Domein B2

Domein B. Beeld- en geluidstechniek

Subdomein B2. Medische beeldvorming

1. Uitzending, voortplanting en opname van elektromagnetische straling beschrijven.

              Elektromagnetische golven

Andere onderzoeksmethoden maken gebruik van elektromagnetische golven om het lichaam in beeld te brengen. Bij MRI zijn dat microgolven.

Elektromagnetische straling bestaat uit energiepakketjes die fotonen heten.

Voor de energie van een foton geldt de volgende formule:

E_f=h×f

• E_f is de energie van een foton in J
• h is de constante van Planck in J s (6,62607 ∙ 10^-34)
• f is de frequentie in Hz

De constante van Planck staat in BINAS tabel 7A. De energie van één foton is erg klein. Daarom is het vaak handig om in plaats van joule een andere eenheid te gebruiken: elektronvolt. Hierbij geldt: 1,000 eV = 1,602 ∙ 10^-19 J (BINAS tabel 5).

1. De verschillen in soorten ioniserende straling, hun ontstaan en hun eigenschappen benoemen, evenals de risico’s van deze soorten straling voor mens en milieu, en berekeningen maken met (equivalente) dosis.

Halveringsdikte

De intensiteit van de doorgelaten straling, hangt af van de dikte van het materiaal. De begin intensiteit noem je 100%. De grafiek die de intensiteit van de doorgelaten straling weergeeft als functie van de dikte, noem je een doorlatingskromme.

Voor de intensiteit van de straling die wordt doorgelaten geldt de volgende formule:

I=I₀ ∙(12)ⁿ                             met n=dd₁₂

• I is de intensiteit die wordt doorgelaten in W/m²
• I₀ is de intensiteit die op het materiaal valt in W/m²
• d is de dikte van het materiaal tussen de bron en de ontvanger in m
• d₁₂ is de halveringsdikte in m
• n is hoe vaak je deelt

De halveringsdikte hangt niet alleen af van het materiaal dat je gebruikt maar ook van de energie van de straling (BINAS tabel 28F).

Een materiaal dat straling beter tegenhoud heeft een kleinere halveringsdikte dan materialen dat straling gemakkelijker doorlaten.

Stralingsbronnen

                            Kunstmatige stralingsbron=      Straling opgewekt door de mens zelf.

                            Natuurlijke stralingsbronnen=  Atoomsoorten die van nature straling uitzenden.

Bepaalde atoomsoorten zoals uranium en radium zenden van nature straling uit. In de aardkorst komen stoffen met deze atoomsoorten voor. Deze stoffen noem je radioactieve stoffen (natuurlijke stralingsbronnen). Een andere natuurlijke stralingsbron is het heelal. Vanuit het heelal komen geladen en ongeladen deeltjes richting de aarde. Deze straling kosmische straling.

Achtergrondstraling=                  Het totaal aan straling afkomstig van natuurlijke stralingsbronnen.

Atoombouw

Een atoom is opgebouwd uit een kern en daaromheen een elektronen wolk. De kern bestaat uit twee soorten deeltjes: protonen en neutronen. Protonen hebben een positieve lading en neutronen zijn neutraal. De lading van een proton is gelijk aan die van een elektron. Een atoom heeft dus evenveel elektronen in de elektronenwolk als protonen in de kern. Een atoom is dus elektrisch neutraal.

A= N + Z

• A is het aantal kerndeeltjes
• N is het aantal neutronen
• A is het aantal protonen/elektronen

Het aantal protonen/elektronen noem je het atoomnummer. De som van het aantal protonen en neutronen in de kern noem je het massagetal.

Met het atoomnummer en het massagetal ligt de samenstelling van de kern vast. Een kern kun je schematisch weergeven met:

_atoomnummer^massagetalX

• Het massagetal is de som van het aantal protonen en neutronen
• Het atoomnummer is het aantal protonen/elektronen
• X is het symbool van het atoomsoort

Voorbeeld:
Een koolstofatoom met 6 protonen en 8 neutronen geef je dus weer met ₆¹⁴C.

Isotopen=          Atomen met hetzelfde atoomnummer maar met een verschillend massagetal.

Soortenstraling

De kernen van sommige isotopen zijn instabiel en vertonen radioactief verval. Hierbij ontstaat straling die radioactieve straling heet. Drie soorten straling spelen hierbij een rol:

• α-staling bestaat uit geladen deeltjes opgebouwd uit twee protonen en twee neutronen. Het is dus de kern van het isotoop He-4.
• β-staling bestaat uit snel bewegende elektronen. Je kunt β-staling ook weergeven met een atoomnummer en massagetal. Je noteert dan _-1⁰e of _-1⁰β.
• γ-staling bestaat uit fotonen. Deze straling heeft geen lading en geen massa. Je geeft γ-staling daarom weer met ₀⁰γ.

In BINAS tabel 25 staat in de laatste kolom welke soorten straling ontstaan tijdens het verval van verschillende isotopen. Staat er een streepje dan is het isotoop stabiel. De getallen in de laatste kolom geven aan hoe groot de kinetische energie van het deeltje is, uitgedrukt in MeV.

              Vervalvergelijking

Verval van kernen geeft je weer met een vervalvergelijking. Daarin staat de instabiele kern links van de pijl, en staan de vervalproducten rechts van de pijl.

Voorbeeld:

• Bij het β verval van koolstof-14 ontstaan een stikstof-14 atoom en een elektron. De vervalvergelijking wordt dan:

₆¹⁴C→ ₇¹⁴N+_-1⁰e

Het elektron gaat als β-straling de kern uit.

• Polonium-209 is een instabiele isotoop van polonium. Deze isotoop vertoont alfaverval. De vergelijking van de vervalreactie is:

₈₄²⁰⁹Po→ ₈₂²⁰⁵Pb+₂⁴He

Dracht en doordringend vermogen

Ioniserend vermogen=  Hoe schadelijk het is voor levende materie.

Alle soorten ioniserende straling hebben de volgende eigenschappen: ze kunnen door (on)doorzichtige stoffen heengaan en kunnen atomen ioniseren. Maar niet elke soort straling doet dat even goed. Alfastraling dringt maar enkele centimeters in de lucht door, terwijl bètastraling enkele meters haalt. Je zegt dan dat bètastraling een groter doordringend vermogen heeft.

Dracht=              De afstand die de deeltjes afleggen in een bepaalde stof.

Als straling in een stof doordringt, treedt er interactie op tussen de straling en de atomen van die stof. Daarbij worden atomen geïoniseerd, soms veel soms weinig. Het ioniserend vermogen van straling is een maat voor het aantal atomen dat de straling per mm kan ioniseren.

Alfastraling kan per mm veel meer atomen ioniseren dan bètastraling. Het ioniserend vermogen van alfastraling is dan ook groter dan die van bètastraling. Gammastraling en röntgenstraling hebben allebei een groot doordringend vermogen maar een klein ioniserend vermogen.

              Stralingsdosis

De gevolgen van ioniserende straling hangen onder andere af van de hoeveelheid energie die een deel van je lichaam ontvangt. Hoe meer energie, des te meer schade kan er ontstaan. Er ontstaat ook meer schade als dezelfde hoeveelheid energie op een kleiner deel van je lichaam valt.

Stralingsdosis=               Een maat voor de schade die kan ontstaan. Stralingsdosis druk je uit in gray met symbool Gy.

Voor de stralingsdosis geldt de volgende formule:

                            D=Em 

• D is de stralingsdosis in Gy
• E is de geabsorbeerde energie in J
• m is de bestraalde massa in kg

Effectieve dosis

Alfa straling heeft een veel groter ioniserend vermogen dan andere soorten straling. Om de stralingsdoses van verschillende soorten straling goed te kunnen vergelijken moet je er rekening mee houden dat alfastraling tot maximaal 20 keer schadelijker is dan alle andere soorten straling. Je zegt dat de weegfactor w_R van alfastraling gelijk is aan 20.

De effectieve dosis of equivalente dosis houdt rekening met de weegfactor. Voor de effectieve dosis geldt de volgende formule:

H=w_R×D

• H is de effectieve dosis in Sv
• w_R is de weegfactor
• D is de stralingsdosis in Gy

Weegfactoren staan in BINAS tabel 27 D3. Voor β-straling, γ-straling en röntgenstraling is de weegfactor 1. Voor α-straling is de weegfactor 20.

Dosimeter=       een apparaatje dat de hoeveelheid geabsorbeerde straling meet.

              Stralingsnormen

In BINAS tabel27 D1 staan in het rechter gedeelte de effecten van een grote effectieve lichaamsdosis. Om de kans op schadelijke effecten zo klein mogelijk te houden, zijn er stralingsbeschermingsnormen vastgesteld, ook wel dosislimieten genoemd. Dit is de effectieve dosis gedurende een jaar. BINAS tabel 27 D2.

              Radiotherapie

Patiënten met een tumor worden in sommige gevallen bestraald. Dit noem je radiotherapie. De straling beschadigt de cellen in de tumor zodat die cellen afsterven. Een nadeel is dat de straling ook gezond weefsel kan aantasten.

De bestraling kan zowel uitwendig als inwendig zijn:

• Bij uitwendige bestraling  bevindt de stralingsbron zich buiten het lichaam en wordt de tumor door de huid heen bestraald. Daarbij raakt de huid beschadigd, vergelijkbaar met een eerstegraadsverbranding.
• Bij inwendige bestraling wordt een radioactieve stof in de buurt van de tumor gebracht. Dat kan met een injectie in een bloedvat, waarna de radioactieve stof zich aan de tumor hecht. Nadeel is dat de radioactieve stof door het lichaam zwerft voordat het zich bindt aan de tumor.
• De radioactieve stof kan ook in een afgesloten capsule in de buurt van de tumor worden gebracht. De radioactieve stof verspreidt zich niet eerst door het lichaam. Het nadeel van deze methode is dat er een operatie nodig is.

Bestraling en besmetting

              Bestraling

• Er is geen direct contact met de radioactieve stof (de bron)
• Het gevaar is weg , zodra de bron wordt weggehaald of uitgezet
• De straling die van de bron komt kan wel schade aanrichten

Besmetting

• Er is direct contact met de bron geweest

• Bron aangeraakt, radioactief materiaal ingeslikt of ingeademd

• Er zit radioactief materiaal op of in je
• Het gevaar blijft, ook al wordt de bron weggehaald of uitgezet
• Je bent zelf ook een bron geworden

1. Problemen oplossen waarbij de halveringstijd of halveringsdikte een rol speelt.

Halveringstijd

Vervalkromme=             De grafiek die het aantal vervallen kernen weergeeft tegenover de tijd.

Halveringstijd=               De tijd dat de helft van de radioactieve isotopen vervallen.

Voor het aantal isotopen dat na een bepaalde tijd nog niet is vervallen bereken je met  de volgende formule:

N=N₀ ∙(12)ⁿ                met  n=tt₁₂

• N is het aantal isotopen op een bepaalde tijd
• N₀ is het aantal isotopen in de begin situatie
• t is de tijd die verstreken is vanaf het begin, in s
• t₁₂ is de halveringstijd in s
• n is hoe vaak je deelt

In BINAS tabel 25 staan in de zesde kolom de halveringstijd vermeld. Erg instabiele isotopen vervallen snel. Deze hebben een kleinere halveringstijd: het duurt kort voordat de helft vervallen is.

              Activiteit

                            Activiteit=          Het aantal deeltjes dat per seconde vrijkomt.

                            De gemiddelde activiteit bereken je met:

A_gem=-_∆t^∆N

• A_gem is de gemiddelde activiteit in Bq
• ∆N is de verandering van het aantal deeltjes
• ∆t is de tijdsduur in s

Wil je de activiteit op een tijdstip bepalen, dan gebruik je de raaklijnmethode:

A_gem=-(_∆t^∆N)_raaklijn

• A_gem is de gemiddelde activiteit in Bq
• ∆N is de verandering van het aantal deeltjes
• ∆t is de tijdsduur in s

A=A₀ ∙(12)ⁿ                 met n=tt₁₂

• A is de activiteit op een bepaald tijdstip in Bq
• A₀ is de activiteit in de beginsituatie in Bq
• t is de tijd die verstreken is vanaf het begin in s
• t₁₂ is de halveringstijd in s

1. Medische beeldvormingstechnieken aan de hand van natuurkundige achtergrond beschrijven, voor- en nadelen van deze technieken noemen en op grond daarvan in gegeven situaties een keuze voor een techniek beargumenteren.

Echografie

Bij echografie gebruikt de verloskundige een transducer,  die geluidsgolven met frequenties tussen 1 MHz en 10 MHz uitzendt. Dit geluid kun je niet horen, het is dus een ultrasoon geluid.

              MRI

Bij het maken van een MRI-scan ligt de patiënt in een soort tunnel. De vier belangrijkste onderdelen van een MRI-apparaat zijn:

• Een zeer grote elektromagneet die zorgt voor een magnetisch veld dat overal in de tunnel even groot is. Waterstofkernen die zich in dit veld bevinden, worden gemagnetiseerd.
• Spoelen met een verschillend aantal windingen. Met behulp van een spoel wordt het magnetisch veld vergroot. Omdat het aantal windingen verschillend is, ontstaan een magnetisch veld dat overal een andere sterkte heeft.
• Een spoel die microgolven uitzendt met een frequentie van ongeveer 50 MHz. Afhankelijk waar een waterstofatoom zich bevindt, gaat de kern resoneren. Zo’n kern neemt dan een foton op en zendt het even later weer uit.
• Een groot aantal detectoren die de fotonen registeren, uitgezonden door de gemagnetiseerde waterstofkernen.

Röntgenopname

Een röntgenbron zendt gedurende een korte periode röntgenstraling uit. Een detector aan de andere kant van het lichaam registreert hoeveel straling doorgelaten wordt. Waar veel röntgenstraling doorgelaten is, is de foto donker. (tweedimensionaal beeld)

              CT-scan

Een driedimensionaal beeld wordt mogelijk met behulp van een CT-scan. De röntgenbron draait om de patiënt heen om opnamen onder verschillende hoeken te maken. Een computer berekent met die foto’s hoe het driedimensionale beeld van de patiënt eruit ziet. De afkorting CT betekend Computed Tomography oftewel ‘berekende doorsnede’.