Lezione onde elettromagnetiche e medicina + raggiX PDF

IMPIEGO DELLE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN MEDICINA SORGENTI DI RADIAZIONI USATE IN MEDICINA - Raggi X: Radiologia Radiologia interventistica Radioterapia (Raggi X di alta energia, e-) - Radionuclidi: emettitori γ – β+ – β- – α Medicin...

IMPIEGO DELLE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IN MEDICINA SORGENTI DI RADIAZIONI USATE IN MEDICINA - Raggi X: Radiologia Radiologia interventistica Radioterapia (Raggi X di alta energia, e-) - Radionuclidi: emettitori γ – β+ – β- – α Medicina Nucleare Radioterapia metabolica - Onde Radio - Campi elettromagnetici (Risonanza Magnetica) - Luce visibile ed invisibile  SORGENTI DI RADIAZIONI USATE IN MEDICINA PARTICELLE: elettroni, protoni, α, β Tipo di radiazioni Onde elettromagnetiche: - Fotoni: γ , X - micro-onde - luce (visibile e invisibile) - Radiofrequenze  SORGENTI DI RADIAZIONI USATE IN MEDICINA IR: ionizing radiation Radiazioni ionizzanti Tipo di - elettroni, protoni, α, β - fotoni: γ , X radiazioni NIR: non-ionizing radiation Radiazioni non-ionizzanti - microwaves - luce (visibile einvisibile) - Radiofrequenze  RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE Si tratta di un trasferimento di energia: sono variazioni di campi elettrici e magnetici che si muovono nel vuoto alla velocità della luce. Un campo elettrico variabile nel tempo produce una variazione di un campo magnetico a sua volta variabile nel tempo e viceversa. Tali variazioni costituiscono le onde elettromagnetiche. Sono onde trasversali: i campi E e B sono ortogonali tra di loro e ortogonali alla direzione di propagazione.  ONDE ELETTROMAGNETICHE Tempo o distanza Le onde elettromagnetiche (fotoni) sono caratterizzate da: Lunghezza d’onda () Frequenza () Energia(E)  LUNGHEZZA D’ONDA E FREQUENZA Tempo o distanza La lunghezza d‘onda è la distanza tra due creste o due valli ed è generalmente indicata con la lettera greca λ. La frequenza è il numero di onde che passano attraverso un punto nell’unità di tempo e generalmente è indicata con la lettera greca .  = c/ c = velocità della luce= 3 x 108 m/s Elevata lunghezza d’onda Energia associata Breve lunghezza d’onda Bassa frequenza E=hν Alta frequenza ELECTROMAGNETIC WAVES  Onde Radio Nel 1887, Heinrich Hertz dimostrò l’esistenza delle onde elettromagnetiche teorizzate da Maxwell, generando sperimentalmente delle onde radio nel suo laboratorio. La loro frequenza variava da 3 KHz a 300 GHz. Le radiofrequenze sono oscillazioni elettromagnetiche nel range delle onde radio. Le radiofrequenze sono ampiamente utilizzate in medicina: MRI (imaging di risonanza magnetica) e RFA (ablazione a radiofrequenze). Heinrich Hertz  Risonanza Magnetica (RM) e Radiofrequenza La RM è utilizzata per produrre immagini dei tessuti molli, dei fluidi, del grasso e dell’osso. Le immagini si formano riproducendo una mappa dell densità di idrogeno contenuta nei diversi tessuti. Usa magneti a superconduttori, con un campo magnetico 40000 volte più forte del campo magnetico terrestre. Schema di un tomografo RM  Quando un paziente viene disteso sul Come funziona lettino di un tomografo di RM, tutti i nuclei di idrogeno (protoni) del suo la RM corpo si allineano alla direzione del campo magnetico esterno B0. Applicando un campo a radiofrequenze (prodotto dalle bobine) si causa una perturbazione dell’allineamento dei protoni, che cambiano l’allineamento dello spin, seguendo il segnale di radiofrequenza che genera il fenomeno della risonanza. Quando il segnale a radiofrequenze viene interrotto, l’allineamento degli spin torna nella condizione iniziale e viene prodotto un cambiamento del campo magnetico, che genera un segnale elettrico, letto dalle bobine e utilizzato per produrre le immagini. Schema di funzionamento della RM  L’ablazione a radiofrequenza Ablazione a (Radiofrequency Ablation RFA) viene utilizzata per distruggere le cellule radiofrequenza tumorali. Utilizza un elettrodo per applicare una corrente elettrica al tumore. La corrente elettrica riscalda le cellule tumorali, portandole a temperature elevatissime, provocandone l’ablazione (morte). Le cellule tumorali muoiono ed il tessuto circostante, che è stato trattato, si contrae e diventa tessuto cicatriziale. Perché sia efficace, in generale, servono più applicazioni. Schema della RFA  Micro Onde  Nel 1888, Heinrich Hertz fu il primo scienziato a dimostrare l’esistenza delle micro-onde, utilizzando un trasmettitore radio che produceva microonde da 450 MHz.  Le micro-onde hanno una frequenza tipicamente variabile tra 300MHz e 300GHz. Heinrich Hertz  Ipertermia a micro-onde L’ipertermia è un tipo di trattamento medico in cui il tessuto del corpo umano è esposto, totalmente o solo in parte, ad elevate temperature prodotte da un apparecchio a micro-onde, allo scopo di danneggiare o uccidere le cellule tumorali, oppure di rendere le cellul etumorali all’effetto delle terapie radianti o delle chemioterapie. La radiazione ottica  La radiazione a infra-rossi Tutti gli oggetti che si trovano ad una temperatura superiore allo zero assoluto emettono infrarossi. E’ possibile misurare la radiazione emessa o assorbita dai tessuti. Gli infrarossi sono utilizzati per visualizzare tumori ipervascolari L’ossimetro sfrutta esenzialmente due fenomeni: per misurare il Pulsiossimetro livello di ossigeno nel corpo: 1. La capacità dell’emoglobina di assorbire la luce 2. La naturale pulsazione del sangue nelle arterie. Il dispositivo è costituito da una sonda dotata di una sorgente luminosa, di un rvelatore e di un microprocessore, che confronta e calcola le differenze tra l’emoglobina ricca di ossigeno e quella deficitaria di ossigeno. Su un lato del dispositivo è montata una sorgente di luce in grado di emettere due tipi di radiazioni luminose: la luce rossa e gli infrarossi. L’emoglobina arricchita d’ossigeno assorbe principalmente gli infrarossi. L’emoglobina povera di ossigeno assorbe principalmente luce rossa. Il microprocessore all’interno del dispositivo calcola le differenze e converte le informazioni in un segnale digitale. E’ questo valore che viene valutato per stabilire la quanttà di ossigeno presente nel sangue.  La luce blu per il trattamento dell’ittero I bambini prematuri a volte presentano ittero alla nascita. L’ittero li fa apparire gialli a causa dell’eccesso di bilirubina. E’ innocuo e può essere trattato con la luce blu. La luce blu abbatte la bilirubina in modo che possa essere escreta con le urine. Impiego della luce ultravioletta per il trattamento della psoriasi e della vitiligine. Vitiligine Psoriasi Trattamenti dentali  La scoperta dei Raggi X  I Raggi X sono stati scoperti incidentalmente da Wilhelm Roentgen nel 1895.  Roentgen stava lavorando con dei fasci di elettroni prodotti da un tubo catodico. Wilhelm Roentgen  Le caratteristiche dei Raggi X  Sono invisibili  Sono altamente penetranti nella materia  Sono elettricamente neutri  Viaggiano alla velocità della luce (300.000 Km/sec)  Viaggiano in linea retta  Ionizzano la materia causando l’espulsione di elettroni orbitali  In alcune sostanze inducono fluorescenza  Non possono essere focalizzati con lenti o collimaori.  Produzione dei raggi X I raggi X sono prodotti in seguito alla conversione dell’energia cinetica degli elettroni che colpiscono il target dell’anodo in energia elettromagnetica.  RAGGI X I Raggi X vengono prodotti da “tubi radiogeni”, ovvero da sistemi che sono frutto dell’evoluzione del tubo di Coolidge. TUBO RADIOGENO Apparecchio radiologico fisso Apparecchio radiologico portatile Tomografo TC Angiografo  RAGGI X Il catodo è il polo negativo: è costituito da un filamento metallico che, se portato all’incandescenza, attraverso un proprio circuito di alimentazione, libera elettroni dalla propria superficie (effetto termoionico). L’anodo è il polo positivo: è costituito da una placca metallica ad elevato numero atomico, generalmente in tungsteno (Z=74), e ad elevata temperatura di fusione. Tra l’anodo ed il catodo è applicata una elevata differenza di potenziale. Produzione dei raggi X Quando gli elettroni, prodotti per effetto termoionico dal filamento del catodo (elettrodo negativo), sono accelerati, per mezzo della elevata ddp, verso l’anodo (elettrodo positivo): il 99% dell’energia è dissipata sotto forma di calore (i materiali anodici sono scelti in modo da resistere alle elevate temperature a cui sono sottoposti) l’1% dell’energia viene trasformata in produzione di Raggi X  Produzione dei raggi X  RADIAZIONE DI BREMSSTRAHLUNG  RADIAZIONE CARATTERISTICA  RAGGI X I fotoni X di frenamento vengono emessi in tutte le direzioni (isotropa), quelli utili per la formazione delle immagini radiologiche “escono” da una apertura dell’involucro del tubo mentre tutti gli altri sono fermati dalla schermatura del tubo stesso. I moderni tubi radiogeni hanno una radiazione di fuga inferiore all’1%.  Atomo del target Elettroni incidenti nucleo RADIAZIONE DI BREMSSTRAHLUNG Interazione vicina Energia moderata Interazione distante Bassa energia Impatto con il nucleo Massima energia  La probabilità di un elettrone di impattare direttamente con il nucleo è molto bassa; l’atomo è costituito da un grande spazio vuoto e la sezione d’urto del nucleo è molto piccola.  La maggior parte dei Raggi X generati sono di bassa energia.  Pochi Raggi X sono generati alle energie più alte ed il numero dei raggi X ad alta energia diminuisce linearmente con l’energia.  L’energia massima dei Raggi X corrisponde alla massima energia degli elettroni incidenti.  90 KVpicco Spettro di Bremsstrahlung non filtrato Intensità dei raggi X RADIAZIONE DI Spettro di Bremsstrahlung filtrato BREMSSTRAHLUNG 90 KeV: energia Max degli X Energia in KeV  Il grafico mostra lo spettro energetico dei raggi X di Bremsstrahlung in funzione dell’energia.  Lo spettro non filtrato mostra una relazione a “rampa” della distribuzione dei fotoni in funzione dell’energia, con l’energia massima determinata dal picco di differenza di potenziale (Kvpicco ) applicata tra gli elettrodi del tubo a raggi X.  Lo spettro filtrato mostra l’abbattimento dell’intensità di Raggi X alle basse energie.  RADIAZIONE DI BREMSSTRAHLUNG  La filtrazione è riferita alla rimozione dei raggi X durante il passaggio del fascio attraverso uno strato di materiale assorbitore (rame o alluminio).  Un tipico spettro di bremsstrahlung filtrato mostra che le basse energie sono assorbite e l’energia media dei raggi X è circa 1/3 – ½ dell’energia massima dello spettro.  L’efficienza di produzione dei raggi X (intensità) è influenzata dal numero atomico del materiale target e dall’energia cinetica dei fotoni incidenti: maggiore è l’energia dei fotoni e maggiore sarà l’intensità emessa. RADIAZIONE X CARATTERISTICA Elettrone espulso dalla shell K  Ogni elettrone dell’atomo del target ha un’energia di legame Atomo del target che dipende dall’orbitale in cui risiede.  L’energia diminuisce man mano Nucleo che ci si sposta dagli orbitali più vicini al nucleo a quelli più Elettrone di rimbalzo lontane.  Quando l’energia di un elettrone incidente è maggiore dell’energia Raggio X caratteristico: di legame di un elettrone Dalla transizione elettronica L - K dell’atomo target, è energeticamente possibile che la collisione provochi l’espulsione dell’elettrine colpito e la conseguente ionizzazione dell’atomo. SPETTRO CARATTERISTICO  Gli orbitali non completamente Elettrone espulso dalla shell K pieni sono instabili, pertanto un Atomo del target elettrone di un orbitale più esterno, con un’energia di legame minore, effettuerà un Nucleo salto di orbitale per riempire la vacanza. Elettrone di rimbalzo  Quando l’elettrone si sposta in Raggio X caratteristico: un orbitale più interno, l’eccesso Dalla transizione elettronica L - K di energia viene rilasciata sotto forma di fotone X caratteristico, con un’energia pari alla differenza di energia di legame dei due orbitali. SPETTRO CARATTERISTICO Materiale anodico  All’interno di ciascun orbitale ci sono dei sotto-orbitali con energie discrete, che provocano un fine slit dell’energia dei raggi X caratteristici.  I raggi X caratteristici, a parte quelli degli orbitali K, non sono importanti nell’imaging radiologico perchè sono completamente attenuati dal materiale filtrante e dalla finestra del tubo a raggi X.  Le energie di legame sono uniche per un determinato elemento target. Pertanto I raggi X emessi hanno energie discrete che sono caratteristiche di quell’elemento.  I principali materiali utilizzati per la costruzione dei target anodici nei tubi a raggi X per apparecchiature di diagnostica sono il tungsteno W (Z=74), il molibdeno Mo (Z=42) ed il rodio Rh (Z=45): BE  Z2.  All’aumentare dell’energia E degli elettroni incidenti rispetto all’energia di legame di soglia per la produzione dei raggi X caratteristici, la percentuale di raggi X prodotti aumenta (5% a 80 kVp versus 10% a 100 kVp).  SPETTRO DEI RAGGI X  Lo spettro dei raggi X è uno spettro continuo dovuto alla radiazione X di Bremsstrahlung con sovrapposte delle righe discrete dovute alla radiazione caratteristica. PER ESAME FISICA FINO A QUI [email protected]  INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE CON LA MATERIA IONIZZAZIONE Effetto fotoelettrico Effetto Compton (Scatter) Effetto fotoelettrico: il fotone X viene completamente assorbito e la sua energia ionizza l’atomo. Effetto Compton: nell’interazione con un elettrone orbitale, una parte dell’energia viene assorbita e produce ionizzazione ed una parte rimane come energia residua del fotone X, che non scompare ma cambia direzione  INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE CON LA MATERIA Processo Definizione Attenuazione Rimozione della radiazione dal fascio. L’attenuazione si verifica sia nel caso dello scatter che dell’assorbimento per efetto fotoelettrico. Assorbimento Trasferimento di energia dal fascio di radiazioni alla materia. E’ energia assorbita che è importante nella produzione degli effetti biologici nei tessuti. Scatter In seguito all’interazione il fotone X cambia direzione e cede una parte di energia agli elettroni orbitali contribuendo all’assorbimento ed all’attenuazione. Trasmissione Ogni fotone appartenente al fascio di raggi X che non subisce attenuazione, viene trasmesso. L’imaging radiologico si basa sulla rivelazione di questi fotoni.  FORMAZIONE DELL’IMMAGINE RADIOGRAFICA La radiografia è una tecnica di diagnostica per immagini che, in origine, sfrutta due proprietà fondamentali dei Raggi X: - Quella di attraversare la materia biologica - Quella di impressionare le pellicole radiografiche I raggi X attraversano i tessuti corporei subendo, punto a punto, un’attenuazione legata allo spessore, alla densità ed al numero atomico delle strutture incontrate.  FORMAZIONE DELL’IMMAGINE RADIOGRAFICA La legge dell’attenuazione è la seguente:  x I  I 0e Dove I0 è l’intensità del fascio incidente, I è l’intensità del fascio trasmesso,  è il coefficiente di attenuazione della materia e x è lo spessore attraversato. Il coefficiente di attenuazione  dipende sia dalla densità della materia attraversata che dall’energia del fascio incidente.  FORMAZIONE DELL’IMMAGINE RADIOGRAFICA L’immagine radiografica si otteneva sviluppando la lastra radiografica (pellicola fotografica) che veniva fatta impressionare.  FORMAZIONE DELL’IMMAGINE RADIOGRAFICA Rivelatore digitale Nella radiologia digitale la pellicola radiografica viene sostituita con un “rivelatore” di radiazioni che converte, attraverso un computer, l’immagine in una matrice digitale.  Immagini radiologiche Radiografia proiettiva TC del fegato Angiografia dei vasi cerebrali Coronarografia  SPECIALITA’ DELLA DIAGNOSTICA PER IMMAGINI RADIOLOGIA TRADIZIONALE ANGIOGRAFIA MAMMOGRAFIA TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA  RADIOLOGIA TRADIZIONALE La radiologia tradizionale è la tecnica di diagnostica per immagini più conosciuta e diffusa ed ha lo scopo principale di documentare le strutture anatomiche che si vogliono esaminare. Diffusamente utilizzata in ortopedia, per esempio.  ANGIOGRAFIA L’angiografia è una tecnica invasiva utilizzata per lo studio delle strutture vascolari. Contrariamente a quanto accade in radiologia tradizionale, si acquisiscono una serie di immagini in sequenza, visualizzando diverse fasi del flusso vascolare. Monitor di visualizzazione coronarografia  MAMMOGRAFIA La mammografia è una tecnica radiologica dedicata allo studio della mammella.  TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA La tomografia computerizzata TC è una tecnica 3D che produce immagini ricostruite multiplanari del particolare distretto anatomico studiato. assiali coronali sagittali