1 METODI DI IMMAGINE IN FISICA MEDICA

METODI DI IMMAGINE IN FISICA MEDICA
IMMAGINI DA RADIOISOTOPI
Generalità.
Con l'eccezione degli ultrasuoni (che sono vibrazioni acustiche),
praticamente tutte le immagini in fisica medica sono prodotte da radiazioni
elettromagnetiche di varie lunghezze d'onda (e quindi energie del quanto di
radiazione; ricordiamo che una formula mnemonica per ricordare facilmente la
relazione fra lunghezza d'onda λ ed energia E del quanto è la seguente λ =
1.24/E , oppure E = 1.24/λ , con λ in nanometri ed E in KeV).
Può quindi essere utile ricordare la nomenclatura che viene usata per
descrivere diversi intervalli dello spettro elettromagnetico. In figura riportiamo
lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche, dalle radiazioni di frequenza
estremamente bassa (ELF), alle onde radio, alle microonde, alla radiazione
infrarossa, allo spettro visibile, alla radiazione ultravioletta, ai raggi X, fino ai
raggi gamma.
Lo spettro della radiazione elettromagnetica
dalle frequenze radio estremamente
basse(ELF) ai raggi gamma, con espanso lo spettro del visibile; lo spettro in figura copre
più di 22 ordini di grandezza.
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Per convenienza, nelle tre colonne sono riportate sia la frequenza (in
Hertz, da 1 a 1022) che l'energia del quanto (in elettron-volt, da 10-14 a 108)
che la lunghezza d'onda (in centimetri, da 1010 a 10-12). Lo spettro del
visibile, che si estende (in lunghezza d'onda), da 700 a 400 nanometri è
espanso sulla sinistra.
Nel caso dei raggi X le energie del quanto elettromagnetico vanno da
una diecina di KeV al centinaio di KeV; il limite inferiore deriva dalla necessità
che il raggio X attraversi il corpo umano, il limite superiore è legato alla
convenienza di poterlo rivelare facilmente.
Le immagini da raggi X sono prodotte dall'attenuazione del fascio di
radiazioni elettromagnetiche che passano attraverso il corpo; esse danno
informazioni anatomiche.
Un metodo completamente diverso consiste nell'introdurre nel corpo delle
sorgenti radioattive, in quantità minime (dell'ordine dei nanogrammi, 10-9
grammi - in modo da non creare effetti tossicologici; torneremo sul problema
della dose in appendice a questo capitolo) e nel rivelare la radiazione
elettromagnetica emessa (in genere raggi γ).
La sostanza radioattiva viene legata a molecole di sostanze che vengono
assimilate dal tessuto che si vuole studiare, (le sostanze radioattive sono dette
radionuclidi, e quelle alle quali vengono legate sono dette radiofarmaceutici o
radiotraccianti o semplicemente traccianti); il radiofarmaceutico viene
introdotto nel paziente, - iniettato nel flusso sanguigno, o somministrato per
bocca, o in alcuni casi inalato.
Con un'unica somministrazione di tracciante si può anche studiare tutto il
corpo; ma in genere i radiofarmaceutici si localizzano in diversi organi del
corpo, a seconda delle loro caratteristiche e di altri fattori, quali ad esempio il
modo di somministrazione del radiofarmaceutico, il flusso sanguigno, la
quantità di sangue, e diversi processi metabolici (due esempi immediati sono il
fluoro nella tiroide e il fosforo nelle ossa).
In presenza di una patologia, il tracciante spesso viene assorbito in modo
diverso da diversi organi sani o patologici; ne vedremo degli esempi in seguito.
Misurando la quantità di radioattività emessa potremo poi risalire alla quantità
di tracciante assorbito ed alla sua distribuzione.
Notiamo un altra differenza importante con i raggi X.
Come sappiamo, essi vengono fortemente assorbiti dalle ossa. E' quindi
difficile investigare il cervello usando i raggi X, in quanto il cervello è
schermato dalle ossa del cranio; se si volesse avere una immagine con i raggi
X, essi dovrebbero attraversare due volte le ossa del cranio (la stessa
difficoltà si presenta quando si usano gli ultrasuoni).
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Invece quando si usano immagini da radioisotopi, le radiazioni sono
emesse dall'interno del corpo; quando la radiazione è emessa dall'interno del
cranio, deve attraversare le ossa del cranio solamente una volta per poter
essere osservata; i radioisotopi (come pure la Risonanza Magnetica Nucleare)
sono quindi un metodo ideale per dare informazioni sul cervello.
Facciamo anche un'altra osservazione generale. In radiologia a raggi X
l'assorbimento della radiazione nei tessuti è una componente essenziale del
metodo per poter ricavare delle immagini; infatti l'immagine si basa sul
contrasto dovuto all'assorbimento differenziale in diversi tipi di tessuti.
Nel caso dei radioisotopi, la radiazione proviene dall'interno del corpo, e
quindi l'assorbimento è solamente un fattore negativo, che riduce il numero dei
raggi γ utili. Quindi, in genere, è preferibile usare radiazioni di frequenza tale
da essere poco assorbite nei tessuti.
Inoltre, il fondo di radioattività emessa dal corpo umano è molto inferiore
alla radioattività generata dal radioisotopo si ha quindi in generale un ottimo
contrasto, molto superiore a quello dei raggi X.
Invece la risoluzione spaziale è molto peggiore - non meglio di mezzo cm.
- (mentre arrivava ad alcune diecine di micron nel caso dei raggi X).
In questo modo si hanno piuttosto delle informazioni fisiologiche sulle
funzioni di diversi organi del corpo invece che informazioni anatomiche - come
si aveva con i Raggi X.
Possiamo così dire che le immagini non sono nitide - la risoluzione
spaziale non è ottimale - ma danno informazioni, oltre che sulla forma degli
organi, anche sul loro funzionamento - sono delle immagini funzionali. E
poiché i cambiamenti funzionali si manifestano prima delle alterazioni di una
struttura, l'uso dei radioisotopi permette spesso una diagnosi più precoce, in
particolare per alcune forme di tumori.
Richiami sui decadimenti nucleari.
Ricordiamo che i decadimenti radioattivi di vari isotopi instabili producono
raggi α (nuclei di Elio, con carica +2e, decadimento α); raggi β- (elettroni
negativi, con carica -e, decadimento β-); raggi β+ (elettroni positivi o positroni,
con carica +e, decadimento β+); e radiazione elettromagnetica (raggi γ o raggi
X, a seconda dell'intervallo di frequenza e/o dell'origine della radiazione nucleare o atomica).
Si suole indicare con A il numero totale di nucleoni (protoni + neutroni),
con Z il numero di protoni (numero atomico), e con N il numero di neutroni (e
quindi A = Z+ N). Alternativamente si indica il nome dell'elemento chimico (che
identifica il valore di Z), e il numero totale di nucleoni A.
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