Dosimetria

La dosimetria è una disciplina fondamentale e una branca specialistica della Fisica (in particolare della Fisica sanitaria e della Metrologia) che si occupa della misura, del calcolo e della valutazione degli effetti dell'interazione tra le radiazioni e la materia.

Il suo scopo primario è quantificare l'energia depositata da un campo di radiazioni ionizzanti o non ionizzanti in un dato mezzo, generalmente al fine di prevederne e gestirne gli effetti biologici o fisici.

Grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche per radiazioni ionizzanti

La principale grandezza dosimetrica per radiazioni ionizzanti è la dose assorbita D, definita come

$D={\frac {\operatorname {d} E}{\operatorname {d} m}}$

ovvero come la quantità di energia assorbita dall'unità di massa a seguito dell'esposizione a radiazione ionizzante. L'unità di misura della dose assorbita nel sistema internazionale è il gray, con simbolo Gy.

Diverse radiazioni ionizzanti possono però causare, a parità di energia, un diverso danno biologico. Si definisce "efficacia biologica relativa" (EBR) di una certa radiazione relativamente ad un'altra presa come riferimento il rapporto tra l'energia necessaria dalla radiazione di interesse per indurre lo stesso danno della radiazione di riferimento, il cui valore dipende dal LET della radiazione. A partire dal LET si definisce il fattore di qualità Q della radiazione, con cui si definisce l'equivalente di dose H:

$H=QD$.

Pur avendo le stesse dimensioni il significato della dose assorbita e dell'equivalente di dose è profondamente diverso, per cui nel sistema internazionale l'unità di misura dell'equivalente di dose è il sievert, con simbolo Sv. I valori del fattore Q sono in costante mutamento a seguito degli sviluppi nella ricerca in radiobiologia.

Un'altra importante grandezza dosimetrica è il kerma K, definito però solo per radiazione indirettamente ionizzante. Esso è definito come

$K={\frac {\operatorname {d} T_{s}}{\operatorname {d} m}}$

dove T_s rappresenta l'energia cinetica iniziale delle particelle cariche secondarie prodotte dall'interazione delle particelle neutre con la materia. Il kerma è misurato nel sistema internazionale in gray. Il kerma può essere scomposto in una componente collisionale, comprendente l'energia dei secondari non spesa in fenomeni radiativi, ed in una radiativa, comprendente solo questi ultimi.

Di natura molto diversa è l'esposizione X, definita solo per fotoni in aria, come

$X={\frac {\operatorname {d} q}{\operatorname {d} m}}$

dove dq è la carica degli ioni di uno stesso segno prodotta in aria quando tutti gli elettroni prodotti dall'interazione dei fotoni sono totalmente fermati nel volume di aria considerato.

Di particolare interesse pratico è la possibilità di determinare la dose assorbita a partire da misure di kerma ed esposizione, poiché in condizione di equilibrio delle particelle cariche (CPE) si ha

$D\ {\stackrel {CPE}{=}}\ K_{col}$

$D^{(aria)}\ {\stackrel {CPE}{=}}\ X\left({\frac {W}{e}}\right)^{(aria)}$

dove W/e indica l'energia media necessaria a formare una coppia di ioni nel gas in apice.

In ambito radioprotezionistico si definiscono anche la dose equivalente e la dose efficace. La dose equivalente H_T è ottenuta a partire dalla dose assorbita dal tessuto o organo T moltiplicandola per il fattore di pericolosità $w_{R}$ e sommando su tutte le radiazioni che forniscono dose:

$H_{T}=\sum _{R}w_{R}\,D_{R,T}$

mentre la dose efficace E è ottenuta a partire dalla dose equivalente moltiplicandola per il fattore di sensibilità $w_{T}$ di un certo tessuto e sommando su tutti i tessuti:

$E=\sum _{T}w_{T}H_{T}=\sum _{T}w_{T}\sum _{R}w_{R}\,D_{R,T}$

Anche la dose equivalente e la dose efficace sono misurate in sievert. Da notare che, come Q, anche W_R e W_T sono soggetti a variazioni in base alle nuove scoperte in radiobiologia. Poiché la misura della dose equivalente e della dose efficace è molto difficoltosa, in ambito radioprotezionistico ci si accontenta di valori stimati a partire dalla misura dell'attività dei radionuclidi e delle grandezze dosimetriche operative:

L'equivalente di dose ambientale H*(d) è definito come l'equivalente di dose corrispondente ad un campo allineato ed espanso alla profondità d di una sfera ICRU, in direzione opposta a quella del campo allineato, dove per campo allineato espanso si intende un campo uniforme entro il volume di interesse con la stessa fluenza e distribuzione di energia del campo reale nel punto di interesse, e per sfera ICRU si intende una particolare sfera con diametro di 30 cm composta di materiale tessuto-equivalente. Questa grandezza, nei range di energia di interesse in radioprotezione, fornisce una sovrastima della dose efficace, risultando quindi molto utile a fini protezionistici.

L'equivalente di dose direzionale H'(d,θ) è definito come l'equivalente di dose corrispondente ad un campo espanso alla profondità d di una sfera ICRU, su un raggo corrispondente alla direzione θ rispetto alla direzione di riferimento, dove per campo espanso si intende un campo entro il volume di interesse con la stessa fluenza, distribuzione angolare e distribuzione di energia del campo reale nel punto di interesse.

Le grandezze H*(d) e H'(d,θ) si riferiscono rispettivamente a radiazioni fortemente e debolmente penetranti, per cui nei due casi valgono d=10mm e d=3mm o d=0.07mm rispettivamente, e sono utilizzate nel monitoraggio di area.

Nel monitoraggio individuale si fa uso dell'equivalente di dose personale H_p(d), definito come l'equivalente di dose in tessuto muscolare umano in un punto alla profondità d al di sotto del punto particolare della superficie desiderata del corpo. A seconda del tipo di radiazione (fortemente o debolmente penetrante) la distanza d considerata è la stessa delle grandezze usate nel monitoraggio di area.

Grandezze dosimetriche per radiazioni non ionizzanti

Le quantità dosimetriche utilizzate per misurare l'effetto dei campi elettromagnetici sull'uomo vengono scelte in base alle conoscenze che derivano dagli studi effettuati sulla risposta della materia biologica, degli esseri umani e degli animali all'applicazione dell'intero range di frequenze appartenenti alle radiazioni non ionizzanti. Gli intervalli di frequenza nei quali si fa uso di tali quantità in parte si sovrappongono, perché gli effetti descritti precedentemente si sovrappongono a loro volta.

Ad esempio fino a 100 kHz, proprio perché i tessuti possono essere considerati buoni conduttori, il campo non penetra in profondità ma genera all'interno del corpo correnti indotte di intensità proporzionale alla frequenza e all'ampiezza del campo elettrico. A partire da 10 MHz, invece, l'effetto principale è quello della conversione in calore dell'energia elettromagnetica. È chiaro allora che nel primo intervallo occorrerà misurare la densità di corrente prodotta, nel secondo gli effetti termici e nella zona intermedia sarà necessario monitorare entrambe le quantità perché si presentano entrambi gli effetti in misura minore.

Si usa:

• l'induzione magnetica B [T] per i campi magnetici statici e per l'intensità di corrente relativa ai campi variabili nel tempo fino a 1 Hz;
• La densità di corrente J [A/m²] per le frequenze da 0 a 10 MHz.
• la corrente I [A] nell'intervallo da 0 a 110 MHz;
• il SAR, Specific Absorption Rate, [W/kg] nel range tra 100 kHz e 10 GHz;
• l'assorbimento specifico di energia, SA [J/kg] per campi elettromagnetici eccitati ad impulsi nell'intervallo di frequenze compreso fra 300 MHz e 10 GHz;
• la densità di potenza S [W/m²] per le frequenze da 10 a 300 GHz.

È importante tener presente che l'assorbimento di energia, nel caso delle esposizioni alle radiofrequenze e alle microonde, è considerato un fenomeno non-cumulativo, in ciò differenziandolo radicalmente dall'assorbimento di energia nel caso delle radiazioni ionizzanti.

Strumenti e tecniche di Misura delle radiazioni

La misurazione delle radiazioni è essenziale sia per la radioprotezione che per l'applicazione clinica e industriale delle stesse. La strumentazione e la terminologia differiscono notevolmente a seconda che si tratti di radiazioni ionizzanti (che possono rimuovere elettroni dagli atomi) o non ionizzanti (che non hanno energia sufficiente a ionizzare).

Strumenti di misura delle radiazioni non ionizzanti (NIR)

Nel contesto delle radiazioni non ionizzanti (es. campi elettromagnetici, RF, microonde), l'obiettivo principale non è la "dose assorbita" in senso dosimetrico stretto, bensì la misura dell'esposizione ai campi.

• Terminologia corretta: l'uso dei termini "dosimetro" e "dosimetria" è tecnicamente improprio per le NIR, anche se spesso accettato nel linguaggio comune. La misurazione si concentra sul rilevamento delle intensità di campo (come per esempio il campo elettrico E in V/m, il campo di induzione magnetica B misurato in T o il campo magnetico H misurato in A/m) in un dato periodo di tempo, e non sulla quantità totale di energia depositata nei tessuti (dose) come avviene per le radiazioni ionizzanti.

• Monitoraggio ambientale e personale:
  • Strumentazione: la strumentazione consiste in misuratori di campo portatili (a batteria), che possono essere strumenti a larga banda (misurano tutte le frequenze simultaneamente) o strumenti selettivi in frequenza (analizzatori di spettro).
  • Esposimetri personali (monitoraggio continuo): sono dispositivi indossabili che, a intervalli di tempo stabiliti, campionano e memorizzano le intensità di campo rilevate. Attualmente, questi dispositivi per il monitoraggio continuo dell'esposizione personale (esposimetri) esistono prevalentemente per la misura del campo magnetico statico (es. nelle vicinanze di macchine per risonanza magnetica) o per campi elettromagnetici a radiofrequenza/microonde, per garantire il rispetto dei limiti di esposizione occupazionale.

Sistemi di dosimetria per radiazioni ionizzanti (IR)

Per le radiazioni ionizzanti, gli strumenti mirano a misurare la dose assorbita (energia depositata per unità di massa) o la dose equivalente/efficace (rischio biologico). I sistemi si distinguono in base all'uso e al metodo di calibrazione:

1. Classificazione per metodo di misura e calibrazione

• Sistemi assoluti (standard primari):
  • Sono in grado di fornire una misura diretta e assoluta della dose, basandosi sui principi fondamentali della fisica (es. misurando la carica ionizzata in un volume noto di aria). Sono utilizzati principalmente nei laboratori di taratura primari.
  • Esempi: camera a ionizzazione a cavità (lo standard più comune) e dosimetro di Fricke (basato sulla reazione chimica di ossidazione del solfato ferroso).
• Sistemi relativi (standard secondari):
  • Forniscono una misura della dose solo dopo essere stati opportunamente calibrati (tarati) utilizzando un dosimetro assoluto o uno standard di riferimento noto. Sono più pratici, robusti e adatti all'uso clinico e sul campo.

2. Classificazione per applicazione

• Dosimetria personale e ambientale (sorveglianza): misurano la dose ricevuta da lavoratori esposti o dal pubblico.
  • Esempi: dosimetri a termoluminescenza (TLD), dosimetri a luminescenza stimolata otticamente (OSL) e i dosimetri elettronici a lettura diretta.
  • Dosimetria clinica e controllo qualità (QC): misurano la dose erogata da macchine terapeutiche (es. acceleratori lineari) o diagnostiche.
    • Esempi:
      • Camere a ionizzazione: usate per misurazioni in campo e per il controllo qualità.
      • Dosimetri a diodi: piccoli e con risposta veloce, ideali per misurazioni in vivo.
      • Film dosimetrici (es. Gafchromic): utilizzati per misurare distribuzioni di dose (mappe 2D).
      • Dosimetri a fibre ottiche e a scintillazione: adatti per misurazioni complesse e in ambienti ad alto gradiente.

La scelta dello strumento dipende dalla sensibilità, dal range di energia e dall'accuratezza richiesta per lo specifico tipo di radiazione e applicazione.

La protezione dalle radiazioni ionizzanti (radioprotezione)

Dosimetro per RMN

La radioprotezione (o protezione sanitaria contro i pericoli delle radiazioni ionizzanti) è una disciplina fondamentale che integra conoscenze scientifiche provenienti da diverse aree, tra cui la fisica (per la misurazione e la caratterizzazione delle radiazioni), la medicina e la biologia (per lo studio degli effetti sul corpo umano).

Il suo scopo primario è proteggere la salute delle persone e l'ambiente dai pericoli derivanti dall'esposizione alle radiazioni ionizzanti, assicurando che i benefici derivanti dalle pratiche radiologiche superino i rischi.

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Obiettivi della radioprotezione

La radioprotezione distingue i suoi obiettivi in base alla natura degli effetti biologici noti:

1. Eliminazione degli effetti deterministici: prevenire completamente l'insorgenza dei cosiddetti effetti deterministici (o non stocastici). Questi effetti hanno una soglia di dose al di sotto della quale non si manifestano (es. eritema, cataratta da radiazioni) e la loro gravità aumenta con la dose. L'obiettivo è mantenere le dosi al di sotto di tale soglia.
2. Riduzione degli effetti stocastici: ridurre il più possibile la probabilità di insorgenza degli effetti stocastici (o probabilistici). Questi effetti non hanno una soglia (si assume che qualsiasi dose, anche minima, possa aumentarne la probabilità) e la loro probabilità (ma non la gravità) è proporzionale alla dose (es. cancro o effetti ereditari).

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I Tre Principi Fondamentali

La radioprotezione moderna, a livello internazionale (ICRP) e nazionale (in Italia, recepita dal D.Lgs. 101/2020), si fonda su tre principi cardine che guidano l'applicazione delle radiazioni ionizzanti:

1. Giustificazione:
   • Qualsiasi attività che comporti un'esposizione a radiazioni ionizzanti (una "pratica") deve essere preventivamente giustificata.
   • Il beneficio collettivo o individuale (netto) derivante da tale pratica deve essere superiore al detrimento sanitario che ne consegue per le persone esposte.
   • Esempio: Una radiografia è giustificata se l'informazione diagnostica ottenuta è cruciale per la salute del paziente.
2. Ottimizzazione (ALARA - As Low As Reasonably Achievable):
   • Una volta giustificata una pratica, le dosi individuali e il numero di persone esposte devono essere mantenuti al livello più basso ragionevolmente raggiungibile, tenendo conto dei fattori economici e sociali.
   • Questo è il principio più operativo e dinamico, applicato attraverso misure di protezione quali il tempo di esposizione, la distanza dalla sorgente e l'uso di schermature.
3. Limitazione della dose:
   • La dose ricevuta dagli individui (lavoratori esposti e pubblico) non deve in nessun caso superare i limiti di dose stabiliti dalla normativa vigente. Tali limiti sono specifici e molto più restrittivi per la popolazione che per i lavoratori.
   • Eccezione: il principio di limitazione della dose non si applica direttamente alle esposizioni con finalità mediche (pazienti sottoposti a diagnosi o terapia, come la radioterapia), poiché per i pazienti prevalgono la giustificazione e l'ottimizzazione del beneficio clinico.

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Figure professionali in Italia

In Italia, il "D.Lgs. 101/2020" definisce le figure professionali chiave con responsabilità specifiche nella sorveglianza e nell'applicazione dei principi di radioprotezione:

Figura Professionale	Ambito di Competenza Principale	Ruolo/Funzione
Esperto Qualificato (EQ)	Lavoratori e pubblico	Valutazione e misurazione delle dosi, consulenza tecnica, delimitazione delle zone a rischio e verifica degli strumenti di protezione.
Medico autorizzato (MA)	Sorveglianza sanitaria dei lavoratori	Valutazione dell'idoneità lavorativa, sorveglianza medica periodica dei lavoratori esposti (fisica sanitaria).
Esperto in fisica medica (EFM)	Pazienti (esposizioni mediche)	Ottimizzazione della dose per procedure diagnostiche e terapeutiche (es. calibrazione delle apparecchiature, pianificazione della radioterapia).

Bibliografia

• R. F. Laitano, Fondamenti di dosimetria delle radiazioni ionizzanti, 2013, ENEA

Voci correlate

• Dose area product
• Radioprotezione

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