Università di Bologna Università di Bologna, Dipartimento di Fisica

LA FISICA APPLICATA ALLA LA FISICA APPLICATA ALLA MEDICINA E AI BENI CULTURALIMEDICINA E AI BENI CULTURALIMEDICINA E AI BENI CULTURALIMEDICINA E AI BENI CULTURALI

Brancaccio Rosa, Cornacchia Samantha, Giordano Marilisa, Casali Franco, Bettuzzi Matteo, Morigi Maria Pia,

Pasini Alessandro, Romani DavidePasini Alessandro, Romani Davide

La fisica applicata alla medicina:dagli albori. . .

. . .alla scoperta dell’elettricità pumana

Lewis,1921

quindi i raggi Roentgen. . .quindi i raggi Roentgen

Roentgen, primo g , ppremio Nobel per

la Fisica

8 Novembre, 1895

Ma. . .prima di lui, a Bologna. ..Ma. . .prima di lui, a Bologna. ..

P i di fi Prima radiografia :

27 Ottobre 1895

Prof. Augusto Righi

TAC Spirale

Chirurgia guidata da ImagingC u g a gu da a da ag g

Radiografie neutronicheRadiografie neutroniche

neutroni

neutroniraggi X

i Xraggi X

Il DavidIl DavidIl DavidIl David

LE PARTICELLELE PARTICELLE,LE RADIAZIONI

E LE LORO APPLICAZIONIAPPLICAZIONI

Cosa significa radiazione?g

…un qualsiasi fineomeno fisico che coinvolga trasporto di energia!…un qualsiasi fineomeno fisico che coinvolga trasporto di energia!

Radiazione e vita

"La radioattività ha svolto e svolgeLa radioattività ha svolto e svolgecostantemente un ruolo fondamentale nell'evoluzione della natura che ci circonda La vitanatura che ci circonda. La vita sulla terra si è sviluppata infatti con un fondo di radiazione costante. Non è qualcosa inventato dalla volontà dell'uomo, ma è sempre esistita" p

(da: "Radiation and Life" di E. J. Hall )Hall )

Sorgenti e tipi di radiazioneAtomo

= protone= neutrone= elettrone= fotone

√ radiazioni di natura

= fotone

le radiazioni X di varia energia√ radiazioni di naturaelettromagnetica:

γ

le radiazioni X di varia energia, le radiazioni prodotte nei decadimenti nucleari, le radiazioni “luce di sincrotrone” e bremsstrahlung

γγ

√ radiazioni particellari:α e β (e altro)

decadimenti nucleari, acceleratori di particelle, elettroni, positroni, particelle alfa, neutroni, α e β (e altro)muoni, atomi di elementi leggeri(C,N,O) ionizzati.

Radiazione Elettromagnetica: Il dualismo onda-particellaλ

m 1900 M Pl k bb l d id hm

T

1900: Max Planck ebbe la grande idea chel'emissione delle onde em non fossecontinua, ma che avvenisse a sprazzi, per

sec

T , p , puna piccola quantità che chiamò "quanto".

L'energia E portata da un tale quanto di radiazioneelettromagnetica era direttamente legata alla frequenza dell'ondaelettromagnetica era direttamente legata alla frequenza dell ondaportante dalla formula fondamentale:

E = h ν

h è la costante costante di Planck (ħ = 6,6 * 10-22 MeV s)è l f d ll’ dν è la frequenza dell’onda em

Radiazione Elettromagnetica: Il dualismo onda-particella

La radiazione e.m. è un'onda elettromagnetica che sipropaga nello spazio e nel tempo con una certa lunghezzapropaga nello spazio e nel tempo con una certa lunghezzad'onda λ e frequenza ν

λ

m

T

La radiazione e.m. è un fascio di fotoni che si propagano

sec

La radiazione e.m. è un fascio di fotoni che si propaganonello spazio e nel tempo con una certa energia E

fotoni

EE

Un’onda (periodica e regolare)

Fra queste onde quale pensereste sia più energetica?

Le onde che vibrano di più sono più energetiche, quindi Le onde che vibrano di più sono più energetiche, quindi quelle a maggior frequenza hanno maggiore energia!

E = h νv λ / T λ E = h νv = λ / T v = λ·ν

N.B. se si tratta di un’onda emLa velocità è fissa ed è c

Lo spettro elettromagneticop g

E = h νE h ν

Lo spettro elettromagneticop g

energia

frequenza

lunghezza d'onda

Lo spettro del sole

Unità di MisuraEsposizione: la quantità di ionizzazione prodotta in una massa

unitaria di aria, coulomb/Kg;

Dose assorbita: la quantità di energia ceduta in una massaDose 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 lafattore di ponderazione per la radiazione (esprime la capacità della radiazione di generare effetti biologici nei tessuti non solo in rapporto all'energia ceduta ma anche intessuti non solo in rapporto all energia ceduta ma anche in rapporto al tipo di radiazione), sievert (Sv);

Dose efficace: la probabilità che un organo irradiato possa subire ff i i l iun effetto stocastico rispetto al corpo intero.

Radiazione sull’uomo

♦ 1 millisievert in tempi brevi:

Dose equivalente:♦ 1 millisievert in tempi brevi:è una cosa che è meglio evitare, ma che non crea minimamente problemi ..

♦ 2 3 millisievert all'anno:♦ 2-3 millisievert all anno:è la dose che un italiano assorbe per il fondo di radioattività naturale.

♦ 6 20 millisievert all'anno:♦ 6-20 millisievert all anno:il massimo ammesso per un lavoratore esposto (categoria B e A). Si ha rischio di morte pari a quello di un avvocato e meno di un muratore.p q

♦ 250 millisievert in un'ora:possono causare qualche lieve alterazione temporanea dell'emoglobina.p q p g

♦ 4 sievert:hanno ottime probabilità di uccidere, nel giro di qualche settimana, p , g q ,la persona che li assorbe.

Radioattività naturale

origine radionuclidi primordialigRadioattività terrestre

naturale: i i

radionuclidi primordiali (K-40, Rb-87,U-238,Th-232)

origine extra-terrestre

radiazione di fondo

√ La concentrazione dei radionuclidi naturali nel suolo e nelle rocce variafortemente da luogo a luogo in dipendenza della conformazione geologica dellediverse aree.

dal sole: esplosioni nucleari protoniUV t t√ i i i

dallo spazio interstellare:

UV, etc,etc...particelle cariche positivamente (protoni, alfa, nuclei pesanti)

√ I raggi cosmici:

interstellare: (p o o , a a, uc e pesa )

- La radiazione interagisce con l’atmosfera- La dose dipende dalla latitudine e dalla altitudine

Radioattività naturaleAverage doses from natural radiation sources

Radiazione di fondoRadiazione di fondo

Radionuclidi terrestriRadionuclidi terrestri

Radioattività naturale e artificiale

Applicazioni delle tecniche di Irraggiamento

Radioattività artificiale:Radioattività artificiale:- tubi a raggi X

Medicina:

- acceleratori di particelle

Medicina:• diagnosi• terapia• controllo

Industria:• controllo

• sterilizzazione strumenti • sterilizzazione cibi• sterilizzazione cibi• controlli ND

Medicina: Diagnosig

√ Le dosi impartite dalla maggior parte degli√ 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 ilsegnale dei fotoni x, non visibili, in una immagine visibile.g , , g

- pellicole radiografiche

di l i di i l- radiologia digitale- manipolazione dell’immagine- risparmio di dose radianterisparmio di dose radiante - archiviazione rapida in

minimo spazio- ricostruzione tridimensionale:- ricostruzione tridimensionale:

endoscopia virtuale

Medicina: Diagnosig

Esempio: Mammografiap g

Immagine originale

Medicina: Diagnosig

Esempio: Mammografiap g

Immagine processata

Medicina: Diagnosig

Esempio: Mammografiap g

Un particolare sospetto

Medicina: Diagnosig

Esempio: Mammografiap g

Analisi del fondo

Medicina: Diagnosig

Esempio: Mammografiap g

Sottrazione del fondo

Medicina: Diagnosig

Esempio: Mammografiap g

Immagine “ripulita”

Medicina: Diagnosig

Esempio: Mammografiap g

Ricerca dei segnali

Medicina: Terapiap

Raggi X cedono energia ionizzazione degli atomi

formazione di ioni radicali liberiformazione di ioni radicali liberi

danneggiano DNA delle celluledanneggiano DNA delle cellule

Questi effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sono più ti s ll ll l d lt tti ità lif ti marcati sulle cellule ad alta attività proliferativa

impiego per la radioterapiaimpiego 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 elettricoa radiofrequenzaa radiofrequenza- passano, attraverso un campomagnetico oscillante,- dalla camera di scansione al cono discansione- dal quale esce da una sottilissima- dal quale esce da una sottilissimafinestra di titanio pronto per l’utilizzo.

Medicina: Controllo DosimetricoDall’immagine digitale ricaviamo:

f d l f i i t l ( l h )!posizione curve isodose e valori,

e forma del fascio... ...in tempo reale(qualche sec)!

Applicazioni Industriali

- rendere sterili prodotti medicali e alimentari,t tt ifi ti h t bb i i ti d b tt i- per trattare rifiuti che potrebbero essere inquinati da batteri.

→ radiazioni per sintetizzare prodotti chimici che richiederebbero lt im ti t tt m ti l hi st si d st m m t i i tialtrimenti trattamenti lunghi, costosi ed estremamente inquinanti.

(curvare il metallo, vulcanizzare la gomma, brunire il vetro, smontare la struttura della plastica.. )

è ù→ il trattamento con radiazioni è in generale, molto più "pulito" ed efficiente dei processi chimici a parità di risultati.

♦ gli articoli trattati con radiazioni non diventanoradioattivi!!radioattivi!!

Le dosi impiegate:

≈ migliaia di sievert cibi 25-45 mila sievert sterilizzazione dei prodotti medicali m p mmilioni di sievert per la sintesi chimica.

Irraggiamento dei cibiTrattamento: radiazioni ionizzanti

Effetti positivi:

• prolungamento tempi conservazioneconservazione

• distruzione insetti, parassiti, batteri patogeni, muffe e lieviti;p g , ;

• ritardo maturazione frutta e ortaggi;

• inibizione germogliazione tuberi e bulbi

Se bastano 4 sievert peravere il 50 % di probabilitàdi iddi uccidere un uomo, neservono circa 1000 per averela stessa probabilità dila stessa probabilità diuccidere un batterio.

Irraggiamento dei cibi• Non ci sono legami tra cibo irraggiato e comparsa effetti negativi• L’irradiazione non è l’unica procedura a poter aumentare il tasso di mutazione• L irradiazione non è l unica procedura a poter aumentare il tasso di mutazionedi microrganismi

• Per dosi fino a 10 kGy non è stata osservata alcuna distruzione di componenti• Per dosi fino a 10 kGy non è stata osservata alcuna distruzione di componentinutrizionali (proteine, carboidrati o grassi). Le analisi chimiche hanno mostratola presenza di leggeri cambiamenti nutrizionali per dosi pari a quelle dellasterilizzazione (50 kGy).

Dosi

PROCESSO DOSE (kGy) PRINCIPALI ALIMENTI TRATTATI

BASSE DOSI (FINO AD 1 kGy) Inibizione della germogliazione 0.05 – 0.15 Patate, cipolle, aglio, radice di zenzero

Disinfestazione e disinfezione 0.15 – 0.5 Cereali e legumi, frutta fresca e secca, carniDisinfestazione e disinfezione 0.15 0.5 Cereali e legumi, frutta fresca e secca, carni(eliminazione di insetti e parassiti) e pesci essiccati, maiale fresco

Ritardo di processi fisiologici 0.5 – 1.0 Frutta ed ortaggi secchi (maturazione)(maturazione)

MEDIE DOSI (1 – 10 kGy)

Prolungamento del tempo di conservazione 1.0 – 3.0 Pesce fresco, fragole, funghi olu ga e to del te po d co se va o e .0 3.0 esce esco, agole, u g

Eliminazione di microrganismi patogeni 1.0 – 7.0 Pesce, frutti di mare freschi econgelati, carni crude congelate

Aumento della resa di succo, ortaggi 2.0 – 7.0 Uvadisidratati(riduzione del tempo di cottura)

ALTE DOSI (10 – 50 kGy) ( y)

Sterilizzazione industriale del cibo 30 – 50 Carni, pesci , frutti di mare, cibi pronti, diete ospedaliere

Decontaminazione di alcuni additivi 10 – 50 Spezie, preparazioni enzimatiche, gomma e ingredienti alimentari naturale

Esempio di impianto per l’Irraggiamento

Punti di Irradiazione

Carrello

NastroNastro trasportatore

Impianto di raffreddamento

Sterilizzazione in medicina

• Strumenti chirurgici

• Siringhe• Siringhe

ARTICOLO

• Guanti

ARTICOLO

I RAGGI X E LA RADIOGRAFIA

Produzione dei Raggi XProduzione dei Raggi X

I raggi X hanno una energia tale da attraversare la materiaI 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)più facilmente rispetto a quelli pesanti (ad esempio le ossa)

La radiografia tradizionaleLa radiografia tradizionale

2

11

Rivelatore : lastra fotografica

1. Minor numero di Raggi X zone chiare

2. Maggior numero di Raggi X zone scure

La radiografia digitalea ad og a a d g a e

Rivelatore digitaleRivelatore digitale

IMMAGINE in cui ogni punto (pixel) contiene ung p (p )numero proporzionale al segnale prodotto dai Raggi X nel rivelatore

Il rivelatore: digitale

TelecameraTelecamera digitale Schermi fluorescenti a

lettura laserlettura laser

Flat panel