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
