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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…


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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.


si muovono in linea retta

nel vuoto, viaggiano sino all’infinito

la velocità è prossima o uguale a quella della luce


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.


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


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 più comuni processi di emissione delle R.I. (1)

elettrone veloce

radiazione X


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)


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


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proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni ionizzanti


i più comuni processi di emissione delle RI (2)


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)


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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)


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la radioattività artificiale


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.


modalità di origine:

neutrone

nucleo instabile


modalità di origine:

neutrone

rottura del nucleo

U235

isotopi radioattivi


la disintegrazione dei nuclei radioattivi segue leggi statistiche


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


carta vetro piombo

raggi cosmici

contribuiscono per il

14% alla dose

naturale totale


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


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.)


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


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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



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)


ogni particella perde energia con gradualità, cedendola alle molecole incontrate sul percorso

la interazione delle particelle cariche

-ionizzazioni molecolari-eccitazioni molecolari-calore


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


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


molecola di DNA

particella a

particella b

-

3 nm


IL POTERE DI PENETRAZIONE NEI TESSUTI DALL’ESTERNO

0 200 400 600 800 mm

dermastrato corneo

a

b-


IL POTERE DI IONIZZAZIONE NELLE CELLULE

0 200 400 600 800 mm

dermastrato corneo

a


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


i fotoni spesso generano anche una radiazione secondaria (diffusa)

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IL POTERE DI PENETRAZIONE NELLA 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


nelle sale radiologiche

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nei reparti di radioterapia


nei reparti di medicina nucleare


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


- per inalazione

- per ingestione

- per assorbimento

trasferimento accidentale di sostanza radioattiva in aria o negli alimenti



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



• 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)

http://www.google.it/ambientecambiato(Belloni,Riboli)/images/h2o.gif&imgrefurl=http:/www.griffini.lo.it/laScuola/prodotti/esami2007/L

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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

77

effetti biologici

78

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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