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1 LA RADIOPROTEZIONE NELL AMBIENTE SANITARIO RADIAZIONI P.Catuzzo MASTER DI PRIMO LIVELLO PERLE FUNZIONI DI COORDINAMENTO DELLE PROFESSIONI SANITARIE Argomenti trattati Cosa sono le radiazioni Origine delle radiazioni Interazione radiazione materia Dosimetria Effetti delle radiazioni sull uomo Argomenti trattati Cosa sono le radiazioni Origine delle radiazioni Interazione radiazione materia Dosimetria Effetti delle radiazioni sull uomo 1

2 Radiazioni Radiazioni elettromagnetiche Radiazioni corpuscolari cariche e neutre RADIAZIONI Luce visibile Onde radio Raggi X e g Luce visibile Velocità = c Onde radio Velocità = c Raggi X e g Velocità = c 2

3 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE Lunghezza D onda l Lunghezza d onda Frequenza E ENERGIA Sec. Frequenza w Lunghezza d onda Frequenza E La lunghezza d onda identifica ogni RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA SPETTRO ELETTROMAGNETICO 3

4 Le radiazioni elettromagnetiche I fotoni X Trasporto di energia senza trasporto di materia o carica elettrica E = hv v: frequenza h: costante di Plank I fotoni sono prodotti sia in tubi di tipo tradizionale (Coolidge), sia in macchine acceleratrici (LINAC), bombardando con elettroni una lamina di tungsteno (effetto Bremsstrahlung ) Impressionano le emulsioni radiografiche Usati in Radioterapia (4-18 MV) Le radiazioni elettromagnetiche I fotoni g Sono fotoni emessi da radioisotopi secondariamente all emissione alfa o beta. Presentano le stesse caratteristiche fisiche dei raggi X Sono molto utilizzati in Medicina Nucleare e Radioterapia, essendo emessi da radioisotopi quali il Tc 99m, il F18, lo I 131, il Co 60, il Cs 137, l Ir

5 Le radiazioni corpuscolari cariche Sono radiazioni con trasporto di energia, materia e/o carica elettrica Elettroni: particelle con carica negativa con penetrazione minore rispetto ai fotoni. La trasmissione percentuale in profondità è caratterizzata da una rapidissima caduta. Le radiazioni corpuscolari cariche Protoni: carica elettrica positiva con attività ionizzante molto intensa e localizzata (picco di Bragg). Sono utilizzati in radioterapia per irradiare focolai più o meno profondi, variando a piacimento l energia dei fasci. Neutroni: privi di carica elettrica, prodotti da reattori nucleari e LINAC. Intensa attività ionizzante. Argomenti trattati Cosa sono le radiazioni Origine delle radiazioni Interazione radiazione materia Dosimetria Effetti delle radiazioni sull uomo 5

6 Tubi radiogeni, acceleratori lineari Produzione di fotoni e particelle cariche Radionuclidi Cosa sono i radionuclidi? In natura esistono atomi instabili che attraverso processi emissivi (DECADIMENTO RADIOATTIVO) raggiungono stati di stabilità. protoni fotoni elettroni 6

7 Decadimento radioattivo instabile 99m Tc g stabile 99 Tc Attività L attività si misura in Bequerel (Bq) 1 Bq = 1 disintegrazione/secondo 5 disintegrazioni al secondo? 5 Bq 100 disintegrazioni al secondo? 100 Bq 5000 disintegrazioni al secondo? 5000 Bq 5 kbq Argomenti trattati Cosa sono le radiazioni Origine delle radiazioni Interazione radiazione materia Dosimetria Effetti delle radiazioni sull uomo 7

8 SE L ENERGIA DELLA RADIAZIONE È TALE DA VINCERE L ENERGIA DI LEGAME DEGLI ELETTRONI NUCLEARI (13.6 ev) SI PRODUCE ECCITAZIONE O IONIZZAZIONE DEGLI ATOMI RADIAZIONI IONIZZANTI DIRETTAMENTE IONIZZANTI PARTICELLE CARICHE INDIRETTAMENTE IONIZZANTI FOTONI L energia è misurata in Joule o elettronvolt (ev) 1 ev = 1,6 x 1019 Joule L interazione RADIAZIONE-MATERIA Eccitazione : la radiazione incidente possiede una energia < a quella del legame tra elettrone e nucleo. In tal caso riesce soltanto a spostare l elettrone dal suo strato fondamentale ad uno strato più esterno Ionizzazione : la radiazione incidente possiede energia > a quella del legame elettronico. In tal caso l elettrone viene espulso dal suo atomo. L interazione RADIAZIONE-MATERIA 8

9 Interazione delle particelle cariche con la materia L atomo reagisce nel suo insieme al passaggio della particella carica: Ionizzazione eccitazione Interazione dei fotoni con la materia Effetto fotoelettrico: tutta l energia del fotone incidente viene trasferita ad un elettrone delle orbite interne che viene espulso ed acquista una energia cinetica pari alla differenza energetica tra il fotone incidente e l energia di legame 9

10 Interazione dei fotoni con la materia Effetto Compton: il fotone incidente urta elasticamente contro un elettrone delle orbite esterne, cedendogli una parte dell energia e deviando la propria traiettoria; l energia acquisita dall elettrone provoca l espulsione dello stesso dall atomo Interazione dei fotoni con la materia Produzione di coppie: è il meccanismo attraverso il quale un fotone incidente è trasformato in una coppia di particelle (elettrone e positrone) Argomenti trattati Cosa sono le radiazioni Origine delle radiazioni Interazione radiazione materia Dosimetria Effetti delle radiazioni sull uomo 10

11 Fascio di radiazioni DESCRITTORI Fluenza e rateo di fluenza di particelle Fluenza e rateo di fluenza di energia Spettro energetico Interazione della radiazione con il mezzo Energia trasferita Energia assorbita Dose assorbita Dose assorbita: Gray (Gy) quantità di energia depositata dalle radiazioni nell unità di massa del materia irradiata radiazioni Gy = energia/massa DOSE ASSORBITA Energia (specifica) impartita dalla radiazione a un mezzo. L assorbimento di energia è dovuto alle ionizzazioni ed eccitazioni che avvengono lungo la traccia delle particelle cariche. D = de / dm [energia / massa] joule / kg = gray [Gy] 11

12 Rivelatori di radiazioni Camere a ionizzazione Geiger-Muller Rivelatori a film Rivelatori a termoluminescenza Rivelatori a gas La natura e la pressione del gas determinano il numero di coppie di ioni prodotte e quindi la corrente raccolta 12

13 Eventi di interazione Radiazioni ionizzanti Trasferimento di energia Interazioni elettriche Ionizzazioni Modificazioni chimiche Effetti biologici Valutazione del rischio : grandezze primarie Dose assorbita [Gy] : energia ceduta dalla radiazione ionizzante per unità di massa di un mezzo -> effetti fisici Dose= energia_asorbita massa = J Kg Dose assorbita Dose assorbita: Gray (Gy) quantità di energia depositata dalle radiazioni nell unità di massa del materiale irradiato Gy = energia/massa 13

14 Valutazione del rischio : grandezze primarie Dose equivalente [Sv] : prodotto della dose assorbita per fattore adimensionale che tiene conto del tipo di radiazione -> effetti biologici Dose Equivalente H T = w r D T D T [Gy], dose assorbita dal tessuto T w r, fattore di peso della radiazione R H T [Sv], dose equivalente al tessuto T sievert [Sv] = joule /kg Radiazione w R fotoni 1 elettroni e muoni 1 neutroni (E < 10 kev) 5 neutroni (10 kev < E < 100 kev) 10 neutroni (100 kev < E < 2 MeV) 20 neutroni (2 MeV < 20 MeV) 10 neutroni (E > 20 MeV) 5 protoni 5 α, frammenti di fissione, nuclei pesanti 20 14

15 Valutazione del rischio : grandezze primarie Dose efficace [Sv] : tiene conto anche del tipo di organo o tessuto interessato -> effetti stocastici e deterministici Dose Efficace E E [Sv] = S T w T H T [Sv] ICRP 60; D. Lgs. 241/2000, All. IV sievert [Sv] = joule /kg Organo o tessuto T w T gonadi 0.20 midollo osseo (rosso) 0.12 colon 0.12 polmone 0.12 stomaco 0.12 vescica 0.05 mammelle 0.05 fegato 0.05 esofago 0.05 tiroide 0.05 pelle 0.01 superficie ossea 0.01 rimanenti organi o tessuti

16 Argomenti trattati Cosa sono le radiazioni Origine delle radiazioni Interazione radiazione materia Dosimetria Effetti delle radiazioni sull uomo Meccanismi di produzione del danno Le radiazioni ionizzanti direttamente o indirettamente possono determinare la rottura del DNA esperimenti di sopravvivenza cellulare Meccanismi di produzione del danno Se si verifica la rottura di una singola elica del DNA efficienti meccanismi riparano il danno in poche ore usando l altra elica come template. La rottura di entrambe le eliche determina invece un danno permanente diverso a seconda di dove si è verificata la rottura. Molti di questi difetti sono letali Altri difetti non impediscono alla cellula di suddividersi ma contribuiscono ad un processo che può anche condurre al tumore in generazioni successive 16

17 Modelli di danno CURVE DI SOPRAVVIVENZA CELLULARE MODELLO SEMPLIFICATO A DUE VIE DANNO DI TIPO A : una singola particella ionizzante rompe entrambe le eliche del DNA che si suddivide in più frammenti DANNO DI TIPO B : una singola particella ionizzante rompe una elica del DNA. Se, prima della riparazione, un altra particella rompe l altra elica in prossimit à della prima il DNA ha una completa rottura Modelli di danno di TIPO A La probabilità del danno di TIPO A è proporzionale alla dose. Il numero medio di cellule m avente un danno di tipo A dopo una dose D è: m = a D La probabilità P del numero di danni sarà data dalla statistica poissoniana: P(0;m) = e -m = e -ad con a maggiore per radiazioni ad alto LET. Modelli di danno di TIPO B Nel danno di tipo B un elica è danneggiata da una particella e l altra da un altra particella. La probabilità P di frammentare il DNA è quindi proporzionale al quadrato della dose. Il numero medio di cellule k avente un danno di tipo B dopo una dose D è k = bd 2 La probabilità P del numero di danni sarà sempre data dalla statistica poissoniana: P(0;k) = e -k = e -bd2 17

18 Modelli di danno La curva della sopravvivenza vs dose mostra il danno di TIPO A e TIPO B. P survival = e -a-bd2 Le curve di sopravvivenza ricavate da studi su cellule umane mostrano andamenti diversi soprattutto per quanto riguarda la sensibilità iniziale. Risposta vs tipo cellula Eventi di interazione Interazione iniziale secondi : ionizzazione/eccitazione Danno chimico secondi : produzione radicali liberi Danno molecolare secondi-ore : alterazione proteine e acidi nucleici Danno biologico ore-anni : mutazioni, morte cellulare, morte dell individuo 18

19 Eventi di interazione Effetti deterministici e stocastici Danni somatici deterministici Alterazioni gravi organi/tessuti irradiati Si manifestano negli individui se si supera una DOSE SOGLIA La severità dell effetto aumenta con la dose Dose soglia ( Gy) Effetto 0.10 danni embrionali 0.25 manifestazioni ematologiche 0.30 sterilit à transitoria 0.75 malattia da raggi 1.00 sindrome emopoietica ( panirradiazione ) 2.00 cataratta 3.00 eritema semplice 4.00 dose letale media al 50% 5.00 sindrome gastroenterica (panirradiazione ) 20.0 sindrome cerebrale 19

20 Dose e rischio radiogeno Dose Assorbita Organo/Tessuto Effetti deterministici e stocastici Danni somatici stocastici Leucemie, tumori solidi Non presentano dosi soglia p di comparsa (non di gravità) alla dose equivalente Danni Stocastici 100 msv 20

21 Effetti deterministici e stocastici Danni genetici stocastici Malattie ereditarie nella progenie Non presentano dose soglia p di comparsa (non di gravità) alla dose equivalente Se il danno indotto dalle radiazioni si verifica nelle cellule germinali, questo danno può essere trasmesso e manifestarsi sotto forma di disordini ereditari nei discendenti della persona esposta: Malattie genetiche 0.5 x 10-2 Sv -1 (5 casi ogni 1000 Sv alla popolazione) Il Rischio R = P x D P = probabilità che accada l evento D = gravità del danno Dose e rischio radiogeno Dose Efficace media ( att. Medica 1 msv p ( T. fatali ) = 5* eventi / individui. 21

22 Assorbire una dose di 0.10 msv 5 CASI SU 1 MILIONE 5 CASI SU 1 MILIONE 22