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LE RADIAZIONI SONO “BUONE”?
BUONE ?
Le radiazioni e la vita: il nucleare a servizio dell’uomo
Applicazioni del nucleare in ambito medico e sociale (anche a Pavia)
PAOLO MONTAGNA
ricercatore in Fisica Nucleare
docente di Fisica e Fisica Medica per
(Professioni Sanitarie Tecniche)
Infermieristica (Lodi)
Scienze e Tecnologie per la Natura
docente di Radioattività per
Tecnici Sanitari di Radiologia Medica
Attività di divulgazione scientifica:
Laboratorio di Fisica Nucleare
per le Scuole Superiori
Paolo Montagna - Paolo Vitulo
Università di Pavia - Dipartimento di Fisica
INFN Sezione di Pavia
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Medicina nucleare
Imaging
T
Terapia
i (a
( P
Pavia):
i )
BNCT
CNAO
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
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pag.2
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni
o nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
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pag.3
Particelle o radiazioni?
parliamo la stessa lingua…
lingua
Nel linguaggio
g gg comune,, si chiamano
Inte a coulombiana
Interaz.
co lombiana si o no
RADIAZIONI
En.cinetica o elettromagn.
particelle cariche e neutre
particelle con massa e senza massa
massa
m
m
0
0
carica
e
0
e
0
tipo
Protone,
Elettrone
Neutrone
nessuna
Fotone
velocità
v (<c)
v (<c)
c
c
energia
Cinetica
E = ½mv2
Cinetica
E = ½mv2
Elettromagn
E = hν
Elettromagn
E = hν
(luce, raggi X …)
Avvertenza: in Fisica Nucleare l’energia si misura in elettronVolt:
1 eV è l’energia acquisita da un elettrone quando viene accelerato
tra due p
punti tra cui c’è una differenza di p
potenziale di 1 V.
Cioè (da L=qV): 1 eV = (1.6·10-19 C) · (1 V) = 1.6·10-19 J
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A
1V
B
pag.4
Le radiazioni nella materia
Ogni radiazione, interagendo con la materia,
cede energia alla struttura atomica/molecolare
del materiale attraversato.
Se ll’energia
energia ceduta è sufficiente
(radiazioni ionizzanti: E ≥ 100 eV),
si verificano nel materiale effetti distruttivi
(frammentazioni, rotture di legami, ionizzazione,...).
RADIAZIONI IONIZZANTI:
- elettromagnetiche (m=0, E=hn) Æ raggi X e γ
- corpuscolari (m>0, E= ½ mv2)
Æ particelle α, β±, p, n,...
L’assorbimento delle radiazioni nella materia è un processo
molto vario e complesso. I parametri importanti sono:
tipo e energia della radiazione incidente,
incidente natura del materiale.
materiale
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pag.5
Radiazioni, materiali e spessori
Range R (∝E) =
Radiazioni
R
di i i α,β,γ
β
in diversi materiali...
distanza media
percorsa nella
materia
... e nel corpo umano
(impiego terapeutico)
γ da
d 60Co
C γ da
d elettroni
l tt i protoni
t i
E=1.3 MeV E=25 MeV E=200 MeV
cm
0
0
10
10
20
cm
20
Il colore
rosso indica
un maggior
rilascio di
energia
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pag.6
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
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pag.7
Dose assorbita
Dose = energia assorbita per unità di massa
D = dE/dm
Unità di misura:
SI Æ Gray = J/kg
pratico Æ rad = 100 erg/g
m = massa del
materiale assorbitore,
non della radiazione!
1 Gy = 100 rad
Problema: la stessa dose
dovuta a radiazioni diverse
e/o assorbita da materiali diversi
produce effetti/danni diversi!
p
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pag.8
Dose equivalente e dose efficace
Quando si riceve una dose, per valutare gli effetti biologici bisogna chiedersi:
1)
) Aq
quale tipo
p di radiazione e a q
quale energia
g è dovuta?
Æ a ogni radiazione e a ogni energia si assegna un fattore di qualità QF
2) Da quale organo/tessuto viene assorbita?
Æ a ogni organo/tessuto si assegna un fattore di peso w
Dose equivalente: Deq = QF · D
Dose efficace: Deff = w · Deq = w · QF · D
Unità di misura:
SI Æ Sievert (Æ Gray)
pratico Æ rem (Æ rad)
Radiazione
QF
fotoni, elettroni
1
protoni
5
neutroni (varie energie)
5-20
particelle alfa, nuclei pesanti 20
es. D = 100 mGy da protoni alla sola cute
Æ Deq = QF·D
Q
= 5·100
00 mGy
G = 500
00 mSv
S
Æ Deff = w·Deq = 0.01·500 mSv = 5 mSv
Organii
O
Gonadi
Midollo osseo
Colon
Polmone
Stomaco
Vescica
Mammella
Fegato
Esofago
Tiroide
Cute
superfici ossee
altri tessuti (tot.)
(tot )
total body
w
0.20
0.12
0.12
0 12
0.12
0.12
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.01
0.01
0 05
0.05
1.00
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Gray e
sievert
pag.9
Dall’irraggiatore all’irraggiato: sintesi
Dall’emissione...
Sorgente radioattiva
Attività Æ becquerel, curie
Materiale irraggiato
Esposizione Æ C/kg, (röntgen)
Assorbimento
Dose assorbita Æ gray, rad
Danno biologico
Dose equivalente
/efficace Æ sievert, rem
...all
all’assorbimento
assorbimento
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pag.10
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
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pag.11
Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti
Radiobiologia
Studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti
sulla materia vivente
•Danno
Danno chimico (radicali liberi)
Æ μs - ore
•Danno biomolecolare (p
(proteine,, acidi nucleici)
)
Æ ms - ore
•Effetti biologici precoci (morte cellulare)
Æ ore – giorni - settimane
•Effetti biologici tardivi (induzione di neoplasie, effetti genetici)
Æ anni, secoli
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pag.12
Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti
ATOMI
eccitazione
ionizzazione
MOLECOLE
eccitazione
i i
ionizzazione
i
dissociazione
STRUTTURE
SUB-CELLULARI
blocco biosintesi
effetti genet
effett
genetici
c
effetti funzioni nucleo
CELLULE
blocco della divisione
effetti sul metabolismo
ORGANI
effetti sulla crescita
effetti su funzioni nervose
effetti su risposta umorale
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pag.13
Gli effetti biologici dipendono da...
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pag.14
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
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pag.15
Radiazioni: la natura e l’uomo
Dosi efficaci annue in mSv
Dosi efficaci annue in mSv
Raggi cosmici
Radiazione terrestre
Radionuclidi naturali nel corpo
Radon e suoi discendenti
0.39
0 46
0.46
0.23
1.3
Attività ciclo nucleare
2.9
Attività altra industria
09
0.9
Attività diagnosi/terapia medica 0.5
TOTALE rad.naturali
rad naturali
24
2.4
Rad.diagnostica medica
(paesi industrializzati
0.33
1.1 )
Radiazioni
naturali
Dose media
popolazione
Radiazioni
Artificiali
Dose media
lavoratori
MEDIA in attività con radiazioni 1.1
Limiti di dose annua
per radiazioni artificiali:
popolazione normale
1 mSv/anno
lavoratori esposti
50 mSv/anno
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pag.16
Radiazioni pericolose?
Sì, ma non solo loro…
Ma la radioattività quanto è pericolosa,
in confronto ad altri fattori di rischio?
Il rischio di mortalità aumenta di un milionesimo ogni:
Í 1.4 sigarette fumate (cancro ai polmoni)
Í 2 giorni passati a NewYork (inquinamento)
P il contributo
Per
t ib t
sui rischi da radiazioni
Í 65 Km di guida (incidente)
grazie a Andrea Negri
Í 2500 miglia di volo (incidente)
Í 6 minuti di canoa
Í 0.1 mSv (una vita intera vicino a una centrale nucleare; 6 mSv/anno)
Riduzione aspettative di vita
Fattoredi rischio
20 sigarette al giorno
Sovrappeso del 15%
Alcol (USA)
Incidenti
Radioattività 10 mSv/anno
Radioattività 3 mSv/anno
Pericoli naturali
0
500
1000
1500
2000
2500
Giorni
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pag.17
Radiazioni pericolose?
Sì, ma non solo loro…
Ad es. le radiazioni ricevute
durante alcuni esami medici:
Esame
medico
Dose
effettiva
Rischio
cancro
mSv
1/1000000
Sigarette
equivalenti
Km in auto
equivalenti
RX torace
0.03
1
9
37
TAC al cervello
0.15
6
44
166
esami con bario
0.54
20
148
571
scintigrafia
ossea
4.40
180
1300
5120
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pag.18
Regole d’oro della Radioprotezione
E’ determinante la durata dell’esposizione:
una stessa dose, assorbita senza danno su tempi lunghi,
può essere letale se assorbita in tempi brevi
(irraggiamento acuto).
L irradiazione dipende da:
L’irradiazione
materiale interposto
distanza
tempo di esposizione
RADIOPROTEZIONE
E quindi bisogna sempre:
inserire schermi
allontanarsi
abbreviare le procedure
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pag.19
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
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Imaging
BNCT
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pag.20
Un orologio naturale: il radiocarbonio
Isotopi del carbonio:
12C
13C
14C
98.92 % stabile
1.08 % stabile
1.2·10-10 %
Ogni 1012 atomi di
carbonio
carbonio,
uno è radioattivo
(= 1011 atomi/mole)
con periodo di
dimezzamento
T1/2 = 5730 anni
Per
approfondimenti:
G.Bendiscioli,
A.Panzarasa:
La datazione con
il radiocarbonio,
radiocarbonio
Ed. Aracne 2012
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11 aprile 2014
pag.21
Il ciclo del
14C
1: Formazione del 14C
2: Decadimento del 14C
3: L‘equazione con l'uguale è per gli
organismi viventi, mentre quella con
il diverso è a ciclo vitale terminato,
quando il 14C presente negli organismi
decade senza più essere rimpiazzato.
P.Montagna:
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Le radiazioni
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2014
pag.22
Perché è possibile la datazione con il
14C?
Gli organismi viventi nei loro processi
vitali (sintesi clorofilliana,
respirazione,
i
i
cicli
i li alimentari)
li
t i)
“scambiano carbonio” con l’ambiente.
Quando muoiono, lo scambio
si interrompe.
inte ompe Rimane il carbonio
ca bonio
“interno” che continua a decadere.
Dalla curva di decadimento
si può risalire al momento
della morte dell’organismo
l 2/ ½
N ( t ) =N0e-t iln2/T
-tt i ln2/T½=ln
t= -
N( t )
N0
T½
l 2 i ln(N
ln2
l ( ( t)/
/N0 )
1945 W.F. Libby (Nobel Chimica 1960)
Entro un intervallo temporale
di 200-60000 anni (fino a ≈ 10 T1/2)
possibile datazione di:
p
ossa
Æ morte animale
tela lino
Æ morte pianta lino
lana
Æ tosatura pecora
pergamena
Æ morte animale
P.Montagna:
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Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
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2014
pag.23
Metodi di misura e limiti di validità
Due metodi di misura:
• metodo di Libby
misura di attività radioattiva -dn/dt ∝ n
necessaria “abbondante” quantità di carbonio estratto dal reperto
problema del fondo radioattivo naturale
• metodo AMS
separazione tra
14C
e
12C
tramite spettrometro di massa
Il metodo del 14C è basato sulle ipotesi
Sono vere???
che il rapporto 14C/12C
Misure su reperti datati storicamente,
sia costante
o comunque in modo indipendente
• nello
ll spazio
i
Dendrocronologia:
• nel tempo
dalla misurazione della
• nell’aria e nell’acqua
età radiometrica degli
anelli di accrescimento
• negli organismi viventi di tronchi di alberi
si può avere una curva
di calibrazione
lib
i
accurata
t
calibrazioni
lib
i i
fino a circa 104 anni fa
(
(CO
di i l )
2 disciolta)
P.Montagna:
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Le radiazioni
Le radiazioni
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pag.24
Età radiometrica e età vera
Esempio di curva di correzione
Non c’è
N
’è esatta
tt corrispondenza
i
d
tra età radiometrica e età vera:
la curva non è esattamente
una retta
E iin questo
Es.
t caso l’età
l’ tà radiometrica
di
t i
(120±20 anni) potrebbe
corrispondere a tre differenti periodi:
1686-1736 1807-1886 1911-1930
P.Montagna:
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Le radiazioni
Le radiazioni
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pag.25
Casi celebri: l’uomo dei ghiacci
Ötzi, la Mummia ritrovata
congelata
g
il 19 settembre 1991
a circa 3200 metri di altitudine
e conservatasi per circa 5300
anni sotto il ghiacciaio del
Similaun, nei pressi della Val
Senales
Età stimata: 3350 a.C.
P.Montagna:
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Le radiazioni
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Liceo "Copernico"
Pavia, 11
Pavia,
aprile
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pag.26
Casi celebri: la Sindone
3 analisi indipendenti (Oxford, Zurigo, Tucson-USA) compiute nel 1988
da un piccolo campione di tessuto prelevato nella stessa zona del bordo del lenzuolo
Risultati annunciati dal card.Ballestrero e pubblicati su Nature:
Tucson Æ 646±31 BP Oxford Æ 750±30 BP Zurigo Æ 676±24 BP.
Media pesata: 689±16 BP. Applicando la necessaria calibrazione:
Datazione:
1273-1288
1273
1288 al 68% CL,
CL
1262-1384 al 95 % CL.
Età stimata:
1260-1390 d.C.
… ma rimangono molti dubbi sulle procedure
di analisi, e finora non è stato concesso di ripeterle…
P.Montagna:
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Le radiazioni
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Liceo "Copernico"
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(Sindone: dura prova
per il metodo scientifico)
NEWS 2013:
nuovi esperimenti (Univ. Padova-Modena-Bologna) indicherebbero
una datazione della Sindone al I
I° sec. a.C.
Sono tre nuove analisi, effettuate su piccole fibre provenienti,
secondo il prof.Fanti di Padova, dal materiale prelevato dalla Sindone
nel 1988: due chimiche (FT-IR, spettroscopia infrarossa in
trasformata di Fourier e spettroscopia Raman) e una meccanica
(5 parametri relativi alla tensione del filo, a confronto con diversi
campioni di tessuti di età certa dal 3000 a.C. al 2000 d.C.)
I risultati, non ancora pubblicati, indicano al 95% CL le seguenti date:
FT-IR: 300 a.C. ±400 - Raman: 200 a.C. ±500 - mecc. 400 d.C. ±400.
Media pesata: 33 a.C. ±250 anni,
compatibile con la data storica della morte di Gesù Cristo (≈30 d.C.).
Chiesa di Torino: “Per quanto… la Chiesa riconosca a ogni scienziato il diritto di fare
le ricerche che ritiene opportune nell’ambito della sua scienza, in questo caso è
necessario chiarire che, … non essendoci nessun grado di sicurezza sull’appartenenza
dei materiali sui quali sarebbero stati eseguiti detti esperimenti al lenzuolo sindonico,
sindonico
la Proprietà e la Custodia dichiarano di non poter riconoscere alcun serio valore
ai risultati dei pretesi esperimenti.
… Nel clima di reciproca fiducia con il mondo degli scienziati, la Santa Sede e
ll’Arcivescovo
Arcivescovo di Torino invitano gli scienziati a pazientare finché sia giunto il tempo per
la realizzazione di un chiaro programma di ricerche organicamente concertate.”
P.Montagna:
P.Montagna:
Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
sono buone?
- Liceo- "Copernico"
Liceo "Copernico"
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pag.28
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.29
Arte, storia, ambiente
INFN Firenze
LABEC
Laboratorio
per i Beni Culturali
IBA: Fascio di ioni per analisi
di materiali
Æ beni culturali
Æ inquinamento ambientale
AMS: Spettrometria di massa
con acceleratore
Æ Analisi al radiocarbonio
Acceleratore elettrostatico Tandetron da 3 MV di tensione
dotato di tre sorgenti di ioni (da protoni a ioni pesanti):
una dedicata esclusivamente a misure di AMS,
le altre due versatili e impiegate soprattutto in applicazioni di IBA
P.Montagna:
P.Montagna:
Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
sono buone?
- Liceo- "Copernico"
Liceo "Copernico"
Pavia, Pavia,
11 aprile
11/04/2014
2014
pag.30
I beni culturali
I fasci di ioni consentono di analizzare in
modo assolutamente non distruttivo
la composizione di un qualunque
materiale, utilizzandolo come bersaglio
per un fascio di particelle cariche
accelerate.
Rivelando i prodotti dell’interazione fra le
particelle del fascio e gli atomi (o i nuclei)
d l bersaglio
del
b
li è possibile
ibil identificare
id
ifi
e
quantificare gli elementi presenti nel
materiale.
T
Tecniche
i h avanzate
t permettono
tt
l’estrazione
l’ t
i
di fasci di ioni in aria evitando così il
danneggiamento di opere per privazione
di aria
aria, e misure con strumentazione
portatile in situ su opere inamovibili
(pitture murali, opere di grandi dimensioni
o particolarmente delicate).
delicate)
P.Montagna:
P.Montagna:
Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
sono buone?
- Liceo
- Liceo
"Copernico"
"Copernico"
Pavia,Pavia,
11 aprile
11/04/2014
2014
pag.31
I beni culturali
P.Montagna:
P.Montagna:
Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
sono buone?
- Liceo
- Liceo
"Copernico"
"Copernico"
Pavia,Pavia,
11 aprile
11/04/2014
2014
pag.32
Le applicazioni ambientali
Da una quindicina d’anni il LABEC ha sviluppato
un’intensa attività anche di applicazioni
pp
in campo
p
ambientale, in particolare per le misure di
composizione, con tecniche IBA, dell’aerosol,
o particolato atmosferico, cioè le minute
particelle solide disperse in atmosfera (note
comunemente come “polveri sottili”).
La determinazione completa della composizione del particolato atmosferico,
nelle sue varie componenti dimensionali, da quelle ultrafini al PM10, ha un’enorme
importanza per vari motivi: valutare l’impatto sulla salute della popolazione e sul
deterioramento del patrimonio culturale, determinare le diverse sorgenti di
inquinamento atmosferico,
atmosferico studiare gli effetti del particolato sul cosiddetto
“forcing radiativo”, cioè sull’alterazione del bilancio dell’energia in arrivo e in
uscita dalla superficie della terra attraverso gli strati atmosferici, con tutte le
potenziali conseguenze sui cambiamenti climatici globali.
Queste misure servono anche a sviluppare algoritmi per l’analisi statistica dei dati, e
modelli teorici relativi alla formazione e al trasporto del particolato atmosferico, per
un confronto con i dati sperimentali sull’aerosol raccolti in un gran numero di siti, in
Italia e in diversi Paesi.
Paesi
P.Montagna:
P.Montagna:
Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
sono buone?
- Liceo
- Liceo
"Copernico"
"Copernico"
Pavia,Pavia,
11 aprile
11/04/2014
2014
pag.33
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
P.Montagna:
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Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
sono buone?
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2014
pag.34
Neutroni artificieri!
Per il contributo
sugli esplosivi
grazie a Andrea Fontana
P.Montagna:
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Le radiazioni
Le radiazioni
sono buone?
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pag.35
Le mine antiuomo
Ogni anno: 20000 vittime per “vecchie” mine antiuomo (20% bambini).
Sminamento troppo costoso:
ispezione del terreno con sensori di anomalia Æ allarme
Æ estrazione e neutralizzazione esplosivo
tempo: > 30 minuti - costo: 300
300-1000
1000 $ - falsi allarmi: 99 %
Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità
((20-30%,, contro il <2 % normale))
Æ I terreni minati sono ricchissimi di azoto
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pag.36
Il robot sminatore
INFN Padova, Pavia, Bari,… 1999-2002
Bombardando con neutroni il terreno,
terreno si può rivelare
una anomala quantità di azoto.
Reazione di cattura neutronica:
14N
+ n Æ 15N + γ (Eγ=10.8 MeV)
Metodo proposto:
• tubo portatile (dimensioni 50 cm)
•
•
•
•
azionato
i
d robot
da
b
neutroni da fissione spontanea di 252Cf
rivelazione dell’energia mediante
scintillatori
i till t i
analisi automatica (computer)
durante le successive ispezioni
intervento umano solo dopo la conferma
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pag.37
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
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Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
P.Montagna:
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Le radiazioni
Le radiazioni
sonosono
buone?
buone?
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"Copernico"
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Pavia,
Pavia,
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pag.38
Neutroni doganieri!
Il problema della sicurezza nel trasporto merci via mare
Il 95% dei carghi
viaggiano via mare.
Le attuali ispezioni doganali
si basano su:
• Esperienza
• Dichiarazione doganale
• Informazioni da analisi raggi X
a o di
d dubbio,
dubb o, ispezione
p o
• In caso
manuale
Meno del 10% dei
container marittimi
vengono controllati
Progetti europei
EURITRACK 2004-07
ERITR@C 2008-10
2008 10
EURopean Illicit TRAfficking Countermeasures Kit
European Riposte against Illicit TR@ffiCking
Tecnologia innovativa per l’ispezione dei
container carichi nei porti marittimi,
per aumentare la sicurezza
senza diminuire il flusso di merci in transito.
transito
Per il contributo
sull’ispezione dei containers
grazie a Antonietta Donzella
P.Montagna:
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pag.39
“Radiografia” neutronica
Ispezione dei carghi tramite
bombardamento con neutroni veloci
Possibilità di analizzare materiali
di notevole
note ole spessore
spessore,
misurandone la composizione
chimica (rapporti tra elementi
leggeri - H, C, N, O - specifici del
materiale) per poter distinguere
droghe o esplosivi nascosti
all'interno del container.
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pag.40
Perfino in fondo al mare!
Valkovic 2010:
Investigazione
g
subacquea alla ricerca di
esplosivi, armi chimiche,
rifiuti tossici… mediante
sistema sigillato con
generatore di neutroni da
14 MeV (2H+3HÆ n + α)
e rivelatore di p
particelle
α associate
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Le radiazioni
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pag.41
Le dighe si muovono?
P.Montagna:
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pag.42
Lo sapevate che…
L’autentico Grana Padano
è distinguibile da quelli contraffatti
( non solo
(e
l per il gusto!)
t !)
Napoleone
non è stato
avvelenato!
Questo e molto altro al LENA di Pavia!
LABORATORIO DI ENERGIA NUCLEARE
APPLICATA
http://www.unipv-lena.it
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pag.43
Le applicazioni più diverse…
Monitoraggio di proprietà di materiali
Ad es. lo spessore e la densità di un materiale possono essere
f il
facilmente
t determinati
d t
i ti dalla
d ll attenuazione
tt
i
della
d ll radiazione,
di i
le
l cuii
eventuali anomalie rivelano imperfezioni o fratture nel materiale.
Ad es. elettroni da 250 keV (es. emessi da 85Kr) si usano per misurare in
modo molto acc
accurato
ato lo spesso
spessore
e di sottili st
strati
ati di plastica
plastica.
Piccole quantità di isotopi radioattivi possono essere usati per
seguire il processamento di materiali: perdite di liquido attraverso
sistemi di tubi
tubi, monitoraggio della tenuta di motori e controllo
della corrosione. Ad es. l’192Ir viene usato per testare l’integrità delle
saldature in sistemi di tubi e per parti di aereomobili.
Misure indirette di livelli o quantità di sostanze
Strumenti contenenti radioisotopi sono largamente usati per misure
senza diretto contatto fisico con la sostanza da misurare.
Ad es.
es.“boe”
boe di livello contenenti radioisotopi posizionate laddove è
impossibile posizionare direttamente misuratori di livello, o emettitori
gamma (192Ir e 60Co) usati per misurare il livello di liquidi o sostanze nei
silos o misurare q
quantità di sostanze su nastri trasportatori.
p
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pag.44
Le applicazioni più diverse…
•
•
•
•
•
Molti rivelatori di fumo (in USA) contengono una piccola sorgente
radioattiva (241Am) per monitorare la densità dell
dell’aria
aria
Padelle antiaderenti sono trattate con radiazione per assicurare che
lo strato antiaderente ...”aderisca” alla superficie
Alcune fotocopiatrici
p
usano una p
piccola q
quantità di materiale
radioattivo per eliminare le cariche elettrostatiche che tendono a far
aderire tra loro i fogli di carta
prodotti p
per i capelli
p
e le soluzioni p
per le lenti a
I cosmetici,, i p
contatto sono sterilizzate con radiazione per neutralizzare sostanze
irritanti/allergeniche
Bendaggi medici e prodotti igienici sono sterilizzati con materiale
radioattivi
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pag.45
In agricoltura
• Soprattutto sulla produzione di riso in Asia: radioattività sfruttata per
indurre mutazioni/variazioni di piante di riso in modo da selezionare
( tt t
(attentamente)
t ) quelle
ll resistenti
i t ti aii parassiti
iti e alle
ll malattie.
l tti
• Radioisotopi vengono utilizzati per analisi sui fertilizzanti. Sostanze
nutrienti importanti come Calcio, Fosforo e Zinco possiedono naturalmente
dei radioisotopi
adioisotopi con appropriate
app op iate vite-medie
ite medie che possono venir
eni utilizzate
tili ate
come traccianti. Questi elementi infatti possono venire incorporati nei
fertilizzanti e usati nel suolo per determinare l’effetto di utilizzazione delle
piante del fertilizzante stesso oppure per studiare i vari metodi di
applicazione. L’assorbimento da parte della pianta del fertilizzante attivato
può essere prontamente misurato e può essere distinto dall’assorbimento
dello stesso composto già presente nel suolo.
suolo
• Il 32P ha un grande utilizzo come tracciante nel campo della fisiologia
delle piante e della chimica del suolo e sono state eseguite ricerche
anche sul meccanismo dell
dell’assorbimento
assorbimento delle sostanze nutrienti.
• Il rilascio di insetti maschi sterilizzati in laboratorio tramite irraggiamento
con 60Co può limitare i danni alle colture: si diminuisce la riproduzione e
quindi la popolazione.
q
p p
Q
Questa tecnica è p
più sicura e migliore
g
rispetto
p
agli
g
insetticidi convenzionali.
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pag.46
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.47
Medicina nucleare
In generale, la Medicina Nucleare è quella branca della medicina
clinica che utilizza elementi o composti radioattivi in vivo o in
vitro a scopo diagnostico, terapeutico o di ricerca.
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.48
I radiofarmaci lasciano tracce…
Si somministrano all'organismo umano delle sostanze radioattive,
sotto forma di molecole radiomarcate, che si comportano come
traccianti di un particolare fenomeno biologico,
biologico
permettendo, attraverso l'impiego di appositi rivelatori,
di produrre immagini diagnostiche.
La radiazione emergente dall'organo
e contenente le informazioni relative
al suo stato clinico, viene così
restituita sotto forma di immagine.
L immagine finale (scintigrafia) è quindi totalmente generata
L'immagine
dalla radiazione emessa dal radionuclide che si è localizzato nell'organo
bersaglio sfruttando un ben preciso meccanismo biologico.
Differenza tra Medicina Nucleare e Radiologia,
Radiologia Ecografia,
Ecografia Risonanza Magnetica:
non si limita a fornire informazioni di tipo morfologico
ma rappresenta le funzioni biochimiche e fisiologiche dell'organo in esame.
E' richiesta la partecipazione attiva dell
E
dell'organismo
organismo
(si può fare la radiografia di un cadavere, ma non una scintigrafia!)
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pag.49
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
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Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
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pag.50
Imaging medico nucleare
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pag.51
La PET
Positron Emission Therapy
La PET del CNAO di Pavia
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pag.52
PET: principio fisico
Principio fisico:
¾Decadimento β+ di un radioisotopo
¾Annichilazione e+e- in 2 raggi γ
da 511 keV in direzione opposta
¾Rivelazione
e a o e in coincidenza
co c de a
dei due fotoni γ
¾Ricostruzione 3dim dell’immagine
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pag.53
PET: schema
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pag.54
Imaging 3D con PET
PET
TAC
In generale, si ottiene
una diagnosi
g
migliore
g
usando informazioni
complementari
ottenute con tecniche
diagnostiche diverse
PET
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pag.55
…per non perderci…
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Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
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Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
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pag.56
La BNCT a Pavia
Boron Neutron Capture Therapy
A Highly Selective Tumor Treatment
S.Altieri, F.Ballarini, S.Bortolussi, N.Protti e altri
www.bnct.it
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pag.57
BNCT: Boron Neutron Capture Therapy
Un nucleo di 10B viene irraggiato con neutroni termici per produrre
elementi secondari altamente ionizzanti, cioè p
particelle a e ioni 7Li
n +
10B
+nÆ
11B*
10
⎧⎪ 7 Li
+ α + 2.79 MeV 6.1%
B →⎨
*
⎪⎩ 7 Li + α + 2.31 MeV 93.9%
↓ → 7Li + γ (0.478MeV)
(
)
( )
Æ 7Li + α + γ
I prodotti della reazione di cattura neutronica (α e Li) rilasciano
energia entro un raggio di pochi μm dal punto in cui sono stati
(6.5 e 4 μ
μm rispettivamente).
p
)
creati (
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pag.58
La BNCT è selettiva!
Accumulando nelle cellule
dell’organo
dell organo malato
una opportuna quantità di 10B,
e bombardandolo con neutroni,
possibile dare una dose letale
èp
di radiazione solo a quelle cellule che
contengono effettivamente
portando alla
l'elemento assorbitore,, p
distruzione selettiva di tali tessuti.
Rapporto
pp
tra concentrazioni
nel tessuto tumorale
e nel tessuto sano:
Ct/Cs
Ctumore
≅4
Csano
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pag.59
59
La BNCT a Pavia
INFN Pavia 1987-2007
Progetto TAOrMINA
Trattamento Avanzato Organi
Mediante Irraggiamento
Neutronico e Autotrapianto
p
Fisici: prof. T.Pinelli, S.Altieri
Chirurgo: prof. A.Zonta
ed équipe di fisici e biologi
Studi
St
di di BNCT eseguiti
iti
su organi espiantabili
(fegato, polmone,…)
irraggiati al reattore
Triga Mark II del LENA
(Università di Pavia)
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.60
Il primo paziente (2001)
Dopo 15 anni di sperimentazione pre-clinica (studi di fattibilità su ratti),
nel dicembre 2001 è arrivata l’autorizzazione a sperimentare la terapia su un
paziente,
i
maschio
hi di 48 anni,
i affetto
ff
da
d adenocarcinoma
d
i
con 14 metastasii nell
fegato, con aspettativa di vita di pochi mesi ma condizioni generali ancora buone.
Dopo ll’infusione
infusione di
BPA il fegato viene
espiantato dal
paziente, lavato e
messo iin d
due borse
b
di teflon e in un
contenitore rigido
di teflon, quindi
inserito nella
colonna termica
del reattore per
l’i
l’irraggiamento.
i
t
L'intervento
L
intervento chirurgico è durato 21 ore! (con il paziente senza fegato…)
L’irraggiamento è durato 11 minuti.
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.61
Come è andata a finire?
Tecnicamente, la terapia ha funzionato alla perfezione!
10 giorni dopo,
dopo la TAC
mostra il fegato sano
in buone condizioni
mentre le metastasi appaiono
pp
come zone di
necrosi. Si vedono altre 8 metastasi oltre
alle 6 primarie, tutte necrotizzate.
Il p
paziente è stato dimesso 37 g
giorni dopo
p il trattamento in buone condizioni
generali. Il trattamento neutronico ha agito su tutto il fegato e tutte le metastasi
sono state trattate con efficacia. Il tessuto epatico necrotizzato si è riformato
completamente 12 mesi dopo l’intervento, e il paziente ha vissuto per circa
20 mesi in condizioni normali.
normali
Dopo 20 mesi due piccole metastasi sono state rilevate fuori dal fegato e asportate
chirurgicamente. E’ seguito un ciclo di chemioterapia, ma dopo 33 mesi si sono
riformate altre metastasi, per la prima volta anche epatiche. La situazione è andata
gradualmente peggiorando, e dopo 44 mesi il paziente è morto (agosto 2005).
Un secondo paziente di 39 anni, in condizioni generali assai critiche per gravi problemi
cardiaci, ha subito lo stesso intervento nell’agosto 2003. Anche in questo caso, si sono avute
le necrosi totali delle metastasi.
metastasi Ma per il quadro clinico compromesso il paziente non è
sopravvissuto al pesante intervento chirurgico ed è morto dopo 33 giorni.
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.62
BNCT: problemi e prospettive
Dopo il 2003, per problemi di ordine etico il Ministero della Salute
non ha più concesso l’autorizzazione al trattamento di casi clinici.
La BNCT con espianto del fegato a Pavia si è così interrotta.
interrotta
Ma la ricerca è proseguita con energie ancora maggiori!
Dal fegato
al polmone
ginocchio…
al g
PRIN Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale
2004:
Misura di assorbimento del boro in
tessuto polmonare di ratto affetto da
tumore
2006:
Trattamento delle metastasi polmonari
mediante cattura neutronica
Coord. Prof.Saverio Altieri -
Univ.Pavia
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pag.63
BNCT: presente e futuro
NETTUNO - una nuova idea di BNCT
Neutron Capture Therapy of Thoracic
Tumors with new formulations
Obiettivo:
Applicare la BNCT a tumori toracici che oggi non hanno cura:
tumori diffusi del polmone, mesotelioma, recidive cutanee del tumore della mammella.
Creare un insieme di gruppi multidisciplinare che apportano al progetto le proprie
competenze
t
in
i ambito
bit fisico,
fi i
biologico,
bi l i
chimico
hi i
e medico
di
Metodo:
• UNIFICARE i gruppi che si dedicano alla BNCT in Italia:
INFN : Pavia e Laboratori Nazionali di Legnaro;
Università : Firenze, Novara, Padova, Pavia, Potenza, Torino;
• FOCALIZZARE gli sforzi su tumori diffusi senza possibilità di cura,
• su cui i medici hanno espresso interesse a provare la BNCT su nuovi trattamenti;
• MIGLIORARE la selettività dei composti di boro, attualmente pari a circa 4 tra cellule
tumorali e cellule sane;
• AVVIARE presso l’Istituto Oncologico Veneto (IOV) di Padova la misura del boro in
pazienti, grazie a un progetto finanziato dal Ministero della Salute (primo in Italia)
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.64
…per non perderci…
Le radiazioni e la vita (cenni)
Le radiazioni nella materia
Dosimetria
Effetti biologici delle radiazioni
Radioprotezione
p
Applicazioni (…solo “positive”…)
in ambito sociale
Datazione archeologica
Beni culturali e ambiente
Attività umanitarie
Attività investigativa
in ambito medico
Diagnostica:
Terapia:
(a Pavia)
Medicina nucleare
Imaging
BNCT
CNAO
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pag.65
Il
La CNAO
BNCT di
a Pavia
Pavia
Centro Nazionale
di Adroterapia Oncologica
www.cnao.it
www cnao it
Per il contributo
sul CNAO grazie a
Aurora Tamborini
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.66
Il
La CNAO
BNCT di
a Pavia
Pavia
Fondazione CNAO – 2001
da un’idea del prof.Ugo Amaldi
Fondatori:
Policlinico Ospedale Maggiore- Milano
Istituto Neurologico C. Besta - Milano
Istituto Nazionale dei Tumori - Milano
Istituto Europeo di Oncologia – Milano
Policlinico San Matteo – Pavia
Fondazione TERA – Novara
Partecipanti Istituzionali:
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
Università di Milano (UNIMI)
Politecnico di Milano
Università di Pavia (UNIPV)
Comune di Pavia
Partecipanti:
Fondazione Cariplo
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pag.67
Cosa sono gli adroni?
Adroni = particelle che risentono dell’
interazione nucleare forte
… di fatto sono tutte
le particelle presenti
nel nucleo atomico:
protoni e neutroni
in numero variabile
elettrone “e”
Gli “adroni” sono
fatti di quark
atomo
In adroterapia
si utilizzano
• Protoni
• Ioni carbonio
ione carbonio =
6 protoni + 6 neutroni
12C6+
protone o
neutrone
quark “u”
u o “d”
d
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pag.68
Gli adroni nella materia
Quando un adrone (particella carica pesante) entra nella materia viene
progressivamente rallentato da numerosi urti con gli elettroni atomici del corpo.
La probabilità di tali collisioni aumenta con il diminuire dell
dell’energia
energia della particella.
particella
Quindi i fasci di ioni carichi perdono gran parte della loro energia cinetica iniziale
in una zona relativamente stretta al termine del loro percorso
(picco di Bragg),
Bragg)
mentre l’energia rilasciata nel tratto iniziale è relativamente bassa.
RILASCIO DI ENERGIA DI DIVERSE RADIAZIONI NEL TESSUTO BIOLOGICO
PICCO DI BRAGG
raggi X
protoni
elettroni
raggi gamma
GRAFICO
della dose
assorbita (in %)
in funzione
della profondità
del tessuto
Gli adroni permettono di
irradiare tumori profondi
risparmiando le cellule sane!
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.69
La base dell’adroterapia
Direzione del fascio di radiazioni nella materia
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pag.70
Adroterapia: come e perché
La radioterapia convenzionale utilizza elettroni e raggi X
Dose biolo
ogica effetttiva [%]
Ma ci sono dei problemi:
• Gli elettroni
l
i non penetrano in
i profondità
f di à
• I raggi X rilasciano alte dosi prima del bersaglio, e dosi basse anche dopo
• Entrambi hanno alta dispersione laterale
Il picco di Bragg si può
“allargare” quanto necessario
variando l’energia!!!
l energia!!!
Con gli adroni si riesce a penetrare
alla profondità desiderata variando
l‘energia ottenendo un rilascio
conforme alle dimensioni del tumore
Æ
Profondità in acqua [cm]
picco di Bragg allargato
e rilasciando una dose inferiore prima
del picco e nulla/piccola dopo il picco
Ioni carbonio 12C6+ rispetto ai protoni:
•maggior
maggior rilascio,
rilascio minor dispersione laterale Æ minor dose prima del tumore
•frammentazione nucleare Æ maggior dose dopo il tumore
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.71
Radioterapia e adroterapia
Photons
Raggi X
Protons
Protoni
Gli adroni permettono di
• irradiare tumori profondi
• in modo conforme
alle loro dimensioni
• risparmiando le cellule sane!
Ma allora l’adroterapia
è sempre migliore
della radioterapia?
NO, dipende…
L adroterapia NON sostituisce la radioterapia convenzionale,
L’adroterapia
convenzionale
che anzi mantiene la sua validità per la maggior parte dei tumori,
ma è una terapia in più a vantaggio di pazienti
con particolari tumori radioresistenti.
Solo valutando ogni singolo caso si può stabilire l’approccio terapeutico
migliore, ed eventualmente l’opportunità di ricorrere all’adroterapia,
gg
o in sostituzione di trattamenti p
più tradizionali,,
in aggiunta
radioterapici, chirurgici o farmacologici.
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.72
Radioterapia e adroterapia
9 campi di irraggiamento ‐ RX
1 campo di irraggiamento ‐ protoni
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.73
Ma gli adroni dove li prendiamo?
TIPO DI PARTICELLE:
Elettroni protoni,
Elettroni,
protoni ioni pesanti
ENERGIA (in elettronvolt: 1 eV = 1.6 ·10-19 J):
Bassa (10-100 MeV),
MeV) media (100 MeV – 1 GeV),
GeV) alta (>1 GeV )
INTENSITA’:
N.particelle al secondo e al cm2
DUE CATEGORIE PRINCIPALI:
A bersaglio fisso (elettrostatici o ciclici)
A collisione (colliders)
ACCELERATORI
DI PARTICELLE
ACCELERATORI CICLICI
Lineari (per iniettare le particelle)
Circolari (per raggiungere le energie desiderate)
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.74
Il sincrotrone
L’energia ottenibile mediante i primi acceleratori è limitata.
Un aumento di energia
g richiederebbe dimensioni e costi enormi.
SINCROTRONE
Campo
p magnetico
g
gradualmente crescente.
Le particelle percorrono
la stessa orbita
ma a velocità
sempre maggiore.
L’orbita delle particelle è mantenuta costante,
il campo magnetico viene applicato solo sulla
circonferenza. Ad ogni passaggio, l’energia
aumenta, e anche il campo magnetico deve
aumentare per mantenere il raggio costante.
http://piopas.xoom.it/piopas/piopass/come_
funziona_lhc.htm
_
Teoricamente
non ci sono limiti all
all’energia
energia
salvo dimensioni e costi dei magneti.
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pag.75
LHC
Large Hadron Collider protoni-protoni (o ioni pesanti)
Circonferenza 27 km - Energia massima 14 TeV = 1.4·1013 eV
P
Prime
collisioni
ll
30/03/10
0/0 /10
con due fasci di protoni da 3.5 TeV
2010-11: verificata tutta la fisica nota del Modello Standard con energia fino a 7 TeV
4 luglio
g
2012: osservato il bosone di Higgs
gg
(?... Ebbene sì!)
Cern Press Office: CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.76
Adroterapia… e come si fa?
Terapia con adroni =
far giungere ai pazienti fasci di protoni o ioni carbonio
alle energie opportune per 6-7 sedute da pochi minuti ciascuna.
Centri per l’adroterapia
1) INIEZIONE Æ linac: acceleratore lineare
Protoni o ioni (da idrogeno o carbonio ionizzato) vengono
accelerati da un campo elettrico e introdotti nell
nell’anello
anello di
accelerazione
Nelle vicinanze di
centri ospedalieri!
2) ACCELERAZIONE Æ sincrotrone
Le particelle vengono mantenute in orbita circolare e fatte
girare a velocità sempre crescente per mezzo di un campo
magnetico che aumenta gradualmente
) ESTRAZIONE Æ linee d
di fascio
s o
3)
Sempre con campi elettromagnetici, i protoni o ioni
vengono fatti uscire dall’anello e inviati a una delle diverse
sale di trattamento dove colpiscono il paziente, posizionato
t
tramite
it congegnii elettronici
l tt
i i e monitorato
it
t online.
li
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
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Adroterapia in Italia e nel mondo
IN ITALIA
• CATANA (protoni-occhio)
(protoni occhio)
attivo a Catania
• CNAO (protoni-ioni carbonio)
avviato a Pavia
• Nuovo centro (protoni)
in progetto a Trento
NEL MONDO
34 CENTRI DI ADROTERAPIA CON PROTONI
7 CENTRI DI ATROTERAPIA CON IONI CARBONIO
in Europa: Heidelberg (dal 2009) e Pavia (dal 2011)
93000 pazienti trattati con p (dal 1961)
13000 pazienti
i
i trattatii con He (dal
(d l 1957)
) e C (d
(dall 1994)
)
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.78
Come funziona/funzionerà il CNAO
Il centro CNAO ha iniziato la sua attività
alla fine del 2011.
F
Funziona
i
i day-hospital
in
d
h
it l
E’ previsto l’80% dei trattamenti
con ioni carbonio, il 20% con protoni
Ci sono tre sale di trattamento;
in una di esse il fascio arriva anche verticalmente
Per l’iniezione si utilizza un unico acceleratore
LINAC sia per protoni che per ioni carbonio
Il sincrotrone
ha diametro di 25 metri
Le sorgenti e ll’iniettore
iniettore sono al suo interno.
Attraverso un sistema di magneti, gli adroni
accelerati alle energie necessarie
sono
so
o est
estratti
att dal
da sincrotrone
s c ot o e
e deviati in una delle tre sale di trattamento
In una seconda fase si allestiranno altre sale
sperimentali
p
p
per attività di ricerca con g
gli adroni
in radiobiologia nei tempi di non utilizzo clinico.
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Visita al CNAO
www.cnao.it
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Visita al CNAO
www.cnao.it
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Visita al CNAO
Foto P.Montagna
Open Day CNAO
“Notte
Notte dei ricercatori”
ricercatori
27 settembre 2013
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
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La fase pre-clinica
18 gen.2010:
Visita ministri
F i T
Fazio,
Tremonti,
ti B
Bossii
15 feb.2010:
Inaugurazione “politica”
2010
Qualificazione del fascio:
test di energie
e posizionamento
i i
t
nelle sale di terapie
2011
Studio radiobiologico:
irradiazione di cellule animali
22 settembre 2011
Inizio sperimentazione
clinica su pazienti
L’80% delle sedute
saranno dedicate al
trattamento
con ioni carbonio
di tumori radioresistenti
(es. polmoni, pancreas,
fegato, tiroide,
distr.cervicale),
cioè difficilmente aggredibili
con la radioterapia
tradizionale.
Ogni sessione durerà
20-30 minuti.
A regime
si p
potranno tenere
circa 20000 sessioni
di trattamento all’anno
(6-7 sedute ciascuno
per 3500 pazienti)
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.83
pag.83
Le sale di trattamento
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014pag.84
pag.84
L’irraggiamento
TECNICA DI RILASCIO PASSIVO
Con un set di elementi passivi (assorbitori)
di
disposti
ti lungo
l
lla ttraiettoria
i tt i il fascio
f
i viene
i
allargato uniformemente per renderlo
utilizzabile sul volume tumorale
TECNICA DI RILASCIO ATTIVO
Il fascio che colpisce le cellule del tumore è un “pennello” che si muove
in modo simile a q
quello degli
g elettroni in un televisore e agisce
g
con una
precisione di 200 μm.
Questa precisione è resa effettiva grazie a due magneti di scansione
che, sulla base delle indicazioni del sistema di monitoraggio dei fasci,
muovono il “pennello” lungo la sagoma del tumore.
In questo modo sezione per sezione il tumore viene distrutto:
il passaggio da una sezione all’altra (più profonda) si ottiene
aumentando
d l’energia
l’
i del
d l fascio.
f
i
L’intero irraggiamento dura pochi minuti.
Si ottiene una distribuzione molto precisa della dose sul tumore
E’ di estrema importanza il posizionamento del paziente.
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014pag.85
pag.85
Prima della terapia
Scelta del
posizionamento
p
e degli opportuni
supporti
TAC/NMR di pianificazione
Simulazione nelle stesse
condizioni della terapia
Realizzazione
della maschera
Posizionamento
ma ke s ottici
markers
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014pag.86
pag.86
Prima della terapia
Iperestensione
del capo
Identificazione del volume «target» (tumore),
degli organi a rischio e di ulteriori strutture
importanti per l’ottimizzazione della dose
Selezione dell’orientamento del fascio e
programmazione del piano di trattamento
Identificazione di rischi e incertezze
Approvazione del trattamento
Verifica sperimentale dosimetrica con fantoccio
Sarcoma,
forma a
«ciambella»
Risparmio
chiasma ottico
Risparmio
cavità nasali
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014pag.87
pag.87
Posizionamento in sala
IMAGE GUIDED RADIATION THERAPY
M
Massimizzazione
i i
i
dose
d
all tumore
t
Minimizzazione dose tessuti sani
Definizione
D
fi i i
di un sistema
i
di riferimento
if i
stereotassico
i
Posizionamento robotizzato del paziente
(accuratezza traslazioni 0.3 mm, accuratezza rotazioni 0.1°)
Verifica del paziente con raggi X
Monitoraggio real time reperi
con eventuale correzione di
posizionamento
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014pag.88
pag.88
Quali tumori da trattare con protoni?
INDICAZIONI ALLA TERAPIA CON PROTONI
Patologia
Attesi Per Anno
Melanoma uveale
Cordomi della base cranica
e della colonna vertebrale
310
310
100%
45
45
100%
90
90
100%
250
125
50%
140
140
100%
300
45
15%
750
960
1885
75
144
974
10%
15%
Condrosarcomi
dell’estremità cefalica e del
tronco
Meningiomi della base
cranica
Tumori paraspinali
Schwannomi dei nervi
cranici
Adenomi ipofisari
Tumori solidi pediatrici
TOTALE
Pazienti Trattabili con Protoni
Totale casi attesi per Percentuale trattabile
anno
con Protoni
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014pag.89
pag.89
Quali tumori da trattare con ioni carbonio?
PATOLOGIE NEOPLASTICHE TRATTABILI CON IONI
Patologia
Attesi Per
Anno
Pazienti Trattabili Con Ioni Carbonio
Totale casi attesi per
anno
Percentuale
trattabile con Ioni
Tumori delle ghiandole
salivari
620
310
50%
Melanomi mucosi delle
VADS
30
30
100%
Adenocarcinomi dei seni
pparanasali
450
45
10%
Sarcomi ossei
Sarcomi dei tessuti molli
Recidive
520
1360
750
104
272
225
20%
20%
50%
Epatocarcinomi / tumori
pancreatici e delle vie
biliari
4500
450
10%
7672
1436
TOTALE
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014pag.90
pag.90
L’avvio della fase clinica
14 luglio 2011 – Autorizzazione del Ministero della Salute all’avvio di un nuovo
trattamento radioterapico con protoni per la cura di alcuni tipi di tumori.
22 settembre – 9 novembre 2011
Primo ciclo di trattamento con protoni di un paziente
affetto da condrosarcoma alla base del cranio.
Inizio fase di terapia con protoni
secondo i protocolli clinici approvati dal Ministero della Salute
13 novembre 2012
Per la prima volta in Italia
un tumore “bombardato” con ioni carbonio
Primo ciclo di trattamento con ioni carbonio
di un paziente affetto da un tumore alle ghiandole salivari:
Pavia
P
i diventa
di
il 4° centro all mondo
d che
h
realizza la carbonterapia, dopo Chiba, Hyogo e
3 aprile 2012: Il Ministro della
Salute Balduzzi e il Presidente
della Regione Lombardia
F
Formigoni
i
i incontrano
i
t
i pazienti
i ti
Gunma in Giappone e Heidelberg in Germania.
Dall’inizio dell’attività al CNAO sono stati trattati
circa 200 pazienti. Ci si attendono
circa 600 pazienti nel 2014 e circa 1000 nel 2015
A regime saranno 3500 all’anno
all anno, ll’80
80 % con ioni
carbonio e il 20 % con protoni.
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014 pag.91
pag.91
Un lavoro affascinante…
A Pavia esistono centri di assoluta eccellenza a livello mondiale
in radiodiagnostica e radioterapia. E’ questo un ambito scientifico
f
di enorme utilità sociale ed estremamente multidisciplinare,
dove la Fisica si pone al servizio della Medicina utilizzando
l più
le
iù sofisticate
fi ti t ttecniche
i h d
dell’Ingegneria
ll’I
i .
Servono figure professionali altamente qualificate nei settori più vari:
fisici
s c sanitari
sa ta e nucleari,
uc ea , ingegneri
geg e civili,
c
, elettronici
e ett o c e nucleari,
uc ea , informatici,
o at c ,
medici oncologi, radiologi e specialisti delle diverse discipline, tecnici sanitari
di radiologia medica, tecnici di laboratorio biomedico, biologi,…
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.92
Qualche conclusione…
Le radiazioni nucleari sono…
• diaboliche e catastrofiche, come a
Hiroshima Chernobyl e Fukushima?
Hiroshima,
• solo pericolose o anche utili per la società?…
• solo pericolose o anche preziose per la salute?
Insomma sono buone o cattive?
Insomma,
Dopo un secolo dalla scoperta dei raggi X si è giunti a
sofisticate applicazioni pratiche assolutamente
sorprendenti della Fisica delle radiazioni,
radiazioni anche in
ambiti di grande utilità sociale e medica.
E poi dicono che la ricerca scientifica
non serve a niente e le tagliano tutti i fondi…
fondi
Se queste cose vi interessano, forza! Provate ad
arrivarci anche voi! Non fatevi spaventare dalla crisi
e dalle prospettive incerte.
incerte Seguite la vostra
passione, sapendo che bisognerà fare una grande
fatica per cercare di diventare “i migliori” nel
proprio ambito specialistico.
specialistico
Altro che “bamboccioni”!
Inn bocca al lupo!
p!
Questa presentazione è online su
www2.pv.infn.it/~montagn1/
P.Montagna: Le radiazioni sono buone? - Liceo "Copernico" Pavia, 11/04/2014
pag.93

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