convertono la attività presente in un organo in dose assorbita
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effetti biologici
Effettibiologici delleradiazioni
ultima parte
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Lo studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla materia vivente è compito della
radiobiologia
effetti biologici
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effetti biologici
Il passaggio di radiazioni ionizzanti in una cellula vivente può dare origine ad una serie di eventi poiché in essa sono presenti molecole diverse
alcune semplici (H2O)
altre complesse
(DNA)
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L’ EFFETTO BIOLOGICO dipende:
dalla natura del danno
dai componenti cellulari danneggiati
dalla funzione della cellula danneggiata
effetti biologici
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Possibili danni alla cellula
effetti biologici
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Pertanto gli effetti delle radiazioni sull’organismo possono essere di due tipi:
SOMATICISi riferiscono ai danni che si osservano nell’individuo e si esauriscono con lui
GENETICISono riferiti alle conseguenze dei danni prodotti sulle cellule germinali e trasmessi ai discendenti
effetti biologici
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sono di tipo probabilistico ovvero la loro frequenza di comparsa, comunque piccola, è funzione della dose
distribuiti casualmente nella popolazione
sono effetti tardivi (appaiono dopo anni)
sono indistinguibili dai tumori indotti da altri
fattori cancerogeni
Danni stocastici (o probabilistici)
effetti biologici
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gravità dei danni varia con la dose
presentano un valore soglia di dose
sono prevedibili
presentano effetti immediati (giorni o
settimane)
presentano effetti tardivi (dopo mesi o
anni)
Danni non stocastici(o deterministici)
effetti biologici
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TESSUTO ED EFFETTOdose equiv. totaleesposizione singola
(Sv)
TESTICOLIsterilità permanente
3.5 – 6.0
OVAIO sterilità
2.5 – 6.0
CRISTALLINOcataratta
5.0
MIDOLLO OSEEOdepressione ematopoiesi
0.5
La soglia di dose (dell’ordine del Sievert) varia fortemente a seconda dell’effetto considerato.
effetti biologici
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effetti biologici
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Le radiazioni
non devono venire demonizzate
né tanto meno sottovalutate.
Devono semplicemente essere
note a chi le impiega
così come devono essere
note le loro conseguenze
sull’uomo.
CONCLUSIONI
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