MEDISCHE BEELDVORMING 1 INLEIDING Ruim 100 jaar geleden, om precies te zijn op 8 november 1895, ontdekte de Duitse natuurkundige Wilhelm Röntgen per toeval “eine neue Art von Strahlen”. In de eerste publicatie over dit onderwerp, eind december 1895, beschrijft Röntgen dat deze later naar hem vernoemde stralen in staat waren moeiteloos door allerlei stoffen heen te dringen en een fluorescerend scherm te doen oplichten: hout, papier, rubber, niets hield ze tegen. Voor de medische wetenschap bleek echter zijn volgende opmerking het begin van een nieuw tijdperk: “houdt men een hand tussen het ontladingsapparaat en het scherm dan ziet men de donkere schaduwen der beenderen van de hand in het veel minder donkere schaduwbeeld van de hand zelf”. Een eeuwenlang gekoesterde medische wens was in vervulling gegaan: er was een methode gevonden om in het menselijk lichaam te kijken zonder hierbij een mes te hanteren. De vinding was wereldwijd voorpaginanieuws en al op 10 januari 1896 werd in Nederland door twee natuurkundigen de eerste demonstratie met röntgenstralen gegeven. Medici sloegen, in nauwe samenwerking met natuurkundigen terstond aan het experimenteren met de nieuwe techniek. Het was de eerste jaren vooral een kwestie van leren wat er nu eigenlijk op een röntgenfoto te zien was. Röntgenopnames werden hiertoe vergeleken met anatomische structuren zoals die bij een sectie zichtbaar waren. In de begintijd was de kwaliteit van de röntgenopname vrij matig, alleen beenderen konden worden afgebeeld. Het zichtbaar maken van botbreuken en misvormingen aan de beenderen vormden daarom de eerste medische toepassing. En natuurlijk het opsporen van ‘vreemde lichamen’ zoals een ingeslikte naald, een kogel of andere metalen voorwerpen. Met het verbeteren van de techniek werd het mogelijk zaken als nier-, blaas-, en galstenen af te beelden. Zeer succesvol bleek het maken van röntgenfoto’s van de longen: tuberculose, volksziekte nummer 1 van de eerste helft van de 20ste eeuw, was op een röntgenfoto in een vroeger stadium te herkennen, hetgeen de kansen op genezing aanzienlijk vergrootte. De mogelijkheden van de röntgendiagnostiek werden gaandeweg groter: het gebruik van contrastmiddelen – stoffen die de röntgenstralen tegenhouden – maakte het vanaf de jaren 20 mogelijk ook organen als de darmen en later ook de bloedvaten in beeld te brengen. Minpuntje van de straling, zoals men al snel ontdekte, is dat de straling toch ook schade aan het lichaam kan toebrengen. Op dit moment is röntgendiagnostiek niet meer weg te denken uit de gezondheidszorg. Wat in 1895 is begonnen met Röntgen is nu uitgegroeid tot een groot aantal technieken die het mogelijk maken om in het lichaam te kijken zonder operatief ingrijpen. Figuur 1 röntgenbeeld van een bot met metalen pen Al deze technieken, die een plaatje ofwel een beeld leveren van onderdelen in ons lichaam, vatten we samen onder de term medische beeldvorming. We noemen de volgende: • Echografie • Endoscopie • Röntgenfotografie • Computertomografie (CT of CAT scan) • Isotopenscan of scintigrafie, SPECT scan en PET scan • MRI scan Bij al deze technieken wordt het lichaam of een deel ervan blootgesteld aan een vorm van straling. In het geval van echografie zijn dit geluidsgolven, bij alle andere genoemde technieken is dit elektromagnetsiche straling. Endoscopie gebruikt zichtbaar licht (golflengte 480 – 700 nm), bij röntgenfotografie en computertomografie gaat het om X-stralen of röntgenstraling (golflengte 0,01 – 6 nm), bij een isotopenscan wordt gebruikgemaakt van gammastraling (golflengte 0,000001 – 0,01 nm) en MRI maakt gebruik van radiogolven (golflengte 1 – 10.000 m) en een sterk magnetisch veld.
De vorming van beelden gebeurt met behulp van computers. In het basiswerk schei- en natuurkunde zijn de belangrijkste basisbegrippen met betrekking tot straling al besproken. In de uitgave ‘licht en geluid in de artsenpraktijk’ zijn echografie en endoscopie al aan de orde geweest. In deze uitgave richten we ons op de bespreking van de overige genoemde medische beeldvormende technieken. We bespreken de werking, de gebruiksmogelijkheden en de risico’s die verbonden zijn aan de techniek. Vragen en opdrachten 1. Welke stoffen houden röntgenstraling wel tegen? Leg uit waarom je dat denkt. a papier b lood c botten d katoen 2. Noem het belangrijkste verschil tussen geluidsgolven en elektromagnetische golven. 3. Hebben radiogolven een grotere of kleinere golflengte dan zichtbaar licht? Waarom? 4. Bij golfverschijnselen spreek je van golflengte, frequentie en voortplantingssnelheid. a Welke afkortingen gebruiken we voor deze 3 begrippen? b Geef de formule die het verband tussen deze 3 begrippen beschrijft. 5. Waarom was het in de beginjaren van de röntgenfotografie nodig om de beelden te vergelijken met anatomische modellen? 6. Welke schade kan röntgenstraling aanrichten in het lichaam? 2 RÖNTGENFOTOGRAFIE Een röntgenfoto wordt gemaakt door röntgenstraling op het te fotograferen deel van het lichaam te laten vallen. Het opwekken van de röntgenstralen gebeurt in een röntgenbuis, zoals schematisch is afgebeeld in figuur 2. Het apparaat bestaat uit een loden omhulling (l) die gevuld is met olie (o). De transformator (t) zorgt ervoor dat er een heel hoge spanning (de buisspanning) ontstaat tussen de kathode (k) en de anode (a) die zich in de röntgenbuis (rb) bevinden. Op de kathode bevindt zich een gloeidraad (g). Als er door de gloeidraad een elektrische stroom (elektronen) gaat lopen (de zogenoemde buisstroom) dan zorgt het grote spanningsverschil tussen kathode en anode ervoor dat er elektronen uit de Figuur 2 röntgenapparaat gloeidraad wegschieten in de richting van de anode. Op de anode is een plaatje wolfraam (w) aangebracht. De elektronen schieten met een heel hoge snelheid op het wolfraam. Bij circa 99,6% van alle botsingen ontstaat warmte, maar bij circa 0,4% van de botsingen ontstaat röntgenstraling (r). Door de schuine plaatsing van de anode met wolfraam, bewegen de röntgenstralen hoofdzakelijk in de richting van het venster (v) in de röntgenbuis en gaan vervolgens door het diafragma (d) en de conus (c) naar buiten. Met de conus kan je de straal richten. Met het diafragma kan je regelen hoeveel straling (de intensiteit) er naar buiten gaat. Met de buisstroom kan je de intensiteit ook regelen, want bij een hoge buisstroom zullen er meer elektronen uit de gloeidraad wegschieten, zijn er meer botsingen en ontstaat er dus ook meer röntgenstraling. Met de buisspanning regel je twee dingen tegelijk, want een hoge buisspanning levert een groter spanningsverschil waardoor de elektronen harder bewegen en harder botsen. Bij harder botsen blijkt het percentage botsingen dat röntgenstraling oplevert omhoog te gaan. Daarnaast zorgt het harder botsen ervoor dat de frequentie van de röntgenstraling hoger wordt. Röntgenstraling met een hogere frequentie noem je harde röntgenstraling, met een lagere frequentie zachte röntgenstraling. Harde röntgenstraling dringt verder door in weefsels en stoffen dan zachte röntgenstraling. De olie zorgt voor het opnemen en afvoeren van de warmte die bij 99,6% van de botsingen vrijkomt. Een röntgenapparaat kan erg heet worden, de meeste beschikken over een beveiliging die bij dreigende oververhitting de stroom uitschakelt. De loden mantel zorgt ervoor dat de straling die niet door het venster naar het diafragma beweegt, opgevangen en geabsorbeerd wordt. Deze strooistraling zou anders namelijk aan alle kanten uit het röntgenapparaat naar buiten komen en dat is niet de bedoeling. Röntgenopnameapparatuur die in ziekenhuizen gebruikt wordt, heeft een aantal bedieningsknoppen: • kV of kilovolt: deze bepaalt de buisspanning; • mA of milli ampère: deze bepaalt de buisstroom; • sec of seconde: deze bepaalt hoelang het apparaat röntgenstraling uitzendt, ofwel de belichtingstijd. Het deel van het lichaam waarvan we een röntgenfoto willen maken, wordt geplaatst tussen het röntgenapparaat en een gevoelige plaat. De röntgenstralen vallen op het lichaam en zullen op sommige plekken dwars door het
lichaam heengaan en op de gevoelige plaat terechtkomen. Op andere plekken gaan de röntgenstralen niet door het lichaam heen, ze worden geabsorbeerd in het lichaam en vallen dus niet op de gevoelige plaat. Lichaamsweefsels die vooral zijn opgebouwd uit atomen met lage atoomnummers, zoals C, H, N en O, laten röntgenstraling door. De huid is hier een voorbeeld van. Lichaamsweefsels waarin atomen met hogere atoomnummers voorkomen, zoals Ca in de botten, houden de röntgenstraling wel tegen. De röntgenstralen die dwars door het lichaam heen gaan en op de gevoelige plaat terechtkomen, veroorzaken daar een scheikundige reactie. Dit zorgt ervoor dat op de uiteindelijke foto donkere plekken ontstaan. De plekken op de gevoelige plaat waar geen röntgenstralen op vallen, leveren op de foto witte plekken op. Wanneer we op deze manier een foto maken van bijvoorbeeld de romp, dan komen de röntgenstralen veel verschillende weefseltypen na elkaar tegen. Worden ze door de eerste soort doorgelaten, dan worden ze misschien door het weefsel daarna wel tegengehouden. Traditionele röntgenfotografie maakt een opname in 1 richting. Achter elkaar liggende structuren zijn daardoor minder goed zichtbaar. Toepassing bij de ledematen (opsporen van botbreuken) of het gebit (opsporen van cariës) levert duidelijke beelden, maar het fotograferen van de romp of het hoofd biedt geen meerwaarde. Het feit dat atomen met een hoog atoomnummer röntgenstralen beter tegenhouden dan stoffen met lage atoomnummers, wordt toegepast bij het gebruik van contrastvloeistoffen zoals bariumpap (bariumsulfaat, BaSO4). Bariumsulfaat vormt met water een suspensie. Deze suspensie wordt ingebracht in bijvoorbeeld de maag. Daarna wordt een röntgenfoto gemaakt. Normaal gesproken gaan de röntgenstralen dwars door de maag heen, maar door de aanwezigheid van het contrastmiddel wordt de maag nu wel heel goed zichtbaar op de foto en kunnen bijvoorbeeld afwijkingen in de vorm goed waargenomen worden. Röntgenstraling kent ook gevaren. Je noemt röntgenstraling ook wel ioniserende straling. Dit betekent dat röntgenstraling in staat is om moleculen om te zetten in ionen. Als dat in levende cellen veel gebeurt, dan zullen die cellen uiteindelijk afsterven. Ioniserende straling is dus zeer gevaarlijk voor het menselijk lichaam. De stralingsbelasting voor de patiënt, maar zeker ook voor de medewerkers op de röntgenafdeling, moet zo laag mogelijk gehouden worden. Hierbij geldt dat alleen röntgenstraling die door het lichaam geabsorbeerd wordt deze schade aanricht. Werken met harde röntgenstraling verdient daarom de voorkeur. Bovendien levert harde röntgenstraling een grotere detailscherpte op de foto. Vragen en opdrachten 1. a Wat verstaan we onder strooistraling? b Waarom hebben we geen last van de strooistraling die in een röntgenapparaat ontstaat? 2. Waarvoor dient de transformator in een röntgenapparaat? 3. Met welke 3 onderdelen van een röntgenapparaat kan de intensiteit van de straling beïnvloed worden? 4. Wat is harde röntgenstraling? En wat is zachte röntgenstraling? 5. Welke röntgenstraling, harde of zachte, verdient de voorkeur bij het maken van een röntgenfoto? Waarom? 6. a Waarom is het maken van een röntgenfoto van bijvoorbeeld de romp niet zinvol? b Welke lichaamsdelen kunnen wel goed gediagnosticeerd worden met röntgenfoto’s? Waarom deze wel? 7. Welke kleur krijgen de harde lichaamsdelen zoals botten op een röntgenfoto? 8. Wat verstaan we onder kilovolt? Wat verstaan we onder milli Ampère? 9. Wie lopen er meer risico op een te hoge stralingsbelasting, patiënten of medewerkers van een röntgenafdeling? 10. Zoek in het basiswerk schei- en natuurkunde op welke eisen er gelden voor de maximale stralingsbelasting. 11. Wat verstaan we onder ioniserende straling? 12. Leg uit hoe een contrastmiddel werkt. 3 CAT SCANNERS CAT-scanners (computerized axial tomography), ook CT-scanners (computerized tomography) genoemd, maken ook gebruik van röntgenstraling voor het vormen van beelden. In tegenstelling tot de röntgenfotografie maakt een CAT-scanner echter uit vele verschillende richtingen röntgenfoto’s van een lichaamsdeel. Een CAT-scanner geeft dwarsdoorsnede beelden van weefsels in het menselijk lichaam, waarbij gebruikgemaakt wordt van een smalle, waaiervormige röntgenstraal. CAT-scanners bekijken een ‘plakje’ van het lichaam vanuit een groot aantal hoeken door middel van een röntgenbuis die om de patiënt heen draait. De röntgenbuis heeft een hoge omwentelingssnelheid (eenmaal per seconde) en maakt honderden afbeeldingen. Detectoren die tegenover de röntgenbuis zijn gemonteerd, registreren wat de scanner waarneemt en geven deze informatie door aan een
computer, die de gegevens samenvoegt tot dwarsdoorsnede beelden. Tomografie betekent namelijk het maken van een tweedimensionale dwarsdoorsnede van een driedimensionaal object. CAT-scanners kunnen de samenstelling van interne structuren vaststellen, waarbij ze het verschil zien tussen vet, vloeibare en vluchtige stoffen. Ze kunnen eveneens de vorm en de grootte van de verschillende organen en eventuele beschadigingen weergeven. Daarbij zijn ze in staat om details met een omvang van niet meer dan 1 tot 2 mm weer te geven. De scanners zetten de afzonderlijke röntgenfoto's om in digitale computercodes, waarmee de computer gedetailleerde videobeelden samenstelt. Zie figuur 3.
Figuur 3 Dwarsdoorsneden van het hoofd gemaakt met een CAT-scanner CAT-scanners worden niet alleen gebruikt om het lichaam op tientallen punten te onderzoeken, maar ook om de resultaten van een bepaalde behandeling of chirurgische ingreep te bekijken en te beoordelen. Nog niet zo heel lang geleden is er een driedimensionaal CAT-systeem ontwikkeld waarmee huid, spieren en botten die chirurgen op hun weg door het lichaam tegenkomen, kunnen worden gesimuleerd. Deze afbeeldingstechniek wordt ook gebruikt om hersentumoren, kwaadaardige gezwellen aan hoofd en hals, dwarslaesies en bekkenfracturen te bekijken. Dit driedimensionale systeem blijkt kortere operaties mogelijk te maken en tot betere resultaten te leiden. Vragen en opdrachten 1. a Wat is het verschil tussen een CAT-scan en een röntgenfoto? b Wat is de overeenkomst tussen een CAT-scan en een röntgenfoto? 2. Wat betekent het begrip tomografie? 3. Wordt er bij een CAT-scan ook gewerkt met een gevoelige plaat waarop stralen een beeld vormen? Zo nee, hoe wordt er dan informatie over geabsorbeerde en doorgelaten straling verzameld? 4. Levert een CAT-scan meer stralingsbelasting voor de patiënt of minder dan een röntgenfoto? Waarom? 4 ISOTOPEN SCAN of SCINTIGRAFIE Isotopen zijn vormen van een atoom met hetzelfde aantal protonen (atoomnummer), maar een ander aantal neutronen (dus massagetal) in de kern. Zo bestaan er van Chloor (Cl) 2 verschillende isotopen, te weten Cl-35 en Cl-37. Cl-35 heeft 17 protonen en 18 neutronen. Cl-37 heeft 17 protonen en 20 neutronen. Beide vormen van Chloor hebben uiteraard ook 17 elektronen, want een atoom heeft evenveel protonen als elektronen. De 2 Chloor isotopen zijn beide stabiel, dat wil zeggen dat ze beide in de natuur voorkomen en blijven wat ze zijn. Bij andere elementen komen ook isotopen voor, maar daarvoor geldt vaak dat slechts 1 van de isotopen stabiel is en de andere(n) instabiel zijn. (zie figuur 4) Figuur 4 stabiele en instabiele isotopen
Dit laatste betekent dat als er een instabiel isotoop gemaakt is of ontstaat, dit isotoop na enige tijd weer uit elkaar valt onder het uitzenden van straling. Een voorbeeld daarvan is het element Uranium (U), dat gebruikt wordt als brandstof van kernreactoren. U-238 kan zogenoemde α deeltjes (Helium kernen) uitzenden waarbij een ander element, namelijk Thorium (Th) ontstaat. U-238 Æ Th-234 + He-4 ofwel α straling Uranium heeft atoomnummer 92, de uraniumkern bevat dus 92 protonen. Thorium heeft atoomnummer 90, de thoriumkern bevat 90 protonen. Dit zijn 2 protonen minder dan uranium. Het massagetal is afgenomen van 238 naar 234. Er zijn dus totaal 4 kerndeeltjes (protonen en neutronen samen) uitgetreden. We concluderen dat er een deeltje is uitgetreden met massagetal 4, bestaande uit 2 protonen en dus ook 2 neutronen. Dit is precies een heliumkern. Een voorbeeld uit de medische beeldvorming is jodium (I). De stabiele isotoop is I-127. Voor onderzoek naar bijvoorbeeld overactiviteit van de schildklier gebruik je de instabiele I-131 isotoop. Dit isotoop heeft een halfwaardetijd van 8 dagen. De halfwaardetijd is de tijd die het duurt tot de helft van de aanwezige I-131 isotopen uit elkaar is gevallen. I-127 + 4 neutronen Æ I-131 I-131 Æ Xe-131 + elektron (ß straling) + energie (γ straling) Je dient de patiënt een bepaalde hoeveelheid jodium toe, waarbij ook het instabiele I-131 isotoop. Met een camera die gevoelig is voor de γ straling maak je om de paar minuten een foto. Op deze manier is te volgen hoe snel het jodium wordt opgenomen in de schildklier en daaruit is te bepalen of de schildklier goed functioneert. Isotopen kunnen bij het uiteenvallen 3 soorten straling uitzenden. Straling die vrijkomt bij het uiteenvallen van atoomkernen noem je algemeen radioactieve straling. Er zijn dus 3 soorten radioactieve straling (zie ook figuur 5): • α straling (alfa straling). Dit zijn heliumkernen, bestaande uit 2 protonen en 2 neutronen. • ß straling (beta straling). Dit zijn elektronen die ontstaan als een neutron in de kern wordt omgezet in een proton (neutron Æ proton + elektron). • γ straling (gamma straling). Dit zijn fotonen, ofwel energie.
+ -
achterblijvend Th-234 en α deeltje
α straling
neutron Æ proton + elektron ß straling
γ straling
Figuur 5 α, ß en γ straling Het verschil tussen radioactieve straling en röntgenstraling is dat röntgenstraling wordt opgewekt in een röntgenbuis die stopt op het moment dat de knop voor de buisstroom en de buisspanning uitgezet wordt, terwijl radioactieve straling begint zodra er een isotoop uit elkaar gaat vallen en doorgaat totdat alle instabiele isotopen uit elkaar gevallen zijn. Anders gezegd: radioactieve straling blijft doorgaan en is door de mens wel op gang te brengen, maar niet zomaar te stoppen. Van de radioactieve straling heeft γ straling het grootste doordringende vermogen en daarmee de meeste invloed op ons lichaam. Bij een isotopenscan breng je radioactieve isotopen in het lichaam. Dit gebeurt door de radioactieve isotoop in te bouwen in een stof die in het lichaam een specifieke functie vervult of zich op een specifieke plek in het lichaam ophoopt. Een radioactief gemaakte stof voor diagnostische doeleinden noem je ook wel een tracer.
Door vervolgens de straling die het isotoop tijdens het verval uitzendt op te vangen, is het mogelijk een afbeelding (scan) te maken waarop organen of lichaamsdelen waar de straling vandaan komt te onderscheiden van de organen en lichaamsdelen waar geen of veel minder straling vandaan komt. Een voorbeeld hiervan is het toedienen van radioactieve glucose voor het opsporen van metastasen. De kankercellen hebben namelijk een hoger energieverbruik door hun grotere activiteit dan de gezonde cellen, dus hier zal meer glucose naar toe gaan dan naar gezonde cellen. De plekken waar meer glucose aanwezig is, zullen op de scan feller oplichten. Men spreekt van zogenoemde hot spots op de scan. Eventuele uitzaaiingen zijn op een isotopenscan snel te detecteren. Door de keuze van de stof waarin de radioactieve isotoop wordt ingebouwd is het mogelijk om vrijwel elke lichaamsfunctie te onderzoeken met een isotopenscan. De enige voorwaarde is dat de betreffende stof zich ophoopt in het te onderzoeken lichaamsdeel. Bij een isotopenscan gebruik je voornamelijk isotopen die ß of γ straling uitzenden. Voorbeelden van isotopenscans of scintigrafie zijn: • skeletscintigrafie; • myocardscintigrafie; • single photon emission computed tomography (SPECT); • positron emissie tomografie (PET). Het woord scintigrafie komt van scintilatie, wat lichtflits betekent. Een gamma camera (een camera die gevoelig is voor γ straling) bevat namelijk een natriumjodide kristal dat de eigenschap heeft dat als er een gamma foton opvalt (uitgezonden door het vervallende isotoop in het lichaam) het kristal een lichtflits geeft. De lichtflits wordt gezien door een digitale camera en opgeslagen in het geheugen. Uit alle waargenomen lichtflitsen construeert de computer ten slotte een beeld van de plek in het lichaam waar de gamma fotonen vandaan komen. Bij skeletscintigrafie kijk je met radioactief calcium naar de inbouw van calcium in het bot. Zie ook figuur 6. Bij myocardscintigrafie kijk je met thallium isotopen naar de doorbloeding van het hart. Bij een scintigrafie maak je meestal een opname vanuit 1 richting, net als bij een röntgenfoto. Het beeld is dan ook een 2 dimensionale weergave. Om een 3 dimensionale weergave te krijgen, moet de camera rondom het lichaam draaien. De apparatuur die daarvoor nodig is, is uiteraard een stuk groter en duurder. Bovendien is er dan altijd een computer verbonden aan het apparaat. De computer berekent uit alle foto’s in combinatie met de camerapositie bij elke foto hoe het lichaamsdeel er uitziet. Scintigrafie met een bewegende camera levert een SPECT scan op. Een PET scan maakt gebruik van uitgezonden positronen. Dit zijn positief geladen elektronen die bij het uiteenvallen van sommige isotopen ontstaan uit een proton dat omgezet wordt in een neutron + een positron. Dit is dus net het tegenovergestelde van het ontstaan van ß straling bij de omzetting van een neutron in een proton + een elektron. Er zijn dus eigenlijk 2 soorten ß stralen, namelijk elektronen (ß– straling) en positronen (ß+ straling).
Figuur 6 Skeletscintigrafie
Radioactieve straling is natuurlijk niet zonder gevaar. Het is net als röntgenstraling een voorbeeld van ioniserende straling. Het kan dus cellen beschadigen. γ straling wordt toegepast om tumoren te bestralen en te vernietigen. γ straling wordt ook gebruikt voor sterilisatie van instrumenten voor een operatie omdat het eventueel aanwezige bacteriën kan doden. Het gebruik van radioactieve straling om te diagnosticeren moet dus zeer voorzichtig gebeuren. Het gebruik van isotopen met lange halfwaardetijden levert een langdurige stralingsbelasting, gebruik van isotopen met heel korte halfwaardetijden levert een kortdurende, maar wel heftige stralingsbelasting op. Isotopen met een korte halfwaardetijd zijn sowieso niet geschikt, omdat er ook tijd nodig is om de isotoop in te bouwen in de te gebruiken tracer stof en toe te dienen aan de patiënt. Als de halfwaardetijd erg kort is, zijn de meeste radioactieve isotopen al vervallen voordat de stof is ingebracht in het lichaam. Isotopen met halwaardetijden van enkele uren tot enkele dagen zijn voor radiodiagnostiek (onderzoek met behulp van radioactieve materialen) het meest geschikt.
Niet elke isotoop kan ingebouwd worden in een verbinding die nodig is voor het onderzoek van een specifiek lichaamsdeel. De keuze van het isotoop bij radiologisch onderzoek, de soort straling die dit isotoop uitzendt en de plaats in het lichaam waar het isotoop zich ophoopt, zijn de factoren die bepalen welk type isotopenscan geschikt is om een afbeelding te maken. Vragen en opdrachten 1. De standaard isotoop van calcium is Ca-40. Deze bevat 20 protonen, 20 neutronen en uiteraard 20 elektronen. Er bestaan ook Ca-45 en Ca-47. De eerste heeft een halfwaardetijd van 163 dagen, de tweede van 4,5 dagen. a Hoeveel protonen en hoeveel neutronen bevatten Ca-45 en Ca-47 elk? b Wat versta je onder de halfwaardetijd? c Hoeveel Ca-47 is er na 9 dagen nog over als je begint met 10 mg. 2. Van een röntgenfoto wordt gezegd dat het de anatomie van het lichaam laat zien en van een isotopenscan wordt gezegd dat het veel meer de fysiologie kan laten zien. Leg deze uitspraak uit. 3. Welke 4 soorten radioactieve straling zijn in deze paragraaf besproken? 4. Kun je de camera die je gebruikt voor een SPECT scan ook gebruiken voor PET scan? Waarom? 5. Als een radioactief isotoop, bijvoorbeeld Sr-87, alleen maar γ straling uitzendt tijdens het verval, verandert daarbij dan het aantal neutronen en/ of protonen in de atoomkern? 6. Als een radioactief isotoop vervalt onder uitzending van ß– stralen, bijvoorbeeld S-35, ontstaat er dan een ander element of blijft het S? 7. Wat is het effect van een grote halfwaardetijd op de stralingsbelasting voor de patient? 5 MRI-SCAN MRI staat voor magnetic resonance imaging ofwel het maken van een plaatje door magnetische resonantie. Een andere, oude naam voor MRI is NMR ofwel nuclear magnetic resonance (kern magnetische resonantie). In 1977 is het eerste MRI-apparaat in gebruik genomen. MRI zou wel eens de grootste stap voorwaarts in de moderne geneeskunde kunnen zijn sinds de uitvinding van de röntgenstraling in 1895. De werking van de MRI is gebaseerd op het principe dat waterstofatomen uit de stof water die aan een magnetisch veld worden blootgesteld als soldaten op een rij gaan staan. Als er radiogolven op deze atomen worden gericht, verandert de rangschikking van de kernen. Bovendien nemen de waterstofkernen energie op uit de radiogolven Als de radiogolven worden uitgezet, dan nemen de kernen hun oude posities weer in en geven ze de opgenomen energie weer af. Het menselijk lichaam bevat heel veel water. De reactie van de waterstofatomen op de radiogolven hangt af van het soort weefseltype waarin het water zich bevindt. Watermoleculen in spieren vertonen ander gedrag dan watermoleculen in het bloed. Bovendien is niet in elk weefsel water aanwezig, zoals in bot of in lucht (de longen). Weefsels waarin geen water aanwezig is, geven op de MRI-scan een zwarte vlek. Door de verschillende signaaltjes van waterstofatomen in verschillende weefsels in een computer op te slaan en te bewerken, ontstaat het MRI-beeld. Met die afbeeldingen kunnen verschillende soorten weefsels, bloed, beenmerg, enzovoort zichtbaar worden gemaakt. MRI-apparatuur bestaat uit een gigantische elektromagneet, een radiozender en een computer om de gegevens te verwerken. De ruimte waarin het MRI-apparaat is opgesteld moet geïsoleerd zijn tegen radiosignalen van buitenaf. Zie ook figuur 7. MRI kent een aantal voordelen ten opzichte van de CAT-scanner of de isotopenscanners. Bij beide laatste wordt gebruikgemaakt van straling, die ondanks het lage stralingsniveau, schadelijk kan zijn. MRI is beter geschikt dan CAT voor onderzoek naar bepaalde delen van het lichaam, zoals de hersenen, die worden omgeven door een dikke beenschaal. Bij MRI zijn geen injecties nodig en er treedt geen beschadiging van het weefsel op, ook niet bij sterke magnetische krachten. De MRI-scanner omringt het lichaam met sterke (elektro)magneten. Deze magneten worden gekoeld met vloeibaar helium en kunnen daardoor een magnetisch veld ontwikkelen dat 60.000 maal sterker is dan dat van de aarde. Figuur 7 Opstelling van een MRI apparaat
Als de magneten van de MRI worden aangezet, gaan de waterstofatoomkernen in het lichaam van de patiënt in de richting van het veld staan. Dit proces kan worden vergeleken met de manier waarop ijzervijlsel zich richt naar een magneet. Als de zender wordt aangezet en de radiogolven met een bepaalde frequentie op het lichaam worden gericht, richten de kernen zich opnieuw tegen het magnetisch veld in en slaan dus om in de andere richting. Als de zender dan wordt uitgezet, keren de atoomkernen om in hun oorspronkelijke positie, waarbij ze radiogolven uitzenden, die door de MRI-ontvangers worden opgevangen en vervolgens door de computer worden gebruikt om een beeld samen te stellen. De MRI-scanner is een uitstekend systeem gebleken voor de diagnose van kanker. Er kunnen hersentumoren mee worden getraceerd die met röntgenstraling niet zichtbaar kunnen worden gemaakt. Ook kan met MRI de stroming van bloed, onder andere in de hersenen zo verfijnd worden gemeten, dat het risico van een hersenattaque kan worden vastgesteld. Daarnaast kan worden gemeten welk effect farmacologisch actieve stoffen op de hersenen hebben. Hoewel MRIapparatuur erg kostbaar is, kunnen ziekten in een uiterst vroeg stadium worden ontdekt en eventueel worden voorkomen of behandeld, zodat de voordelen ruimschoots tegen de kosten opwegen. In figuur 8 is een MRI-beeld weergegeven. Figuur 8 MRI-scan
Vragen en opdrachten 1. Wat zijn radiogolven? Kunnen wij die horen? 2. Waarom is MRI veel beter geschikt om opnames te maken van de hersenen dan bijvoorbeeld CAT? Noem 2 redenen. 3. Wat geven de witte plekken in een MRI-scan aan?
ANTWOORDEN 1 Inleiding 1
Papier (a) en katoen (d) houden röntgenstraling niet tegen, dit zijn ‘zachte’ koolstofverbindingen net als de huid en daar gaan röntgenstralen dwars doorheen. Lood (b) en botten (c) houden röntgenstralen tegen, lood is een metaal en botten zijn opgebouwd uit mineralen en zouten, veel hardere stoffen. 2 Elektromagnetische straling plant zich voort met de lichtsnelheid, 300.000 km/s. Geluid heeft een veel lagere voortplantingssnelheid. Elektormagnetische straling kan zich ook in vacuüm voortplanten. Geluid heeft altijd een zogenoemd medium nodig om zich in te verplaatsen. 3 Zichtbaar licht heeft een kleinere golflengte (400 – 800 nm ofwel nanometer ofwel 0,000000001 meter. Radiogolven hebben een golflengte van 1 – 10.000 meter, dat is dus veel groter. 4 a Golflengte = λ, frequentie = f en voortplantingssnelheid = v. b v = f * λ of f = v / λ of λ = v / f (dit zijn drie varianten van dezelfde formule). 5 Je moest leren wat de verschillende schaduwen, vormen en structuren die op de röntgenfoto te voorschijn kwamen precies voorstelden. Er waren nog nooit eerder röntgenfoto’s geweest, dus men kon niet vergelijken met eerder gemaakte opnamen of plaatjes. 6 De energie van de röntgenstralen die bij absorptie in het lichaam terechtkomt, kan weefsels vernietigen (verbranden), erfelijke eigenschappen aanpassen en cellen bijvoorbeeld aanzetten tot ongecontroleerde deling, en dergelijke.
2 Röntgenfotografie 1 a Strooistraling is straling die door het reflecteren op bijvoorbeeld de rand van het diafragma of de rand van het aluminium plaatje een afwijkende richting krijgt en ergens anders dan door de conus het röntgenapparaat verlaat. b Strooistraling in het röntgenapparaat wordt tegengehouden door de loden mantel die om het röntgenapparaat heen zit. 2 De transformator bepaalt de buisspanning, dit is het verschil in spanning tussen de kathode en de anode. 3 De intensiteit van de röntgenstraling kan beïnvloed worden door de buisspanning (hoe hoger hoe intenser), de buisstroom (hoe hoger hoe intenser) en de stand van het diafragma (hoe verder opengedraaid hoe meer röntgenstralen naar buiten komen). 4 Harde röntgenstraling heeft een hogere frequentie en een groter doordringend vermogen (dringt dieper door in stoffen, gaat er ook sneller doorheen) dan zachte röntgenstraling. 5 Harde röntgenstraling verdient de voorkeur omdat deze veel minder door lichaamsweefsels wordt geabsorbeerd, voornamelijk door die weefsels of stoffen die op de foto zichtbaar moeten worden, zodat de omringende weefsels minder worden belast. 6 a In de romp zitten erg veel weefseltypen achter elkaar, op de foto ontstaat dan een beeld van al die structuren door elkaar heen en kun je nog niets onderscheiden. b Van de ledematen (armen, benen, handen, voeten). Hierin liggen slechts enkele verschillende weefseltypen na elkaar als je van buiten naar binnen kijkt en is er maar 1 weefseltype (de botten) dat de röntgenstralen tegenhoudt. Er komen dan duidelijke plaatjes uit. 7 Harde structuren die de röntgenstralen tegenhouden zijn op de foto wit. 8 Kilovolt = 1000 Volt, Volt is de eenheid van elektrische spanning. milli Ampère = 0,001 Ampère, Ampère is de eenheid van elektrische stroomsterkte. 9 Medewerkers van een röntgenafdeling staan doorlopend bloot aan mogelijke strooistraling of vangen toch zelf ook wat straling op bij het assisteren van de patiënt. De meeste patiënten krijgen eenmalig een dosis straling, dat is uiteindelijk minder belastend. 10 Voor werknemers en leerlingen die regelmatig met röntgenapparatuur werken is de norm 50 mSv per jaar. Voor leerlingen van 16 en 17 jaar die leren werken met röntgenapparatuur is deze norm 15 mSv per jaar. Voor zwangere vrouwen en werknemers die in de buurt van de apparatuur zijn, is de norm 5 mSv per jaar. Voor kinderen onder de 15 is de norm 0,5 mSv per jaar. 1 Sv = 1 Sievert = 1 Joule stralingsenergie per kg lichaamsgewicht. 11 Ioniserende straling is straling die moleculen kan omzetten in ionen. Ionen zijn veel reactiever dan moleculen. Als dit in cellen gebeurt, kunnen er zodanige processen gaan optreden (chemische reacties) dat de cel dood gaat.
12
Een contrastmiddel is een stof die op een specifieke plek in het lichaam gebracht wordt en die in staat is röntgenstralen tegen te houden. Als je het contrastmiddel inbrengt op een plek die normaliter de straling doorlaat, kun je verschillen waarnemen. Een voorbeeld is bariumpap (bariumsulfaat) die in de darmen komt waardoor de loop en vorm van de darmen in de buikholtezichtbaar gemaakt kan worden.
3 CAT Scanners 1 a Bij een CAT scan worden heel veel röntgenfoto’s vanuit verschillende richtingen gemaakt. Hierdoor is het mogelijk om meerdere weefsels onder en achter elkaar toch goed in beeld te brengen. Bij een gewone röntgenfoto maak je een opname in slechts 1 richting. b Bij beide maak je gebruik van röntgenstralen om een beeld te vormen. 2 Tomografie betekent het maken van een 2 dimensionale dwarsdoorsnede van een 3 dimensionaal object. 3 Tegenover de ronddraaiende stralingsbron bevindt zich een meedraaiende ontvanger (scanner) die de röntgenstralen die door het lichaam heen gegaan zijn, opvangt en analyseert. Zo wordt het verschil tussen de intensiteit van de uitgezonden röntgenstralen en de opgevangen röntgenstralen gemeten. Uit dit verschil kan men concluderen welke structuren er in het bestraalde deel van het lichaam voorkomen. 4 Een CAT scan levert meer stralingsbelasting, omdat er meerdere röntgenfoto’s na elkaar worden genomen van hetzelfde deel van het lichaam.
4 Isotopen scan of scintigrafie 1 a Ca-45 bevat 20 protonen en 25 neutronen, Ca-47 bevat 20 protonen en 27 neutronen. b De halfwaardetijd is de tijd waarin de helft van de aanwezige radioactieve stof (een instabiele isotoop) uiteen is gevallen. c Na 9 dagen (dit is 2 x de halfwaardetijd) is de hoeveelheid Ca-47 dus 2 x gehalveerd. Na 4,5 dag zou er nog 5 mg over zijn, na 9 dagen is nog de helft van 5 mg = 2,5 mg over. 2 Een röntgenfoto is een momentopname, die geeft dus de status op 1 moment aan. Een röntgenfoto laat geen beweging of verloop zien. Het geeft wel beeld hoe de verschillende weefsels ten opzichte van elkaar gepositioneerd zijn, welke hard en welke zacht zijn, enzovoort. Dit is de anatomie. Een isotopenscan volgt een bepaalde lichaamsfunctie gedurende een bepaalde tijd. Uit een isotopenscan kun je afleiden hoe snel of hoe langzaam een bepaalde stof in het lichaam wordt verbruikt. Dit is de fysiologie. 3 Alfa-straling (helium kernen), beta – straling (elektronen), beta + straling (positronen) en gamma straling (energie). In symbolen respectievelijk α, ß-, ß+ en γ straling. 4 Nee, een SPECT scan is scintigrafie met een rond het lichaam draaiende camera. Scintigrafie is gebaseerd op het meten van gamma stralen, dus de camera registreert gamma stralen. Bij een PET scan meet de camera positronen, dat is een ander soort straling. 5 Nee, als er alleen energie wordt uitgestraald dan blijft het aantal kerndeeltjes gelijk. 6 Beta straling ontstaat doordat een neutron wordt omgezet in een proton (die blijft in de kern achter) en een elektron (die wordt als betastraling uitgestraald). Dus er komt een proton bij in de kern, het wordt dan dus een ander element. 7 De straling houdt dan langduriger aan maar per tijdseenheid wordt el wel minder straling uitgezonden dan bij een korte halfwaardetijd. Het maakt voor de stralingsbelasting niets uit, dezelfde hoeveelheid straling wordt in het eerste geval over een langere tijd uitgesmeerd.
5 MRI scan 1 2 3
Radiogolven zijn elektromagnetische straling met een golflengte van 1 – 10.000 meter, dat is een frequentie van 30.000 tot 300.000.000 Hz.. Het menselijk oor kan alleen geluidsgolven waarnemen met een frequentie tussen 16 en 20.000 Hz, geen elektromagnetische golven. MRI werkt niet met schadelijke röntgenstraling en de details die met MRI waargenomen kunnen worden zijn veel kleiner dan bij CAT. Ten slotte zijn hersenen omgeven door de schedel en die is voor röntgenstralen een groot obstakel. Weefsels waarin geen water aanwezig is, geven een zwart MRI beeld. Dus wit wil zeggen dat er veel water aanwezig is.
