Produzione e Rivelazione dei Raggi X, Tomografia Rx, Radioterapia

PRODUZIONE E RIVELAZIONE DEI RAGGI X, TOMOGRAFIA RX

PRODUZIONE DEI RAGGI X

Attraverso l'utilizzo dei raggi X è possibile visualizzare l'interno del corpo umano. Essi non sono altro che onde elettromagnetiche in grado di penetrare la materia con un certo coefficiente di penetrazione. I raggi X si generano col tubo radiogeno: esso si compone di un'ampolla sottovuoto, che contiene un catodo (polo negativo) e un anodo (polo positivo). Si va a imporre una tensione elettrica tra i due e successivamente si fa passare una corrente ad alto amperaggio all'interno del catodo: il materiale di cui è costituito si scalda e alcuni elettroni del metallo si staccheranno, avendo così una termoemissione. Una volta sospesi nel vuoto, tali elettroni sentiranno l'effetto del campo elettrico e saranno accelerati fino a colpire l'anodo, dove per varie interazioni elettromagnetiche determineranno l'emissione di onde elettromagnetiche di vario tipo, tra cui raggi X in tutte le direzioni. Idealmente ci vorrebbe un fascio ben allineato per avere un'immagine netta, quindi si restringe l'ampiezza del fascio grazie a una barriera (uno schermo dotato di una finestrella). Gli elettroni raggiungono una velocità pari a frazioni rilevanti della velocità della luce (circa il 50-60% della velocità della luce) e una volta colpito l'anodo, buona parte dell'energia che rilasciano, circa un 99%, sarà sotto forma di calore (solo in minima parte saranno raggi X). Il rischio principale è che l'anodo arrivi a fondersi, per cui è stato necessario trovare strategie che consentano il suo funzionamento, comprendendo però le conseguenze che questo genera a livello di immagine: soluzioni tecnologiche che evitano la fusione dell'anodo andranno infatti a limitare la qualità dell'immagine che si va a ottenere (vd. dopo). Rx - + mA kV J 2

Spettro energetico dei fotoni X al variare di AV (tensione)

Nello spettro a raggi X generato dal tubo radiogeno1 cambia sia l'energia massima che si può generare, sia la quantità complessiva di raggi X. I due parametri principali che vengono valutati attivando il tubo radiogeno sono:

• la tensione massima con cui vengono accelerati gli elettroni, che determina l'energia massima degli elettroni dunque l'energia massima dei raggi X;
• la corrente che passa nel filamento per generare questi elettroni: aumentando la corrente, aumenta proporzionalmente il numero di elettroni attratti verso l'anodo e il fascio sarà più brillante, ossia più fotoni vengono emessi.

Quindi, da un lato si può decidere quanti raggi X mandare, dall'altro quanto energetici saranno: l'operatore deve quindi regolare questi parametri a seconda delle necessità. Anche il filtraggio è essenziale, usato per filtrare la componente bassa dell'energia, considerando che questa è fondamentalmente inutile, rappresentando solo radiazioni aggiuntive per il paziente. Il grafico a lato è un istogramma: · asse x: energia di ciascun singolo fotone; · asse y: quantità di fotoni che si stanno emettendo. 1 I tubi radiogeni emettono una radiazione X di molte lunghezze d'onda diverse, cioè è policromatica: non viene prodotto un unico raggio X, con un'energia definita, ma ve ne saranno diversi distribuiti in tutto lo spettro dei raggi X. 13Parte I - Radioprotezione In rosso si vedono 3 diversi spettri a 3 diverse energie massime, quindi 3 grafici a energia progressivamente superiore e si vede come la quantità complessiva dei fotoni che si emettono è progressivamente superiore. In azzurro è rappresentato lo spettro di assorbimento dello iodio. Questo è un mezzo di contrasto che tipicamente si usa in angiografia poiché fornisce il massimo contrasto che si può avere per la visualizzazione dei piccoli vasi. Lo iodio assorbe molto bene a basse energie, che però non vengono usate come detto in precedenza, ha poi un picco di assorbimento a circa 30 keV per cui al fine di massimizzare l'effetto del mezzo di contrasto si dovrà calibrare lo strumento per mandare quanti più possibili raggi X attorno ai 30 keV2.

Allineamento del fascio

Gli elettroni, colpendo l'anodo, determinano la produzione di raggi X in diverse direzioni, per cui sarà necessario apporre uno schermo che ne assorbirà la maggior parte, con una finestra, così da permettere il passaggio solo di quelli oggetto d'interesse. A questo livello è poi presente del materiale che permette di filtrare la basse energie inutili3. Raggi X Schermo Anodo in tungsteno Elettroni Nel punto d'impatto degli elettroni con l'anodo sarà rilasciata molta energia sotto forma di calore, per cui vengono solitamente utilizzati dei materiali con elevato punto di fusione, come tungsteno o molibdeno, altrimenti l'anodo si vaporizzerebbe. Nonostante tale accorgimento, una piccola porzione di anodo va comunque incontro a vaporizzazione e quindi dopo un determinato numero di ore di utilizzo sarà necessario sostiuire il tubo. Si dovrà fare un certo trade-off perché da un lato idealmente ci vuole il fascio più stretto possibile per avere un'immagine più definita, dall'altro questo comporta la produzione di molti raggi X, che poi si vanno a riassorbire. Visto che questa generazione richiede molta corrente, consuma fisicamente l'anodo e danneggia la strumentazione, si restringerà un po' meno il fascio in cambio di una risoluzione più bassa. Lo stesso discorso si applica al fatto che naturalmente con una maggiore irradiazione si avrà una risoluzione migliore, in questo modo però si espone il paziente ad alte dosi, per cui se lo scopo ad esempio è visualizzare un calcolo renale, non si può esporre il paziente a rischio di insorgenza di un tumore, per cui è sempre necessario un buon bilanciamento tra ciò che si può fare e ciò è "conveniente" fare. Ci sono due tipi di processi principali che generano i raggi X e dipendono da come l'elettrone incide col materiale: radiazione caratteristica e radiazione di frenamento.

Radiazione caratteristica - Spettro discreto di energie

Il primo tipo di processo che si può avere è la cosiddetta Radiazione Caratteristica - spettro discreto di energie generazione dei picchi caratteristici. Mandando l'elettrone libero contro l'atomo, questo sbatte contro un altro elettrone proprio dell'atomo e se è dotato di sufficiente . energia, lo strappa via. Si ha un evento di ionizzazione e si crea uno "spazio" libero nell'atomo così che gli elettroni a energia superiore andranno a occupare quel livello di hv = Ein -Efin valenza4 e nel farlo emetteranno una radiazione n elettromagnetica con frequenza precisa, che dipende dalla differenza d'energia tra i due orbitali. Talvolta la differenza d'energia è minima, per cui vengono rilasciati infrarossi, se hv 2 Se si mandassero raggi X sui 100 keV di media, non si vedrebbe nessuna differenza tra lo iodio e i tessuti circostanti e il mezzo di contrasto perderebbe la sua utilità. 3 La parte del tubo da dove escono i raggi X è detta "finestra" e non è schermata dalla guaina metallica: vi sono invece dei filtri in rame o in alluminio di spessore adatto a filtrare i raggi X in modo che le energie più basse (inutili alla formazione dell'immagine diagnostica) vengano filtrate. [Da Wikipedia] 4 L'elettrone tende sempre ad avere l'energia più bassa possibile. 14Parte I - Radioprotezione invece sono coinvolti orbitali più vicini al nucleo, la differenza energetica è più consistente (decine di keV) e possono essere prodotti raggi X. Con tale processo si generano raggi X con frequenze precise e sono caratteristici del materiale utilizzato per l'anodo: dipendono strettamente dalle specifiche transizioni degli elettroni in quello specifico atomo.

Radiazione di frenamento - Spettro continuo di energie

L'altro processo è la cosiddetta radiazione di frenamento: in Radiazione di frenamento - spettro continuo di energie questo caso l'elettrone non ha un impatto diretto, si limita a interagire indirettamente con gli altri elettroni: essendo particelle cariche tendono a respingersi, l'elettrone verrà leggermente deviato. Ogni volta che un elettrone viene hv=f(r,v,z) deflesso e quindi subisce un'accelerazione, emette un raggio X, la cui energia dipende da quanto è forte la deflessione che n ha subito. Deflessioni più piccole tendono a essere più comuni5, quindi nel complesso si generano molte onde elettromagnetiche a bassa energia che sono tutte piccole collisioni che quasi mantengono la stessa direzione. Si generano 2min λ però anche raggi X ad alta energia quando l'elettrone viene deviato maggiormente. Si viene così a creare uno spettro continuo, che non dipende dal materiale, ma solo dall'energia che viene fornita agli elettroni (ovvero la velocità degli stessi6).

Spettro dei raggi X: discreto + continuo + schermatura

I due processi sopra descritti non sono indipendenti, infatti nel tubo radiogeno si hanno due tipi di raggi X emessi nello stesso momento: · da una parte si ha una radiazione di frenamento che tende a emettere tanti raggi X in maniera continua, cioè a tutte le frequenze. Molti di più a bassa energia e via via meno a energie più alte; · dall'altra si avranno i picchi ben precisi della radiazione caratteristica. Questo tipo di spettro, dato dalla somma della parte continua e di quella discreta è quello che viene emesso direttamente dal tubo radiogeno. Spettro dei Raggi x: discreto + continuo + schermatura N(v)} Rad. Frenamento Rad. Caratteristica E=hv N(v)' Spettro del Fascio Rx Emergente Schermatura (basse energie) kVmaxeV E=hv Sarà poi fondamentale mettere un filtro all'uscita del tubo radiogeno così da rimuovere i raggi X a bassa energia. Tanto più elevata è l'energia dei fotoni, tanto più passano attraverso il materiale senza incontrare resistenza: alla base della radiografia vi è quindi lo studio di come diversi materiali assorbano diversamente i fotoni. Naturalmente i raggi X a bassa energia non riuscirebbero ad attraversare il paziente e si otterrebbe solo la sua sagoma, informazione non clinicamente utile, mentre i raggi X ad altissima energia passano attraverso il paziente senza che ci sia, però, una grande differenza tra osso e altri tessuti, quindi si vedrebbe sempre la sagoma del paziente. Invece è utile quel range intermedio di energia in cui il fotone si comporta in maniera sensibilmente diversa in materiali diversi, spessori diversi, ossia i raggi X che funzionano meglio per visualizzare l'interno del paziente. Nel grafico si riporta in nero la curva dei fotoni emessi dal tubo radiogeno con un anodo di tungsteno e un'energia massima di 95 keV, si evidenzia la combinazione della radiazione caratteristica (picchi 5 L'atomo è una particella praticamente vuota, quindi è più facile che l'elettrone interagisca a distanza con un altro elettrone. 6 Gli elettroni arrivano all'anodo tutti più o meno alla stessa velocità poiché vengono accelerati dalla stessa differenza di potenziale, quindi l'energia dipende solo dalla tensione posta tra anodo e catodo. Poi è invece casuale quanto quell'elettrone passerà vicino/lontano a un altro elettrone. 15