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Raggi XDallo stato dellarte dellelettricit applicata alleattrezzature medicali a met secolo scorso, scopriremo,via via, le filosofie progettuali degli elettromedicali

Bruno Viacava

Il bene da sempre ritenuto essereil pi prezioso la salute. Inlontani passati si demandava

alla natura il compito di manteneree recuperare la salute: oggi evidente a tutti che compitoimportante della nostra societe democrazia aiutare chi l haperduta a riaverla, impiegandoadeguate strutture sanitarie, a fronte

di equi, commisurati contributi deicittadini. Certamente il medico nonpu impedire che un individuo siammali o attenti, coscientementeoppure no, ad esempio con ilfumo, alla propria salute; pu perdiagnosticare e dare indicazionie mezzi per curare le malattie,tanto pi efficacemente quanto pitempestiva stata la richiesta delsuo intervento.

La salute, dunque, consideratabene prezioso, crea una profondaconsapevolezza nellindividuo:al medico spetta linsieme delle

pratiche diagnostiche e terapeu-tiche per curare le malattie eristabilirne il buon stato, non dimantenerci sani.

Stato dellarte a met del secoloappena trascorso

La pratica della medicina ha

sempre richiesto luso di strumentitecnici e le aspettative della societhanno sempre evidenziato lim-portanza rivestita dalla tecnologiamedica, che potremmo definire oggiin prima linea, molto innovativa edi grande valore qualitativo.

La medicina, come si a configuratanel secolo trascorso, una prassiche, oltre agli studi tradizionalisulle strutture e funzioni del corpo(anatomia, istologia, fisiologia ecc.) esulle cause delle malattie (patologia,semeiotica ecc) ha sempre accolto icontributi delle scienze di indagine

sulla materia vivente, tra cui biologia,biochimica, genetica, stimolandoricerca in altri campi della farmaco-logia e delle metodiche diagnostichee terapeutiche. Essa pu essereconsiderata precorritrice, in diversicampi, per quanto riguarda leapplicazioni.

Non intenzione, qui, fare alcunapresentazione o casistica di quanto

comporta il mondo elettromedicale,delle varie e numerose apparec-chiature elettroniche utilizzatenellambiente sanitario poich, acausa dei molteplici aspetti appli-cativi della medicina, moltissimisarebbero i settori meritevoli di unadescrizione o di un cenno.

Si desidera invece evidenziare,sulla base di alcuni significativiesempi, il cammino percorso ecome le immagini siano unaforma davvero completa di infor-mazioni, dal punto di vista di

interpretazione dello stato di partidel corpo umano, fornendo esseuna rappresentazione di chiara edimmediata lettura...agli esperti.

Compiti degli apparecchimedicali

La strumentazione clinica rivolta, sostanzialmente, ad ottenerefunzioni ben definite e a soddisfarelinee guida che danno unestremaimportanza al fattore sicurezza.

I relativi problemi nelluso delleapparecchiature e dei rischi elettriciin genere vengono controllati daappositi organismi, in Americacome in diversi paesi europei, concontrolli di qualit, spesso moltoseveri, sia su apparecchi singoli siasu impianti ospedalieri. I compitiaffidati alla strumentazione clinicasono i seguenti:

Diagnosi: per evidenziare funzio-namenti non corretti, palesi omeno, che mostra lorganismoumano;

DISPOSITIVO DI

RICE/TRASMISSIONEDISPOSITIVO

DI TRASDUZIONE

DISPOSITIVO

PER MANIPOLAZIONE

VISUALIZZAZIONEMEMORIZZAZIONE

CON RESTITUZIONE

Fig. 1 - Rappresentazione di principiodel rilevamento di grandezzeche permettono di studiare gli esseri viventi

Elettromedicali

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Monitoraggio:per ottenere

informazioni periodi-che, o a volte continue,dello stato delle partisotto misura;

Controllo: per control-lare e variare, se delcaso, uno o pi para-metri del sistema dimisura sulla base diquanto significano legrandezze misurate.La Fig. 1 illustra loschema di un sistemadi misure per grandez-

ze biomediche, conun organo di visua-lizzazione per i sensidellosservatore, unodi memorizzazioneper un esame del risultatoin tempi successivi, uno direstituzione, necessario quandoluscita della memorizzazionenon adatta allinterpretazionediretta.

Radiologia

La radiologia delle ossa e del-lapparato scheletrico la piantica applicazione, per lo studiodel corpo umano, dei raggi x,scoperti dal fisico W. Roentgen, alquale venne assegnato il premioNobel 1901.

La Fig. 2 mostra uno dei locali delMuseo a lui dedicato, a Remscheid-Leppen, ove sono rappresentatiimmagini ed apparecchi dei primisviluppi che si sono poi indirizzatianche a molteplici campi applica-tivi, dallastronomia allarcheologia,dalla ricerca dellet ed autenticitdi opere darte alla prova nondistruttiva di materiali.

Lapplicazione al corpo umano resa possibile dalla marcata opacitintrinseca delle ossa, determinatadal loro elevato contenuto in calcio,che arresta in modo selettivo enetto le radiazioni: la Fig. 3 mostrauno dei primissimi apparecchidellepoca per lindagine sullapersona.

La cardioradiologia, diagnosticaper immagini del cuore e dei grandi

vasi sanguigni, si pure basata, finoagli anni 50, esclusivamente sullainterpretazione dei radiogrammidel torace.

Cosa sono i raggi x?

La radiologia sfrutta linterazione

del corpo umano con fasci diparticolari onde elettromagnetiche,dette raggi x, la cui lunghezzadonda assai pi corta di quelladelle onde radio e vicina a quelladella luce ed appartiene allabanda compresa fra 0,001 e 1nm. Di conseguenza, vista laproporzionalit inversa tra lun-ghezza donda e frequenza, sipossono anche definire comeonde elettromagnetiche ad altafrequenza. I raggi x vengonoprodotti in appositi tubi radiologici,che sono delle ampolle di vetrosotto vuoto spinto nelle quali siapplica, tramite appositi elettrodi,unelevata differenza di potenzialeelettrico (decine di migliaia di V).

Questa ha leffetto di accelerarefortemente un fascio di elettroniemessi da una spiralina incande-scente: gli elettroni vanno cos acolpire ad alta energia un bersaglioformato da un metallo pesante, ingenere da tungsteno.

Allorquando un elettrone urtacontro il bersaglio, il suo cammi-no viene arrestato bruscamente

ed in un tempo straor-

dinariamente breve lasua velocit subisce unagrandissima variazione,con enorme decelera-zione. In questo breveistante si ha una bruscavariazione dellenergiacinetica dellelettrone, laquale in parte si trasformain calore, riscaldandoil bersaglio, in parte inenergia radiante raggi.

Nel complesso feno-meno fisico descritto,

dunque, si ha lemissionedi radiazioni di raggi lacui natura apparve, allafine dellottocento, deltutto misteriosa, per questo

vennero chiamati appunto raggi x.La Fig. 4 molto esplicativa circa

la costituzione interna di un tuboroentgen. La generazione dei raggix negli apparecchi radiologici quindi un fenomeno strettamentegovernato dalluomo, nei suoiparametri fisici, nella sua intensite nella sua durata: i raggi x si

formano nel tubo ed escono solonel momento voluto, quando sidetermina la formazione dellaltatensione e il flusso di elettroni. Tuboe apparecchio radiologico spenti oinattivi non sono radioattivi e nonemettono raggi.

Fig. 2 - Un locale del Museo Roentgen che raccoglie apparecchiper la generazione e limpiego di raggi x

Fig. 3 - Lapparecchio Klinoskop del 1907

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Raggi x, radiazioni ed energiaUnimportante legge fisica espri-

me la relazione che lega tra lorola frequenza (n) e lenergia (E)dellonda elettromagnetica: E= hn, dove h un valore numerico

universale denominato costante diPlanck, dal nome del fisico che haintrodotto il concetto di quantoper indicare la quantit minimaed indivisibile di una grandezzafisica (in particolare di energia)emessa o assorbita da un sistema opropagantesi nello spazio.

Ne deriva che, essendo i raggix onde elettromagnetiche ad altafrequenza, ad essi associataunenergia molto elevata. Per questomotivo i raggi x, che cedono unanotevole quantit di energia nellaloro interazione con la materia,determinano la ionizzazione degliatomi, cio la formazione dicoppie di ioni e di radicaliliberi, con conseguenze an-che gravi sulla struttura deicostituenti biochimici dellacellula e sulla salute dellepersone.

Questi effetti biologici delleradiazioni ionizzanti sono pimarcati sulle cellule ad altaattivit proliferativa e spieganosia il loro impiego per laradioterapia delle neoplasie,

sia la spiccata sensibilit al dannoradiante delle cellule in fase dirapida crescita.

Energia

Lenergia rilasciata dai raggi xallinterno del corpo viene espressada una grandezza denominatadose: questa si misura in Grayed essa vale 1 Gy= 1 J/kg. Ledosi impartite dalla maggiorparte degli esami radiologicidi uso comune (ossa, torace,mammografia, apparato digerente,ecc.) sono comprese fra 1 e 10mGy. La presenza di importantieffetti fisici e biologici determinatidai raggi x e dalle radiazioniionizzanti giustifica le limitazionie i meccanismi di controllo chene regolano limpiego.

In campo sanitario, lesercizio

professionale della radiologia edella radioterapia riservato amedici in possesso di diplomi dispecializzazione.

I medici e gli odontoiatri possonoutilizzare apparecchi radiologiciper lesame dei propri pazienti in viacollaterale alla propria attivit clinicae nel rispetto di precise normative.Lesecuzione materiale delle radio-grafie e dei trattamenti radioterapici affidata esclusivamente a personalespecializzato (Tecnici Sanitari diRadiologia Medica).

Raggi x e materia

Leffetto ultimo dei raggi x sullamateria dunque la ionizzazionedegli atomi con formazione diradicali liberi. In pratica, questainterazione avviene secondo duefenomeni differenti:

1 a basse energie del fotone x (laquantit indivisibile dellenergiaelettromagnetica), questo viene

arrestato completamente dal-latomo colpito, che si ionizzaper effetto fotoelettrico, comeverr descritto pi avanti;

2 a energie pi elevate il fotone xinteragisce con latomo bersagliodeterminandone la ionizzazionee perdendo parte della suaenergia, ma prosegue comunqueil suo cammino con energiaridotta e con direzione casualeper effetto Compton. questoun fenomeno per cui i raggix e gamma che incidono suun materiale vengono diffusicon una lunghezza donda l

maggiore di quella dellaradiazione incidente (vedereFig. 5): i fotoni si comportanonellinterazione con gli elet-troni del materiale come biglieche si urtano elasticamente.

In entrambi i casi, il risultatofinale di questi fenomeni laionizzazione della materia.Tuttavia, nellinterazione pereffetto Compton la formazionedi un fotone x secondario

Fig. 4 - Rappresentazione di principio della costituzione di un tubo Roentgen

e

oo

l

l

D

e

Fotone

Fig. 5 - Effetto Compton

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(radiazione diffusa) d origine agravi problemi per la creazione delleimmagini e per la radioprotezione.

Nelle immagini radiografiche laradiazione diffusa causa infatti uneffetto di disturbo perch impres-siona la pellicola in modo casuale euniforme, determinandone velaturae perdita di contrasto.

Sono necessari particolari accor-gimenti tecnici (griglie fisse e mobili)per ridurre questi effetti anchese non possono mai eliminarlicompletamente. La presenza dellaradiazione diffusa complica anchemolto seriamente la radioprote-zione, poich non sufficienteproteggersi dal fascio di raggix che esce dal tubo radiologico(fascio primario) ma necessarioschermarsi anche dalle radiazioniemesse da tutti i corpi colpiti dairaggi x, radiazioni che vengono

emesse in ogni direzione dellospazio.

Formazione delle immaginiradiografiche

La diagnostica radiologica ri-chiede la creazione di immaginiradiografiche, che rendano visibilile modificazioni indotte dalcorpo umano sul fascio diraggi x: su queste immagini ilradiologo formula la propriadiagnosi. Esse vengono otte-nute utilizzando rivelatori,capaci di convertire il segnaledei fotoni x, non visibili, inuna immagine visibile.

Di ogni rivelatore importavalutare lefficienza e il poteredi risoluzione. La prima espri-me la capacit del sistemadi fornire unimmagine suffi-cientemente luminosa perchlocchio umano possa valutar-la ai fini diagnostici. Pi ilrivelatore efficiente, pi siriduce la dose di radiazioni

L U C E

DINODI

FOTOCATODO ANODODINODI

Fig. 6 - Rappresentazione di principio del funzionamentodi un fotomoltiplicatore

Strato di protezionein resina trasparenteantistatica da 10 a 15

Materiale luminescenteper i raggi Roentgen in plasticatrasparente da 100 a 500

Strato riflettenteda 10 a 30

Film di poliestereantistaticoda 250

Fig. 7 - Strati di un foglio di rinforzo

da dover emettere. Il potere dirisoluzione esprime invece lafedelt di trasferimento dellinfor-mazione spaziale (dettaglio) daparte di un sistema di rivelazione.Aumentandolo aumenta la finezzadellimmagine e, in molti casi, laprecisione diagnostica. Le immaginiradiografiche si suddividono in:

a) immagini cinetiche o dinamiche,che rappresentano in temporeale lesame eseguito e ilmovimento degli organi;

b) immagini statiche, cio undocumento stabile del quadrointerno del corpo umano (acqui-site anche durante una indaginedinamica).

Le immagini di tipo a) richiedo-no lutilizzo di un sistema perradioscopia, basato sullimpiego

di un rivelatore che fornisce lucein corrispondenza dei punti incui riceve raggi x. In passato siusavano lastre ricoperte da sostanzefotoemittenti, poste direttamente difronte al paziente lungo il camminodei raggi e osservate al buio. Oggiquesti sistemi, poco efficienti efortemente irradianti, sono staticompletamente abbandonati e

sostituiti dallabbinamento della

lamina fotoemittente con un tuboelettronico fotomoltiplicatore(amplificatore di brillanza).

Il funzionamento di un tubofotomoltiplicatore viene mostratodalla Fig. 6: si basa sulleffettofotoelettrico, che consiste nel-lemissione di elettroni, da partedi una sostanza colpita da unaradiazione luminosa, quando lafrequenza della stessa sia su-periore ad una frequenza bendeterminata, denominata sogliao frequenza di taglio. Il tubo

amplifica notevolmente un debolesegnale luminoso, trasformandoloin corrente elettrica.

La radiazione luminosa, cheincide sullelemento sensibile delfotocatodo di Fig. 6, fa s cheesso emetta elettroni, per leffettocitato, convogliati poi da un campoelettrico su di una serie di appositielettrodi (dinodi).

Su ciascuno di questi elettrodigli elettroni si moltiplicano pereffetto termoelettrico in un processoa cascata e, sullanodo, si pu

ottenere una corrente elettrica diintensit anche di un miliardo divolte superiore a quella iniziale.

Le immagini b) vengono ottenutedalle pellicole radiografiche: questesono pellicole fotografiche in biancoe nero emulsionate su entrambele facce. Poich le pellicole sonoassai pi sensibili alla luce chealle radiazioni x, questa propriet

viene utilizzata esponendoleai raggi insieme a due schermidi rinforzo, (vedere Fig. 7) con-tenute in una scatola protettivaa tenuta di luce detta cassettaradiografica. Buona partedellesposizione e dellanneri-mento della pellicola sono daticos non dallazione diretta deiraggi x, ma dalla luce emessadagli schermi di rinforzo colpitidai raggi.

Gli schermi di rinforzo siilluminano nel campo spettraledella luce visibile e si posso-no ottimizzare nei materialidi base e nei pigmenti infunzione delle caratteristichedesiderate.