LA FISICA APPLICATA ALLA MEDICINA E AI BENI CULTURALI

Università di Bologna,
Bologna
Dipartimento di Fisica
LA FISICA APPLICATA ALLA
MEDICINA E AI BENI CULTURALI
Brancaccio Rosa, Cornacchia Samantha, Giordano Marilisa,
Casali Franco, Bettuzzi Matteo, Morigi Maria Pia,
Pasini Alessandro, Romani Davide
La fisica applicata alla medicina:
dagli albori. . .
. . .alla scoperta
p
dell’elettricità
umana
Lewis,1921
. . .quindi
quindi i raggi Roentgen
Roentgen,
g , primo
p
premio Nobel per
la Fisica
8 Novembre, 1895
Ma. . .prima di lui, a Bologna. ..
P i
Prima
radiografia
di
fi :
27 Ottobre 1895
Prof. Augusto Righi
TAC Spirale
Chirurgia
C
u g a guidata
gu da a da Imaging
ag g
Radiografie neutroniche
neutroni
neutroni
raggi X
raggii X
Il David
LE PARTICELLE,
PARTICELLE
LE RADIAZIONI
E LE LORO
APPLICAZIONI
Cosa significa
g
radiazione?
…un qualsiasi fineomeno fisico che coinvolga trasporto di energia!
Radiazione e vita
La radioattività ha svolto e svolge
"La
costantemente un ruolo
fondamentale nell'evoluzione della
natura che ci circonda
circonda. La vita
sulla terra si è sviluppata infatti
con un fondo di radiazione
costante. Non è qualcosa
inventato dalla volontà dell'uomo,
p esistita"
ma è sempre
(da: "Radiation and Life" di E. J.
Hall )
Atomo
Sorgenti e tipi di radiazione
= protone
= neutrone
= elettrone
= fotone
√ radiazioni di natura
elettromagnetica:
γ
√ radiazioni particellari:
α e β (e altro)
le radiazioni X di varia energia,
energia
le radiazioni γ prodotte nei decadimenti nucleari,
le radiazioni “luce di sincrotrone” e bremsstrahlung
decadimenti nucleari, acceleratori di particelle,
elettroni, positroni, particelle alfa, neutroni,
muoni, atomi di elementi leggeri(C,N,O) ionizzati.
Radiazione Elettromagnetica: Il dualismo onda-particella
λ
m
T
1900: Max
1900
M Planck
Pl
k ebbe
bb la
l grande
d idea
id che
h
l'emissione delle onde em non fosse
continua,, ma che avvenisse a sprazzi,
p
,p
per
una piccola quantità che chiamò "quanto".
sec
L'energia E portata da un tale quanto di radiazione
elettromagnetica era direttamente legata alla frequenza dell
dell'onda
onda
portante dalla formula fondamentale:
E=h ν
h è la costante costante di Planck (ħ = 6,6 * 10-22 MeV s)
ν è la
l frequenza
f
d ll’ d em
dell’onda
Radiazione Elettromagnetica: Il dualismo onda-particella
La radiazione e.m. è un'onda elettromagnetica che si
propaga nello spazio e nel tempo con una certa lunghezza
d'onda λ e frequenza ν
λ
m
T
sec
La radiazione e.m. è un fascio di fotoni che si propagano
nello spazio e nel tempo con una certa energia E
fotoni
E
Un’onda (periodica e regolare)
Fra queste onde quale pensereste sia più energetica?
Le onde che vibrano di più sono più energetiche, quindi
quelle a maggior frequenza hanno maggiore energia!
v = λ / T
v = λ·ν
λ
E=hν
N.B. se si tratta di un’onda em
La velocità è fissa ed è c
Lo spettro
p
elettromagnetico
g
E=hν
Lo spettro
p
elettromagnetico
g
energia
frequenza
lunghezza d'onda
Lo spettro del sole
Unità di Misura
Esposizione: la quantità di ionizzazione prodotta in una massa
unitaria di aria, coulomb/Kg;
Dose assorbita: la quantità di energia ceduta in una massa
unitaria di tessuto, gray (Gy) pari a 1 Joule/Kg;
Dose equivalente: la dose assorbita moltiplicata per un
fattore di ponderazione per la radiazione (esprime la
capacità della radiazione di generare effetti biologici nei
tessuti non solo in rapporto all'energia
all energia ceduta ma anche in
rapporto al tipo di radiazione), sievert (Sv);
Dose efficace: la probabilità che un organo irradiato possa subire
un effetto
ff
stocastico
i rispetto
i
all corpo intero.
i
Radiazione sull’uomo
Dose equivalente:
♦ 1 millisievert in tempi brevi:
è una cosa che è meglio evitare, ma che non crea minimamente problemi ..
♦ 2-3
2 3 millisievert all
all'anno:
anno:
è la dose che un italiano assorbe per il fondo di radioattività naturale.
♦ 6-20
6 20 millisievert all
all'anno:
anno:
il massimo ammesso per un lavoratore esposto (categoria B e A).
Si ha rischio di morte ppari a qquello di un avvocato e meno di un muratore.
♦ 250 millisievert in un'ora:
ppossono causare qqualche lieve alterazione temporanea
p
dell'emoglobina.
g
♦ 4 sievert:
hanno ottime pprobabilità di uccidere,, nel giro
g di qualche
q
settimana,,
la persona che li assorbe.
Radioattività naturale
Radioattività
naturale:
origine
g
terrestre
radionuclidi primordiali
(K-40, Rb-87,U-238,Th-232)
origine
i i
extra-terrestre
radiazione di fondo
√
La concentrazione dei radionuclidi naturali nel suolo e nelle rocce varia
fortemente da luogo a luogo in dipendenza della conformazione geologica delle
diverse aree.
√ I raggii cosmici:
i i
dal sole:
dallo spazio
interstellare:
esplosioni nucleari protoni
UV etc,etc...
UV,
t t
particelle cariche positivamente
(protoni,
(p
o o , alfa,
a a, nuclei
uc e pesanti)
pesa )
- La radiazione interagisce con l’atmosfera
- La dose dipende dalla latitudine e dalla altitudine
Radioattività naturale
Average doses from natural radiation sources
Radiazione di fondo
Radionuclidi terrestri
Radioattività naturale e artificiale
Applicazioni delle tecniche di Irraggiamento
Radioattività artificiale:
- tubi a raggi X
- acceleratori di particelle
Medicina:
• diagnosi
• terapia
• controllo
Industria:
• sterilizzazione strumenti
• sterilizzazione cibi
• controlli ND
Medicina: Diagnosi
g
√ Le dosi impartite dalla maggior parte degli
esami radiologici sono comprese fra 1 e 10 mGy.
√
Nel caso della TAC le dosi sono alcune volte maggiori.
(dosi minime dannose: almeno 300 mGy).
Le immagini si ottengono tramite rivelatori capaci di convertire il
g
dei fotoni x,, non visibili,, in una immagine
g visibile.
segnale
- pellicole radiografiche
- radiologia
di l i digitale
di i l
-
manipolazione dell’immagine
risparmio di dose radiante
archiviazione rapida in
minimo spazio
ricostruzione tridimensionale:
endoscopia virtuale
Medicina: Diagnosi
g
Esempio:
p Mammografia
g
Immagine originale
Medicina: Diagnosi
g
Esempio:
p Mammografia
g
Immagine processata
Medicina: Diagnosi
g
Esempio:
p Mammografia
g
Un particolare sospetto
Medicina: Diagnosi
g
Esempio:
p Mammografia
g
Analisi del fondo
Medicina: Diagnosi
g
Esempio:
p Mammografia
g
Sottrazione del fondo
Medicina: Diagnosi
g
Esempio:
p Mammografia
g
Immagine “ripulita”
Medicina: Diagnosi
g
Esempio:
p Mammografia
g
Ricerca dei segnali
Medicina: Terapia
p
Raggi X
cedono energia
ionizzazione degli atomi
formazione di ioni
radicali liberi
danneggiano DNA delle cellule
Questi effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sono più
marcati
ti sulle
s ll cellule
ll l ad
d alta
lt attività
tti ità proliferativa
lif
ti
impiego per la radioterapia
Medicina: IORT
Radio Terapia Intra Operatoria
Acceleratore lineare di elettroni:
energia da 3 – 12 MeV
- gli elettroni emessi da un catodo
- iniettati in una cavità
- accelerati mediante un campo elettrico
a radiofrequenza
- passano, attraverso un campo
magnetico oscillante,
- dalla camera di scansione al cono di
scansione
- dal quale esce da una sottilissima
finestra di titanio pronto per l’utilizzo.
Medicina: Controllo Dosimetrico
curve isodose e valori, posizione
Dall’immagine digitale ricaviamo:
i tempo
t
reale(qualche
l (
l h sec)!
)!
...in
e forma
f
del
d l fascio...
f i
Applicazioni Industriali
- rendere sterili prodotti medicali e alimentari,
- per trattare
t tt
rifiuti
ifi ti che
h potrebbero
t bb
essere inquinati
i
i ti da
d batteri.
b tt i
→ radiazioni per sintetizzare prodotti chimici che richiederebbero
altrimenti
lt im ti ttrattamenti
tt m ti lunghi,
l
hi costosi
st si ed
d estremamente
st m m t iinquinanti.
i
ti
(curvare il metallo, vulcanizzare la gomma, brunire il vetro, smontare la struttura della plastica.. )
→ il trattamento con radiazioni è in generale, molto più
ù "pulito" ed
efficiente dei processi chimici a parità di risultati.
♦ gli articoli trattati con radiazioni non diventano
radioattivi!!
Le dosi impiegate:
≈ migliaia di sievert
mila sievert
25-45 m
milioni di sievert
cibi
sterilizzazione dei p
prodotti medicali
m
per la sintesi chimica.
Irraggiamento dei cibi
Trattamento: radiazioni ionizzanti
Effetti positivi:
• prolungamento tempi
conservazione
• distruzione insetti, parassiti,
batteri p
patogeni,
g , muffe e lieviti;;
• ritardo maturazione frutta e
ortaggi;
• inibizione germogliazione
tuberi e bulbi
Se bastano 4 sievert per
avere il 50 % di probabilità
di uccidere
id
un uomo, ne
servono circa 1000 per avere
la stessa probabilità di
uccidere un batterio.
Irraggiamento dei cibi
• Non ci sono legami tra cibo irraggiato e comparsa effetti negativi
•L
L’irradiazione
irradiazione non è ll’unica
unica procedura a poter aumentare il tasso di mutazione
di microrganismi
• Per dosi fino a 10 kGy non è stata osservata alcuna distruzione di componenti
nutrizionali (proteine, carboidrati o grassi). Le analisi chimiche hanno mostrato
la presenza di leggeri cambiamenti nutrizionali per dosi pari a quelle della
sterilizzazione (50 kGy).
Dosi
PROCESSO
DOSE (kGy)
BASSE DOSI (FINO AD 1 kGy)
Inibizione della germogliazione
0.05 – 0.15
PRINCIPALI ALIMENTI TRATTATI
Patate, cipolle, aglio, radice di zenzero
Disinfestazione e disinfezione
0.15 – 0.5
(eliminazione di insetti e parassiti)
Cereali e legumi, frutta fresca e secca, carni
e pesci essiccati, maiale fresco
Ritardo di processi fisiologici
(maturazione)
Frutta ed ortaggi secchi
0.5 – 1.0
MEDIE DOSI (1 – 10 kGy)
Prolungamento
olu ga e to del te
tempo
po d
di co
conservazione
se va o e
1.0
.0 – 3.0
Pesce
esce fresco,
esco, fragole,
agole, funghi
u g
Eliminazione di microrganismi patogeni
1.0 – 7.0
Pesce, frutti di mare freschi e
congelati, carni crude congelate
Aumento della resa di succo, ortaggi
disidratati(riduzione del tempo di cottura)
2.0 – 7.0
Uva
y)
ALTE DOSI ((10 – 50 kGy)
Sterilizzazione industriale del cibo
30 – 50
Carni, pesci , frutti di mare, cibi pronti,
diete ospedaliere
Decontaminazione di alcuni additivi
ingredienti alimentari
10 – 50
Spezie, preparazioni enzimatiche, gomma e
naturale
Esempio di impianto per l’Irraggiamento
Punti di Irradiazione
Carrello
Nastro
trasportatore
Impianto di raffreddamento
Sterilizzazione in medicina
• Strumenti chirurgici
• Siringhe
ARTICOLO
• Guanti
I RAGGI X E LA
RADIOGRAFIA
Produzione dei Raggi X
I raggi X hanno una energia tale da attraversare la materia
I materiali più leggeri (ad esempio il tessuto molle) sono attraversati
più facilmente rispetto a quelli pesanti (ad esempio le ossa)
La radiografia tradizionale
2
1
Rivelatore : lastra fotografica
1. Minor numero di Raggi X
zone chiare
2. Maggior numero di Raggi X
zone scure
Laa radiografia
ad og a a digitale
dg ae
Rivelatore digitale
IMMAGINE in cui ogni
g ppunto (p
(pixel)) contiene un
numero proporzionale al segnale prodotto dai Raggi X nel rivelatore
Il rivelatore: digitale
Telecamera
digitale
Flat panel
Schermi fluorescenti a
lettura laser