La radioattività

1. ASPETTI FISICI DELLA ATTIVITA’ DI MEDICINA NUCLEARE Dr. Giovanni SIMEONEIstituto Tumori “Giovanni Paolo II” Bari

2. La radioattività Fenomeno scoperto dal fisico francese Henry Becquerel nel 1898 in modo fortuito prima per l’uranio naturale e poi per altri elementi tra cui il radio. Becquerel condivise nel 1903 il premio Nobel per la Fisica con Pierre e Marie Curie "in riconoscimento degli straordinari servizi che ha reso con la sua scoperta della radio-attività spontanea".

3. La radioattività o decadimento radioattivo, è un insieme di processi tramite i quali dei nuclei atomici instabili (nuclidi) emettono particelle per raggiungere uno stato più stabile. Ogni atomo è formato da un nucleo con protoni e neutroni, e da un certo numero di elettroni che orbitano intorno. I nuclei atomici sono tenuti coesi dalla forza nucleare forte. Questa forza richiede anche la presenza dei neutroni per manifestarsi. I nuclei in natura sono quasi tutti stabili. Quando le forze all'interno del nucleo non sono bilanciate (per eccesso di protoni e/o neutroni) questo tende spontaneamente a raggiungere lo stato stabile emettendo una o più particelle. Storicamente i decadimenti nucleari sono stati raggruppati in tre classi principali: Decadimento alfa Decadimento beta Decadimento gamma

4. Radioattività alfa Consideriamo un nucleo con numero atomico Z e numero di massa A (in genere pesante > 200). Il nucleo padre emette una particella alfa, ossia un nucleo di elio composto da due protoni e due neutroni; il nucleo figlio ha numero atomico (Z - 2) e numero di massa (A – 4). Un esempio è il decadimento dell’uranio-238 in torio-234. Le radiazioni alfa sono poco penetranti e posso-no essere completamen-te bloccate da un sem-plice foglio di carta. Lo Spettro energetico è a righe.

5. Radioattività beta Il nucleo emette un elettrone (decadimento beta -) e un antineutrino e si trasforma in un nucleo con numero atomico (Z + 1) ma stesso numero di massa A. Un esempio è il decadimento del Cobalto-60 in Nichel-60. Oppure il nucleo emette un antielettrone (decadimento beta +) e un neutrino e si trasforma in un nucleo con numero atomico (Z - 1) ma stesso numero di massa A. Le radiazioni beta possono essere bloc-cate da piccoli spes-sori di materiali metallici (ad esempio pochi mm di Al).  Lo spettro energetico è continuo.

6. Radioattività gamma Il nucleo non si trasforma ma passa semplicemente in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone. La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il nucleo va in uno stato eccitato; il nucleo si libera rapidamente del surplus di energia attraverso l'emissione di una radiazione gamma. Le radiazioni gamma sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il piombo.

7. Potere penetrante delle radiazioni

8. Legge del decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo è un processo spontaneo e casuale; la legge temporale che regola tale processo è: N = No e–lt Dove l è la costante di decadimento, legata al tempo di dimezzamento fisico del radioisotopo dalla relazione : Tfis = 0.693 / l L’attività di un preparato radioattivo (espressa in Bq) è : A= - l N

11. I radioisotopi utilizzati in attività sanitarie sono di 2 tipi: SORGENTI SIGILLATE Solidi compatti non friabili oppure sorgenti incapsulate in capsule inattive (in genere acciaio inossidabile) Rischio lavorativo legato all’irraggiamento esterno SORGENTI NON SIGILLATE Sostanze non incapsulate in vario stato fisico e chimico (polveri, liquidi, gas), facilmente dispersibili Rischio legato soprattutto alla contaminazione interna

12. I radioisotopi utilizzati nelle attività sanitarie sono tutti artificiali, quindi occorre produrli. Produzione in acceleratori (ciclotroni) Bombardamento di un bersaglio con particelle cariche (p, d, a) a provocare reazioni nucleari con emissioni di uno o più neutroni Esempi :65Cu + a67Ga + 2 n 201Hg + d 201Tl + 2 n

13. Produzione in reattori nucleari Bombardamento di un bersaglio con neutroni lenti (termici) a provocare una reazione del tipo (n,g) Esempio :31P + n 32P + g Bombardamento di un bersaglio con neutroni veloci a provocare una reazione del tipo (n,p) Esempio :14Na + n 14C + p Prodotti della reazione di fissione dell’uranio 235 Esempio : 99Mo, 137Cs

14. Medicina nucleare Impiego medico “in vivo” di sostanze radioattive non sigillate Indagini diagnostiche Somministrazione per via endovenosa (o orale) di radiofarmaci che, per il loro comportamento biologico, permettono lo studio morfologico e funzionale di diversi organi e apparati. Le attività somministrate vanno dalle decine di MBq sino al GBq. Radioisotopi con cui minimizzare l’emissione di particelle cariche privilegiando l’emissione gamma (ottimale la CE). Energia dei gamma adeguata al sistema rivelatore (sensibilità, penetrazione nel tessuto e nel sistema di collimazione).

15. Proprietà di un radiofarmaco ideale per diagnostica in medicina nucleare 1. Emettitore gamma puro 2. 100 < energia gamma < 250 keV. 3. Vita media effettiva = 1.5 volte la durata di esame 4. Alto rapporto target-non target. 5. Minima dose al paziente ed al personale 6. Sicurezza del paziente 7. Non costoso, facilmente e velocemente disponibile 8. Semplice la preparazione ed il controllo di qualità

16. Terapia metabolica Somministrazione di radiofarmaci a scopo terapeutico (tipica la somministrazione di iodio 131 per terapia dell’ipertiroidismo); le attività somministrate vanno da 100 MBq a 10 GBq. Radiosotopi con cui privilegiare l’emissione di particelle cariche minimizzando l’emissione gamma, al fine di ottenere la massima cessione locale di energia ai tessuti.

17. Proprietà di un radiofarmaco ideale per terapia in medicina nucleare 1. Emettitore beta puro 2. energia medio alta (> 1 MeV) 3. Vita media effettiva moderatamente lunga (giorni) 4. Alto rapporto target-non target. 5. Minima dose al paziente ed al personale 6. Sicurezza del paziente 7. Non costoso, facilmente e velocemente disponibile 8. Semplice la preparazione ed il controllo di qualità

18. Tecnezio (Tc99 m) Decadimento transizione interna (solo fotoni) Tfis di 6 ore Fotoni g principali da 140 keV Scoperto da Segrè a Roma nel 1937 (il nome deriva dal greco “technetos”, ossia artificiale) è prodotto dal decadimento b del molibdeno 99 (Tfis 66 ore) Il tecnezio si fissa a livello della tiroide, delle ghiandole salivari, dello stomaco e dell’intestino. Escrezione attraverso sia urine che feci.

19. Il molibdeno 99 è un prodotto di fissione dell’uranio 235, quindi prodotto nei reattori ;il suo Tfis permette il largo utilizzo del tecnezio 99 in medicina nucleare. Attualmente il tecnezio 99 è il radiofarmaco utilizzato per il 90 % degli esami eseguiti in medicina nucleare per le favorevoli caratteristiche fisiche (emissione solo fotonica, basso Tfis, buon valore dell’energia dei fotoni per indagini diagnostiche) e per la facilità con cui può essere legato a vari tipi di molecole.

20. Schema del decadimento molibdeno 99 e tecnezio 99

21. Andamento temporale delle attività del molibdeno 99 e del tecnezio 99 per una colonna in utilizzo

22. Iodio 131 Decadimento beta conTfis di 8 giorni. Particelle beta principali da 0.61 Mevmax Fotoni g principali da 280 e 360 keV Lo iodio si accumula nella tiroide ed entra anche nella molecola dell’ormone tiroideo. Escrezione attraverso le urine (Teff 80 giorni). Utilizzo limitato ad applicazioni per patologie della tiroide e per indagini al corpo intero

23. Iodio 123 Decadimento CE conTfis di 13,2 ore. Fotoni g principali da 159 keV E’ indicato per rilevare la perdita di terminazioni neuronali dopaminergiche funzionali nel corpo striato di pazienti affetti da Sindromi Parkinsoniane. L’efficacia clinica è stata dimostrata lungo l’intervallo tra 111-185MBq. I pazienti devono sottoporsi ad un preventivo trattamento bloccante della tiroide onde minimizzare l’assorbimento di iodio radioattivo da parte della tiroide stessa.

24. Schema di decadimento dello iodio 131

25. Gallio (Ga67) Decadimento per CE conTfis di 3,2 giorni. Fotoni g principali da 100 a 400 keV Utilizzo per scintigrafie polmonari e per la ricerca di processi infiammatori Tallio (Tl201) Decadimento per CE conTfis di 3 giorni. Fotoni g principali da 167 keV Si fissa nel tessuto muscolare, in particolare quello miocardico: utilizzo in applicazioni cardiache

26. Scintigrafie planari Le scintigrafie sono così dette perché l’elemento rivelatore è un cristallo di NaI attivato al Tl che è un fotoscintillatore. Acquisizione mediante gamma camera di immagini planari: tale tipo di esame può essere statico o dinamico. Tomoscintigrafie Acquisizione mediante gamma camera di immagini planari in varie proiezioni, da cui ricostruire le varie sezioni del distretto in esame. Si distinguono in esami SPET (che utilizza radionuclidi gammaemittenti) ed in esami PET (che utilizza radionuclidi ad emissione di positroni).

27. Schema di funzionamento di una gamma camera

28. Ricostruzione tomografica mediante rotazione della gamma camera (A) e rispettivi profili (B)

29. Impianto di gamma camera a due teste

30. Scintigrafia reflusso vescico-ureterale (Tc 99 m) Scintigrafia renale (Tc 99 m)

31. Pediatric total body bone scan post injection of Tc99m-MDP

32. Pheochromocytoma total body and SPECT imaging post injection of Iodine-123 MIBG and fusion with multi-slice CT. Images courtesy of Kumamoto University, Japan

33. PET Utilizzo di radiosotopi ad emissione di positroni b+ che dopo un brevissimo percorso si annichilano in due g da 511 KeV opposti in coincidenza. Si utilizzano radioisotopi con emivita di pochi minuti (azoto 13, carbonio 11, ossigeno 15) che vanno quindi prodotti nella stessa sede con un ciclotrone dedicato : questi sono isotopi che possono marcare facilmente composti organici.

34. Alcuni radioisotopi utilizzabili in una PET La brevità dell’emivita elimina i problemi di smaltimento dei rifiuti, ma richiede la manipolazione di attività elevate (si cerca quindi di automatizzare al massimo le procedure in laboratorio radiochimico)

35. Fluoro (F18) Produzione in ciclotroni secondo la reazione: 18O + p →18F + n Decadimento beta + secondo la reazione: 18F →18O + e+ + ν Tfis di 110 min Fotoni g principali da 640 keV Il fluoro-18 viene legato al posto di un atomo ossigeno in una molecola di zucchero (es. : il fluorodesossiglucosio, 18 FDG). Introdotta nel paziente per via endovenosa, la molecola marcata, viene attratta dalle cellule maligne eventualmente presenti, per il loro maggiore consumo di glucosio.

37. Anello di rivelatori per macchina Pet

38. Impianto Pet

40. Nuovo modello di PET aperta (Philips)

41. Grandezze base in dosimetria Dose assorbita: energia assorbita/unità di massa Unità di misura : 1 Gy (Gray) = 1 J/kg Dose equivalente : dose assorbita in un organo ponderata per tipo e qualità di radiazione. Unità di misura : 1 Sv (Sievert) Dose efficace : somma ponderata delle dosi equivalenti in diversi organi o tessuti Dose equivalente impegnata : integrale nel tempo della dose equivalente in un organo a seguito di introduzione di un radionuclide Dose efficace impegnata : somma ponderata delle dosi equivalenti impegnate in diversi organi o tessuti

42. LIVELLI DIAGNOSTICI DI RIFERIMENTO (Decreto legislativo n. 187 del 26/05/2000) I LDR integrano il giudizio professionale e non sono una linea di confine tra buona e cattiva prassi medica. I LDR si applicano solo alle procedure nei campi della radiologia diagnostica e della medicina nucleare. In radioterapia, compresa anche la medicina nucleare terapeutica, le esposizioni dei tessuti bersaglio devono essere pianificate per ogni singolo paziente, in modo che i tessuti diversi da quelli bersaglio siano soggetti alle dosi più basse possibile. Un sistema di livelli di riferimento non è pertanto applicabile in radioterapia.

43. Anche se i LDR non vengono superati, non è garantita l’ottimizzazione della procedura dal punto di vista della qualità diagnostica delle immagini. La procedura diagnostica è ottimizzata se contem-poraneamente è ottimizzata dal punto di vista diagnostico e da quello di protezione del paziente. In medicina nucleare i LDR indicano un valore orientativo per le attività somministrate, per un certo tipo di esame in situazioni standard. Per l’attività raccomandata, i risultati possono essere di cattiva qualità. Ciò indica che l’efficienza delle gamma camere, la calibrazione di dose o le procedure attuate devono essere riesaminate.

44. LDR in Medicina Nucleare (1) 0.37 MBq = 10 mCi 740 MBq = 20 mCi

45. LDR in Medicina Nucleare (2) 185 MBq = 5 mCi 740 MBq = 20 mCi

46. Dosi da radiazione naturale e dosi da medicina nucleare

47. Radioprotezione in medicina nucleare • Caratteristiche di un reparto • Reparto separato in zona fredda (segreteria, attesa fredda pazienti) e zona calda (camera calda, attesa calda pazienti, locali di somministrazione, locali di misura, deposito) • Segnaletica all’ingresso della zona calda che deve essere fisicamente delimitata, norme di radioprotezione esposte • Le superfici dei pavimenti e delle pareti devono essere lavabili, facilmente decontaminabili, senza spigoli • Le superfici di lavoro devono essere non porose e lavabili • Smaltimento controllato di rifiuti solidi e liquidi (locale di deposito per i bidoni dei rifiuti e per le colonne esaurite separato dai locali del reparto)

48. Ricambi d’aria forzati variabili con i vari tipi d’ambiente: 8-10 per la camera calda, 5 altri ambienti in zona calda • Depressione di 1 mm Hg per la camera calda • Cappa aspirante obbligatoria per isotopi radioattivi volatili • Per la manipolazione delle sorgenti utilizzo di banchi schermati, telemanipolatori, schermatura delle siringhe … • Locale spogliatoio filtro di accesso alla zona calda, con un punto di verifica contaminazione e doccia decontaminante • Bagni dedicati per i pazienti con scarichi controllati • Camere di degenza per terapia riservate, a 1 o 2 letti, con bagni riservati e con barriere mobili o fisse alle pareti (caso di terapia con iodio 131)

49. Sistema di protezione per manipolazione di sorgenti radioattive in camera calda

50. Radioprotezione in medicina nucleare • Controlli periodici • Dosimetria del personale (sia alle mani che al corpo intero) • Controlli della contaminazione su superfici di lavoro, pareti, pavimenti, deposito rifiuti • Controlli individuali periodici della contaminazione interna misure di attività nelle urine, misura diretta di attività fissata nella tiroide (iodio 131) o misure di attività al corpo intero (tecnezio 99, nel cui caso il tempo di intervento è critico), controlli di routine su mani ed abiti • Rilievi di contaminazione nell’aria del laboratorio • Visite mediche periodiche del personale