Scopri Come Funzionano i Raggi X: La Guida Definitiva ai Principi della Radiografia

I raggi X (raggi ionizzanti) sono onde elettromagnetiche la cui lunghezza d’onda è molto piccola rispetto a quella delle radiazioni visibili. Di conseguenza, vista la proporzionalità inversa tra lunghezza d'onda e frequenza, possiamo anche definire i raggi X come onde elettromagnetiche ad alta frequenza. Sono raggi simili alla luce del visibile e ai raggi UV dai quali differenziano per avere una minore lunghezza d'onda e, conseguentemente, una maggiore frequenza; i raggi X hanno però maggiori lunghezze d'onda (e conseguentemente frequenze più basse) rispetto ai raggi gamma. I raggi X di lunghezza d'onda maggiore si dicono "molli", mentre quelli di piccola lunghezza d'onda, più energetici, sono detti "duri"; i primi vengono utilizzati a scopo diagnostico, i secondi nella cura del cancro, perché in grado di uccidere le cellule tumorali.

La Scoperta dei Raggi X

I raggi X furono casualmente scoperti nel 1895 dallo scienziato tedesco Wilhelm C. Röntgen, mentre faceva esperimenti sui raggi catodici con un tubo a vuoto. Il fisico tedesco W. K. Röntgen notò che, in concomitanza con il passaggio degli elettroni nel gas, uno schermo ricoperto di materiale luminescente si illuminava, come se venisse investito da un raggio di luce che però in realtà non c'era. Mentre lavorava, si accorse anche di un altro fatto, ancora più sorprendente: su una delle lastre fotografiche si vedeva l'ombra delle ossa della propria mano! Questo lo convinse definitivamente di trovarsi di fronte a un fenomeno nuovo e importante.

I raggi X sono detti anche raggi röntgen, dal nome del fisico tedesco Konrad Wilhelm Röntgen che li scoprì nel lontano 1895, dimostrandone l'esistenza mediante un radiogramma della mano della consorte.

Principi di Funzionamento e Produzione dei Raggi X

I raggi x vengono prodotti grazie ad appositi tubi radiologici che sono delle ampolle di vetro sotto vuoto spinto nelle quali si applica una elevata differenza di potenziale elettrico (decine di migliaia di volt). Questa ha l’effetto di accelerare fortemente un fascio di elettroni emessi da una spiralina incandescente: gli elettroni vanno così a colpire ad alta energia un bersaglio formato da un metallo pesante, in genere tungsteno, il quale, per un fenomeno fisico assai complesso, emette radiazioni che appartengono appunto alla banda dei raggi x.

Il tubo radiogeno (tubo a raggi x) rappresenta il vero “cuore” di una radiografia. È grazie ad esso che si riescono ad ottenere le immagini radiografiche sfruttando i raggi x. Esso è costituito da un’ampolla di vetro, posta dentro un involucro metallico rivestito di piombo. All’interno dell’ampolla di vetro viene creato il vuoto molto spinto.

In pratica, i raggi X vengono prodotti tramite l'utilizzo di tubi ad alto vuoto (tubi per raggi X) in cui gli elettroni emessi da un catodo e accelerati verso un anodo, vanno a colpire un bersaglio metallico (anticatodo, che può coincidere con l'anodo). La generazione dei raggi x negli apparecchi radiologici è quindi un fenomeno strettamente governato dall’uomo, nei suoi parametri fisici, nella sua intensità e nella sua durata: i raggi x si formano nel tubo ed escono solo nel momento in cui, schiacciando un pulsante, si determina la formazione dell’alta tensione e il flusso di elettroni. Il tubo e l’apparecchio radiologico spenti o inattivi non sono radioattivi e non emettono raggi.

Interazione con la Materia e Formazione delle Immagini

I raggi X hanno la capacità di penetrare attraverso i tessuti biologici opachi alle radiazioni luminose, risultandone solo parzialmente assorbiti. Quindi, per radiopacità del mezzo materiale si intende la capacità di assorbire fotoni X e per radiotrasparenza si intende la capacità di lasciarli passare. Il numero di fotoni che possono attraversare lo spessore di un soggetto dipende dall'energia dei fotoni stessi, dal numero atomico e dalla densità dei mezzi che lo compongono.

Quindi, l'immagine che ne deriva risulta una mappa delle differenze di attenuazione del fascio di fotoni incidente, che a sua volta dipende dalla struttura disomogenea, quindi dalla radiopacità della sezione corporea esaminata. Le radiopacità, dunque, sono differenti fra un arto, i tessuti molli, ed un segmento osseo. Differiscono anche nel torace, fra i campi polmonari (pieni d'aria) ed il mediastino.

La diagnostica radiologica richiede la creazione di immagini radiografiche, che rendano visibili le modificazioni indotte dal corpo umano sul fascio di raggi x: è su queste immagini che il radiologo formula la propria diagnosi.

Le immagini vengono ottenute utilizzando delle strutture, chiamate rivelatori, capaci di convertire il segnale dei fotoni x, non visibili, in una immagine visibile. Di ogni rivelatore importa valutare l'efficienza e il potere di risoluzione. La prima esprime la capacità del sistema di fornire una immagine sufficientemente luminosa perchè l'occhio umano possa valutarla ai fini diagnostici. Aumentando l'efficienza del rivelatore si riduce la dose di radiazioni da impartire al paziente per ottenere una immagine diagnosticamente valida. Il potere di risoluzione esprime invece la fedeltà di trasferimento dell'informazione spaziale (dettaglio) da parte di un sistema di rivelazione. Aumentando il potere di risoluzione aumenta la finezza dell'immagine e quindi, in molti casi, aumenta la precisione diagnostica.

Tipologie di Immagini Radiografiche

Le immagini radiografiche si suddividono inoltre in:

immagini cinetiche o dinamiche, che rappresentano in tempo reale l'esame eseguito e il movimento degli organi
immagini statiche, che forniscono un documento stabile del quadro interno del corpo umano: queste possono essere acquisite anche durante una indagine dinamica.

Le immagini di tipo cinetico o dinamico richiedono l’utilizzo di un sistema per radioscopia, basato sull’impiego un rivelatore che fornisce luce in corrispondenza dei punti in cui riceve raggi x. Oggi si utilizza una lamina fotoemittente con un tubo elettronico fotomoltiplicatore (“amplificatore di brillanza”) il cui segnale luminoso di uscita viene spesso raccolto da una videocamera e trasmesso via cavo.

Le immagini statiche vengono ottenute impiegando, nella maggior parte dei casi, delle pellicole radiografiche: queste non sono altro che pellicole fotografiche in bianco e nero emulsionate su entrambe le facce. Poiché le pellicole sono assai più sensibili alla luce che alle radiazioni x, questa proprietà viene utilizzata esponendole ai raggi insieme a due lamine fotoemittenti (“schermi di rinforzo”) contenute in una scatola protettiva a tenuta di luce detta “cassetta radiografica”. Buona parte dell’esposizione e dell’annerimento della pellicola sono determinati in questo modo non dall’azione diretta dei raggi x ma dalla luce emessa dagli schermi di rinforzo quando sono colpiti dai raggi.

La pellicola impressionata viene successivamente trasformata in immagine reale con procedimenti analoghi a quelli utilizzati per lo sviluppo della classica pellicola fotografica.

La Radiologia Digitale

Negli ultimi anni sono stati introdotti e vengono impiegati in maniera crescente dei sistemi di rivelazione delle immagini basati sull'uso del computer e di sensori ad esso collegati ("radiologia digitale").

Un sistema digitale molto noto e utilizzato da tempo è costituito dalla Tomografia Computerizzata (TC), indagine nella quale un tubo radiogeno ruota intorno al corpo del paziente emettendo un sottile fascio di raggi x. Dall'altra parte del corpo una corona di sensori radiosensibili collegati al computer misura l'intensità dei raggi che hanno attraversato il paziente punto per punto. Questo insieme di dati viene raccolto e rielaborato dal computer che, grazie a un complesso sistema di calcolo matematico, è in grado di ricostruire la distribuzione delle densità radiografiche all'interno della sezione del corpo attraversata dai raggi e quindi ne crea l'immagine virtuale su un monitor.

In altri sistemi digitali più recenti, l'intensità della radiazione che ha attraversato il paziente viene registrata su lamine sensibili ("fosfori a memoria") che restituiscono successivamente questa informazione dopo lettura eseguita tramite un raggio laser.

In ogni caso, le immagini digitali sono dei veri e propri file informatici che vengono archiviati nel computer dell'apparecchio e possono venire aperti, copiati e trasferiti come ogni supporto informatico. I vantaggi più importanti delle immagini digitali sono:

possibilità di modificare "a posteriori" le caratteristiche iconografiche delle immagini, principalmente la densità e il contrasto, senza dover ripetere l'esame
risparmio di dose radiante rispetto alle pellicole tradizionali
archiviazione rapida in minimo spazio (CD-ROM) e recupero in tempi brevissimi
possibilità di teletrasmissione via cavo o Internet in maniera molto semplice, realizzando consultazioni e discussioni di casi da parte di esperti a distanza ("teleradiologia").

Nelle applicazioni più avanzate i sistemi digitali consentono, partendo da sezioni TC contigue di un distretto del corpo, di ottenerne la ricostruzione secondo piani differenti o la creazione di modelli tridimensionali.

Mezzi di Contrasto

Se un organo assorbe poco le radiazioni e comunque le assorbe allo stesso modo degli organi che lo circondano, esso non risulterà visibile in modo utile sull’immagine radiografica. I mezzi di contrasto per radiologia si dividono in due grandi categorie a secondo della loro costituzione chimica, che ne determina i possibili impieghi:

mezzi di contrasto baritati
mezzi di contrasto iodati

Mezzi di Contrasto Baritati

I mezzi di contrasto baritati sono delle sospensioni di un sale, il solfato di bario (BaSO4), dotato di intensa radiopacità: si tratta di un materiale inerte, che non viene assorbito né metabolizzato dall’ organismo. Il solfato di bario si può usare solo per gli esami del canale alimentare, dal quale viene eliminato per svuotamento naturale: apparato digerente (“pasto baritato”) e clisma opaco.

I mezzi di contrasto baritati non devono venire impiegati quando vi sia sospetto di occlusioni o di perforazioni del lume viscerale, poiché il mezzo di contrasto baritato non viene riassorbito dall’organismo e dovrebbe quindi essere eliminato per via chirurgica.

Mezzi di Contrasto Iodati

I mezzi di contrasto iodati sono una categoria di numerose sostanze formate da molecole anche complesse contenenti uno o più atomi di iodio. La loro struttura molecolare ne determina le diverse proprietà biologiche e i progressi della farmacologia hanno reso possibile la formulazione di mezzi di contrasto iodati compatibili con il corpo umano, sterilizzabili e iniettabili.

I mezzi di contrasto iodati sono delle vere e proprie sostanze farmaceutiche, in genere ben tollerate e quasi del tutto sprovviste di effetti collaterali: questi sono stati riportati in alcuni casi, soprattutto in passato, per l’intervento di meccanismi immuno-allergici tipo shock anafilattico.

Fra gli esami radiografici più importanti che impiegano mezzi di contrasto ricordiamo:

esami baritati e clisma opaco
urografia
arteriografia e flebografia, ecc.

Si è visto inoltre che i tumori maligni si accompagnano in molti casi ad un aumento della loro vascolarizzazione, con formazione di una rete arteriosa anomala e accumulo del mezzo di contrasto nel loro interno. Questa neoangiogenesi neoplastica è la base dell’ impiego dei mezzi di contrasto per la diagnosi della natura delle alterazioni strutturali degli organi, utilizzandone l’iniezione arteriosa (arteriografia) ma soprattutto mediante somministrazione endovenosa durante tomografia computerizzata (TC con mezzo di contrasto).

Mezzi di Contrasto per Risonanza Magnetica (RM) ed Ecografia

Negli esami di RM si utilizzano mezzi di contrasto che contengono atomi di un elemento raro, il gadolinio. Queste sostanze, somministrate per via endovenosa in occasione dell’ esame, si fissano agli organi e si distribuiscono nei vasi in maniera simile ai mezzi di contrasto iodati per radiologia. La differenza consiste nel fatto che gli atomi di gadolinio non emettono direttamente segnali magnetici ma modificano temporaneamente le proprietà paramagnetiche delle zone del corpo in cui vanno a fissarsi. Ne risulta una modificazione del segnale raccolto dall’apparecchio e quindi dell’immagine RM.

Esistono anche dei mezzi di contrasto per ecografia, di introduzione piuttosto recente. Questi vengono iniettati per via endovenosa e servono, allo stato attuale, unicamente ad accentuare e migliorare il segnale fornito dalle strutture cardiovascolari. Essi vengono quindi utilizzati quasi esclusivamente in cardiologia (ecocardiografia) e in diagnostica vascolare (eco-doppler e color-doppler).

Rischi e Radioprotezione

I raggi X, attraversando la materia, producono ioni, perciò sono chiamati radiazioni ionizzanti. Queste radiazioni dissociano le molecole e, se queste appartengono a cellule di organismi viventi, producono lesioni cellulari. Per questa loro proprietà, i raggi X sono usati nella terapia di alcuni tipi di tumori. Sin dagli anni settanta i raggi X sono classificati come agenti cancerogeni noti.

E' importante ricordare una legge fisica che esprime la relazione che lega la frequenza (n) e l' energia (E) dell' onda: E = hn dove h è la costante di Planck ed è un valore numerico universale. Ne deriva che, essendo i raggi x onde elettromagnetiche ad alta frequenza, ad essi è associata una energia molto elevata.

Per questo motivo i raggi x, che nella loro interazione con la materia cedono una notevole quantità di energia, sono in grado di determinare la ionizzazione degli atomi, cioè la formazione di coppie di ioni e di radicali liberi, con conseguenze anche gravi sulla struttura dei costituenti biochimici della cellula e sulla salute del vivente. Questi effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sono più marcati sulle cellule ad alta attività proliferativa e spiegano sia il loro impiego per la radioterapia delle neoplasie che la spiccata sensibilità al danno radiante delle cellule in fase di rapida crescita come il midollo osseo emopoietico, la mucosa intestinale e i gameti.

L' energia rilasciata dai raggi x all' interno del corpo viene espressa dalla dose: questa si misura in Gray (1 Gy = 1 J/kg). Le dosi impartite dalla maggior parte degli esami radiologici di uso comune (ossa, torace, mammografia, apparato digerente, etc.) sono comprese fra 1 e 10 mGy. Esami di grande impegno come la TC di distretti estesi (torace, addome) o l' arteriografia impartiscono dosi alcune volte maggiori. Giova ricordare che le dosi radianti minime per le quali sia stato dimostrato un effetto lesivo sulle cellule sono superiori di molte diecine di volte rispetto a quelle impiegate in radiodiagnostica.

La presenza di importanti effetti fisici e biologici determinati dai raggi x e dalle radiazioni ionizzanti giustifica le limitazioni e i meccanismi di controllo che regolano il loro impiego. In campo sanitario, l'esercizio professionale della radiologia e della radioterapia è riservato ai medici in possesso dei relativi diplomi di specializzazione. I medici e gli odontoiatri possono comunque utilizzare apparecchi radiologici per l'esame dei propri pazienti in via collaterale alla propria attività clinica e nel rispetto di precise normative. L'esecuzione materiale delle radiografie e dei trattamenti radioterapici è affidata esclusivamente a personale specializzato (Tecnici Sanitari di Radiologia Medica) che giunge a questo titolo dopo un corso triennale di Diploma Universitario.

La radiologia sfrutta l'interazione del corpo umano con fasci di particolari onde elettromagnetiche, dette raggi x, la cui lunghezza d'onda è assai più corta di quella delle onde radio e della luce e appartiene alla banda compresa fra 0,001 e 1 nm. In generale, una radiazione è costituita da quanti di onde elettromagnetiche (fotoni), oppure da particelle dotate di massa (radiazioni corpuscolari).

Il percorso delle radiazioni dipende essenzialmente dalla loro interazione con la materia incontrata durante il tragitto. Più energia esse posseggono e più si muovono velocemente. Dunque, attraversando la materia le radiazioni ionizzanti cedono tutta od in parte la loro energia, producendo ioni che, a loro volta, se acquisiscono energia sufficiente producono ulteriori ioni: si sviluppa così uno sciame di ioni sulla traiettoria della radiazione incidente che procede fino all'esaurimento dell'energia iniziale.

I raggi X sono utilizzati in diagnostica (radiografie), mentre le altre radiazioni vengono utilizzate anche in terapia (radioterapia). Queste radiazioni sonopresenti in natura, oppure sono prodotte artificialmente mediante dispositivi radiogeni ed acceleratori di particelle.