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Scoperta dei raggi X

La scoperta dei raggi X avvenne nel 1895 ad opera del fisico tedesco Wilhelm Conrad Roentgen, professore all’Università di Würzburg. Roentgen fece questa scoperta mentre era impegnato in alcuni studi sui raggi catodici. Data la natura allora ignota di queste radiazioni, Roentgen le chiamò “raggi X”.

La prima radiografia

I raggi scoperti da Roentgen presentavano le seguenti caratteristiche:

• erano in grado di attraversare i corpi opachi alla luce;
• potevano determinare la comparsa di una debole luce blu-verde (“fluorescenza”) in alcuni minerali contenenti sali di zinco, platino e altri metalli pesanti;
• potevano impressionare le lastre fotografiche.

Combinando la capacità di attraversare i corpi opachi alla luce e quella di impressionare le lastre fotografiche, Roentgen ebbe la geniale intuizione di provare a vedere che cosa succedeva, se tra la sorgente dei raggi X e una lastra fotografica, si interponeva un oggetto.

Grazie a lui, i raggi X sono stati quasi subito impiegati per quello che poi sarebbe diventato il loro principale campo di applicazione: la diagnostica.

Spettro delle Radiazioni Elettromagnetiche

Le radiazioni Elettromagnetiche presentano uno spettro molto ampio che va dalle onde radio AM, con lunghezza d’onda di dimensioni paragonabili a quella di un palazzo, ai raggi cosmici, la cui lunghezza d’onda è nell’ordine delle particelle subatomiche.

Al ridursi della lunghezza d’onda e, quindi, all’aumentare della frequenza, corrisponde un aumento dell’energia delle radiazioni elettromagnetiche.

La frequenza è, perciò, direttamente proporzionale all’energia secondo la formula:

E = hν

In cui:

• E: energia
• h: costante di Planck
• ν: frequenza

I raggi X, e i raggi γ, appartengono al sottogruppo delle radiazioni elettromagnetiche ionizzanti.

Formazione dei raggi X

I raggi X si producono nel tubo radiogeno: qui un fascio di elettroni ad elevata energia, prodotto da un filamento incandescente (catodo), viene “sparato” contro gli “atomi bersaglio” di una placca metallica (anodo).

Tubo radiogeno

I tubi radiogeni sono delle ampolle di vetro nelle quali, un polo negativo (catodo) ed uno positivo (anodo) si trovano sotto vuoto spinto.
Essi vengono distinti in tubi ad anodo fisso e ad anodo rotante.

Esempi di tubo radiogeno ad anodo fisso sono il tubo di Crookes e quello di Coolidge.
Il tubo di Crookes è quello con cui Roentgen fece la sua scoperta. Con questo tipo di tubo, tuttavia, si producevano solo modeste quantità di raggi X.

L’evoluzione tecnologica del tubo di Crookes è rappresentata dal tubo di Coolidge che, grazie ad alcuni accorgimenti tecnici e ai materiali di costruzione del catodo e dell’anodo, ha permesso di produrre maggiori quantità di raggi X. In questo modo è stato possibile ridurre i tempi di esposizione ed ampliare la gamma degli studi radiografici possibili.

Tubo radiogeno – Catodo

Il catodo è costituito da un filamento metallico disposto a spirale, di solito fatto di tungsteno, che viene portato all’incandescenza facendovi circolare corrente ad elevata intensità (3-8 Ampère – A) e basso voltaggio (10-20 Volt – V). L’incandescenza, grazie all’effetto termoionico, rende più labile il legame tra gli elettroni degli orbitali più esterni ed il corrispondente nucleo.

Le dimensioni della spiralina influenzano il diametro della cosiddetta “macchia focale” e, quindi, il grado di dettaglio dell’immagine radiografica. In molti apparecchi radiografici, nel catodo ci sono due spiraline, una di dimensioni maggiori, per le esposizioni che richiedono parametri elevati (ad es. per studi dell’addome o del torace), l’altra, più piccola, per esposizioni che richiedono parametri più bassi ma immagini più dettagliate (ad es. studi delle estremità degli arti). Il diametro del fascio catodico viene contenuto anche grazie alla coppa di focalizzazione che è, appunto, una coppa, di solito di rame, sul cui fondo sono alloggiate le spiraline: nella coppa viene fatta circolare corrente che genera un campo magnetico che mantiene collimato il fascio di elettroni.

Tubo radiogeno ad anodo rotante

I tubi radiogeni ad anodo rotante, sono un’evoluzione tecnologica di quelli ad anodo fisso.
Infatti, seppure mantengano invariate, da un punto di vista geometrico, le caratteristiche della macchia focale (reale e proiettata), essi sono in grado di produrre quantità molto maggiori di raggi X: grazie al fatto che l’area colpita dagli elettroni è molto più ampia, l’anodo si raffredda più rapidamente e, quindi, possono essere applicate ddp più elevate e per tempi più lunghi.

Effetto anodico (“heel effect”)

A causa dell’inclinazione dell’anodo, il fascio emesso dal tubo è costituito da raggi X non omogenei per energia: quelli più intensi sono percentualmente più concentrati verso il catodo.

Per questo, quando si esegue un esame radiografico, conviene disporre i distretti corporei più spessi verso il catodo.

Frenamento

Il fenomeno del frenamento (Bremsstrahlung) o radiazione generale è il fenomeno per cui l’elettrone proveniente dal catodo subisce una brusca decelerazione: la sua energia cinetica viene trasformata in calore e con la produzione di un raggio X.

Radiazione caratteristica

Il fenomeno della radiazione caratteristica si verifica quando l’elettrone proveniente dal catodo colpisce un elettrone degli orbitali più interni espellendolo. L’orbitale, a questo punto, viene occupato da un elettrone dell’orbitale più esterno che per questo cede la sua energia sotto forma di un raggio X. Questo fenomeno viene detto “radiazione caratteristica” perché i picchi di raggi X prodotti sono tipici dell’elemento utilizzato per l’anodo.

Spettro dei raggi X

Lo spettro dei raggi presenta un aspetto “a cupola” con un picco di energia (keV picco) e alcune spicule che rappresentano la radiazione caratteristica che è diversa a seconda dell’elemento utilizzato per l’anodo.

Energia dei raggi X

Il fascio radiogeno emesso dal tubo è costituito da un insieme di raggi X di differente energia. L’energia media dei raggi X del fascio dipende dall’energia degli elettroni provenienti dal catodo e dal tipo di metallo dell’anodo. Più veloci sono gli elettroni maggiore sarà l’energia dei raggi X.

La velocità degli elettroni aumenta o diminuisce aumentando o diminuendo la differenza di potenziale (kV) tra catodo ed anodo. La differenza di potenziale può essere regolata sulla console dell’apparecchio radiografico.

L’energia media dei raggi X del fascio radiogeno è pari all’incirca ad 1/3 dell’energia massima degli elettroni (keV picco o kVp).

Maggiore è l’energia di un raggio X, maggiore è il suo potere di penetrazione. L’energia dei raggi X, perciò, rappresenta un parametro qualitativo.

Intensità dei raggi X

L’intensità dei raggi X del fascio radiogeno, cioè il numero di raggi X che costituiscono il fascio, dipende dalla quantità (flusso) degli elettroni prodotti dal catodo.

La quantità di elettroni prodotta viene regolata mediante il controllo della intensità, in milliAmpere (mA) sulla console dell’apparecchio radiografico. Aumentando l’intensità, aumenta il grado di incandescenza del filamento e, quindi, l’effetto termoionico sugli elettroni del catodo.

La quantità di elettroni prodotta può essere regolata anche mediante il controllo del tempo di funzionamento del tubo (tempo esposizione), in secondi (s), sulla console dell’apparecchio radiografico.

Per questo, più propriamente, la quantità di elettroni prodotta viene espressa in mA x s (mAs). L’intensità ed il tempo di esposizione rappresentano, perciò, un parametro quantitativo.

Apparecchio radiografico

Un apparecchio radiografico è fondamentalmente composto da una testata contenente il tubo radiogeno e sorretta da uno stativo, dal tavolo portapaziente, al disotto del quale c’è il vano portacassette, ed, infine, dal quadro comandi o consolle.

In una prossima lezione, ci occuperemo più nel dettaglio delle varie tipologie di apparecchi radiografici.

Definizione di Radiografia

“Immagine diagnostica ottenuta interponendo la struttura da esaminare tra il tubo radiogeno e un materiale sensibile alle radiazioni“.

Nella Radiologia convenzionale, essa si ottiene su una pellicola (sensibile ai Raggi X e alla luce) che, una volta esposta ai Raggi X, deve essere sottoposta a un trattamento chimico (sviluppo e fissaggio).

Recentemente sono stati sviluppati sistemi digitali in cui la pellicola è sostituita da materiali rivelatori sensibili ai Raggi X, che possono essere riutilizzati dopo essere stati letti da un apposito apparecchio (vedi la lezione “Radiologia digitale“).

Formazione dell’immagine radiografica

Le varie strutture del corpo attenuano il fascio di raggi X, sulla base della loro densità e del loro spessore, per cui sul materiale sensibile ai raggi (pellicola radiografica o altro) ne arrivano in ogni punto quantità diverse.

Più raggi X arrivano sulla pellicola radiografica, più essa diventa nera, più raggi X vengono attenuati dalle strutture anatomiche più la pellicola sarà chiara.

Radioopacità e Radiotrasparenze

Maggiore attenuazione del fascio di raggi X =aree chiare (radioopacità)

Minore attenuazione del fascio di raggi X =aree scure (radiotrasparenza)

Attenzione!

Radiopacità e radiotrasparenza sono, comunque, termini relativi, non assoluti:
una struttura anatomica sarà radioopaca o radiotrasparente rispetto ad un’altra struttura, ma il suo livello di grigio dipenderà anche da altri fattori (energia dei raggi X, tipo di pellicola, tipo di schermo di rinforzo, ecc.).

Attenuazione dei raggi X

L’attenuazione del fascio dei raggi X dipende sia dalla densità atomica dei tessuti attraversati sia dal loro spessore.

In altre parole, quando il fascio attraversa tessuti di densità atomica differente, come ad esempio il tessuto muscolare ed il tessuto osseo, l’attenuazione, a parità di spessore, sarà maggiore da parte del tessuto osseo, più denso; quando, invece, viene attraversato una regione anatomica costituita da solo tessuto muscolare o, comunque, tessuti molli, l’attenuazione sarà direttamente proporzionale allo spessore.

Radiografia applicazioni

In Medicina Veterinaria, la Radiografia trova tutt’oggi molteplici applicazioni e può essere ancora considerata la tecnica più utilizzata.

Attualmente, sebbene l’introduzione dell’ecografia e di tecniche più sofisticate (in particolare la TC) ne abbia ridotto i campi di applicazione, la Radiografia può essere considerata l’esame di scelta o la tecnica di primo livello:

• nello studio dello scheletro;
• nello studio del torace;
• nello studio del tubo digerente.

Definizione di Radioscopia

“Immagine diagnostica ottenuta in tempo reale interponendo la struttura da esaminare tra un tubo radiogeno e uno schermo fluorescente“.

Fluorescenza

Fenomeno per cui sostanze come il solfuro di cadmio, il platinocianuro di bario, il fosfotungstato di calcio, etc. emettono radiazioni luminose (in genere nelle frequenze del verde-blu) quando vengono colpiti dai raggi X.

Formazione dell’immagine radioscopica

Le varie strutture del corpo attenuano il fascio di raggi X, sulla base della loro densità e del loro spessore, per cui sul materiale sensibile ai raggi (schermo fluorescente) ne arrivano in ogni punto quantità diverse.

Più raggi X arrivano sullo schermo, più esso si illumina, più raggi X vengono attenuati dalle strutture anatomiche più lo schermo sarà scuro.

Radioscopia: Radioopacità e Radiotrasparenze

In Radioscopia le definizioni relative alla radioopacità e alla radiotrasparenza sono le stesse che per la Radiografia, l’unica cosa che cambia è che i livelli di grigio sono invertiti.

Maggiore attenuazione del fascio di raggi X =aree scure (radioopacità).

Minore attenuazione del fascio di raggi X =aree chiare (radiotrasparenza o radiolucenza).

Radioscopia su schermo

In passato le indagini radioscopiche venivano effettuate direttamente sullo schermo fluorescente.

Ne derivava che:

• l’immagine sullo schermo era scarsamente luminosa e con scarso contrasto;
• l’osservazione richiedeva ambienti oscurati (visione di tipo scotopico*);
• erano necessari tempi lunghi, prima di adattamento della vista e, poi, di studio delle immagini.

Tutto ciò comportava una notevole radioesposizione del paziente e del radiologo!

*La visione scotopica è la visione monocromatica dovuta unicamente all’attività dei bastoncelli della retina. Questo tipo di visione si ha quando il livello di illuminazione è molto basso. Essa permette di rilevare differenze di luminosità ma non differenze di colore. La visione che avviene con normali livelli di illuminazione è detta visione fotopica.

Radioscopia moderna

Attualmente, la radioscopia può essere eseguita solo con sistemi di amplificazione dell’intensità luminosa dello schermo fluorescente collegati ad un monitor televisivo in bianco/nero (amplificatore/intensificatore di brillanza). Grazie a questo apparecchio, è possibile eseguire delle radioscopie in ambienti illuminati a giorno e con bassissime quantità di raggi X.

In una prossima lezione ci occuperemo più dettagliatamente dell’apparecchio.

Radioscopia applicazioni

La Radioscopia, in campo Veterinario, trova applicazione principalmente per:

• ottimizzare la posizione del paziente prima di un esame radiografico (apparecchi funzionanti sia in scopia che in grafia);
• come guida/monitoraggio di interventi chirurgici (ortopedia!);
• come guida per procedure di radiologia interventistica (biopsie, cateterismi….);
• per la valutazione di fenomeni dinamici (deglutizione, peristalsi, respirazione, movimenti articolari….).

Prossima lezione

Ci occuperemo di interazioni raggi X-materia, opacità radiografiche, densità e contrasto radiografico.