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X–ray “on the road”: dalla teoria alle applicazioni

I raggi x sono fondamentalmente onde ondulatorie di energia elettromagnetica, trasportate da particelle chiamate fotoni. La differenza tra raggi x e luce visibile è il livello di energia dei singoli fotoni, espresso in termini di lunghezza d’onda.  I nostri occhi sono sensibili alla particolare lunghezza d’onda della luce visibile ma non a quella più corta dei raggi x. Entrambi i fotoni di luce visibile o raggi x sono prodotti dal movimento di elettroni all’interno di un atomo.  I recenti sviluppi di sorgenti di raggi X hanno aperto un grande campo di ricerca basato su due punti principali di interesse: immagini ad alta risoluzione a raggi x e il miglioramento della qualità del fascio nelle macchine radiografiche. Esempi di applicazioni sono la microscopia a raggi x, imaging a contrasto di fase, applicazioni mammografiche. L’obiettivo di questo articolo è analizzare gli aspetti dei raggi x ripercorrendo brevemente la storia, per poi soffermarci sulle principali applicazioni che troviamo nel mercato e come l’elettronica lavora in questo campo in termini di gestione e acquisizione dati.

1.    Introduzione

I fotoni di luce visibile e di raggi x sono entrambi prodotti dal movimento degli elettroni in atomi. Gli elettroni occupano differenti livelli di energia, o orbitali, attorno al nucleo. Quando un elettrone scende ad un orbitale inferiore, è necessario rilasciare una certa energia sotto forma di fotone. Il livello di energia del fotone dipende dalla differenza energetica degli orbitali dove risiedono gli elettroni.  Quando un fotone si scontra con un altro atomo, quest’ultimo può assorbire l'energia del fotone, stimolando un elettrone ad andare in un livello superiore. Perché ciò accada, il livello di energia del fotone deve corrispondere alla differenza di energia tra le due posizioni degli elettroni. In caso contrario, il fotone non ha energia sufficiente per “spostare” elettroni tra gli orbitali.
I raggi x coinvolgono ricerche in ambito della meccanica quantistica teorica, cristallografia e la cosmologia. Nel 1892, Heinrich Hertz dimostrò che i raggi catodici potevano attraversare fogli di metallo sottile e i suoi seguaci (studenti) continuarono con lo studio attraverso vari materiali.  Verso la fine del 1887, Nikolas Tesla iniziò a studiare i raggi x provenienti dal tubo di Crookes avvertendo la comunità scientifica dai rischi derivanti dall’esposizione. Nel 1895 Wihelm Rontgen, uno scienziato tedesco, iniziò ad osservare raggi x mentre sperimentava con i tubi a vuoto, scrivendo un rapporto nel dicembre dello stesso anno che fu pubblicato sulla rivista Physikalisch-Medizinische Gesellschaft di Würzburg.  I contributi più importanti della tecnologia a raggi x sono stati nel mondo della medicina, ma hanno svolto anche un ruolo fondamentale in un certo numero di altre aree. Nel mondo industriale, gli scanner a raggi x sono spesso utilizzati per rilevare i difetti di attrezzature  e sono diventati di serie nella sicurezza aeroportuale.
I raggi x vengono assorbiti dai tessuti dell'organismo con un coefficiente di assorbimento in funzione del materiale che ne compone. A differenza delle ossa, muscoli e legamenti sono facilmente attraversati dalle radiazioni. Gli atomi di calcio che compongono le ossa sono molto più grandi e possono assorbire fotoni a raggi x.
Un atomo più grande (in termini di numero atomico) è più probabile che possa assorbire un fotone di raggi x poichè hanno maggiori differenze di energia tra gli orbitali. Gli atomi più piccoli, invece, dove gli orbitali degli elettroni sono separati da salti in energia relativamente bassi, hanno meno probabilità di assorbire i fotoni a raggi x. Dal punto di vista radiografico, l’immagine è ottenuta inviando al corpo una dose di raggi x in un brevissimo tempo, in genere molto meno di un secondo. A seconda del tessuto,  il fascio viene assorbito in una certa percentuale.
I raggi x interagiscono con la materia in tre modi principali, attraverso l'effetto fotoelettrico, diffusione Compton e scattering di Rayleigh. La forza di queste interazioni dipende dall’energia della radiazione x e dalla composizione elementare del materiale. Photoabsorption o assorbimento fotoelettrico è il meccanismo di interazione dominante nel regime dei raggi X molli (≈ 100 eV - 3 keV) e per le energie dei raggi X duri (≈ 5 keV - 30 keV) inferiori. Alle energie superiori, domina la diffusione Compton.
I rivelatore di raggi x variano per forma e funzione, a seconda del loro scopo. I rivelatori imaging come quelli utilizzati per la radiografia erano storicamente delle lastre fotografiche, ma ora sono sostituiti principalmente da vari tipi di rivelatori digitali.
Le cellule biologiche possono essere efficacemente analizzate in microscopia a raggi x molli utilizzando la radiazione x con lunghezze d'onda nella cosiddetta 'water window' (284 ~ 543 eV) che massimizza il contrasto tra le aree contenenti carbonio e acqua. La ‘water window’ fornisce un meccanismo di contrasto per l'imaging poiché il carbonio in materiali organici assorbe i corrispondenti raggi x molli e l’ossigeno in acqua risulta essere trasparente. Lo sviluppo di ottiche avanzate per raggi x molli hanno permesso di realizzare con successo dispositivi per l’osservazione delle strutture subcell nello stato idratato. Tuttavia, i raggi x molli in questo intervallo di energia fotonica non possono penetrare in campioni spessi di poche decine di micrometri, circa lo spessore di una singola cellula, e questo limita le loro potenziali applicazioni.
I raggi x duri (> 12,4 keV) hanno una ottima profondità di penetrazione e sono adatti per l'indagine non distruttiva di campioni opachi spessi. Inoltre, la combinazione di microscopia a raggi x duri con la ricostruzione tomografica ha permesso di ottenere informazioni tridimensionali (3D) su scala submicrometrica.

2.    X-ray Mammography

Le unità radiografiche mammografiche (Figura 1) usano i raggi x per produrre immagini del seno fornendo informazioni sulla morfologia e anatomia. La mammografia è utilizzata principalmente per rilevare e diagnosticare il cancro al seno e valutare masse palpabili e lesioni mammarie non palpabili. Un sistema radiografico mammografico completo include un generatore e un tubo raggi x con cavalletto, e un supporto di registrazione. Il generatore di raggi x modifica la tensione di ingresso per fornire al tubo radiogeno la potenza necessaria per produrre un fascio di raggi x (Figura 2). Essi comprendono anche un "paddle" per la compressione e il posizionamento del seno durante l'imaging. I sistemi schermo-pellicola sono costituiti da uno schermo fosforescente ad alta risoluzione con cristalli di fosforo che emettono luce quando sono esposti ai raggi x. La radiografia mammografica computerizzata (CR) utilizza un’elettronica differente per produrre un'immagine digitale invece di sviluppare film attraverso un processore chimico.
I raggi x a bassa energia sono prodotti [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 21 novembre 2015

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