LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE (in medicina)

(1)

LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE (in medicina)

A. A. 2014 -‐ 2015

  SPETTRO ELETTROMAGNETICO

  RADIAZIONI TERMICHE

  RADIAZIONI IONIZZANTI

CLASSE DELLE LAUREE TRIENNALI DELLE PROFESSIONI SANITARIE DELLA

RIABILITAZIONE

(2)

Spettro elettromagnetico

λν ⁼ c _{E = hν}

ONDE RADIO MICRO

ONDE INFRA-

-ROSSO ULTRA-

-VIOLETTO RAGGI

X RAGGI

GAMMA

10 ² 10 ^–2 1

10 ^–4 10 ^–6

10 ^–8 10 ^–10

10 ^–12

10 ^–14 λ ^(m) (m)

(Hz) ν ν

(Hz) ¹⁰ ⁸ ¹⁰ ⁶

3 10 ⁸ Hz 10 ¹⁰

10 ¹² 10 ¹⁴

10 ¹⁶ 10 ¹⁸

10 ²⁰ 10 ²²

(cm) (mm)

( µ ^m)

(fermi) (Å) (nm)

λ

VISIBILE

MeV keV

GeV

(eV)

E

10 ³ 10 ⁶

10 ⁹

600 700

400 500 λ

(nm)

colori

(3)

Radiazioni termiche – intensità

intensità I = Q

Δt ΔS ^cal/(s ^• ^m

2 )

oppure W/m ²

Sono radiazioni termiche: microonde, infrarossi

legge di Stefan I ∝ T ⁴ ^(W/m ² ⁾

legge di Wien λ _max ∝ 1/T ^(cm)

LEGGI

DELL'EMISSIONE TERMICA

I(λ)

1 2 3 ^µm

λ

4000 K

3000 K 2000 K 0

visibile

 Irraggiamento termico

(4)

Microonde

 non ionizzanti Frequenza: 300 MHz < ν < 300 GHz

Energia: 10 ^–6 eV < E=hν < 10 ^–3 eV effetti: calore

Riscaldamento di regioni limitate e profonde in corpi ricchi di acqua.

Uso in terapia: artriti, borsiti, strappi muscolari..

(Esposizione limite per l’uomo: I = 10 mW/cm ² ^,

cioè 1/10 della massima potenza radiante solare assorbita)

(5)

Infrarossi

0.7 µm < λ < 20 µm

vicino IR lontano IR intensità

relativa

10 5

0 0.5 1.0 1.5 2.0

3000 K 1200 K visibile

Sole

vicino I.R.

MEDICINA

(µm) λ

effetto termico λ ≈ 0.7 µ m Δx ≈ 10 cm λ > 1.4 µ m Δx < 1 mm

penetrazione

fotografia I.R. immagine termica (termografia) emissione

termica

(Sole)

(6)

Radiazioni ionizzanti

Sono radiazioni ionizzanti: raggi UV, raggi X, raggi gamma

(solo UVC)

Ionizzare un atomo =

Farlo diventare uno ione, liberando uno o più elettroni ->bisogna compiere lavoro, cioè fornire energia:

Energia minima di ionizzazione: E = 13.6 eV

(potenziale di ionizzazione dell’atomo di idrogeno)

Di fatto si considerano ionizzanti le radiazioni con E>100 eV ^.

Se gli elettroni liberati hanno ricevuto sufficiente energia

cinetica, a loro volta possono ionizzare altri atomi.

(7)

Ultravioletti

Si distinguono in:

UVA: λ = 400-315 nm

UVB: λ = 315-280 nm

UVC: λ = 280-100 nm (ionizzanti)

Produzione UV naturale: Sole

artificiale: lampade UV

Effetti chimico-biologici:

eccitazione di atomi e molecole dissociazione legame C-C (4 eV)

benefici...

sintesi vitamina D azione battericida

... o malefici

eritemi - lesioni oculari

tumori della pelle (melanomi)

(8)

Radiazioni ad alta energia

raggi X

produzione artificiale tubo a raggi X

raggi γ

produzione naturale

emissione γ da decadimento di nuclei atomici instabili (“radionuclidi”)

produzione artificiale

acceleratori di particelle

(9)

Assorbimento dei raggi X

0 25 50 75 100

intensità trasmessa

(%) I

x = 1/µ I _o

e

spessore x

ASSORBIMENTO ESPONENZIALE

I = I _o e ^{–µ x}

coefficiente

di attenuazione

(10)

impiego terapeutico delle

radiazioni ionizzanti: radioterapia

Raggi X di alta energia

fasci di elettroni (←acceleratori di particelle)

adroterapia (← acceleratori di particelle):

protoni

ioni pesanti (tipicamente Carbonio)

neutroni (Boron Neutron Capture Therapy)

(11)

ONDE RADIO MICRO

ONDE INFRA-

-ROSSO

VISIBILE ULTRA-

-VIOLETTO RAGGI

X RAGGI

GAMMA

10 ² 10 ^–2 1

10 ^–4 10 ^–6

10 ^–8 10 ^–10

10 ^–12

10 ^–14 (m)

λ ^(m)

ν

(Hz)

ν

(Hz) ¹⁰ ²² ¹⁰ ²⁰ ¹⁰ ¹⁸ ¹⁰ ¹⁶ ¹⁰ ¹⁴ ¹⁰ ¹² ¹⁰ ¹⁰ ¹⁰ ⁸ ¹⁰ ⁶

λ

SPETTRO ELETTROMAGNETICO : impiego

diagnostica (RM) diagnostica (RX , CT)

diagnostica (PET, SPET)

diagnostica (IR e visibile) terapia

terapia

(12)

Backup slides

(13)

Raggi X: produzione

rete

trasformatore diodo anodo filamento F A

catodo K

generatore di alta tensione generatore di

corrente

vuoto + raggi X

TUBO A RAGGI X

(14)

Immagine radiologica

diversa opacità delle strutture biologiche (diverso coefficiente di assorbimento)

50 100

ossa (d = 1.8 g cm ^–3 ) grasso (d = 0.9 g cm ^–3 ) muscoli (d = 1.0 g cm ^–3 ) polmoni (d = 0.3 g cm ^–3 ) 0.02

0.05 0.1 0.2 0.5

1 2 5

(keV)

µ

(cm ^–1 )

E

radioscopia radiografia

xeroradiografia

radiografia digitale

(con e senza mezzo di contrasto)

(15)

Radiografia

schermo fluorescente tubo a raggi X

struttura biologica

diaframmi

pellicola radiografica

fascio X trasmesso fascio X incidente osso

muscolo

aria

pellicola radiografica

immagine negativa

sviluppo della pellicola

radiografia digitale

(16)

Parametri per la radiografia

contrasto radiologico

parametri : potenziale elettrico intensità di corrente tempo di esposizione

ΔV 45 kV ÷ 130 kV

i 3 mA ÷ 50 mA

Δt 1/60" ÷ 1/120"

(17)

Raggi gamma: impiego diagnostico

radiodiagnostica

radioisotopi radiofarmaci

diffusione nell'organismo decadimento radioattivo

rivelazione radiazione

immagine conteggio

dosimetrico

LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE (in medicina)

LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE (in medicina)

A. A. 2014 -­‐ 2015

 SPETTRO ELETTROMAGNETICO

 RADIAZIONI TERMICHE

 RADIAZIONI IONIZZANTI

CLASSE DELLE LAUREE TRIENNALI DELLE PROFESSIONI SANITARIE DELLA

RIABILITAZIONE

Spettro elettromagnetico

λν = c E = hν

ONDE RADIO MICRO

ONDE INFRA-

-ROSSO ULTRA-

-VIOLETTO RAGGI

X RAGGI

GAMMA

10 2 10 –2 1

10 –4 10 –6

10 –8 10 –10

10 –12

10 –14 λ (m) (m)

(Hz) ν ν

(Hz) 10 8 10 6

3 10 8 Hz 10 10

10 12 10 14

10 16 10 18

10 20 10 22

(cm) (mm)

( µ m)

(fermi) (Å) (nm)

λ

VISIBILE

MeV keV

GeV

(eV)

E

10 3 10 6

10 9

600 700

400 500 λ

(nm)

colori

Radiazioni termiche – intensità

intensità I = Q

Δt ΔS cal/(s • m

2 )

oppure W/m 2

Sono radiazioni termiche: microonde, infrarossi

legge di Stefan I ∝ T 4 (W/m 2 )

legge di Wien λ max ∝ 1/T (cm)

LEGGI

DELL'EMISSIONE TERMICA

I(λ)

1 2 3 µm

λ

4000 K

3000 K 2000 K 0

visibile

 Irraggiamento termico

Microonde

 non ionizzanti Frequenza: 300 MHz < ν < 300 GHz

Energia: 10 –6 eV < E=hν < 10 –3 eV effetti: calore

Riscaldamento di regioni limitate e profonde in corpi ricchi di acqua.

Uso in terapia: artriti, borsiti, strappi muscolari..

(Esposizione limite per l’uomo: I = 10 mW/cm 2 ,

cioè 1/10 della massima potenza radiante solare assorbita)

Infrarossi

0.7 µm < λ < 20 µm

vicino IR lontano IR intensità

relativa

10 5

0 0.5 1.0 1.5 2.0

3000 K 1200 K visibile

Sole

vicino I.R.

MEDICINA

(µm) λ

effetto termico λ ≈ 0.7 µ m Δx ≈ 10 cm λ > 1.4 µ m Δx < 1 mm

penetrazione

fotografia I.R. immagine termica (termografia) emissione

A. A. 2014 -‐ 2015

  SPETTRO ELETTROMAGNETICO

  RADIAZIONI TERMICHE

  RADIAZIONI IONIZZANTI

λν ⁼ c _{E = hν}

10 ² 10 ^–2 1

10 ^–4 10 ^–6

10 ^–8 10 ^–10

10 ^–12

10 ^–14 λ ^(m) (m)

(Hz) ¹⁰ ⁸ ¹⁰ ⁶

3 10 ⁸ Hz 10 ¹⁰

10 ¹² 10 ¹⁴

10 ¹⁶ 10 ¹⁸

10 ²⁰ 10 ²²

( µ ^m)

10 ³ 10 ⁶

10 ⁹

Δt ΔS ^cal/(s ^• ^m

oppure W/m ²

legge di Stefan I ∝ T ⁴ ^(W/m ² ⁾

legge di Wien λ _max ∝ 1/T ^(cm)

1 2 3 ^µm

Energia: 10 ^–6 eV < E=hν < 10 ^–3 eV effetti: calore

(Esposizione limite per l’uomo: I = 10 mW/cm ² ^,

Di fatto si considerano ionizzanti le radiazioni con E>100 eV ^.

x = 1/µ I _o

I = I _o e ^{–µ x}

10 ² 10 ^–2 1

10 ^–4 10 ^–6

10 ^–8 10 ^–10

10 ^–12

10 ^–14 (m)

λ ^(m)

(Hz) ¹⁰ ²² ¹⁰ ²⁰ ¹⁰ ¹⁸ ¹⁰ ¹⁶ ¹⁰ ¹⁴ ¹⁰ ¹² ¹⁰ ¹⁰ ¹⁰ ⁸ ¹⁰ ⁶