Lezione 1

ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE APPLICATA ALLA

MEDICINA

RADIAZIONE=PROPAGAZIONE DI ENERGIA NELLO SPAZIO

• L’energia può essere associata:• a particelle materiali (radiazione

corpuscolare), • a vibrazioni meccaniche (radiazione

sonora, ultrasonora),• ad un campo elettromagnetico (radiazione

elettromagnetica).

Modello ondulatorio

• La radiazione elettromagnetica consiste nella propagazione di un campo elettrico e di un campo magnetico, funzioni sinusoidali del tempo, ortogonali tra loro e con la direzione di propagazione.

Caratteristiche delle radiazioni

• Lunghezza d’onda (distanza tra due punti omologhi consecutivi dell’onda)

• Frequenza (numero di oscillazioni nell’unità di tempo)

Elettronvolt

• Simbolo eV = unità di misura dell’energia dei singoli fotoni.

• Corrisponde all’energia acquisita da un elettrone che passi tra due punti con differenza di potenziale di 1 volt.

• La funzione che rappresenta la distribuzione dei fotoni di un fascio nelle varie energie presenti è lo SPETTRO DI ENERGIA

Spettro di energia

• Se sono presenti solo alcune energie ben definite si ha uno SPETTRO A RIGHE;

• Se sono presenti tutte le energie comprese in un certo intervallo si ha uno SPETTRO CONTINUO.

INTERAZIONI RADIAZIONI/MATERIA

• Il numero dei fotoni emergenti da uno strato di materia è minore del numero dei fotoni incidenti. Tale fenomeno si definisce ATTENUAZIONE.I processi elementari di attenuazione sono tre:

Fotoelettrico, Compton e Coppia.

EFFETTO FOTOELETTRICO• Il fotone cede tutta la sua

energia all’elettrone. Questa energia in parte serve a vincere l’energia di legame dell’elettrone, in parte a fornire di energia cinetica l’elettrone così liberato.

• Avremo quindi un atomo ionizzato e un elettrone veloce.

• Il livello lasciato libero dall’elettrone viene rioccupato e questo dàluogo all’emissione di radiazione con spettro di energia caratteristico dell’elemento.

EFFETTO COMPTON

• L’energia del fotone viene ceduta in parte come energia cinetica all’elettrone ed in parte rimessa sotto forma di un altro fotone.

EFFETTO COPPIA

• Avviene solo per fotoni di energia superiore a 1.02 MeV

• In prossimità del nucleo il fotone scompare e si creano un elettrone ed un

antielettrone (elettrone positivo o positrone)

• Il positrone si annichila immediatamente con un elettrone e vengono emessi due fotoni di energia di 0,511 MeV a 180°

STRUTTURA E PROPRIETA’ DEI NUCLEI –ISOTOPIA-

• NUMERO ATOMICO (Z): esprime il numero degli elettroni dell’atomo

• NUMERO DI MASSA (A): numero dei nucleoni (protoni e neutroni)

• A-Z = numero dei neutroni• La massa di un nucleo è inferiore alla

somma delle masse dei singoli nucleoni che lo compongono: ENERGIA DI LEGAME (equivalenza di Einstein)

RADIOATTIVITA’

• Se un nucleo contiene un eccesso di protoni o di neutroni rispetto alle condizioni di stabilità, risulta instabile per cui tende a trasformarsi in un altro nucleo più stabile con l’emissione di particelle di energia.

DECADIMENO ALFA

• Consiste nell’emissione di un nucleo di Elio (He) Z=2 A=4;

• E’ tipico degli elementi radioattivi naturali con Z > 80

DECADIMENTO BETA NEGATIVO

• Consiste nell’emissione di un elettrone negativo e di un neutrino

• Poiché la massa dell’elettrone è circa duemila volte minore di quella del protone, il numero di massa (A) rimane invariato

DECADIMENTO BETA POSITIVO

• Si ha quando l’instabilità è dovuta ad un eccesso di protoni.

• Consiste nell’emissione di un elettrone positivo o anti-elettrone e di un antineutrino.

• L’elettrone positivo si ANNICHILA con un elettrone negativo e la coppia scompare .

• L’energia di massa dei due elettroni si ritrova nell’emissione di due fotoni di 0,511 MeV in direzioni opposte.

CONSIDERAZIONI SULL’EMISSIONE GAMMA

• Si verifica quando in un qualsiasi decadimento il nucleo residuo si trova in uno stato eccitato

• Se la permanenza in uno stato eccitato si protrae nel tempo (normalmente èbrevissima) si parla di STATO METASTABILE. Un esempio è il Tecnezio 99 metastabile

TECNEZIO 99 m

• Deriva dal decadimento beta negativo del Molibdeno 99 m e decade per emissione gamma con un tempo di dimezzamento di 6 ore

• Il Tecnezio può essere facilmente separato dal Molibdeno e costituisce perciò un emittente gamma puro largamente usato in medicina nucleare

LA GAMMA CAMERA• CRISTALLO DI IODURO DI SODIO ATTIVATO CON TALLIO: ha la

proprietà di emettere un lampo di luce quando colpito da una radiazione ionizzante

• I fotoni luminosi così emessi sono proporzionali all’energia della radiazione gamma incidente

• FOTOMOLTIPLICATORE: converte l’energia luminosa generata nel cristallo in energia elettrica e ne amplifica l’intensità.

• Consiste in un fotocatodo che riceve il lampo di luce dal cristallo ed emette elettroni in numero proporzionale all’intensità dell’impulso luminoso ricevuto

• Ed in una serie di dinodi (dieci di solito) con differenza di potenziale crescente. Gli elettroni attirati verso il primo dinodo estraggono da questo altri elettroni che corrono verso il secondo dinodo e così via fino a determinare una valanga di elettroni che viene tratta come un impulso di tensione, la cui altezza è proporzionale al numero di elettroni emessi dall’ultimo dinodo

IMPORTANTE NOTARE

• L’altezza dell’impulso di tensione in uscita è proporzionale al numero degli elettroni ricevuti dall’ultimo dinodo, il quale a sua volta è proporzionale al numero degli elettroni emessi dal fotocatodo;

IMPORTANTE NOTARE

• IL NUMERO DEGLI ELETTRONI EMESSI DAL FOTOCATODO E’ DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALL’INTENSITA’DELLA LUCE RICEVUTA DAL CRISTALLO

IMPORTANTE NOTARE

• L’INTENSITA’ DELLA LUCE RICEVUTA DAL CRISTALLO E’ DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALL’ENERGIA DELLA RADIAZIONE GAMMA INCIDENTE

IMPORTANTE NOTARE

• PERTANTO L’ALTEZZA DELL’IMPULSO DI USCITA E’ DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALL’ENERGIA DELLA RADIAZIONE GAMMA INCIDENTE

GAMMA CAMERA collimatore

E’ costituito da lamine di piombo generalmente a fori paralleli le quali limitano la possibilità di raggiungere il cristallo ai soli fotoni incidenti perpendicolarmente sulla testa di rivelazione

SPECTSingle Photon Emission C T

• La gamma camera viene fatta ruotare intorno all’asse longitudinale del Paziente in genere per 360° suddivisi in 64 intervalli angolari uguali.

• Per ogni intervallo angolare viene acquisita un’immagine detta ‘proiezione’che viene immagazzinata nella memoria del computer.

PETPositron Emission Tomography

• Si basa sul decadimento con emissione di positroni (Carbonio 11, Ossigeno 15, Azoto 13);

• I positroni si annichilano con un elettrone dando luogo all’emissione di due fotoni di 0,511 Mev in direzioni diametralmente opposte;

• La rivelazione contemporanea di questi fotoni consente di stabilire il punto in cui è avvenuta l’annichilazione che coincide in pratica col punto in cui è avvenuto il decadimento, in quanto il percorso dei positroni è molto piccolo, praticamente trascurabile.

PET

• La maggior parte degli isotopi emittenti positroni ha vita media molto breve e viene prodotta con l’impiego del ciclotrone

• Il grande interesse nasce dal fatto che i principali elementi costituenti le molecole organiche hanno isotopi radioattivi che decadono con l’emissione di positroni (Carbonio 11, Ossigeno 15, Azoto 13)