LE ONDE ELETTROMAGNETICHE LE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LE ONDE ELETTROMAGNETICHE LE ONDE ELETTROMAGNETICHE

Lunghezza d’onda:

Lunghezza d’onda:

  =vT= v/ =vT= v/ f 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

Intensità:

l’energia che un’onda trasporta attraverso

una superficie A in un intervallo do tempo t:

I=E/(A*t) (W/m²)

Periodo T

ONDE ELETTROMAGNETICHE: i fotoni ONDE ELETTROMAGNETICHE: i fotoni

I FOTONI I FOTONI

sono privi di massa privi di massa

e sono caratterizzati da ENERGIA ENERGIA

E=h* E=h* f f

QUANTITA’ DI MOTO QUANTITA’ DI MOTO

p=(h* p=(h* f f )/c )/c

con h 4*10^-15 eV*s COSTANTE DI PLANCK

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

COS’E’ un’onda elettromagnetica?

COS’E’ un’onda elettromagnetica?

UN CAMPO ELETTRICO E’ GENERATO DA

CARICHE ELETTRICHE FERME NELLO SPAZIO;

corrente

campo

+

campo elettrico

QUANDO ESSE SI MUOVONO, GENERANO UN CAMPO

MAGNETICO

QUANDO CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO

VARIANO NEL TEMPO LA LORO COESISTENZA DA’

ORIGINE AD UN CAMPO ELETTROMAGNETICOCAMPO ELETTROMAGNETICO

LO SPETTRO del CAMPO ELETTROMAGNETICO LO SPETTRO del CAMPO ELETTROMAGNETICO

correnti radio micro I.R. visibile UV X e  alternate onde onde

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 1011 10¹⁴ 10¹⁵ 1017 10²² Hz

IL TRASPORTO DI ENERGIA ASSOCIATO

ALLA PROPAGAZIONE DI UN’ONDA ELETTROMAGNETICA E’ DESCRITTO DAL TERMINE

RADIAZIONE RADIAZIONE

LE

RADIAZIONI

E <12 eV

E <12 eV E >12 eV E >12 eV

Non hanno energia Hanno energia sufficiente sufficiente per per ionizzare l’atomo

IONIZZANTI

NON IONIZZANTI (N.I.R.)

LE RADIAZIONI IONIZZANTIIONIZZANTI si suddividono in

Direttamente ionizzanti costituite da

particelle elettricamente cariche, come elettroni e protoni

Indirettamente ionizzanti

costituite da fotoni o neutroni che trasferiscono energia

agli elettroni degli atomi

Fenomeno della IONIZZAZIONE 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 ionizzazioneEnergia di ionizzazione^:

la minima energia necessaria per rimuovere

Quando la radiazione cede all’atomo energia sufficiente soltanto per passare dallo stato fondamentale ad

un livello energetico superiore,

(ma non tale da strappare un elettrone) 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 Xraggi X

Energia eV

N=1 N=2

L= 0 L= 1 fotone

Fenomeno dell’ ECCITAZIONE

Fenomeno dell’ ECCITAZIONE

I RAGGI

I RAGGI X 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

LE RADIAZIONI INDIRETTAMENTE IONIZZANTIIONIZZANTI

I RAGGI

I RAGGI GAMMA ( GAMMA (   ) )

4*10⁵ eV< ENERGIA < 4*10⁷ eV

SONO ENERGIE CHE SI TROVANO SOLTANTO ALL’INTERNO DEI NUCLEI ATOMICI

10^-11 m < 

COSA SUCCEDE QUANDO

UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ATTRAVERSA UN MEZZO MATERIALE ?

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 1 2 3 4 5 6

SPESSORE MEZZO ATTRAVERSATO X N.FOTONI

N= N₀ e^-x

N0 = n° fotoni iniziale

N = n° fotoni dopo spessore x

: coefficiente

di attenuazione lineare

Un onda elettromagnetica (ossia un fascio di fotoni) attraversando un mezzo materiale cede a questo tutta o parte della sua energia.

LEGGE dell’attenuazione

L’

INTERAZIONE

• ^ENERGIA

• NATURA DEL MEZZO ( numero atomico, spessore)

3

“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

1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X e 1. EFFETTO FOTOELETTRICO ( per U.V. , X e   ) )

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA

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

ENERGIA < 100 keV

2. EFFETTO COMPTON ( per X) 2. EFFETTO COMPTON ( per X)

FOTONE INCIDENTE ELETTRONE COMPTON

FOTONE DIFFUSO 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

Un fotone, interagendo con il campo coulombiano del nucleo, cede TUTTA la sua energia

sono prodotti un ELETTRONEELETTRONE e un POSITRONEPOSITRONE

(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”FOTONI “DI ANNICHILAZIONE”

3. PRODUZIONE DI COPPIE 3. PRODUZIONE DI COPPIE

 1.02 MeV < ENERGIA < 10 MeV

FOTONE INCIDENTE (1.02 MeV)

ELETTRONE POSITRONE (0.51 MeV)

ELETTRONE (0.51 MeV)

FOTONI

PRODUZIONE DI COPPIE

PRODUZIONE DI COPPIE

DAI

3 processi

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

COME SI COMPORTANO GLI ELETTRONI NEL MEZZO?

Fascio di FOTONI ELETTRONI

Mezzo materiale

FRENAMENTO FRENAMENTO IONIZZAZIONE diretta

IONIZZAZIONE diretta

Produzione di raggi X

Energia < 1 MeV

Energia < 1 MeV Energia > 1 MeV Energia > 1 MeV

 Z del materiale

INTERAZIONE degli ELETTRONI CON la materia INTERAZIONE degli ELETTRONI CON la materia

Energia persa Energia persa

in prossimità elettrone in prossimità elettrone

Energia persa Energia persa

a distanze maggiori a distanze maggiori

 ZZ^{2 2} del materialedel materiale

Produzione di elettroni liberi:

Fenomeno della IONIZZAZIONE diretta 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 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)Bremsstrahlung”

:è il fenomeno su cui si basa

la produzione artificiale dei raggi x

DIVERSO PERCORSO DI

FOTONI ED ELETTRONI IN UN MEZZO fotone

ACQUA elettrone

Percorso elettrone 1/10 mm

Percorso fotone 1/2 cm

SORGENTI SORGENTI

delle radiazioni ionizzanti delle radiazioni ionizzanti

NATURALI NATURALI

Raggi cosmici Raggi cosmici

Radionuclidi naturali Radionuclidi naturali

ARTIFICIALI ARTIFICIALI

• Tubo a raggi X Tubo a raggi X (diagnostica) (diagnostica)

• Acceleratore lineare Acceleratore lineare (radioterapia) (radioterapia)

• Radionuclidi Radionuclidi

(Medicina nucleare) (Medicina nucleare)

GLI EFFETTI BIOLOGICI DELLE GLI EFFETTI BIOLOGICI DELLE

RADIAZIONI RADIAZIONI

Cosa succede ad un organismo biologico quando viene colpito da una radiazione?

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 formazione di radicali liberi Biochimica frazioni di secondi-settimane inattivazione enzimi

e organuli cellulari Biologica giorni-mesi-anni inattivazione, riparazione,

morte cellulare e tissutale Clinica giorni- mesi- anni manifestazioni cliniche

a carico dell’organismo

FASE FISICA FASE FISICA FASE FISICA 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

Sistema biologico

Raggi X

Fotone

diffuso elettrone

FASE FISICA FASE FISICA FASE FISICA FASE FISICA

Energia della Radiazione EFFETTI

Fotoelettrico Compton Coppie 10 kV 95% 5% -

25 kV 50% 50% - 100-1022 kV - 100% - 20 MV - 50% 50%

Ionizzazione, eccitazione

I principali fattori che influenzano la risposta biologica sono:

: qualità della radiazione

DOSE DOSE

Linear Energy Trasfer (LET) Linear Energy Trasfer (LET)

TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA TRASFERIMENTO LINEARE DI ENERGIA

: quantità e rateo di radiazione assorbita

Definiamo una serie di Grandezze dette DOSIMETRICHE che caratterizzano il campo di radiazione e il suo effetto sul tessuto biologico

LA DOSE ASSORBITA LA DOSE ASSORBITA

E’ l’energia media dE ceduta dalle radiazioni ionizzanti in un elemento volumetrico di massa 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

D= dE/dm

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)

Il Il LET LET “ linear energy transfer” “ linear energy transfer”

: TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA

: TRASFERIMENTO LINEARE di ENERGIA

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 Velocità maggiore nel mezzo

> DENSITA’ di

IONIZZAZIONE < DENSITA’ di IONIZZAZIONE

L’ ESPOSIZIONE ESPOSIZIONE

Si misura in C/kg E= dQ/dm

Esprime la capacità della radiazione elettromagnetica

di produrre ionizzazione (elettroni con carica elettrica dQ) in un elemento volumetrico di aria di massa dm

La radiazione incidente nel tessuto biologico oltre ad un La radiazione incidente nel tessuto biologico oltre ad un danno direttamente letale per la cellula (fase FISICA), in danno direttamente letale per la cellula (fase FISICA), in seguito ai fenomeni di ionizzazione ed eccitazione genera seguito ai fenomeni di ionizzazione ed eccitazione genera delle specie chimiche altamente dannose per l’organismo delle specie chimiche altamente dannose per l’organismo

MOLECOLE D’ACQUA

FASE CHIMICA FASE CHIMICA FASE CHIMICA FASE CHIMICA

RADIAZIONE

AZIONE DIRETTA AZIONE INDIRETTA

MODIFICAZIONE STRUTTURALE DELLE MOLECOLE formazione di

radicali liberi

molto reattivi con le altre molecole : RADIOLISI DELL’ACQUA

- scissione di

legami inter e intra molecolari - formazione di

ponti inter e intra molecolari

REAZIONI DI RADIOLISI DELL’ACQUA REAZIONI DI RADIOLISI DELL’ACQUA

H₂O

La radiazione causa ionizzazione:

H₂O⁺ + e^-

H⁺ + OH^- OH^- : radicale idrossilico

H⁺ : radicale idrogeno

H⁺ + H⁺ H₂

OH^- + OH^- H₂O₂ Molto reattiva chimicamente Lo ione H₂O⁺

si scinde in

Dalla RADIOLISI DELL’ACQUA si generano dunque:

Dalla RADIOLISI DELL’ACQUA si generano dunque:

OH^-: radicale idrossilico H⁺ : radicale idrogeno

e^-

attivi contro le basi del DNA RADICALI LIBERI

FASE BIOCHIMICA E BIOLOGICA FASE BIOCHIMICA E BIOLOGICA FASE BIOCHIMICA E BIOLOGICA FASE BIOCHIMICA E BIOLOGICA

LESIONI CELLULARI

Rottura di un singolo filamento di DNA

Rottura del doppio filamento di DNA Rottura della membrana nucleare

CELLULA

EFFETTI A LIVELLO ATOMICO-MOLECOLARE

Lesioni cellulari Lesioni cellulari Lesioni cellulari Lesioni cellulari

LESIONI CELLULARI (in 1 cellula: 10^{13 -}10¹⁴ molecole) Al CORPO CELLULARE

alterazione della permeabilità delle membrane cellulari

Al NUCLEO - mutazioni geniche

- aberrazioni cromosomiche L’interazione fisico-chimica della radiazione con il tessuto

biologico genera delle

LESIONI alle cellule

Morte immediata o

ritardata della cellula:

EFFETTI LETALI

Possibilità di recupero:

(ricostruzione delle

strutture atomico-molecolari reazioni chimiche inverse) EFFETTI SUBLETALI

EFFETTI delle LESIONI CELLULARI

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

La radiosensibilità di una cellula, La radiosensibilità di una cellula,

la suscettibilità di danno

la suscettibilità di danno

dalla fase del ciclo mitotico in cui la cellula si trova dalla funzione specifica della cellula

dalla sua struttura molecolare.

Quali sono gli EFFETTI sull’intero ORGANISMO UMANO provocati dall’irradiazione

Effetto

Effetto GENETICO : : viene trasmesso e può viene trasmesso e può

manifestarsi nella progenie manifestarsi nella progenie Effetto Stocastico : esiste una dose soglia al di sotto

della quale non vi è danno

Effetto SOMATICO : si limita al solo individuo : si limita al solo individuo

colpito dalla radiazionecolpito dalla radiazione Si distingue tra:

E tra:

Effetto Non Stocastico : non esiste una dose soglia

ESPOSIZIONE ACUTA

ESPOSIZIONE ACUTA ESPOSIZIONE FRAZIONATAESPOSIZIONE FRAZIONATA

PANIRRADIAZIONE PANIRRADIAZIONE

(irradiazione totale) (irradiazione totale)

IRRADIAZIONE PARZIALE IRRADIAZIONE PARZIALE

TIPOLOGIE DI ESPOSIZIONE

Si possono avere diversi tipi di irradiazione:

IRRADIAZIONE ACUTA AL CORPO INTERO IRRADIAZIONE ACUTA AL CORPO INTERO

EFFETTO

sterilità permanente nel maschio

> 4 sterilità permanente nella donna

cataratta > 2

rischio di morte per sindrome del midollo osseo 2-10 (settimane)

morte per sindrome gastrointestinale 10-100 (giorni)

morte persindrome del sistema nervoso centrale > 100 (ore)

morte istantanea > 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 ?

GROSS

TUMOR VOLUME CLINICAL

TARGET VOLUME

PLANNING TREATED VOLUME

IRRADIATED 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

Le radiazioni sono generate da

1.

Acceleratori lineari ad uso medico (fotoni, elettroni)

2. Sincrotroni (protoni) 3. Tubi radiogeni

DISTRETTO CORPOREO

polmone mammella

fotoni da 18 MV fotoni da 6 MV

neoplasie superficiali elettroni (6-9-12 MeV)

ESEMPIO

Com’è fatto un ACCELERATORE LINEARE ?

STAND

STAND: produzione di microonde

GANTRY GANTRY

TESTATA GUIDA ACCELERANTE

isocentro

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN ACCELERATORE LINEARE

accelerazione degli elettroni

raggi X

o elettroni Cannone

di elettroni ( per

effetto

termoionico)

GUIDA

ACCELERANTE

MAGNETE

INCURVANTE della traiettoria degli elettroni

TESTATA

Generatore di MICROONDE di alta potenza

FASCIO DI ELETTRONI

COLLIMATORE variabile

elettroni

DIMENSIONI del CAMPO DI TRATTAMENTO

GENERAZIONE del FASCIO di ELETTRONI

FASCIO DI FOTONI

BERSAGLIO DI ELEVATO Z COLLIMATORE

variabile

elettroni

Produzione di FOTONI

per FRENAMENTO DIMENSIONI

del CAMPO DI TRATTAMENTO

GENERAZIONE del FASCIO di FOTONI

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

IRRADIAZIONE con l’ACCELERATORE LINEARE

Realizzazione del PIANO 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

Nuova simulazione in base al

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

il tecnico imposta:

• tipo di radiazione

•energia

•numero, direzione, dimensioni campi

•eventuali modificatori del fascio

•tempi calcolati dal sistema computerizzato

decisi dal fisico computer connesso

all’acceleratore

il paziente

viene irradiato

ESECUZIONE DEL TRATTAMENTO

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 FASCIO

MODIFICATORI DEl FASCI

MODIFICATORI DEl FASCI

posti sotto la testata

BLOCCHI BLOCCHI

in piombo o COLLIMATORI in piombo o COLLIMATORI

MULTILAMELLARIMULTILAMELLARI PER RISPARMIARE

ORGANI O TESSUTI SANI LIMITROFI :

VOLUME TUMORALE

lamelle

VOLUME TUMORALE

campo di irradiazione