Medicina nucleare

Medicina nucleare

Decadimenti nucleari

Un aspetto da tenere in considerazione in medicina nucleare è il decadimento nucleare. In generale, tutti i decadimenti sono dovuti a una condizione di instabilità nucleare.

Decadimento beta e beta-gamma

Il decadimento nucleare beta è dovuto a una condizione di instabilità del nucleo e, per passare a una condizione di stabilità, si ha un processo in cui un neutrone del nucleo si trasforma in protone e viene emesso un elettrone, β-→^AX_Z+1Y+ particella dotata di carica elettrica negativa. Il numero atomico Z (= n° protoni) aumenta di un’unità (Z+1) e quindi si ha una variazione di specie chimica; il numero di massa atomica A rimane invece costante.

Analizzando lo spettro in energia della particella emessa, quindi dell’elettrone, si nota che esso è continuo, non discreto, quindi l’energia prodotta dal decadimento non viene acquisita interamente dall’elettrone, ma in parte viene ceduta a un’altra particella creata nel decadimento: il neutrino. In questo modo l’energia viene globalmente conservata. Questi decadimenti con sola emissione di elettroni sono detti β puri, ma sono rari; infatti, normalmente, si ha anche l’emissione di fotoni gamma (γ) e quindi βγ→^AX_Z+1Y+.

Questo perché, in questi casi, l’emissione β lascia il nucleo in uno stato eccitato, con un eccesso di energia, che viene liberata sotto forma di uno o più fotoni gamma (radiazione elettromagnetica). Lo spettro di emissione per questi fotoni è uno spettro discreto, cioè a “righe”, perché i fotoni emessi corrispondono ai salti quantici necessari al nucleo per portarsi allo stato fondamentale. Non si tratta di orbitali elettronici, ma di stati energetici del nucleo!

Schemi di decadimento beta

• Beta puro -> Vediamo come si passa da uno stato energetico a un altro con l’emissione di un solo elettrone.
• Beta-gamma -> Vediamo come l’emissione degli elettroni è accompagnata da una serie di emissioni gamma corrispondenti ai salti quantici.

Decadimento beta e cattura elettronica

Un processo di decadimento simile al precedente è il decadimento β+, in cui viene emesso un elettrone carico positivamente, cioè un positrone (β+): β+→^AX_Z-1Y+.

Il positrone è l’antiparticella dell’elettrone, cioè una particella avente stessa massa e stessa carica, ma segno opposto. Il decadimento β+ può essere visto come la trasformazione di un protone nucleare in un neutrone con emissione di un positrone. Lo spettro di emissione dei positroni è continuo, come nel caso dei β-, pertanto anche in questo caso vi è ancora emissione di un neutrino e a seguito del riassestamento dei livelli energetici del nucleo si può avere un decadimento di tipo β+γ.

Un altro tipo di reazione nucleare, cioè un’altra modalità di decadimento, che porta allo stesso risultato del decadimento β+, pur essendo di natura diversa, è la cattura elettronica. In questo caso uno degli elettroni degli orbitali (di solito fra i più interni) viene catturato dal nucleo; ciò determina un aumento della carica negativa (da Z si passa a Z-1). Quest’ultimo, combinandosi con un protone, dà origine a un neutrone: EC→^AX_Z-1Y.

Anche in questo caso viene emesso un neutrino. Quindi anziché l’emissione di un positrone abbiamo l’assorbimento di un elettrone catturato.

Schema di decadimento beta e cattura elettronica

Si può osservare la reazione nucleare che consente all’Ossigeno 15 (isotopo instabile dell’ossigeno) di raggiungere uno stato stabile come Azoto 15. Questo può avvenire sia con un decadimento β+ sia con una EC. Quindi i decadimenti β+ e EC sono equivalenti; in entrambi i casi il numero di massa A non cambia (si dice che il processo è isobarico) ed il numero atomico Z decresce di un’unità, e spesso sono entrambi possibili, con differenti livelli di probabilità.

Emissione X caratteristica

La cattura elettronica è accompagnata da un altro fenomeno detto emissione X caratteristica. Infatti, quando un elettrone degli orbitali interni viene catturato dal nucleo lascia un posto libero, che sarà molto probabilmente occupato da un elettrone degli orbitali più esterni. Questa transizione fra livelli (fra orbitali) comporta l’emissione di energia elettromagnetica sotto forma di fotoni (detti di fluorescenza) e l’energia di questi ultimi è pari alla differenza fra i livelli energetici degli orbitali. Questi fotoni vengono detti fotoni X caratteristici; fondamentalmente sono identici ai fotoni γ, la differenza sta nel fatto che quelli X originano da transizioni tra livelli orbitali elettronici, quelli γ invece originano da disintegrazioni che avvengono nel nucleo.

• Un fotone X caratteristico può a sua volta cedere tutta la propria energia a un elettrone esterno proiettandolo al di fuori dell’atomo. Tali elettroni emessi sono detti di Auger ed il loro spettro di emissione è ovviamente discreto, quindi composto da righe.

Nuclidi metastabili e transizioni isomeriche

In alcuni casi, alcuni nuclidi (cioè alcuni tipi di nucleo), per passare dallo stato instabile a quello fondamentale (cioè di equilibrio), raggiungono dei livelli energetici nucleari intermedi, sempre con emissione di fotoni γ; questi livelli energetici intermedi non hanno una vita istantanea, ma tempi di vita relativamente lunghi. Non si tratta di livelli stabili veri e propri perché destinati ad essere abbandonati, ma si parla di livelli energetici e di nuclidi metastabili perché sono stabili per un certo intervallo di tempo. La reazione è espressa da: γ→^A_mX^AX_Z.

Vediamo come non c’è variazione di specie chimica (non varia né il numero atomico né il numero di massa: transizione isomerica) perché i γ emessi, essendo energia elettromagnetica, non hanno né massa né carica. Un esempio tipico di radionuclide metastabile è quello del Tc-99m (Tecnezio 99 metastabile), radioisotopo altamente utilizzato in medicina nucleare, il cui tempo di dimezzamento è pari a circa 6 ore.

Decadimento alfa

In questo tipo di decadimento, la particella liberata è molto più pesante rispetto ai casi precedenti (β+ e β-); si tratta di una particella costituita da due protoni e due neutroni. È in sostanza un nucleo di un atomo di elio (uno ione positivo) con doppia carica positiva ⁴He₂++ e massa atomica pari a 4, quindi privo di elettroni.

Lo schema di decadimento è il seguente: α→^AX_Z→^A-4Y_Z-2.

Il decadimento comporta una variazione di specie chimica e frequentemente il procedimento è accompagnato anche dalla emissione di fotoni γ, tramite i quali il nucleo cede l’energia in eccesso. Lo spettro di decadimento alfa è un tipico spettro a righe, quindi discreto. In medicina nucleare il nuclide più comunemente usato che determina un decadimento α (quindi emette radiazione α) è l’Am-241 (Americio 241) che viene usato per la SPECT (tomografia ad emissione di fotone singolo) miocardica.

Interazioni delle radiazioni ionizzanti con la materia

L’interazione delle particelle con la materia comporta la dissipazione di una certa quantità di energia (cioè trasferimento di energia dalla radiazione alla materia) e ciò avviene con modalità differenti a seconda del tipo di particella. La prima distinzione da fare è fra le interazioni con la materia da parte di particelle dotate di carica elettrica (α e β) e quelle elettricamente neutre (neutroni e fotoni γ).

Le particelle dotate di carica (α e β) avanzano attraversando la materia perdendo energia in modo continuo, producendo eccitazione e ionizzazione (cioè separazione e creazione di coppie di ioni + e -) direttamente nel mezzo, per questo si parla di radiazioni direttamente ionizzanti. Le particelle neutre (fotoni o neutroni) interagiscono in modo discontinuo con la materia (quindi la cessione di energia è discontinua) e producono ionizzazioni che generano radiazioni secondarie (particelle cariche secondarie), chiamate secondarie perché frutto di interazioni secondarie; in questo caso si parla di radiazioni indirettamente ionizzanti.

Particelle alfa

Le particelle alfa hanno una forte interazione con la materia, a causa della loro doppia carica positiva e della loro massa, la loro traiettoria è poco deflessa e il loro percorso (o range) è lo stesso per particelle della stessa energia. In aria, il range delle alfa, per energie tipicamente utilizzate (dei radioisotopi ad uso clinico) in ambito clinico (fra 4 e 8 MeV), può arrivare a qualche cm (varia da 2,6 fino a 7,4 cm). In acqua o nei tessuti biologici, il range si riduce, a parità di energie, da 0,003 a 0,01 cm.

Le particelle α non costituiscono un pericolo per quanto riguarda l’irraggiamento esterno perché, per il loro range estremamente ridotto, non sono in grado di raggiungere lo strato germinativo della cute (solo alfa ad alta energia, almeno 7 MeV, possono raggiungerlo) e quindi non possono provocare effetti biologici, per cui non sono necessarie schermature per la protezione del personale nel caso di loro impiego.

È invece da considerare con attenzione il pericolo di contaminazione interna. Infatti, se ad esempio avviene inalazione o ingestione involontaria di nuclidi α emittenti, questi attraverso processi metabolici vanno a fissarsi ad alcuni tessuti o organi del corpo umano; in questo caso l’emissione α avviene direttamente, senza nessun ostacolo interposto e quindi diventa molto pericolosa perché in grado di arrecare effetti biologici potenzialmente molto dannosi, dato che tutta l’energia delle radiazioni alfa emesse dal nuclide incorporato viene ceduta a una regione molto limitata, cioè a una massa molto piccola, di tessuto con il rischio elevato di provocare danni biologici localizzati.

Particelle beta

Anche le particelle β sono dotate di massa e di carica elettrica, ma minore rispetto alle particelle α, per cui durante l’interazione con la materia si ha cessione di quantità di energia piccole. Il loro tragitto è pressoché lineare, così come quello delle alfa, finché non avviene un’interazione; l’interazione, infatti, devia la direzione di propagazione. Questo avviene per ogni interazione, per cui a differenza delle particelle α, quelle β sono fortemente deflesse ad ogni interazione ed il loro avanzamento nel mezzo è molto tortuoso.

Il range in acqua e nei tessuti è di alcuni millimetri, quindi più 'ampio' rispetto alle α, e varia in funzione dell’energia. Per quanto riguarda i positroni (β+), se dotati di energia cinetica (quindi se sono in movimento), interagiscono con la materia in modo analogo agli elettroni. Interagendo con la materia, i positroni cedono progressivamente la loro energia (cinetica) nel corso delle interazioni fino ad esaurirla e, quando si fermano, avviene il processo di annichilazione: un positrone interagisce con un elettrone della materia che lo circonda, questa coppia positrone-elettrone viene disintegrata producendo due fotoni di energia elettromagnetica (la loro massa a riposo viene convertita in energia elettromagnetica sotto forma di due fotoni) da 511 keV, aventi stessa direzione, ma versi di propagazione opposti.

Le particelle beta, a differenza delle α, sono pericolose sia dal punto di vista dell’irraggiamento esterno perché il loro range è leggermente più esteso delle α e quindi raggiunge lo strato germinativo della cute potendo determinare lesioni superficiali (se E>70 keV), sia per quanto riguarda la contaminazione interna per gli stessi motivi delle particelle α.

Schermatura delle particelle beta

Come abbiamo detto, queste particelle possono costituire un pericolo per l’irraggiamento esterno, per cui può essere necessario realizzare delle schermature che proteggano il personale che utilizza radioisotopi β emettitori. L’attenuazione delle particelle beta in un mezzo può essere descritta mediante un’espressione esponenziale: I = I₀ e^{-k d}.

Vediamo come l’intensità iniziale I₀ del fascio di particelle viene attenuata esponenzialmente al variare dello spessore d del mezzo, espresso in unità massiche g/cm², cioè normalizzato alla densità del materiale. In altre parole, d è il prodotto fra lo spessore lineare x espresso in cm e la densità ρ espressa in g/cm³.

Per le schermature delle particelle β possono essere utilizzati materiali leggeri, come la plastica e il plexiglass, che hanno il vantaggio di essere trasparenti e quindi permettono all’operatore di vedere cosa c’è al di là della schermatura, utili ad esempio per le operazioni di manipolazione, e l’alluminio. L’utilizzo di materiali leggeri, però, è efficace solo se l’energia dei β non supera il MeV (energie dei nuclidi impiegati in medicina nucleare in cui la produzione di radiazione X da parte del frenamento dei beta è trascurabile); se invece è superiore bisogna fare attenzione perché: queste particelle β sono cariche elettricamente, quando vengono frenate/arrestate da una schermatura, producono la cosiddetta radiazione di bremsstrahlung o di frenamento, che è costituita da raggi X, e che in questo caso non è trascurabile.

Dato che questi ultimi non vengono arrestati da materiali leggeri, a differenza dei β, nel caso in cui si utilizzano β con energia superiore al MeV, bisogna utilizzare anche degli spessori in piombo (di materiale ad alto Z) per attenuare appunto la radiazione di frenamento generata.

Interazione dei fotoni con la materia

L’interazione dei fotoni γ con la materia è identica a quella dei fotoni X perché, come abbiamo già detto, sono identici, ma con nomi diversi per indicare in che caso sono prodotti. I fotoni non hanno né massa né carica ed interagiscono con la materia in modo discontinuo con tre modalità diverse a seconda dell’energia del fascio (da pochi keV a qualche MeV):

• Effetto fotoelettrico -> per fotoni di bassa energia
• Effetto Compton -> per fotoni di energia media
• Produzione di coppie -> per fotoni di alta energia

L'effetto fotoelettrico (fotoni di bassa energia)

L’effetto fotoelettrico si ha quando un fotone collide con un elettrone degli orbitali più interni, questo assorbe l’energia e viene espulso lasciando il posto vacante. Nel momento in cui un altro elettrone va a riempire questo posto vuoto, passando da un livello ad un altro, vi è emissione di un fotone di fluorescenza (X caratteristico). La probabilità di accadimento di quest’effetto decresce rapidamente con l’aumentare dell’energia ed è molto elevata per numeri atomici Z.

L’effetto fotoelettrico è quindi trascurabile per fotoni di energia superiore ai 200 keV, mentre è preponderante al di sotto dei 100-150 keV.

L'effetto Compton (fotoni di energia media)

L’effetto Compton si ha quando un fotone di media energia collide con un elettrone debolmente legato (come quelli degli orbitali più esterni) e dalla collisione emergono un elettrone e un fotone diffuso. La probabilità di interazione Compton (per E>0,5 MeV) è proporzionale al numero atomico dell’assorbitore ed inversamente proporzionale all’energia dei fotoni incidenti. L’interazione Compton è quella più probabile nell’intervallo da 200 keV e 1-2 MeV.

La produzione di coppie (fotone con alta energia)

La produzione di coppie si verifica quando, nelle vicinanze di un nucleo, un fotone incidente interagisce con il campo magnetico cedendo tutta la sua energia e creando un elettrone ed un positrone, ciascuno dei quali dotato della stessa energia cinetica. Poiché l’energia a riposo dell’elettrone e del positrone è di 0,511 MeV, l’energia minima del fotone per produrre una coppia è 1,022 MeV.