Radiologia generale

Basi della diagnostica per immagini

Definizione di radiazione e sue caratteristiche

Definizione: Una radiazione viene definita come un insieme di fenomeni che comporta il trasferimento di energia da un punto ad un altro dello spazio che può avvenire anche nel vuoto e non comporta lo spostamento di quantità significative di materia.

Radiazioni ionizzanti ed eccitanti

Le radiazioni sono suddivisibili in ionizzanti ed eccitanti. Le prime hanno un’energia sempre > 10 eV (elettronvolt) [da: Pontieri], sufficiente affinché vengano rotti i legami chimici responsabili del mantenimento della struttura delle macromolecole come il DNA (causano l’espulsione di un elettrone dall’atomo), mentre le seconde hanno un’energia minore, che basta però a provocare il passaggio di elettroni a orbitali più esterni, rendendo le molecole colpite molto reattive e instabili.

Per capire se una radiazione è eccitante o ionizzante si ricorre alla legge di Planck, secondo la quale l’energia è direttamente proporzionale alla frequenza, a meno di una costante “h”, definita costante di Planck.

E = hv

Nota: Si ricordi che frequenza e lunghezza d’onda sono due parametri inversamente proporzionali, per cui la legge di cui sopra può essere espressa anche dicendo che l’energia è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda: bassa lunghezza d’onda = alta frequenza = alta energia

Le radiazioni sono direttamente ionizzanti quando la ionizzazione dell’atomo avviene tramite interazione diretta e continua della particella incidente con gli elettroni dell’atomo (come avviene nel caso delle particelle cariche), o indirettamente ionizzanti quando la ionizzazione avviene tramite l’interazione con gli atomi del mezzo delle particelle cariche secondarie prodotte dal passaggio della radiazione primaria (come avviene nel caso dei fotoni di alta energia e delle particelle neutre).

Anche se ormai superata (poiché ogni radiazione può esibire sia comportamenti corpuscolari che ondulatori) bisogna fare anche una distinzione tra radiazioni corpuscolate (elettroni, protoni e neutroni) e radiazioni di tipo ondulatorio (raggi X e gamma).

Le prime sono particelle con massa di riposo molto piccola e dotate di energia cinetica direttamente proporzionale al quadrato della loro velocità (E = mv²). Mentre le seconde sono un insieme di onde elettromagnetiche variabili nel tempo e propagantisi nello spazio in linea retta alla velocità della luce.

Metodiche di diagnostica per immagini

Le metodiche principali utilizzate in diagnostica prevedono l’utilizzo di:

• Onde elettromagnetiche (raggi X e raggi γ)
  • I raggi X sono prodotti con l’ausilio del tubo radiogeno e possono essere controllati dall’operatore. I raggi X fanno parte della categoria delle radiazioni artificiali, ovvero generate pressoché esclusivamente durante le procedure tecniche.
  • I raggi γ sono invece prodotti dal decadimento radioattivo di un radioisotopo e devono necessariamente essere prodotti in maniera continua, poiché una volta innescato, il decadimento non può essere arrestato. Queste radiazioni vengono dette naturali, in quanto possono generarsi spontaneamente in natura nei fenomeni di decadimento radioattivo di nuclei instabili.
• Onde meccaniche (ecografia)
  • Si utilizza il termine ultrasonodiagnostica, per descrivere tutte quelle tecniche che sfruttano fasci di ultrasuoni per ottenere informazioni diagnostiche.

Elementi di un'indagine diagnostica

Per realizzare un’indagine diagnostica sono necessari quattro elementi, ovvero:

• Un sistema da analizzare
• Una sorgente, che emetta una qualche forma di energia che entra nel sistema, ovvero un input (onde meccaniche o elettromagnetiche, vedi sopra).
• Un output, quindi un'energia in uscita dal sistema
• Un sistema di “rivelazione” che può essere la pellicola radiografica (radiologia tradizionale) oppure un sistema di detettori (TC)

Acquisizioni di immagini

Acquisizioni di immagini per via diretta (radiologia tradizionale e TC):

In questa modalità l’energia in input viene modificata durante l’attraversamento del sistema, e l’energia in output viene captata dal meccanismo di rivelazione (detettori o pellicola).

Acquisizione di immagini per via indiretta (ultrasonografia, RMN):

In queste metodiche l’energia che attraversa il sistema determina emissione da parte di quest’ultimo di un'altra energia, sostanzialmente diversa anche se fisicamente analoga, che viene poi captata dal meccanismo di rivelazione.

Parametri delle immagini diagnostiche

Le immagini ottenute con le varie metodiche non fanno altro che mostrare la differenza tra i vari punti per quanto riguarda un determinato parametro che è quindi alla base della costruzione dell’immagine diagnostica.

La maggior parte delle metodiche sfruttano un solo parametro:

• Radiologia tradizionale e TC: radiopacità
• Ecografia: ecogenicità
• Scintigrafia: captazione

La risonanza magnetica viene invece definita una tecnica multiparametrica, che prevede addirittura tre parametri, ovvero:

• Densità protonica
• T1
• T2

Risoluzione delle immagini

Risoluzione spaziale: Si definisce risoluzione spaziale il diametro del più piccolo elemento che sia possibile rilevare nell’immagine (oppure distanza minima tra due punti perché possano essere considerati come distinti).

La risoluzione spaziale teorica dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione presa in esame: oggetti di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda non sono rilevabili oppure appaiono come distorti.

La risoluzione spaziale effettiva corrisponde a quella realmente riscontrabile nelle immagini prodotte ed è sensibilmente inferiore rispetto a quella teorica, a causa di fattori dipendenti dalla materia esplorata o dall’apparecchiatura.

Risoluzione di contrasto: La risoluzione di contrasto corrisponde alla minima differenza di parametro esistente tra due punti che essi devono possedere per poter essere percepiti come distinti.

Questo parametro è soggetto anche alla limitazione dell’occhio umano poiché quest’ultimo riconosce “solo” 50 grigi circa, mentre in un’immagine diagnostica possono essercene anche 4000.

La risoluzione di contrasto può essere aumentata mediante:

• Image processing digitale
• Utilizzo di mezzi di contrasto

Piani di scansione

• Coronale = frontale
• Sagittale = laterale
• Assiale = trasversale

ElettronVolt

Un elettronvolt è l’energia cinetica acquisita da un elettrone accelerato dalla d.d.p. di 1 V. Viene abbreviato con eV.

Le radiazioni in medicina

La diagnostica per immagini si avvale di due tipi di meccanismi ondulatori:

• Onde elettromagnetiche:
  • Raggi X: Radiologia tradizionale, TAC
  • Raggi γ: Medicina nucleare
  • Campi magnetici e Radiofrequenza: RMN
• Onde meccaniche:
  • Ultrasuoni: Ecografia

I raggi X sono prodotti dal tubo radiogeno e pertanto regolati dall'operatore che comanda la sorgente. I raggi γ sono emissione continua di energia prodotta dal decadimento radioattivo e quindi indipendentemente dall'operatore. Una volta innescato il decadimento non si può più arrestare.

Radiazione elettromagnetica

Fenomeno ondulatorio dovuto alla contemporanea propagazione di perturbazioni periodiche di un campo elettrico e di un campo magnetico, oscillanti in piani tra loro ortogonali e ortogonali alla direzione di propagazione.

I parametri che caratterizzano le radiazioni elettromagnetiche sono:

• Lunghezza d'onda (λ): lo spazio percorso da un'onda per compiere un'oscillazione completa. Definita anche come distanza tra due creste o due ventri vicini.
• Frequenza (ν), ovvero il numero di oscillazioni nell'unità di tempo. Essa è espressa in Hertz (Hz, dove 1 Hz = 1s^-1).
• Velocità di propagazione nel vuoto (c): la distanza percorsa da un'oscillazione nell'unità di tempo e che, nel caso delle radiazioni elettromagnetiche, è la velocità della luce che nel vuoto raggiunge il suo valore massimo c = 3x10⁸ m/s; negli altri mezzi tale velocità è pari a c/n, dove n è una costante tipica del mezzo nel quale si propaga l’onda ed è detta indice di rifrazione assoluto del mezzo.
• Periodo (T): intervallo di tempo che intercorre tra due passaggi consecutivi della cresta in uno stesso punto.

L’insieme di tutte le lunghezze d’onda elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico:

• Radioonde: frequenza in GHz e lunghezza d'onda di mm-km
• Microonde
• Infrarossi
• La radiazione visibile (o semplicemente luce): frequenza: 3,8 - 7,9 x 10¹⁴, lunghezza d’onda: 380 - 780 nm
• Ultravioletti
• Raggi X: frequenza: 3 x 10¹⁷ Hz e 5 x 10¹⁹ Hz; lunghezza d’onda: 6x10^-1 nm e 6x10^-3 nm (pari al raggio di un atomo)

I raggi X hanno energia sufficiente per provocare transizioni di elettroni atomici più interni, danneggiare le cellule viventi e possono penetrare nei tessuti biologici. Il loro diverso assorbimento ad opera dei tessuti di diversa consistenza e densità rende possibile il loro impiego in diagnostica medica (radiografia e radioscopia).

• Raggi γ: frequenze superiori a 3 x10¹⁸ Hz; lunghezze d’onda minori a 10^-3 nm = Angstrom (10^-10 m).

Vengono prodotti in reazioni nucleari. La radiazione elettromagnetica trasporta energia e quantità di moto. Le radiazioni elettromagnetiche sono un fenomeno dalla duplice natura: quella ondulatoria, caratterizzata dall'andamento oscillante del campo elettromagnetico, e quella legata alla emissione discreta di energia radiante a carattere corpuscolare, che consente di studiare gli scambi di energia della luce con la materia. La luce viene descritta come una particolare forma di energia che, secondo Max Planck, è costituita da pacchetti discreti di fotoni (più piccola quantità di energia), ciascuno dei quali viene denominato quanto e trasporta un’energia che risulta essere pari a:

E = h x ν

dove h è detta costante di Planck e vale 6.62 * 10^-34 Joule*s e ν è la frequenza dell'onda elettromagnetica. La radiazione elettromagnetica viene assorbita solo in numeri interi di quanti e l'energia di un quanto dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione stessa. Minore è la lunghezza d'onda, maggiore è l'energia del quanto.

Il quanto, dunque, può essere direttamente relazionato con la frequenza di una data radiazione, cioè con il numero di onde emesse in un secondo. L'energia di un fotone risulta allora essere proporzionale alla frequenza della radiazione.

Tipi di radiazioni

• Ionizzanti e Eccitanti
• Corpuscolate e Non corpuscolate

Radiazioni ionizzanti

(a luce UV fino ai raggi γ) E ≥ 12 eV

Radiazioni dotate di sufficiente energia da poter ionizzare gli atomi (o le molecole) con i quali vengono a contatto, ovvero capaci di generare ioni strappando un elettrone dall'orbitale più esterno di un atomo neutro.

Gli atomi che hanno un numero di elettroni minore del numero atomico rimangono carichi positivamente (cationi); quelli che hanno un numero di elettroni maggiore del numero atomico rimangono carichi negativamente (anioni).

Le radiazioni ionizzanti si dividono in due categorie principali:

• Particelle cariche che ionizzano in modo diretto – direttamente ionizzanti:
  • α o elioni: 2 protoni e 2 neutroni, ovvero nuclei di He
  • Altamente ionizzante, con basso potere di penetrazione dovuto all'elevata sezione d'urto, cedono molta energia in brevi percorsi e sono molto dannose.
  • β-: elettroni fermati da 3 cm di legno
  • β+: positroni
  • Sono particelle cariche che interagiscono fortemente con la materia.
• Particelle neutre che ionizzano in modo indiretto – indirettamente ionizzanti, tramite la produzione di particelle cariche secondarie:
  • Neutroni
  • Raggi X: radiazione perinucleare
  • I fotoni X sono prodotti da variazioni della cinetica degli elettroni
  • Raggi γ: radiazione nucleare o da annichilazione
  • Prodotti da transizioni e decadimenti all'interno di un nucleo atomico o dall'annichilazione di un positrone e di un elettrone. Contenute solo da elementi ad elevato A (Pb, Cemento, Grafite)

Il fenomeno della ionizzazione è alla base della capacità di queste onde di attraversare i corpi con una frequenza tale da interagire con la materia lasciando una traccia mediante la formazione di un'immagine.

Radiazioni eccitanti

(tutte le radiazioni fino alla luce visibile) < 12 eV

Radiazione elettromagnetica che non trasporta energia sufficiente ad ionizzare e che causa solo uno spostamento di un elettrone da un orbitale con una certa energia (stato fondamentale) ad uno con energia maggiore (stato eccitato).

Radiazioni corpuscolate

Sono costituite dal trasporto di energia e materia e derivano dal decadimento radioattivo.

Radiazioni non corpuscolate o elettromagnetiche

Costituite dal trasporto della sola energia e per questo motivo più penetranti e più pericolose.

LET: Linear energy transfer

La misura di energia trasferita alla materia da parte di una radiazione ionizzante. L'unità di misura è il kiloelettronvolt per micrometro.

LET alto: Più il valore del LET è alto (10-200 keV/μm), più la radiazione cede energia in un breve percorso, con maggiore danno biologico ma minima capacità penetrativa.

• (mm) corpuscolate (Radiazioni)

LET basso: Più il valore del LET è basso (0.2 e 3 keV/μm), più la radiazione cede energia lentamente, con maggiore capacità di penetrazione.

• (cm) elettromagnetiche (Radiazioni)

Elettronvolt (simbolo eV)

Un'unità di misura dell'energia, definito come l'energia cinetica acquisita da un elettrone sottoposto ad un campo elettrico di 1 volt nel vuoto. Un elettronvolt è 1 volt (1 joule/1 coulomb) moltiplicato per la carica dell'elettrone.

• eV: 1,6 ·10^-19 J
• KeV: 10³ eV
• MeV: 10⁶ eV

Si usa l'elettronvolt per esprimere:

• Energia di legame di un elettrone in un orbitale atomico
• Energia dei fotoni

L'energia cinetica: energia posseduta da un corpo a causa del suo movimento. Corrisponde al lavoro che si deve compiere su un corpo di massa m, inizialmente fermo, per portarlo ad una certa velocità assegnata. L'energia cinetica quindi è associata alla massa e alla velocità di un corpo in movimento.

Differenza di potenziale: tra due punti immersi in un campo vettoriale conservativo corrisponde all'energia necessaria per spostare un elemento di valore unitario dal punto potenziale più basso al punto con maggior potenziale.

Il coulomb è l'unità di misura della carica elettrica ed è definita in termini di ampere: 1 coulomb è la quantità di carica elettrica trasportata in 1 secondo dal flusso di corrente di 1 ampere.

Il joule è l'unità di misura dell'energia, del lavoro e del calore: 1 joule esprime la quantità di energia usata (ossia il lavoro effettuato) per esercitare la forza di un newton per la distanza di un metro (1 N·m).

Effetti fisici delle radiazioni ionizzanti

• Radiazioni corpuscolate dotate di carica elettrica: Le radiazioni corpuscolate dotate di carica (particelle alfa, elettroni, positroni), interagiscono con gli elettroni perdendo rapidamente la loro energia cinetica, ceduta principalmente sotto forma di ionizzazione ed irraggiamento.
• Radiazioni corpuscolate prive di carica elettrica (Neutroni): I neutroni sono dotati di massa ma privi di carica, agiscono per un processo diretto di collisione con il nucleo.
• Radiazioni elettromagnetiche: Interazione fotoni con la materia genera tre fenomeni:
  • Effetto Fotoelettrico: Interazione con elettroni atomici interni
  • Effetto Compton: Interazione con elettroni atomici esterni
  • Produzione di coppie: Interazione con campo coulombiano del nucleo

Tali fenomeni dipendono da:

• Energia dei fotoni
• Numero atomico del materiale

Effetto Fotoelettrico

La probabilità che si verifichi l'Effetto fotoelettrico è:

• Diretamente proporzionale alla quarta potenza del numero atomico (Z: numero di elettroni, più grande è il loro numero, e quindi Z, più grandi saranno le collisioni tra fotoni ed elettroni)
• Indirettamente proporzionale all'energia dei fotoni (perché altrimenti il fotone non scompare e ne viene emesso un altro e quindi si verifica l'effetto Compton)

Un fotone a bassa energia, inferiore a 25 keV, interagisce con un elettrone delle orbite interne cedendo tutta la sua energia. Il fotone scompare e l'elettrone acquista energia cinetica pari alla differenza di energia del fotone incidente con quella dell'energia di legame dell'elettrone, venendo espulso dalla sua orbita.

Effetto Compton (Scattering incoerente)

La probabilità che si verifichi l'effetto Compton è indipendente da Z (perché collide con gli elettroni degli orbitali esterni).