LE ONDE
ELETTROMAGNETICHE
Periodo T
Lunghezza d’onda: =vT= v/f
v: velocità
3*108 m/s
f: frequenza
es. 6*1014Hz
T=1/f: periodo
1 / 6*1014 s
= v/f
= (3*108 m/s)/(6*1014Hz)=5*10-7m=500 nm
Intensità:
l’energia che un’onda trasporta attraverso
una superficie A in un intervallo do tempo t:
I=E/(A*t) (W/m2)
ONDE
ELETTROMAGNETICHE: i fotoni
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
I FOTONI
sono privi di massa
e sono caratterizzati da
ENERGIA E=h*f
QUANTITA’ DI MOTO p=(h*f)/c
con h 4*10-15 eV*s
COSTANTE DI PLANCK
COS’E’ un’onda elettromagnetica?
QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO
VARIANO NEL TEMPO LA LORO COESISTENZA DA’
ORIGINE AD UN CAMPO ELETTROMAGNETICO
campo
elettrico
UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DA
CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO;
+
corrente
QUANDO ESSE SI MUOVONO,
GENERANO UN CAMPO
MAGNETICO
campo
magnetico
LO SPETTRO del CAMPO ELETTROMAGNETICO
correnti radio micro I.R.
alternate onde onde
visibile
UV
Xe
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
1014
1015
1017
1022 Hz
1011
IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO
ALLA PROPAGAZIONE DI UN’ONDA ELETTROMAGNETICA
E’ DESCRITTO DAL TERMINE RADIAZIONE
LE RADIAZIONI SI SUDDIVIDONO IN
NON IONIZZANTI (N.I.R.)
E <12 eV
Non hanno energia
sufficiente per
ionizzare l’atomo
IONIZZANTI
E >12 eV
Hanno energia sufficiente
per ionizzare l’atomo
Indirettamente ionizzanti
costituite da fotoni o neutroni
che trasferiscono energia
LE RADIAZIONI
agli elettroni degli atomi
IONIZZANTI
si suddividono in
Direttamente ionizzanti
costituite da
particelle elettricamente cariche,
come elettroni e protoni
Fenomeno 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 elettrone
Ciascun atomo stabile, in funzione del suo numero atomico Z
(e dunque della sua configurazione elettronica)
possiede una determinata
Energia di ionizzazione:
la minima energia necessaria per rimuovere
un elettrone da un atomo
++
Fenomeno dell’ ECCITAZIONE
Quando la radiazione cede all’atomo energia sufficiente
soltanto per passare dallo stato fondamentale ad
un livello energetico superiore,
fotone
(ma non tale da strappare un elettrone)
Energia eV
si parla di eccitazione dell’atomo
in 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 X
N=2
N=1
L= 0
L= 1
LE RADIAZIONI INDIRETTAMENTE IONIZZANTI
I RAGGI GAMMA ()
10-11 m <
4*105 eV< ENERGIA < 4*107 eV
SONO ENERGIE CHE SI TROVANO SOLTANTO
ALL’INTERNO DEI NUCLEI ATOMICI
I RAGGI X
4*102 eV < ENERGIA < 4*106 eV
10-10< < 10-12 m
SONO ENERGIE CHE RIGUARDANO
LE TRANSIZIONI TRA I LIVELLI ELETTRONICI
DEGLI ATOMI
COSA SUCCEDE QUANDO
UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ?
Un onda elettromagnetica (ossia un fascio di fotoni) attraversando un
mezzo materiale cede a questo tutta o parte della sua energia.
1
N.FOTONI
0.9
LEGGE dell’attenuazione
0.8
0.7
0.6
0.5
N= N0 e-x
0.4
0.3
0.2
0.1
0
SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X
0
1
2
3
4
5
6
N = n° fotoni iniziale
0
N = n° fotoni dopo spessore x
: coefficiente
di attenuazione lineare
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 fascio
Generano elettroni liberi
nel mezzo
INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA
1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X e )
ENERGIA < 100 keV
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
2. EFFETTO COMPTON ( per X)
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
FOTONE INCIDENTE
ELETTRONE COMPTON
FOTONE DIFFUSO
3. PRODUZIONE DI COPPIE
1.02 MeV < ENERGIA < 10 MeV
Un fotone, interagendo con il campo coulombiano del nucleo,
cede TUTTA la sua energia
sono prodotti un ELETTRONE e un POSITRONE
(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”
PRODUZIONE DI COPPIE
FOTONE INCIDENTE
(1.02 MeV)
ELETTRONE (0.51 MeV)
POSITRONE (0.51 MeV)
FOTONI
ELETTRONE
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
Mezzo materiale
Fascio di FOTONI
ELETTRONI
COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO?
INTERAZIONE degli ELETTRONI CON la materia
Energia < 1 MeV
IONIZZAZIONE diretta
Energia > 1 MeV
FRENAMENTO
Z del materiale
Z2 del materiale
Produzione di elettroni liberi:
Produzione di raggi X
Energia persa
Energia persa
in prossimità elettrone
a distanze maggiori
Fenomeno 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 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” (= frenamento)
:è il fenomeno su cui si basa
la produzione artificiale dei raggi x
DIVERSO PERCORSO DI
FOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO
fotone
Percorso elettrone
1/10 mm
Percorso fotone
1/2 cm
elettrone
ACQUA
SORGENTI
delle radiazioni ionizzanti
NATURALI
ARTIFICIALI
Raggi cosmici
Radionuclidi naturali
• Tubo a raggi X
(diagnostica)
• Acceleratore lineare
(radioterapia)
• Radionuclidi
(Medicina nucleare)
Cosa succede ad un organismo biologico
quando viene colpito da una radiazione?
GLI EFFETTI BIOLOGICI DELLE
RADIAZIONI
Il Danno Biologico si distingue in
1. Danno FISICO
2. Danno CHIMICO
Gli elettroni secondari
sono i RESPONSABILI
del 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
Biochimica
formazione di radicali liberi
frazioni di secondi-settimane
Biologica
giorni-mesi-anni
Clinica
giorni- mesi- anni
inattivazione enzimi
e organuli cellulari
inattivazione, riparazione,
morte cellulare e tissutale
manifestazioni cliniche
a carico dell’organismo
FASE FISICA
L’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
FASE FISICA
Raggi X
Ionizzazione, eccitazione
Sistema
biologico
Fotone
diffuso
elettrone
Energia della Radiazione
EFFETTI
Fotoelettrico
Compton
Coppie
10 kV
95%
5%
-
25 kV
50%
50%
-
100-1022 kV
-
100%
-
20 MV
-
50%
50%
I principali fattori che influenzano la risposta biologica sono:
DOSE
: quantità e rateo di radiazione assorbita
Linear Energy Trasfer (LET)
TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA
: qualità della radiazione
Definiamo una serie di Grandezze dette DOSIMETRICHE
che caratterizzano il campo di radiazione e il suo effetto sul
tessuto biologico
LA DOSE ASSORBITA
E’ l’energia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzanti
in un elemento volumetrico di massa dm
D= dE/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
Il LET “ linear energy transfer”
: TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA
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)
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
> DENSITA’ di
IONIZZAZIONE
Velocità maggiore nel mezzo
< DENSITA’ di
IONIZZAZIONE
L’ESPOSIZIONE
Esprime la capacità della radiazione elettromagnetica
di produrre ionizzazione (elettroni con carica elettrica dQ)
in un elemento volumetrico di aria di massa dm
E= dQ/dm
Si misura in C/kg
FASE CHIMICA
La radiazione incidente nel tessuto biologico oltre ad un
danno direttamente letale per la cellula (fase FISICA), in
seguito ai fenomeni di ionizzazione ed eccitazione genera
delle specie chimiche altamente dannose per l’organismo
RADIAZIONE
MOLECOLE D’ACQUA
Reazioni chimiche negli atomi dell’organismo
AZIONE DIRETTA
AZIONE INDIRETTA
formazione di
- scissione di
legami inter e intra molecolari radicali liberi
molto reattivi con le altre
- formazione di
molecole : RADIOLISI
ponti inter e intra molecolari
DELL’ACQUA
MODIFICAZIONE STRUTTURALE DELLE MOLECOLE
REAZIONI DI RADIOLISI DELL’ACQUA
La radiazione causa ionizzazione:
H2O
H2O+ + eLo ione H2O+
si scinde in
H+ : radicale idrogeno
H+ + OH-
OH- : radicale idrossilico
H+ + H+
OH- + OH-
H2
H2O2
Molto reattiva chimicamente
Dalla RADIOLISI DELL’ACQUA si generano dunque:
H+ : radicale idrogeno
OH-: radicale idrossilico
RADICALI LIBERI
eattivi contro le
basi del DNA
FASE BIOCHIMICA E BIOLOGICA
EFFETTI A LIVELLO ATOMICO-MOLECOLARE
Rottura della membrana nucleare
LESIONI CELLULARI
Rottura di un singolo filamento di DNA
CELLULA
Rottura del doppio filamento di DNA
Rottura della membrana cellulare
Lesioni cellulari
L’interazione fisico-chimica della radiazione con il tessuto
biologico genera delle LESIONI alle cellule
LESIONI CELLULARI (in 1 cellula: 1013 -1014 molecole)
Al CORPO CELLULARE
alterazione della permeabilità
delle membrane cellulari
Al NUCLEO
- mutazioni geniche
- aberrazioni cromosomiche
EFFETTI delle LESIONI CELLULARI
Morte immediata o
ritardata della cellula:
EFFETTI LETALI
Possibilità di recupero:
(ricostruzione delle
strutture atomico-molecolari
reazioni chimiche inverse)
EFFETTI SUBLETALI
La radiosensibilità di una cellula,
la suscettibilità di danno dipendono
dalla fase del ciclo mitotico in cui la cellula si trova
dalla funzione specifica della cellula
dalla sua struttura molecolare.
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
Quali sono gli EFFETTI sull’intero ORGANISMO
UMANO provocati dall’irradiazione
Si distingue tra:
Effetto SOMATICO : si limita al solo individuo
colpito dalla radiazione
Effetto GENETICO : viene trasmesso e può
manifestarsi nella progenie
E tra:
Effetto Stocastico : esiste una dose soglia al di sotto
della quale non vi è danno
Effetto Non Stocastico : non esiste una dose soglia
TIPOLOGIE DI ESPOSIZIONE
Si possono avere diversi tipi di irradiazione:
ESPOSIZIONE ACUTA
PANIRRADIAZIONE
(irradiazione totale)
ESPOSIZIONE FRAZIONATA
IRRADIAZIONE PARZIALE
IRRADIAZIONE 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
(settimane)
2-10
morte per sindrome gastrointestinale
(giorni)
10-100
morte persindrome del sistema nervoso centrale
(ore)
morte istantanea
> 100
> 1000
LA RADIOTERAPIA
Con 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 irreparabilmente
gli 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 ?
IRRADIATED
VOLUME
TREATED
VOLUME
GROSS
TUMOR VOLUME
CLINICAL
TARGET VOLUME
PLANNING
TARGET VOLUME
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
ESEMPIO
DISTRETTO CORPOREO
polmone
fotoni da 18 MV
mammella
fotoni da 6 MV
neoplasie superficiali elettroni (6-9-12 MeV)
Le radiazioni sono generate da
1. Acceleratori lineari ad uso medico
(fotoni, elettroni)
2. Sincrotroni (protoni)
3. Tubi radiogeni
Com’è fatto un ACCELERATORE LINEARE ?
STAND: produzione di microonde
GUIDA ACCELERANTE
TESTATA
GANTRY
isocentro
LETTINO PORTAPAZIENTE
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN
ACCELERATORE LINEARE
accelerazione
degli elettroni
MAGNETE
INCURVANTE
della traiettoria
degli elettroni
TESTATA
Cannone
di
Generatore di
elettroni MICROONDE
( per
di alta potenza
effetto
termoionico)
GUIDA
ACCELERANTE
raggi X
o elettroni
GENERAZIONE del FASCIO di ELETTRONI
elettroni
COLLIMATORE
variabile
DIMENSIONI
del CAMPO DI
TRATTAMENTO
FASCIO DI ELETTRONI
GENERAZIONE del FASCIO di FOTONI
COLLIMATORE
variabile
DIMENSIONI
del CAMPO DI
TRATTAMENTO
FASCIO DI FOTONI
elettroni
BERSAGLIO
DI ELEVATO Z
Produzione di
FOTONI
per FRENAMENTO
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)
Paziente che deve
essere sottoposto
a radioterapia
con fasci esterni
CT per localizzare
la zona neoplastica
“Simulazione” del trattamento
per verificare la posizione del
paziente rispetto al
fascio di trattamento
Simulatore
IRRADIAZIONE con
l’ACCELERATORE
LINEARE
Nuova simulazione
in base al
piano di trattamento
Realizzazione del
PIANO DI
TRATTAMENTO
COME SI REALIZZA UN CORRETTO PIANO
DI TRATTAMENTO ?
Sistema
computerizzato
dedicato
1-sono inserite
le immagini CT
2- il radioterapista
disegna il volume da irradiare
e indica la dose da erogare
3- il fisico
decide:
• tipo di radiazione
•energia
•numero, direzione, dimensioni campi
ESECUZIONE DEL TRATTAMENTO
computer connesso
all’acceleratore
il tecnico
imposta:
• tipo di radiazione
decisi dal fisico
•energia
•numero, direzione, dimensioni campi
•eventuali modificatori del fascio
•tempi calcolati dal sistema computerizzato
il paziente
viene irradiato
Esempio di immagine TAC, inserita nel sistema computerizzato
volume bersaglio
campi di trattamento
Il sistema di piani di trattamento calcola i valori di dose
assorbita in ogni punto del volume irradiato
distribuzioni
di 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 FASCIO
MODIFICATORI DEl FASCI
posti sotto la testata
PER RISPARMIARE BLOCCHI
ORGANI O TESSUTI in piombo
SANI LIMITROFI :
VOLUME
TUMORALE
lamelle
o COLLIMATORI
MULTILAMELLARI
VOLUME
TUMORALE
campo di irradiazione
