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Grandezze dosimetrichespecifiche per pratiche

radiologiche interventistiche

Liviana Pozzi

Servizio di Fisica Sanitaria

Ospedale di Circolo e Fondazione Macchi, Varese

D. LGS. 187/2000:

CORSO DI FORMAZIONE OBBLIGATORIA IN MATERIA DI

RADIOPROTEZIONE DEL PAZIENTE

(Area – Attività radiologiche complementari “ALTE DOSI”)

In particolare l’interazione

tra radiazioni ionizzanti e

tessuti ha come primo

effetto nel tessuto la

produzione di molecole

d’acqua “ionizzate”;

questa fase dura frazioni di

secondo ma determina

modificazioni fisico-

chimiche che sono alla

base degli effetti biologici

prodotti: danno indotto a

livello del DNA cellulare.

Il passaggio di radiazioni ionizzanti attraverso cellule viventi può dare

origine a una complessa catena di eventi: in ciascuna cellula sono presenti

molecole molto diverse, alcune più semplici (acqua), altre molto complesse

(DNA).

Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sull’organismo

Pubblicazione 103 dell’ICRP

(55) La maggior parte degli effetti negativi sulla salute, conseguenti alle

esposizioni alle radiazioni, può essere raggruppata in due categorie

generali:

• effetti deterministici (reazioni tissutali avverse) dovuti in gran parte alla

morte o a disfunzioni delle cellule, conseguenti a esposizione a dosi

elevate;

• effetti stocastici come, per esempio, neoplasie ed effetti ereditari che

possono comportare lo sviluppo di un tumore negli individui esposti, a

causa della mutazione di cellule somatiche, o malattie ereditarie nella loro

progenie, a seguito di mutazione di cellule riproduttive (germinali).


EFFETTI DETERMINISTICI

• Sono prevedibili: presentano un valore soglia di dose al di sopra del

quale colpiscono tutti o quasi tutti gli irradiati

• mostrano un aggravio dei sintomi con l'aumentare della dose

EFFETTI STOCASTICI

• sono di tipo probabilistico, ossia la loro frequenza di comparsa è funzione

della dose

• non hanno gradualità di manifestazioni con la dose assorbita


Particelle cariche:

• particelle pesanti (ad es. protoni e particelle α)

• elettroni

In generale si possono considerare 4 tipi di radiazione (particelle)

fondamentali:

Particelle neutre:

• neutroni

• fotoni (raggi X, raggi γ)

Scopo di questa presentazione è mostrare le principali grandezze dosimetriche usate per descrivere le caratteristiche del campo radiante,

in particolare nell’ambito di pratiche radiologiche interventistiche.

Tali grandezze sono correlabili in maniera più o meno diretta al rischio di

comparsa di effetti biologici sull’organismo del paziente.

I fotoni (raggi X) sono radiazioni indirettamente ionizzanti perché lungo il

loro percorso nel tessuto cedono energia alle particelle secondarie

(elettroni) che a loro volta producono un elevato numero di coppie di

ioni lungo il loro percorso (“ionizzazione”).

Come interagiscono i raggi X con la materia?

Da cosa dipendono gli effetti biologici prodotti?

• Quantità di energia assorbita nel tessuto

• Distribuzione spaziale di “ionizzazioni” ed “eccitazioni”

• Dal tipo di radiazione incidente

• Dal tipo di tessuto irradiato

• Dalla durata dell’esposizione

Grandezze dosimetriche fondamentali:

Durante le procedure mediche di imaging che utilizzano i raggi X, non è

normalmente possibile misurare direttamente le dosi assorbite negli organi o nei tessuti del paziente sottoposto al trattamento diagnostico o

interventistico. Pertanto, come guida per la valutazione della dose al

paziente, vengono utilizzate delle grandezze misurabili che

caratterizzano il campo di radiazione esterno.

esposizione

dose assorbita

kerma


ESPOSIZIONE:

é la grandezza che esprime la capacità di ionizzare le molecole d’aria da

parte della radiazione incidente: rappresenta la misura della carica

elettrica prodotta (correlata al numero di ioni prodotti) per unità di massa

d’aria.

La sua unità di misura è il C/kg.

L’unità di misura storica è il Roentgen (R):

1 R = 2,58⋅10-4 C/kg


DOSE ASSORBITA:

é la grandezza che rappresenta la quantità di energia assorbita dal

tessuto in seguito all’interazione con la radiazione incidente.

La sua unità di misura è il Gray (1Gy = 1 J/kg): descrive la quantità di

energia assorbita per unità di massa di tessuto (o aria) attraversato.

L’unità di misura storica è il Rad: 1 Rad = 0,01 Gy


KERMA:

é la grandezza definita come quantità di energia cinetica, di tutte le

particelle cariche secondarie (elettroni) messe in movimento in seguito

alla cessione di energia da parte della radiazione incidente, per unità di

massa.

La sua unità di misura è il Gray (1Gy = 1 J/kg): descrive la quantità di

energia cinetica prodotta per unità di massa di tessuto (o aria)

attraversato dalle radiazioni ionizzanti.


OSSERVAZIONE: non tutta l’energia cinetica trasferita dai fotoni incidenti

agli elettroni é assorbita nel piccolo volume di tessuto (o aria) in cui

avviene l’interazione; una piccola frazione di questa energia sarà

assorbita a distanza. La dose assorbita sarà quindi in genere inferiore al

kerma. Per energie tipiche dei raggi X usati in diagnostica questa

differenza è tuttavia molto piccola.

Ai fini pratici in radiologia diagnostica e interventistica si assume che kerma e dose assorbita siano numericamente uguali.

Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:

Dosimetria per la garanzia di qualità:

• Kerma in aria:

Caratterizza il fascio di radiazione di ciascun apparecchio radiologico; si

misura facilmente con una camera a ionizzazione posta al centro del

fascio radiante, ad una fissata distanza dal fuoco.

L’unità di misura è il Gray (Gy).

Il suo valore diminuisce allontanandosi dal fuoco dell’apparecchio

radiologico.

E’ indipendente dalla presenza del paziente.

� Dosimetria per la garanzia di qualità

� Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (cute)

� Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico


Dosimetria per la garanzia di qualità:

•KAP:

E’ definito come prodotto tra il kerma misurato in aria e l’area del campo

radiante (è numericamente equivalente al DAP, definito come prodotto tra

dose assorbita in aria e area del campo radiante)

KAP = Kerma in aria x Area

Si misura solitamente con una camera a ionizzazione (radiotrasparente)

fissata in prossimità dei diaframmi del tubo radiogeno.

L’unità di misura é Gy ⋅ cm2.


A parità di apertura dei diaframmi il suo

valore resta fisso al variare della

distanza dal fuoco (se ci si avvicina al

fuoco aumenta la dose ma diminuisce la

dimensione del campo e viceversa)

E’ indipendente dalla presenza del

paziente.

Il KAP viene visualizzato in tempo reale

durante l’erogazione:

durante la fluoroscopia (KAP/tempo: Gy ⋅cm2/s)

Nelle pause delle acquisizioni e alla fine

della procedura viene visualizzato il KAP

totale cumulativo (Gy ⋅ cm2)


Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici (ad es. alla cute):


(58) L'induzione di reazioni tissutali è, in linea generale, caratterizzata da

una dose soglia. La ragione dell’esistenza di un valore soglia sta nel fatto

che il danneggiamento (morte o disfunzione grave) di una popolazione

critica di cellule in un dato tessuto causato dalle radiazioni, deve essere

sostanziale prima che una lesione si esprima in forma clinicamente

rilevante. Al di sopra della dose soglia, la gravità della lesione, inclusa la

diminuzione della capacità di recupero del tessuto, aumenta con la dose.







(59) Le revisioni dei dati biologici e clinici hanno condotto ad un ulteriore

sviluppo delle valutazioni della Commissione sui meccanismi cellulari e

dei tessuti che sono alla base delle reazioni tissutali e delle soglie di dose

che si applicano ai principali organi e tessuti. Tuttavia, per valori di dose

assorbita fino a circa 100 mGy si ritiene che nessun tessuto esprima

danni funzionali clinicamente rilevanti. Questa valutazione si applica sia a

singole irradiazioni acute sia alle situazioni dove tali basse dosi sono

assorbite nel corso del tempo come esposizioni annuali ripetute.



In radiologia interventistica gli effetti deterministici più frequenti riguardano

la cute (eritema, epilazione, ecc).

Le grandezze dosimetriche da considerare sono:

• la dose massima locale alla cute, MESD (maximum entrance skin dose), definita in modo equivalente anche come PSD (peak skin dose)

• kerma cumulativo al punto di riferimento interventistico,Interventional Reference Point: IRP (CEI EN 60601-2-43:2002-07)



• dose massima locale alla cute, MESD (o PSD):

è quantificabile tramite misure dirette sulla cute del paziente (ad esempio

con pellicole gafchromiche) oppure è valutabile a partire dal valore di DAP

(KAP).

Il DAP rappresenta la dose assorbita in aria per una certa apertura dei

diaframmi e non tiene conto della presenza del paziente.

Per poter valutare la dose in cute è necessario in primo luogo annotare il

DAP di ciascuna proiezione e dividere per le dimensioni del campo

radiante valutate sul piano d’ingresso al paziente rispetto al fuoco.



In questo modo si ottiene la dose assorbita in aria alla distanza minima

a cui si trova la cute per una determinata proiezione.

Infine è necessario moltiplicare questo valore per un fattore che tiene

conto della dose assorbita in cute dovuta alla radiazione retrodiffusa dal

paziente.

Questo fattore viene definito fattore di backscatter: dipende dall’area del

fascio e dall’energia della radiazione incidente. Tipicamente assume valori

compresi tra 1,2 e 1,4 in radiologia diagnostica e interventistica.

E)B(Area,Area

DAPMESD

cuteDFP

⋅=



• kerma cumulativo al punto di riferimento interventistico(Interventional Reference Point (IRP) (CEI EN 60601-2-43:2002-07): è un

punto rappresentativo della posizione della cute.

15 cm

isocentro

La stessa norma tecnica CEI EN

60601-2-43:2002-07 prevede che

l’apparecchiatura indichi le seguenti

quantità dosimetriche durante le

procedure interventistiche:

• rateo di kerma in aria all’IRP

• kerma in aria all’IRP cumulativo

dall’inizio dell’esame (che deve

tener conto sia della scopia che

della grafia)


Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:


(27) La grandezza fisica di base utilizzata in radioprotezione per gli effetti

stocastici è la dose assorbita media in un organo o in un tessuto.

(28) Durante le procedure mediche di imaging che utilizzano i raggi x, non

è normalmente possibile misurare direttamente le dosi assorbite negli

organi o nei tessuti del paziente sottoposto al trattamento diagnostico o

interventistico.

Pertanto, come guida per la valutazione della dose al paziente, sono

utilizzate delle grandezze misurabili che caratterizzano il campo di

radiazione esterno.






Rischio di induzione di neoplasie


(62) Per quanto riguarda le neoplasie, gli studi epidemiologici e

sperimentali forniscono, anche se con incertezze, evidenze di rischio

connesso con l’esposizione alle radiazioni a livelli di dose di circa 100 mSv o inferiori.

(64) Sebbene ci siano eccezioni riconosciute, ai fini della radioprotezione

la Commissione ritiene che il peso dell’evidenza sui processi cellulari

fondamentali associati con i dati dose– risposta, sostenga l’opinione che

per le basse dosi, al di sotto di circa 100 mSv, è scientificamente

plausibile assumere che l'incidenza di neoplasie o di effetti ereditari

aumenti in modo direttamente proporzionale con l’aumento della dose equivalente negli organi e tessuti interessati.

Questo modello dose-risposta è generalmente noto come ''lineare senza

soglia” o LNT (linear non threshold).



Induzione di malattie non neoplastiche


(91) Dopo il 1990, sono state raccolte evidenze sull’aumentata frequenza

di malattie diverse dalle neoplasie in alcune popolazioni irradiate. La più

importante delle evidenze statistiche circa l’induzione di questi effetti non

tumorali, a dosi efficaci dell'ordine di 1 Sv, deriva dalla più recente analisi

della mortalità dei sopravvissuti giapponesi alla bomba atomica seguiti

dopo il 1968 (Preston et al, 2003). Questo studio ha rafforzato l’evidenza

statistica di una associazione con la dose, in particolare per le malattie

cardiache, l’ictus, i disturbi digestivi e le malattie respiratorie.



Induzione di malattie non neoplastiche


(92) La Commissione, mentre riconosce la potenziale importanza delle

osservazioni sulle malattie diverse dalle neoplasie, ritiene che i dati

disponibili non permettono la loro inclusione nella valutazione del

detrimento conseguente all’esposizione a basse dosi, inferiori a circa 100

mSv. Ciò è in accordo con le conclusioni della UNSCEAR (2008), che ha

trovato scarsa evidenza di qualsiasi rischio in eccesso per dosi al di sotto

di 1 Gy.



Dose equivalente


(106) La procedura […] adottata dalla Commissione consiste

nell’utilizzare la dose assorbita come la grandezza fisica fondamentale,

nel mediarla su specifici organi e tessuti, nell’applicare fattori di

ponderazione adeguatamente scelti per tenere conto delle differenze di efficacia biologica di radiazioni diverse.




(29) Alcune radiazioni sono più efficaci di altre nel provocare gli effetti stocastici. Per tener conto di

questo, è stata introdotta la grandezza dose equivalente.




Dose equivalente ad organi e tessuti:

dose assorbita media in un organo o in un tessuto moltiplicata per un

fattore adimensionale di ponderazione della radiazione.

Poiché il fattore di ponderazione è adimensionale, l’unità di misura

della dose equivalente è uguale a quella che esprime la dose assorbita,

ovvero Gy, e il suo nome speciale è Sievert (Sv).




Per tutti i principali tipi di radiazioni utilizzati in medicina (fotoni ed

elettroni), si assegna un fattore di ponderazione della radiazione pari a 1: la dose assorbita e la dose equivalente in questo caso risultano

numericamente uguali.

Per le particelle alfa e gli ioni pesanti, il fattore di ponderazione della

radiazione è 20, per i protoni il fattore di ponderazione è 2, mentre per i

neutroni il fattore di ponderazione della radiazione è una funzione

continua dell’energia del neutrone incidente sul corpo.



Dose media assorbita


(B 48) Come descritto in precedenza, la grandezza dose assorbita è

definita per fornire un valore specifico in ogni punto nella materia.

Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, le dosi assorbite sono spesso

mediate su volumi maggiori di tessuto.

Si suppone così che, per basse dosi, il valore medio di dose assorbita in

uno specifico organo o tessuto, possa essere correlato, con la precisione

sufficiente a scopi radioprotezionistici, con il detrimento dovuto agli effetti

stocastici in tutte le parti di quell'organo o di quel tessuto.



Dose efficace


Dose efficace, E:

somma delle dosi equivalenti ponderate per i vari organi o tessuti,

secondo l’espressione:

HT è la dose equivalente in un tessuto o in un organo T, e wT è il fattore

di ponderazione del tessuto. L’unità di misura della dose efficace è la

stessa che esprime la dose assorbita, ovvero il Gray, e il suo nome

speciale è Sievert (Sv).



Dose efficace


I fattori di ponderazione del tessuto, wT, permettono di tenere conto delle

variazioni nella sensibilità alle radiazioni dei diversi organi e tessuti

rispetto all'induzione di effetti stocastici.

La somma è fatta su tutti gli organi e i tessuti del corpo umano considerati

sensibili all’induzione di effetti stocastici.

Questi valori di wT sono scelti in modo da essere rappresentativi del

contributo dei singoli organi e tessuti al detrimento complessivo da

radiazione dovuto agli effetti stocastici.

L’unità di misura della dose efficace è il Gray a cui è attribuito il nome

speciale di Sievert (Sv).




(127) Sulla base di studi epidemiologici sull’induzione di tumori nelle popolazioni

esposte, e di valutazione di rischio per gli effetti ereditari, è stato scelto per

queste Raccomandazioni un insieme di valori di wT (tabella precedente) basati

sui rispettivi valori di detrimento relativo da radiazioni.

Essi rappresentano valori medi per esseri umani ottenuti mediando sui due

sessi e su tutte le età, e pertanto non si riferiscono alle caratteristiche di

individui particolari.




Esposizione medica dei pazienti

(151) La grandezza rilevante per pianificare l’esposizione dei pazienti ed

effettuare le valutazioni rischio-beneficio è la dose equivalente o la dose

assorbita dai tessuti irradiati. L’uso della dose efficace per valutare

l’esposizione dei pazienti ha severe limitazioni che devono essere considerate

nel quantificare l’esposizione medica. La dose efficace può essere utile per

confrontare dosi da differenti procedure diagnostiche e per confrontare l’uso di

tecnologie e procedure simili in ospedali e paesi diversi, così come l’uso di

tecnologie diverse per lo stesso esame medico. Comunque, per pianificare

l’esposizione dei pazienti e per le valutazioni rischio-beneficio è la dose

equivalente, o la dose assorbita al tessuto irradiato, la grandezza significativa

da prendere in considerazione.




Esposizione medica dei pazienti

(152) La valutazione e l’interpretazione della dose efficace derivante

da esposizione medica di pazienti è molto problematica quando gli

organi e i tessuti sono soggetti solo ad un’esposizione parziale o ad

un’esposizione molto eterogenea, come in particolare nel caso degli

esami diagnostici con raggi X.

La dose efficace non è basata su dati di singoli individui. Nella sua

applicazione generale, la dose efficace non fornisce la dose per un

individuo specifico, ma piuttosto per una Persona di Riferimento in

una data situazione di esposizione.

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