Dosimetria

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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

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

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:

${\displaystyle H=QD}$.

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

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

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

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

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

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

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

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 ${\displaystyle w_{R}}$ e sommando su tutte le radiazioni che forniscono dose:

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

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

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

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).

La protezione dalle radiazioni ionizzanti (radioprotezione)

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.

Bibliografia

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

Voci correlate

• Dose area product
• Radioprotezione

Altri progetti

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