Grandezze dosimetriche
specifiche per pratiche
radiologiche interventistiche
D. LGS. 187/2000:
CORSO DI FORMAZIONE OBBLIGATORIA IN
RADIOPROTEZIONE DEL PAZIENTE
(Area – Attività radiologiche complementari “ALTE DOSI”)
MATERIA
Liviana Pozzi
Servizio di Fisica Sanitaria
Ospedale di Circolo e Fondazione Macchi, Varese
DI
Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sull’organismo
Il passaggio di radiazioni ionizzanti attraverso cellule viventi può dare
origine a una complessa catena di eventi: in ciascuna cellula sono presenti
molecole molto diverse, alcune più semplici (acqua), altre molto complesse
(DNA).
In particolare l’interazione
tra radiazioni ionizzanti e
tessuti ha come primo
effetto nel tessuto la
produzione di molecole
d’acqua
“ionizzate”;
questa fase dura frazioni di
secondo ma determina
modificazioni
fisicochimiche che sono alla
base degli effetti biologici
prodotti: danno indotto a
livello del DNA cellulare.
Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sull’organismo
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(55) La maggior parte degli effetti negativi sulla salute, conseguenti alle
esposizioni alle radiazioni, può essere raggruppata in due categorie
generali:
• effetti deterministici (reazioni tissutali avverse) dovuti in gran parte alla
morte o a disfunzioni delle cellule, conseguenti a esposizione a dosi
elevate;
• effetti stocastici come, per esempio, neoplasie ed effetti ereditari che
possono comportare lo sviluppo di un tumore negli individui esposti, a
causa della mutazione di cellule somatiche, o malattie ereditarie nella loro
progenie, a seguito di mutazione di cellule riproduttive (germinali).
Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sull’organismo
EFFETTI DETERMINISTICI
• Sono prevedibili: presentano un valore soglia di dose al di sopra del
quale colpiscono tutti o quasi tutti gli irradiati
• mostrano un aggravio dei sintomi con l'aumentare della dose
EFFETTI STOCASTICI
• sono di tipo probabilistico, ossia la loro frequenza di comparsa è funzione
della dose
• non hanno gradualità di manifestazioni con la dose assorbita
Scopo di questa presentazione è mostrare le principali grandezze
dosimetriche usate per descrivere le caratteristiche del campo radiante,
in particolare nell’ambito di pratiche radiologiche interventistiche.
Tali grandezze sono correlabili in maniera più o meno diretta al rischio di
comparsa di effetti biologici sull’organismo del paziente.
In generale si possono considerare 4 tipi di radiazione (particelle)
fondamentali:
Particelle cariche:
Particelle neutre:
• particelle pesanti (ad es.
protoni e particelle α)
• neutroni
• elettroni
• fotoni (raggi X, raggi γ)
Come interagiscono i raggi X con la materia?
I fotoni (raggi X) sono radiazioni indirettamente ionizzanti perché lungo il
loro percorso nel tessuto cedono energia alle particelle secondarie
(elettroni) che a loro volta producono un elevato numero di coppie di
ioni lungo il loro percorso (“ionizzazione”).
Da cosa dipendono gli effetti biologici prodotti?
• Quantità di energia assorbita nel tessuto
• Distribuzione spaziale di “ionizzazioni” ed “eccitazioni”
• Dal tipo di radiazione incidente
• Dal tipo di tessuto irradiato
• Dalla durata dell’esposizione
Durante le procedure mediche di imaging che utilizzano i raggi X, non è
normalmente possibile misurare direttamente le dosi assorbite negli
organi o nei tessuti del paziente sottoposto al trattamento diagnostico o
interventistico. Pertanto, come guida per la valutazione della dose al
paziente, vengono utilizzate delle grandezze misurabili che
caratterizzano il campo di radiazione esterno.
Grandezze dosimetriche fondamentali:
esposizione
dose assorbita
kerma
Grandezze dosimetriche fondamentali:
ESPOSIZIONE:
é la grandezza che esprime la capacità di ionizzare le molecole d’aria da
parte della radiazione incidente: rappresenta la misura della carica
elettrica prodotta (correlata al numero di ioni prodotti) per unità di massa
d’aria.
La sua unità di misura è il C/kg.
L’unità di misura storica è il Roentgen (R):
1 R = 2,58⋅10-4 C/kg
Grandezze dosimetriche fondamentali:
DOSE ASSORBITA:
é la grandezza che rappresenta la quantità di energia assorbita dal
tessuto in seguito all’interazione con la radiazione incidente.
La sua unità di misura è il Gray (1Gy = 1 J/kg): descrive la quantità di
energia assorbita per unità di massa di tessuto (o aria) attraversato.
L’unità di misura storica è il Rad:
1 Rad = 0,01 Gy
Grandezze dosimetriche fondamentali:
KERMA:
é la grandezza definita come quantità di energia cinetica, di tutte le
particelle cariche secondarie (elettroni) messe in movimento in seguito
alla cessione di energia da parte della radiazione incidente, per unità di
massa.
La sua unità di misura è il Gray (1Gy = 1 J/kg): descrive la quantità di
energia cinetica prodotta per unità di massa di tessuto (o aria)
attraversato dalle radiazioni ionizzanti.
Grandezze dosimetriche fondamentali:
OSSERVAZIONE: non tutta l’energia cinetica trasferita dai fotoni incidenti
agli elettroni é assorbita nel piccolo volume di tessuto (o aria) in cui
avviene l’interazione; una piccola frazione di questa energia sarà
assorbita a distanza. La dose assorbita sarà quindi in genere inferiore al
kerma. Per energie tipiche dei raggi X usati in diagnostica questa
differenza è tuttavia molto piccola.
Ai fini pratici in radiologia diagnostica e interventistica si assume
che kerma e dose assorbita siano numericamente uguali.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la garanzia di qualità
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni
deterministici (cute)
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico
Dosimetria per la garanzia di qualità:
• Kerma in aria:
Caratterizza il fascio di radiazione di ciascun apparecchio radiologico; si
misura facilmente con una camera a ionizzazione posta al centro del
fascio radiante, ad una fissata distanza dal fuoco.
L’unità di misura è il Gray (Gy).
Il suo valore diminuisce allontanandosi dal fuoco dell’apparecchio
radiologico.
E’ indipendente dalla presenza del paziente.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la garanzia di qualità:
•KAP:
E’ definito come prodotto tra il kerma misurato in aria e l’area del campo
radiante (è numericamente equivalente al DAP, definito come prodotto tra
dose assorbita in aria e area del campo radiante)
KAP = Kerma in aria x Area
Si misura solitamente con una camera a ionizzazione (radiotrasparente)
fissata in prossimità dei diaframmi del tubo radiogeno.
L’unità di misura é Gy ⋅ cm2.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
A parità di apertura dei diaframmi il suo
valore resta fisso al variare della
distanza dal fuoco (se ci si avvicina al
fuoco aumenta la dose ma diminuisce la
dimensione del campo e viceversa)
E’ indipendente dalla presenza del
paziente.
Il KAP viene visualizzato in tempo reale
durante l’erogazione:
durante la fluoroscopia (KAP/tempo: Gy ⋅
cm2/s)
Nelle pause delle acquisizioni e alla fine
della procedura viene visualizzato il KAP
totale cumulativo (Gy ⋅ cm2)
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la garanzia di qualità
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni
deterministici (cute)
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici
(ad es. alla cute):
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(58) L'induzione di reazioni tissutali è, in linea generale, caratterizzata da
una dose soglia. La ragione dell’esistenza di un valore soglia sta nel fatto
che il danneggiamento (morte o disfunzione grave) di una popolazione
critica di cellule in un dato tessuto causato dalle radiazioni, deve essere
sostanziale prima che una lesione si esprima in forma clinicamente
rilevante. Al di sopra della dose soglia, la gravità della lesione, inclusa la
diminuzione della capacità di recupero del tessuto, aumenta con la dose.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici
(ad es. alla cute):
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(59) Le revisioni dei dati biologici e clinici hanno condotto ad un ulteriore
sviluppo delle valutazioni della Commissione sui meccanismi cellulari e
dei tessuti che sono alla base delle reazioni tissutali e delle soglie di dose
che si applicano ai principali organi e tessuti. Tuttavia, per valori di dose
assorbita fino a circa 100 mGy si ritiene che nessun tessuto esprima
danni funzionali clinicamente rilevanti. Questa valutazione si applica sia a
singole irradiazioni acute sia alle situazioni dove tali basse dosi sono
assorbite nel corso del tempo come esposizioni annuali ripetute.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici
(ad es. alla cute):
In radiologia interventistica gli effetti deterministici più frequenti riguardano
la cute (eritema, epilazione, ecc).
Le grandezze dosimetriche da considerare sono:
• la dose massima locale alla cute, MESD (maximum entrance skin
dose), definita in modo equivalente anche come PSD (peak skin dose)
• kerma cumulativo al punto di riferimento interventistico,
Interventional Reference Point: IRP (CEI EN 60601-2-43:2002-07)
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici
(ad es. alla cute):
• dose massima locale alla cute, MESD (o PSD):
è quantificabile tramite misure dirette sulla cute del paziente (ad esempio
con pellicole gafchromiche) oppure è valutabile a partire dal valore di DAP
(KAP).
Il DAP rappresenta la dose assorbita in aria per una certa apertura dei
diaframmi e non tiene conto della presenza del paziente.
Per poter valutare la dose in cute è necessario in primo luogo annotare il
DAP di ciascuna proiezione e dividere per le dimensioni del campo
radiante valutate sul piano d’ingresso al paziente rispetto al fuoco.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici
(ad es. alla cute):
In questo modo si ottiene la dose assorbita in aria alla distanza minima
a cui si trova la cute per una determinata proiezione.
Infine è necessario moltiplicare questo valore per un fattore che tiene
conto della dose assorbita in cute dovuta alla radiazione retrodiffusa dal
paziente.
Questo fattore viene definito fattore di backscatter: dipende dall’area del
fascio e dall’energia della radiazione incidente. Tipicamente assume valori
compresi tra 1,2 e 1,4 in radiologia diagnostica e interventistica.
DAP
MESD =
⋅ B(Area, E)
Area DFPcute
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni deterministici
(ad es. alla cute):
• kerma cumulativo al punto di riferimento interventistico
(Interventional Reference Point (IRP) (CEI EN 60601-2-43:2002-07): è un
punto rappresentativo della posizione della cute.
isocentro
15 cm
La stessa norma tecnica CEI EN
60601-2-43:2002-07 prevede che
l’apparecchiatura indichi le seguenti
quantità dosimetriche durante le
procedure interventistiche:
• rateo di kerma in aria all’IRP
• kerma in aria all’IRP cumulativo
dall’inizio dell’esame (che deve
tener conto sia della scopia che
della grafia)
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la garanzia di qualità
Dosimetria del paziente per la prevenzione dei danni
deterministici (cute)
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 105 dell’ICRP
(27) La grandezza fisica di base utilizzata in radioprotezione per gli effetti
stocastici è la dose assorbita media in un organo o in un tessuto.
(28) Durante le procedure mediche di imaging che utilizzano i raggi x, non
è normalmente possibile misurare direttamente le dosi assorbite negli
organi o nei tessuti del paziente sottoposto al trattamento diagnostico o
interventistico.
Pertanto, come guida per la valutazione della dose al paziente, sono
utilizzate delle grandezze misurabili che caratterizzano il campo di
radiazione esterno.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Rischio di induzione di neoplasie
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(62) Per quanto riguarda le neoplasie, gli studi epidemiologici e
sperimentali forniscono, anche se con incertezze, evidenze di rischio
connesso con l’esposizione alle radiazioni a livelli di dose di circa 100
mSv o inferiori.
(64) Sebbene ci siano eccezioni riconosciute, ai fini della radioprotezione
la Commissione ritiene che il peso dell’evidenza sui processi cellulari
fondamentali associati con i dati dose– risposta, sostenga l’opinione che
per le basse dosi, al di sotto di circa 100 mSv, è scientificamente
plausibile assumere che l'incidenza di neoplasie o di effetti ereditari
aumenti in modo direttamente proporzionale con l’aumento della dose
equivalente negli organi e tessuti interessati.
Questo modello dose-risposta è generalmente noto come ''lineare senza
soglia” o LNT (linear non threshold).
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Induzione di malattie non neoplastiche
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(91) Dopo il 1990, sono state raccolte evidenze sull’aumentata frequenza
di malattie diverse dalle neoplasie in alcune popolazioni irradiate. La più
importante delle evidenze statistiche circa l’induzione di questi effetti non
tumorali, a dosi efficaci dell'ordine di 1 Sv, deriva dalla più recente analisi
della mortalità dei sopravvissuti giapponesi alla bomba atomica seguiti
dopo il 1968 (Preston et al, 2003). Questo studio ha rafforzato l’evidenza
statistica di una associazione con la dose, in particolare per le malattie
cardiache, l’ictus, i disturbi digestivi e le malattie respiratorie.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Induzione di malattie non neoplastiche
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(92) La Commissione, mentre riconosce la potenziale importanza delle
osservazioni sulle malattie diverse dalle neoplasie, ritiene che i dati
disponibili non permettono la loro inclusione nella valutazione del
detrimento conseguente all’esposizione a basse dosi, inferiori a circa 100
mSv. Ciò è in accordo con le conclusioni della UNSCEAR (2008), che ha
trovato scarsa evidenza di qualsiasi rischio in eccesso per dosi al di sotto
di 1 Gy.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Dose equivalente
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(106) La procedura […] adottata dalla Commissione consiste
nell’utilizzare la dose assorbita come la grandezza fisica fondamentale,
nel mediarla su specifici organi e tessuti, nell’applicare fattori di
ponderazione adeguatamente scelti per tenere conto delle differenze di
efficacia biologica di radiazioni diverse.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 105 dell’ICRP
(29) Alcune radiazioni sono più efficaci di altre nel
provocare gli effetti stocastici. Per tener conto di
questo, è stata introdotta la grandezza dose
equivalente.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 103 dell’ICRP
Dose equivalente ad organi e tessuti:
dose assorbita media in un organo o in un tessuto moltiplicata per un
fattore adimensionale di ponderazione della radiazione.
Poiché il fattore di ponderazione è adimensionale, l’unità di misura
della dose equivalente è uguale a quella che esprime la dose assorbita,
ovvero Gy, e il suo nome speciale è Sievert (Sv).
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 103 dell’ICRP
Per tutti i principali tipi di radiazioni utilizzati in medicina (fotoni ed
elettroni), si assegna un fattore di ponderazione della radiazione pari a
1: la dose assorbita e la dose equivalente in questo caso risultano
numericamente uguali.
Per le particelle alfa e gli ioni pesanti, il fattore di ponderazione della
radiazione è 20, per i protoni il fattore di ponderazione è 2, mentre per i
neutroni il fattore di ponderazione della radiazione è una funzione
continua dell’energia del neutrone incidente sul corpo.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Dose media assorbita
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(B 48) Come descritto in precedenza, la grandezza dose assorbita è
definita per fornire un valore specifico in ogni punto nella materia.
Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, le dosi assorbite sono spesso
mediate su volumi maggiori di tessuto.
Si suppone così che, per basse dosi, il valore medio di dose assorbita in
uno specifico organo o tessuto, possa essere correlato, con la precisione
sufficiente a scopi radioprotezionistici, con il detrimento dovuto agli effetti
stocastici in tutte le parti di quell'organo o di quel tessuto.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Dose efficace
Pubblicazione 103 dell’ICRP
Dose efficace, E:
somma delle dosi equivalenti ponderate per i vari organi o tessuti,
secondo l’espressione:
HT è la dose equivalente in un tessuto o in un organo T, e wT è il fattore
di ponderazione del tessuto. L’unità di misura della dose efficace è la
stessa che esprime la dose assorbita, ovvero il Gray, e il suo nome
speciale è Sievert (Sv).
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Dose efficace
Pubblicazione 103 dell’ICRP
I fattori di ponderazione del tessuto, wT, permettono di tenere conto delle
variazioni nella sensibilità alle radiazioni dei diversi organi e tessuti
rispetto all'induzione di effetti stocastici.
La somma è fatta su tutti gli organi e i tessuti del corpo umano considerati
sensibili all’induzione di effetti stocastici.
Questi valori di wT sono scelti in modo da essere rappresentativi del
contributo dei singoli organi e tessuti al detrimento complessivo da
radiazione dovuto agli effetti stocastici.
L’unità di misura della dose efficace è il Gray a cui è attribuito il nome
speciale di Sievert (Sv).
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 103 dell’ICRP
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 103 dell’ICRP
(127) Sulla base di studi epidemiologici sull’induzione di tumori nelle popolazioni
esposte, e di valutazione di rischio per gli effetti ereditari, è stato scelto per
queste Raccomandazioni un insieme di valori di wT (tabella precedente) basati
sui rispettivi valori di detrimento relativo da radiazioni.
Essi rappresentano valori medi per esseri umani ottenuti mediando sui due
sessi e su tutte le età, e pertanto non si riferiscono alle caratteristiche di
individui particolari.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 103 dell’ICRP
Esposizione medica dei pazienti
(151) La grandezza rilevante per pianificare l’esposizione dei pazienti ed
effettuare le valutazioni rischio-beneficio è la dose equivalente o la dose
assorbita dai tessuti irradiati. L’uso della dose efficace per valutare
l’esposizione dei pazienti ha severe limitazioni che devono essere considerate
nel quantificare l’esposizione medica. La dose efficace può essere utile per
confrontare dosi da differenti procedure diagnostiche e per confrontare l’uso di
tecnologie e procedure simili in ospedali e paesi diversi, così come l’uso di
tecnologie diverse per lo stesso esame medico. Comunque, per pianificare
l’esposizione dei pazienti e per le valutazioni rischio-beneficio è la dose
equivalente, o la dose assorbita al tessuto irradiato, la grandezza significativa
da prendere in considerazione.
Dosimetria del paziente in Radiologia Interventistica:
Dosimetria per la valutazione del rischio stocastico:
Pubblicazione 103 dell’ICRP
Esposizione medica dei pazienti
(152) La valutazione e l’interpretazione della dose efficace derivante
da esposizione medica di pazienti è molto problematica quando gli
organi e i tessuti sono soggetti solo ad un’esposizione parziale o ad
un’esposizione molto eterogenea, come in particolare nel caso degli
esami diagnostici con raggi X.
La dose efficace non è basata su dati di singoli individui. Nella sua
applicazione generale, la dose efficace non fornisce la dose per un
individuo specifico, ma piuttosto per una Persona di Riferimento in
una data situazione di esposizione.