LE ONDE ELETTROMAGNETICHELE ONDE ELETTROMAGNETICHE

Lunghezza d’onda: Lunghezza d’onda: =vT= v/=vT= v/ffv: velocità 3*108 m/sf: frequenza es. 6*1014HzT=1/f: periodo 1 / 6*1014 s

= v/f = (3*108 m/s)/(6*1014Hz)=5*10-7m=500 nm

IntensitàIntensità: l’energia che un’onda trasporta attraverso una superficie A in un intervallo do tempo t:

I=E/(A*t) (W/m2)

Periodo T

ONDE ELETTROMAGNETICHE: i fotoniONDE ELETTROMAGNETICHE: i fotoni

I FOTONII FOTONI sono privi di massa privi di massa

e sono caratterizzati da

ENERGIA ENERGIA E=h*E=h*ff

QUANTITA’ DI MOTO QUANTITA’ DI MOTO p=(h*p=(h*ff)/c)/c

con h 4*10-15 eV*s COSTANTE DI PLANCK

Planck scoprì che l’energia di un’onda elettromagnetica non può avere un valore qualsiasi, ma è un multiplo intero di un’energia minima chiamata ”quanto di luce” o FOTONE

COS’E’ un’onda elettromagnetica?COS’E’ un’onda elettromagnetica?

UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DACARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO;

corrente

campomagnetico

+

campoelettrico

QUANDO ESSE SI MUOVONO,GENERANO UN CAMPO MAGNETICO

QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO

VARIANO NEL TEMPO LA LORO COESISTENZA DA’

ORIGINE AD UN CAMPO ELETTROMAGNETICOCAMPO ELETTROMAGNETICO

LO SPETTRO del CAMPO LO SPETTRO del CAMPO

ELETTROMAGNETICOELETTROMAGNETICO

correnti radio micro I.R. visibile UV X e alternate onde onde

10-12 10-8 10-4 10-1 100 102 107 eV

105 10-1 10-3 10-6 10-7 10-9 10-14 m

103 107 1011 1014 1015 1017 1022 Hz

IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO

ALLA PROPAGAZIONE DI UN’ONDA ELETTROMAGNETICA

E’ DESCRITTO DAL TERMINE RADIAZIONERADIAZIONE

LE RADIAZIONI SI SUDDIVIDONO IN

E <12 eVE <12 eV E >12 eVE >12 eV Non hanno energia Hanno energia sufficiente sufficiente per per ionizzare l’atomoionizzare l’atomo

IONIZZANTINON IONIZZANTI (N.I.R.)

LE RADIAZIONI

IONIZZANTIIONIZZANTI

si suddividono inDirettamente ionizzanti

costituite da

particelle elettricamente cariche,

come elettroni e protoni

Indirettamente ionizzanti

costituite da fotoni o neutroni

che trasferiscono energia

agli elettroni degli atomi

Fenomeno della IONIZZAZIONEFenomeno della IONIZZAZIONE

+- +Le radiazioni sono ionizzanti se,

interagendo con un atomo,

++-

sono in grado di spezzare

il legame tra un elettrone e il nucleo dell’atomo

e creare una coppia di ioni, uno negativo,

l’elettrone libero, e uno positivo,

cioè l’atomo privo di elettroneCiascun atomo stabile, in funzione del suo numero atomico Z

(e dunque della sua configurazione elettronica)

possiede una determinata Energia di ionizzazioneEnergia di ionizzazione:

la minima energia necessaria per rimuovere

un elettrone da un atomo

Quando la radiazione cede all’atomo energia sufficiente

soltanto per passare dallo stato fondamentale ad

un livello energetico superiore,

(ma non tale da strappare un elettrone)

si parla di eccitazione dell’atomoin seguito a tale processo,l’atomo tende poi

a tornare allo stato fondamentale

e la differenza di energia tra

il livello fondamentale

e quello di eccitazione

viene riemessa sotto forma di raggi Xraggi X

Energia eV

N=1

N=2

L= 0 L= 1

fotone

Fenomeno dell’ ECCITAZIONEFenomeno dell’ ECCITAZIONE

I RAGGII RAGGI XX

4*102 eV < ENERGIA < 4*106 eV 10-10< < 10-12 m

SONO ENERGIE CHE RIGUARDANO LE TRANSIZIONI TRA I LIVELLI ELETTRONICIDEGLI ATOMI

LE RADIAZIONI INDIRETTAMENTE IONIZZANTIIONIZZANTI

I RAGGI I RAGGI GAMMA (GAMMA () )

4*105 eV< ENERGIA < 4*107 eV

SONO ENERGIE CHE SI TROVANO SOLTANTO ALL’INTERNO DEI NUCLEI ATOMICI

10-11 m <

COSA SUCCEDE QUANDO UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ?

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X

N.FOTONI

N= N0 e-x

N0 = n° fotoni iniziale

N = n° fotoni dopo spessore x

: coefficientedi attenuazione lineare

Un onda elettromagnetica (ossia un fascio di fotoni) attraversando

un mezzo materiale cede a questo tutta o parte della sua energia.

LEGGE dell’attenuazione

L’INTERAZIONE sarà diversa a seconda di:

• ENERGIA

• NATURA DEL MEZZO ( numero atomico, spessore)

3 SONO i PRINCIPALI

“FENOMENI” di INTERAZIONE di un fascio di

fotoni

con un mezzo materiale:

1. Effetto fotoelettrico

2. Effetto Compton

3. Produzione di Coppie

Dipendono dall’energia del fascioGenerano elettroni liberi nel mezzo

1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X e 1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X e ))

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIAINTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA

Un fotone, urtando con un atomo, viene assorbito dall’atomo e TUTTA la sua energia è ceduta ad un elettrone legato, generalmente delle orbite più interne, che si “libera “dall’atomo con una certa energia cinetica.La “lacuna” che si è creata viene riempita da un elettrone delle orbite più esterne, che salta ad un livello di energia inferiore e l’energia in eccesso viene emessa sotto forma di fotone detto di “fluorescenza”La probalilità di emissione del fotone è elevata per i materiali con alto numero atomico Z

ENERGIA < 100 keV

2. EFFETTO COMPTON ( per X)2. EFFETTO COMPTON ( per X)

FOTONE INCIDENTE ELETTRONE COMPTON

FOTONE DIFFUSO

100 keV < ENERGIA< MeV

Un fotone cede parte della propria energia ad un elettrone dell’atomo (elettrone Compton).

L’elettrone è emesso dall’atomo e il fotone diffonde

Un fotone, interagendo con il campo coulombiano del nucleo, cede TUTTA la sua energia

sono prodotti un ELETTRONEELETTRONE e un POSITRONEPOSITRONE (elettrone con carica positiva)

Al termine del suo percorso nel mezzo,il positrone si combina con un elettrone “libero”,dando origine a 2 FOTONI “DI ANNICHILAZIONE”FOTONI “DI ANNICHILAZIONE”

3. PRODUZIONE DI COPPIE3. PRODUZIONE DI COPPIE 1.02 MeV < ENERGIA < 10 MeV

FOTONE INCIDENTE (1.02 MeV)

ELETTRONE

POSITRONE (0.51 MeV)

ELETTRONE (0.51 MeV)

FOTONI

PRODUZIONE DI COPPIEPRODUZIONE DI COPPIE

DAI 3 processi di interazione si producono quindi

ELETTRONI liberi

Queste particelle cariche ( carica e- = 1.6 * 10-19 C),

dotate di una certa energia assorbita dal fascio di

fotoni incidenti, cedono a loro volta l’energia nel

mezzo

COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO?

Fascio di FOTONI ELETTRONI

Mezzo materiale

FRENAMENTOFRENAMENTOIONIZZAZIONE direttaIONIZZAZIONE diretta

Produzione di raggi X

Energia < 1 MeVEnergia < 1 MeV Energia > 1 MeVEnergia > 1 MeV

Z del materiale

INTERAZIONE degli ELETTRONI CON la materiaINTERAZIONE degli ELETTRONI CON la materia

Energia persaEnergia persa

in prossimità elettronein prossimità elettrone

Energia persaEnergia persa

a distanze maggioria distanze maggiori

ZZ2 2 del materialedel materiale

Produzione di elettroni

liberi:

Fenomeno della IONIZZAZIONE direttaFenomeno della IONIZZAZIONE diretta

Quando un elettrone, interagendo con un atomo,

+-

è in grado di spezzare

il legame tra un elettrone e il nucleo

dell’atomo

e creare una coppia di ioni, uno negativo,

l’elettrone libero, e uno positivo,

cioè l’atomo privo di elettrone si parla

di ionizzazione diretta.

Il fascio di fotoni, che ha liberato gli

elettroni

a loro volta ionizzanti, di dice per questo

INDIRIRETTAMENTE IONIZZANTE

+- +-

IL PROCESSO DI FRENAMENTOIL PROCESSO DI FRENAMENTO

Il percorso degli elettroni viene continuamente deflesso

a causa della presenza del campo elettrico

creato dai protoni degli atomi del mezzo

Gli elettroni decelerano e dunque perdono energia

sotto forma di raggi x detti “di frenamento”.

Questo processo è chiamato

“ “Bremsstrahlung”Bremsstrahlung” (= frenamento)

:è il fenomeno su cui si basa

la produzione artificiale dei raggi x

DIVERSO PERCORSO DIFOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO

fotone

ACQUA

elettrone

Percorso elettrone 1/10 mm

Percorso fotone 1/2 cm

SORGENTI SORGENTI delle radiazioni ionizzantidelle radiazioni ionizzanti

NATURALINATURALI

Raggi cosmiciRaggi cosmiciRadionuclidi naturaliRadionuclidi naturali

ARTIFICIALIARTIFICIALI

• Tubo a raggi XTubo a raggi X (diagnostica)(diagnostica)• Acceleratore lineareAcceleratore lineare (radioterapia)(radioterapia)• RadionuclidiRadionuclidi (Medicina nucleare)(Medicina nucleare)

GLI EFFETTI BIOLOGICI DELLE GLI EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONIRADIAZIONI

Cosa succede ad un organismo biologico

quando viene colpito da una radiazione?

Il Danno Biologico si distingue in

1. Danno FISICO 2. Danno CHIMICO

Gli elettroni secondarisono i RESPONSABILIdel DANNO BIOLOGICO

LE FASI DEI PROCESSI DI INTERAZIONE TRA RADIAZIONE E TESSUTI BIOLOGICI

FASE TEMPO EFFETTO

Fisica 10-13 secondi ionizzazione-eccitazione

Fisico-chimica 10-9-10-6 secondi formazione di radicali liberi Biochimica frazioni di secondi-settimane inattivazione enzimi

e organuli cellulari

Biologica giorni-mesi-anni inattivazione, riparazione, morte cellulare e tissutale

Clinica giorni- mesi- anni manifestazioni cliniche a carico dell’organismo

FASE FISICAFASE FISICAFASE FISICAFASE FISICAL’interazione delle radiazioni con la struttura cellulare che costituisce il tessuto biologico può causare danni fisici diretti letali par la cellula: se la deposizione di energia è elevata si possono avere infatti mutazioni nella replicazione cellulare a causa della rottura delle eliche del DNA.In questo caso la cellula non si riproduce correttamente:

MORTE CELLULARE

Questo effetto è POSITIVO: se si vuole distruggere un tessuto malato (tumore)

NEGATIVO: se si colpisce un tessuto sano

Sistema biologico

Raggi X

Fotone diffuso

elettrone

FASE FISICAFASE FISICAFASE FISICAFASE FISICA

Energia della Radiazione EFFETTI

Fotoelettrico Compton Coppie

10 kV 95% 5% -

25 kV 50% 50% -

100-1022 kV - 100% -

20 MV - 50% 50%

Ionizzazione, eccitazione

I principali fattori che influenzano la risposta biologica sono:

: qualità della radiazione

DOSE DOSE

Linear Energy Trasfer (LET)Linear Energy Trasfer (LET)TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIATRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA

: quantità e rateo di radiazione assorbita

Definiamo una serie di Grandezze dette DOSIMETRICHE che caratterizzano il campo di radiazione e il suo effetto sul tessuto biologico

LA DOSE ASSORBITALA DOSE ASSORBITA

E’ l’energia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzantiin un elemento volumetrico di massa dm

Si misura in Gray (Gy) 1 Gy= 1J/1Kg

Quando un fascio incide su un paziente, la dose assorbita varia con la profondità e dipende: dal tipo di radiazione, dalla sua energia, dalla densità del mezzo attraversato

D= dE/dm

Rappresenta l’energia (in KeV) trasferita dalla radiazione

nell’unità di percorso (usualmente in m)

indica la capacità della radiazione di provocare ionizzazione

Radiazione a BASSO LET (<10 KeV/ m)

Radiazione ad ALTO LET (>100 KeV/ m)

Il Il LET LET “ linear energy transfer”“ linear energy transfer”

: TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA: TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA

Radiazione a ALTO LET (>100 Kev/ m)

Radiazione ad BASSO LET (<10 Kev/ m)

PROTONI E NEUTRONI ELETTRONI

Massa maggiore Massa minore

Velocità minore nel mezzo Velocità maggiore nel mezzo

> DENSITA’ di IONIZZAZIONE

< DENSITA’ di IONIZZAZIONE

L’ESPOSIZIONEESPOSIZIONE

Si misura in C/kg

E= dQ/dm

Esprime la capacità della radiazione elettromagnetica di produrre ionizzazione (elettroni con carica elettrica dQ)in un elemento volumetrico di aria di massa dm

La radiazione incidente nel tessuto biologico oltre ad La radiazione incidente nel tessuto biologico oltre ad un danno direttamente letale per la cellula (fase un danno direttamente letale per la cellula (fase FISICA), in seguito ai fenomeni di ionizzazione ed FISICA), in seguito ai fenomeni di ionizzazione ed eccitazione genera delle specie chimiche altamente eccitazione genera delle specie chimiche altamente dannose per l’organismodannose per l’organismo

MOLECOLE D’ACQUA

Reazioni chimiche negli atomi dell’organismo

FASE CHIMICAFASE CHIMICAFASE CHIMICAFASE CHIMICA

RADIAZIONE

AZIONE DIRETTA AZIONE INDIRETTA

MODIFICAZIONE STRUTTURALE DELLE MOLECOLE

formazione diradicali liberimolto reattivi con le altre molecole : RADIOLISI DELL’ACQUA

- scissione di legami inter e intra molecolari

- formazione di ponti inter e intra molecolari

REAZIONI DI RADIOLISI DELL’ACQUAREAZIONI DI RADIOLISI DELL’ACQUA

H2OLa radiazione causa ionizzazione:

H2O+ + e-

H+ + OH-

OH- : radicale idrossilico

H+ : radicale idrogeno

H+ + H+ H2

OH- + OH- H2O2 Molto reattiva chimicamente

Lo ione H2O+ si scinde in

Dalla RADIOLISI DELL’ACQUA si generano dunque:Dalla RADIOLISI DELL’ACQUA si generano dunque:

OH-: radicale idrossilico

H+ : radicale idrogeno

e-

attivi contro le basi del DNA

RADICALI LIBERI

FASE BIOCHIMICA E BIOLOGICAFASE BIOCHIMICA E BIOLOGICAFASE BIOCHIMICA E BIOLOGICAFASE BIOCHIMICA E BIOLOGICA

LESIONI CELLULARI

Rottura di un singolo filamento di DNA

Rottura del doppio filamento di DNA

Rottura della membrana nucleare

CELLULA

EFFETTI A LIVELLO ATOMICO-MOLECOLARE

Rottura della membrana cellulare

Lesioni cellulariLesioni cellulariLesioni cellulariLesioni cellulari

LESIONI CELLULARI (in 1 cellula: 1013 -1014 molecole)

Al CORPO CELLULAREalterazione della permeabilitàdelle membrane cellulari

Al NUCLEO- mutazioni geniche- aberrazioni cromosomiche

L’interazione fisico-chimica della radiazione con il tessuto biologico genera delle LESIONI alle cellule

Morte immediata o ritardata della cellula: EFFETTI LETALI

Possibilità di recupero:(ricostruzione delle strutture atomico-molecolarireazioni chimiche inverse)EFFETTI SUBLETALI

EFFETTI delle LESIONI CELLULARI

Per esempio le cellule e i tessuti embrionali e fetali presentano una

maggiore radiosensibilità dei tessuti di un adulto come tutte le cellule

checrescono e si riproducono più rapidamente

Per le donne in gravidanza:

esposizione a raggi X per

diagnosi

solo in casi eccezionali

La radiosensibilità di una cellula,La radiosensibilità di una cellula,la suscettibilità di dannola suscettibilità di danno dipendono

dalla fase del ciclo mitotico in cui la cellula si trova dalla funzione specifica della cellula dalla sua struttura molecolare.

Quali sono gli EFFETTI sull’intero ORGANISMO UMANO provocati dall’irradiazione

Effetto Effetto GENETICO : : viene trasmesso e può viene trasmesso e può manifestarsi nella progenie manifestarsi nella progenie

Effetto Stocastico : esiste una dose soglia al di sotto della quale non vi è danno

Effetto SOMATICO : si limita al solo individuo : si limita al solo individuo colpito dalla radiazionecolpito dalla radiazione

Si distingue tra:

E tra:

Effetto Non Stocastico : non esiste una dose soglia

ESPOSIZIONE ACUTAESPOSIZIONE ACUTA ESPOSIZIONE FRAZIONATAESPOSIZIONE FRAZIONATA

PANIRRADIAZIONEPANIRRADIAZIONE(irradiazione totale)(irradiazione totale)

IRRADIAZIONE PARZIALEIRRADIAZIONE PARZIALE

TIPOLOGIE DI ESPOSIZIONE

Si possono avere diversi tipi di irradiazione:

IRRADIAZIONE ACUTA AL CORPO INTEROIRRADIAZIONE ACUTA AL CORPO INTERO

EFFETTO DOSE (Gy)

sterilità permanente nel maschio > 4

sterilità permanente nella donna

cataratta > 2

rischio di morte per sindrome del midollo osseo 2-10 (settimane)

morte per sindrome gastrointestinale 10-100(giorni)

morte persindrome del sistema nervoso centrale > 100 (ore)morte istantanea > 1000

LA RADIOTERAPIACon il termine RADIOTERAPIA si intende l’uso di radiazioni ionizzanti altamente energetiche (fotini X o , elettroni, protoni) nel trattamento e cura dei tumori.La radiazione incidente sui tessuti neoplastici distrugge le cellule tumorali

Irradiare la regione neoplastica

con una DOSE elevata senza danneggiare irreparabilmentegli organi sani adiacenti

La RADIOTERAPIA può essere:

PRE OPERATORIA (sul volume neoplastico)

POST OPERATORIA (sul volume a rischio)

RADICALE ESCLUSIVA (sul volume neoplastico + volume a rischio)

PALLIATIVA (sul volume neoplastico o una sua parte)

Cosa si irradia ?

GROSSTUMOR VOLUME

CLINICALTARGET VOLUME

PLANNINGTARGET VOLUME

TREATEDVOLUME

IRRADIATEDVOLUME

RAZIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA

Fotoni di alta energia ( MeV) : raggiungono regioni profonde

Elettroni ( MeV) : raggiungono regioni poco profonde e poi si attenuano rapidamente nel tesssuto

Protoni ( MeV) : depositano la maggior parte della dose in profondità

Le radiazioni sono generate da 1. Acceleratori lineari ad uso medico

(fotoni, elettroni)2. Sincrotroni (protoni)3. Tubi radiogeni

DISTRETTO CORPOREO

polmone

mammella

fotoni da 18 MV

fotoni da 6 MV

neoplasie superficialielettroni (6-9-12 MeV)

ESEMPIO

Com’è fatto un ACCELERATORE LINEARE ?STANDSTAND: produzione di microonde

LETTINO PORTAPAZIENTELETTINO PORTAPAZIENTE

GANTRYGANTRY

TESTATA

GUIDA ACCELERANTE

isocentro

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN

ACCELERATORE LINEARE

accelerazionedegli elettroni

raggi Xo elettroni

Cannonedi elettroni( pereffettotermoionico)

GUIDA ACCELERANTE

MAGNETEINCURVANTEdella traiettoria degli elettroni

TESTATA

Generatore di MICROONDEdi alta potenza

FASCIO DI ELETTRONI

COLLIMATOREvariabile

elettroni

DIMENSIONIdel CAMPO DITRATTAMENTO

GENERAZIONE del FASCIO di ELETTRONI

FASCIO DI FOTONI

BERSAGLIODI ELEVATO Z

COLLIMATOREvariabile

elettroni

Produzione di FOTONI per FRENAMENTO DIMENSIONI

del CAMPO DITRATTAMENTO

GENERAZIONE del FASCIO di FOTONI

LE FASI DI UN TRATTAMENTO RADIOTERAPICO:

1. Individuazione della regione anatomica da irradiare (Volume bersaglio) attraverso esame diagnostico (TAC, risonanza magnetica, ecografia)

2. Scelta del tipo di radiazione (fotoni, elettroni)

3. Definizione del trattamento attraverso il calcolatore elettronico: costruzione del PIANO DI TRATTAMENTO. Il Piano di trattamento deve erogare la massima dose possibile al volume malato risparmiando i tessuti sani

4. Realizzazione del trattamento (Dose totale erogata in una o più sedute di trattamento)

IRRADIAZIONE conl’ACCELERATORELINEARE

Realizzazione delPIANO DI TRATTAMENTO

Paziente che deve essere sottoposto a radioterapiacon fasci esterni

CT per localizzarela zona neoplastica

“Simulazione” del trattamentoper verificare la posizione delpaziente rispetto alfascio di trattamento

Simulatore

Nuova simulazione in base al piano di trattamento

COME SI REALIZZA UN CORRETTO PIANO DI

TRATTAMENTO ?

Sistemacomputerizzatodedicato

1-sono inseritele immagini CT

2- il radioterapistadisegna il volume da irradiaree indica la dose da erogare

3- il fisicodecide:• tipo di radiazione•energia•numero, direzione, dimensioni campi

il tecnicoimposta:• tipo di radiazione•energia•numero, direzione, dimensioni campi•eventuali modificatori del fascio•tempi calcolati dal sistema computerizzato

decisi dal fisico

computer connesso all’acceleratore

il pazienteviene irradiato

ESECUZIONE DEL TRATTAMENTO

Esempio di immagine TAC, inserita nel sistema computerizzato

volume bersagliocampi di trattamento

Il sistema di piani di trattamento calcola i valori di dose assorbita in ogni punto del volume irradiato

distribuzionidi dose

Per migliorare la distribuzione della dose al vlume bersaglio si può:

1. Utilizzare una tecnica a più campi contrapposti: la regione viene irradiata non con un unico campo di irradiazione bensì con diversi fasci

2. Utilizzare spessori (in materiale tessuto equivalente) o fasci schermati in alcune parti (Acceleratori MULTILAMELLARI) per schermare in parte o del tutto gli organi critici altrimenti irradiati

3. Utilizzare modificatori del fascio (cunei) per rendere la dose più omogenea

MODIFICATORI DEL FASCIOMODIFICATORI DEL FASCIO

MODIFICATORI DEl FASCIMODIFICATORI DEl FASCI posti sotto la testata

BLOCCHIBLOCCHIin piombo o COLLIMATORIin piombo o COLLIMATORI MULTILAMELLARIMULTILAMELLARI

PER RISPARMIAREORGANI O TESSUTISANI LIMITROFI :

VOLUME TUMORALE

lamelle

VOLUME TUMORALE

campo di irradiazione