Diagnostica per immagini

Diagnostica per immagini lezione 1

Radiazione

La radiazione non è altro che il trasferimento di energia nello spazio. Ci sono tante modalità attraverso le quali si può spostare energia nello spazio, e ciascuna di esse implica una radiazione. Ne esistono molte tipologie, ciascuna delle quali è caratterizzata da alcuni aspetti peculiari, prima tra tutti la frequenza. Nella vita quotidiana siamo circondati da un insieme infinito di radiazioni, basta pensare a tutte quelle a basse frequenze come le onde radio, che garantiscono il funzionamento di numerosi oggetti della nostra vita quotidiana (es. telefono). Queste tipologie di radiazioni (a bassa frequenza) sono tendenzialmente identificate come radiazioni non ionizzanti.

Anche la luce visibile o spettro del visibile è una radiazione caratterizzata da frequenze altamente limitate. Prendendo come riferimento questo piccolo spettro, riusciamo ad individuare a frequenze più basse la luce infrarossa. Mentre, a frequenze superiori, la luce ultravioletta (collocata all’interno dello spettro elettromagnetico tra la luce del visibile e la radiazione ionizzante). Sia la luce infrarossa che la luce ultravioletta non sono visibili al nostro occhio.

Aumentando la frequenza di queste radiazioni riusciamo ad ottenere le cosiddette radiazioni ionizzanti, ossia radiazioni in grado di dare origine al fenomeno di ionizzazione. La ionizzazione è un effetto che insorge quando lo spostamento di energia (ossia la radiazione) va ad interagire con un tessuto. Questo effetto genera un’alterazione della struttura molecolare del tessuto sottoposto al trattamento. L’esposizione alla radiazione nella maggior parte dei casi porta degli effetti positivi, ad esempio nell’utilizzo a scopo diagnostico o terapeutico. In altri casi può essere dannosa recando effetti collaterali: questo generalmente avviene quando la radiazione interagisce con tessuti che normalmente non dovrebbero essere esposti ad irradiazione.

Tipologie di radiazioni

• Raggi X utilizzati nella radiografia convenzionale o nella TAC.
• Raggi gamma prodotti per via del decadimento radioattivo.
• Tutte le radiazioni secondarie ai vari decadimenti che possono essere messi in atto (vari componenti radioattivi che decadono andando a contaminare gli ambienti, medicina nucleare…).

Tutte queste radiazioni di tipo ionizzante trovano indicazione in medicina diagnostica o terapeutica, e comportando importanti effetti collaterali giustificano la nascita della radioprotezione. La radioprotezione comprende tutte le accortezze volte a tutelare l’operatore che accidentalmente potrebbe essere esposto alle radiazioni ionizzanti.

Struttura dell'atomo

La struttura dell’atomo è molto semplice: ogni molecola ha il proprio nucleo contenente protoni e neutroni che definiscono l’elemento. Attorno al nucleo troviamo un numero pressoché equivalente di elettroni che circolano negli orbitali. Se sottopongo una sostanza, un tessuto o un elemento alle radiazioni ionizzanti, queste sono in grado di cedere energia e di utilizzarla per spostare un elettrone da un orbitale interno ad uno esterno senza perderlo. Il passaggio di un elettrone ad un livello energetico superiore prende il nome di eccitazione.

Se imprimo un’energia tale da fare rompere il legame che tiene l’elettrone nel suo orbitale, provoco la fuoriuscita di uno o più elettroni da quest’ultimo, realizzando il fenomeno di ionizzazione. Nel momento in cui vado ad espellere l’elettrone dall’orbitale inevitabilmente modifico la struttura naturale e l’assetto energetico della molecola. Non a caso la ionizzazione porta alla formazione di ioni: ossia stessa sostanza con carica diversa. Lo ione rappresenta a tutti gli effetti un elemento instabile che tende ad interagire con gli elementi che trova vicino dando luogo a reazioni potenzialmente dannose per il nostro organismo.

Dunque una radiazione in grado di innescare il processo di ionizzazione prende il nome di radiazione ionizzante. La ionizzazione normalmente comporta l’espulsione di un elettrone. L’elettrone è un’unità che ha carica negativa, dal momento in cui perdo questa carica si crea uno ione positivo. La conformazione ionica non modifica la struttura dell’atomo, in quanto non va ad interagire sul numero di protoni e di neutroni, ma modifica solo la sua carica, che in questo caso diviene positiva. La ionizzazione non vede il coinvolgimento di energie di grande intensità perché il legame che tiene l’elettrone nel suo orbitale è piuttosto labile; infatti, anche energie minime sono in grado di rompere questo legame chimico. Ciò non significa che ogni volta che espongo un tessuto ad una radiazione ionizzante avverrà la ionizzazione, poiché per recare un danno consistente il numero di elettroni e di molecole danneggiate dalle radiazioni ionizzanti deve essere sostanziale.

Concetti fondamentali di radioprotezione

• Giustificazione: ci deve essere un quesito clinico valido affinché il paziente venga esposto alle radiazioni (quanto è necessario esporre il paziente alla radiazione?).
• Ottimizzazione della dose: laddove posso, devo utilizzare il minor tasso di energia possibile. Ad esempio, per una paziente con sospetto di polmonite si fa una radiografia e non una TAC, questo perché la TAC corrisponde a 100 volte un’RX a livello di radiazioni. Qualora la radiografia ci faccia sorgere un dubbio possiamo intervenire con un’indagine di secondo livello a maggior uso di radiazioni ionizzanti.

Specialisti medici autorizzati all'uso delle radiazioni

• Medici nucleari (radiazioni prevalentemente a scopo diagnostico)
• Diagnosti per immagini (radiazioni a scopo diagnostico)
• Oncologo radioterapista (radiazioni a scopo terapeutico)

Radiazioni ionizzanti

Le radiazioni ionizzanti si possono dividere in due famiglie, entrambe in grado di generare ionizzazione. Differiscono tra loro per la modalità con cui vanno a modificare la struttura del tessuto con cui interagiscono:

• Radiazioni elettromagnetiche: non sono dotate di massa, ad esempio la luce.
• Radiazioni corpuscolate: aventi massa.

Radiazioni elettromagnetiche

La radiazione elettromagnetica è caratterizzata dalla stessa velocità ma diversificata dalla frequenza che contraddistingue le varie onde. La radiazione si muove come un’onda che, a seconda del numero di picchi che emette nell’unità di tempo, possiede una frequenza diversa. Le radiazioni elettromagnetiche sono: onde radio, microonde, onde termiche, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e Y.

Tra le più note distinguiamo:

• Raggi X: sono radiazioni generate al di fuori dei nuclei atomici. In questo caso abbiamo bisogno di un dispositivo per produrre la radiazione che andrà ad interagire con il paziente che ho davanti. I raggi X vengono prodotti accelerando delle particelle, generalmente elettroni. A seconda della densità di ciascuna parte del corpo, la radiazione verrà attenuata o meno andando ad imprimersi in maniera differente nell’immagine finale. Ai giorni d’oggi questo processo è digitalizzato dunque l’impressione viene trasformata in un messaggio visivo e trasferita su un computer. Un esempio di dispositivo utilizzato per la radiografia è il tubo radiogeno. Il tubo radiogeno produce una radiazione che investe il paziente, dando vita ad un’immagine impressa sulla pellicola sottostante. Funziona grazie a una fonte di calore (data dall’accelerazione degli elettroni) che produce un flusso di energia elettromagnetica. L’energia si va a scontrare con un elemento pesante (ad esempio un metallo), da questo scontro si producono fotoni (energia), che escono dal tubo e vengono convogliati verso il paziente con il quale andranno ad interagire per dare vita all’immagine finale.
• Raggi gamma: sono frutto del decadimento, producono ugualmente energia ma da parte del nucleo, motivo per cui non necessitano alcuna accelerazione. Ciò è possibile grazie alla presenza di un nucleo radioattivo che “suda” energia. Questa tipologia di nucleo è caratterizzata da una condizione di forte instabilità. In natura la materia tende sempre all’equilibrio, e l’elemento radioattivo cerca di raggiungerlo emettendo energia. Sono raggi particolarmente dannosi in quanto prodotti di scarto del decadimento radioattivo.

Decadimento gamma

Residuo che rimane dal decadimento di un elemento radioattivo e che può contaminare tutto ciò che ha attorno, infatti ogni radiofarmaco ha un’emivita che ci esprime il tempo per il quale il paziente deve essere isolato per non essere contagiante.

Esempio del Radio: il radio è radioattivo. Nel cercare una sua stabilità decade, per decadimento alfa, emettendo particelle corpuscolari. Ogni volta che avviene un decadimento alfa, espelle due protoni e due neutroni. La sua radiazione è data proprio da neutroni e protoni. Nel produrre il decadimento alfa si ha l'emissione di raggi gamma che sono particolarmente dannosi. In entrambi i casi l’energia prodotta, per accelerazione o per decadimento, può essere utilizzata per diagnosi e terapia.

Radiazioni corpuscolate

Sono emissioni caratterizzate da produzione di ionizzazione che abbia una massa.

• Decadimento di tipo alfa: caratterizzato dai nuclei di elio, aventi due protoni e due elettroni che fanno sì che conferiscano all’elio una massa molto elevata. Anche questi nuclei pesanti possono essere accelerati a scopo terapeutico (es. protonterapia).
• Decadimento di tipo beta: le particelle beta sono elettroni o positroni ad alta energia emessi da nuclei radioattivi come il cobalto-60 in decadimento beta.
• Protoni: particelle con carica positiva di valore uguale e opposto all’elettrone e massa pari a 1800 volte quella dell’elettrone. Sono prodotti da ciclotroni.
• Neutroni: sono particelle senza carica elettrica. Al di fuori del nucleo sono instabili e decadono con decadimento beta. I neutroni sono prodotti per accelerazione di particelle cariche o per fissione di atomi pesanti.

Interazione radiazione-atomo

L’interazione dipende dal tipo di struttura che ho di fronte:

• Radiazione urta direttamente il nucleo: si ferma, cede tutta energia e si trasforma in calore.
• Urta l’elettrone: se l’energia è sufficiente rompe il legame facendo sì che l’elettrone abbandoni l’orbitale (ionizzazione).
• La radiazione può anche non scontrarsi con nulla e attraversare la parte vuota dell’atomo.
• Attraversa l’atomo:
  • Se la radiazione è corpuscolata: la sua massa viene condizionata dal campo magnetico, essenzialmente le particelle della radiazione vengono deviate dalle cariche dello stesso segno perdendo energia, che viene tradotta in energia di frenamento. Tutte le volte che la traiettoria della nostra particella viene deviata, rallenta un po’, cambia direzione e produce energia per frenamento.
  • Radiazioni elettromagnetiche: non avendo massa attraversano l’atomo senza essere ostacolate.

La radiazione corpuscolata è quella che risente di più della natura del mezzo che va ad attraversare. Siccome i decadimenti sono di tre tipi: alfa, beta (corpuscolati) e gamma (non corpuscolato), la capacità di penetrazione di queste radiazioni sarà molto diversa:

• Particelle alfa: sono nuclei pesanti, tecnicamente una particella alfa può essere fermata anche da un foglio di carta, è una radiazione con una capacità di penetrazione molto molto bassa, facilmente bloccabile.
• Particelle beta: hanno la massa di un elettrone, sono leggermente più pesanti ma non passano il corpo.
• Particelle gamma: non essendo corpuscolate sono radiazioni in grado di passare il corpo e anche la maggior parte dei metalli, motivo per cui sono la tipologia di radiazioni più pericolose.

Minore è il peso delle particelle maggiore è la capacità di penetrazione. Conoscere il tipo di radiazioni che stiamo maneggiando permette di mettere in atto il sistema di protezione più adeguato al paziente e al professionista sanitario.

Radiobiologia

Scienza a ponte tra tante branche della medicina. Studia gli effetti delle radiazioni ionizzanti e di tutte le forme di energia, potenzialmente utilizzabili in medicina e in tutti i sistemi biologici, che interagiscono con un tessuto. Ci sono alcune branche di questa scienza utilizzate, quasi completamente, a scopo diagnostico: diagnostica per immagini e medicina nucleare. La radioterapia è la branca della medicina che utilizza radiazioni ionizzanti a scopo terapeutico, volte a danneggiare il tessuto, generalmente tumorale, per modificarne la struttura. Lo scopo della radioterapia è quello di andare a danneggiare la struttura dell’atomo della cellula tumorale fino a comprometterne il funzionamento. I tumori sono caratterizzati dalla cosiddetta inibizione da contatto, che fa sì che un tessuto fisiologico inizi a proliferare senza sosta, sfuggendo ai sistemi di controllo del nostro organismo. Dunque il tessuto tumorale non ha alcun tipo di inibizione nei confronti della crescita cellulare.

La radioterapia utilizza energie maggiori rispetto alle tecniche di diagnostica, per poter infliggere un danno al tessuto e bloccarne la crescita: vengono infatti utilizzati degli acceleratori di elettroni che permettono di aumentare esponenzialmente l’energia. La radiologia sperimentale ha permesso lo sviluppo di farmaci che possono essere radioprotettori o radiosensibilizzanti, ossia che amplificano la radiosensibilità dei tessuti (es. alcune tipologie di chemioterapia). È importante conoscere le interazioni tra radiazioni e farmaci.

Unità di misura

In radiobiologia si utilizzano varie unità di misura:

• Bequerel (Bq): esprime radioattività del materiale che sto utilizzando (sto usando una fonte radioattiva che emette tot Bq).
• Gray (Gy): dose che voglio dare al mio soggetto (es. 40 gray in 15 applicazioni).
• Sievert (Sv): dose assorbita dal soggetto in termini di radioattività, in questo caso il soggetto può essere anche un individuo accidentalmente esposto o il paziente ad esempio prima di essere dimesso.

Azione delle radiazioni nei tessuti

Esistono due tipi di interazione, che possono provocare:

• Danno di tipo diretto: inflitto al Dna.
• Danno di tipo indiretto

Il bersaglio ideale per il nostro danno è il Dna, contenuto all’interno del nucleo di ciascuna cellula. Infliggendo un danno al Dna vado ad interrompere direttamente il ciclo cellulare della cellula (danno diretto indotto da radiazioni ionizzanti). La maggior parte delle interazioni tra radiazioni e materia purtroppo avvengono con l’acqua e non con il Dna. Quando la radiazione ionizzante interagisce con la molecola dell’acqua, la “scompone” in modo del tutto casuale, con la potenziale formazione di radicali liberi, altamente tossici. I radicali liberi reagiscono con altre sostanze per cercare la stabilità dando vita a composti altamente dannosi per il nostro organismo. Due radicali liberi (Oh-) vanno a formare l’acqua ossigenata (H₂O₂), sostanza stabile ma molto dannosa per la cellula. Questa sostanza va a recare il cosiddetto danno indiretto da radiazioni ionizzanti. Il danno indiretto è un danno molto più lento che corrode la cellula dall’esterno formando un ambiente altamente tossico.

Riassumendo

• Il danno diretto è un danno immediato: se danneggio il Dna la cellula smette di crescere.
• Il danno indiretto molto lento dà vita a effetti cronici spesso irreversibili. Prevede l’interazione tra radiazione e sostanze neutre (ad esempio l’acqua) che diventano molto reattive. Queste reagiscono in modo irregolare tra loro fino a formare sostanze tossiche per la cellula che vanno a creare il danno.

Tutti i danni dipendono essenzialmente da tre fattori:

• Dose
• Volume
• Ripetizione delle radiazioni

Possiamo avere danni che comportano lesioni (andati a buon fine), ma anche danni diretti al Dna automaticamente riparati dalle cellule, grazie ai meccanismi di riparazione. Fortunatamente un tessuto sano possiede dei meccanismi di riparazioni integri in grado di riparare rapidamente il danno, contrariamente alle cellule tumorali i cui meccanismi non sono così efficienti.

• Il meccanismo di riparazione funziona (“è fedele”) la cellula, del tessuto sano o tumorale, sopravvive dunque non si vede il danno.
• Il meccanismo di riparazione non funziona la cellula può:
  • Andare incontro a necrosi: morte non programmata generalmente data da danno indiretto, la cellula non riesce ad andare incontro a morte programmata.
  • Andare incontro all’apoptosi: morte pulita.
  • Continuare a vivere portandosi dietro il danno dunque le mutazioni (situazione più grave).

In seguito all’ultimo punto individuiamo altre due tipologie di danno:

• Somatico: su un cromosoma somatico, il danno si manifesta sul paziente (tumore secondario indotto da radioterapia).
• Germinale: si ripercuote sulla prole, ad effetto ereditario.

Effetto delle radiazioni ionizzanti

L’effetto delle radiazioni ionizzanti è diverso a seconda del tipo di struttura che vado a danneggiare. Il danno da radiazione comprende:

• Danno fisico chimico: denaturazione di proteine, distruzione di amminoacidi, variazione di solubilità...
• Danno biochimico: il danno blocca le funzioni di una struttura, si ha un’inattivazione enzimatica (Es. danno su proteina con funzione enzimatica).

Nelle donne in età fertile, se la radioterapia può indurre ad uno stato di infertilità permanente o a mutazioni germinali, possiamo ricorrere alla conservazione dei follicoli: utili per poter tentare delle tecniche di PMA. Questo viene fatto sempre prima dell’esposizione alla radioterapia.