Natuurkunde Klas 5 Utrecht Stedelijk Gymnasium H10

Natuurkunde Klas 5 Utrecht Stedelijk Gymnasium 2014 - 2015

H10

Medische beeldvorming Waar gaan we het over hebben? • • • • •

Ioniserende straling Röntgenfotografie Nucleaire diagnostiek Overige technieken (CT-scan, MRI) Beeldbewerking

Medische beeldvorming

Les 1 §10.1 Ioniserende straling • EM-spectrum • c = λ∙f • Fotonenergie

H10 Medische beeldvorming

Ontdekking van straling Negatief

Gefixeerd zilver

Foto

• Afbeelding van een hand met ring, een van de eerste röntgenfotos gemaakt door Wilhelm Röntgen in 1896. • Röntgenstraling of X-rays worden opgewekt met een apparaat H10 Medische beeldvorming

3 soorten straling


Ioniserend vermogen • •

bij doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen stralingsdeeltje (α,β) of foton (röntgen, γ) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie


Doordringend vermogen • •

α- en β-straling: dracht dracht R: afstand waarover het stralingsdeeltje al zijn energie heeft afgegeven aan het materiaal – hangt af van de soort straling, de energie van het stralings-deeltje en de dichtheid van het materiaal


Ioniserend, doordringend vermogen soort straling

ioniserend vermogen

doordringend vermogen

•

α-straling

groot

klein

•

β-straling

matig

matig

•

röntgenstraling

klein

groot

•

γ-straling

klein

groot


Video dracht en bescherming


Afbuiging


Aantal neutronen

Verval wijze

Aantal protonen

H2: Nucleaire diagnostiek Atoomkern (volgens Bohr) -

0

+

/ nucleus


A Z

Atoombouw en isotopen • Nucleonen • Protonen • Neutronen

p+n p n

X

A massagetal Z atoomnummer, N=A–Z

• Wat is het verschil tussen 57 27

Co en

60 27

Co ?

• Isotopen zijn atomen van hetzelfde chemische element, en dus met hetzelfde aantal protonen, waarin het aantal neutronen verschilt. De term is een samentrekking van twee Griekse woorden: isos (gelijk) en topos (plaats). Hiermee wordt benadrukt dat verschillende isotopen van hetzelfde element dezelfde plaats innemen in het periodiek systeem. H10 Medische beeldvorming

Atoombouw: Na-23 * Electronenschillen vullen van binnen naar buiten. * Resp. 2,8,18,32 plekken in de schillen Natrium;

Z = 11 A=23

N=A-Z

11 protonen 23-11= 12 neutronen

Elektrisch neutraal? aantal electronen = aantal protonen 11 electronen

Vullen; 2 + 8 + 1 in de buitenste schil Wanneer een binding gevormd wordt (2 electronen), raakt Na 1 electron kwijt. Het Ion is +1 positief geladen. Een Na+ ion.


α-verval


β-verval


β-verval


Vervalwijzen en γ-straling


γ –straling Elektromagnetische (licht)golven s=v.T λ=v∙T c=λ∙f

met

A

λ • λ de golflengte in meter • c de lichtsnelheid: 2,998∙108 m/s • f de frequentie in Hz


f=1/T

→

Elektromagnetische (licht)golven

A

• Bekijk de amplitude die bij A begint H10 Medische beeldvorming

Licht als deeltje: foton

Energie Foton: Ef = h ∙ f

Constante van Planck h = 6,62 ∙ 10 -34 Js

Dosis


Klokhuis


Video dracht en bescherming


Afbuiging in een magneetveld


Afbuiging


Vervalreeks


Koolstof-14 meting

Absorptie en dikte (d½)

Absorptie en weefseltypen


Rekenen met logaritmen Vraag:

bij welke dikte is de intensiteit 12,5%? Gegeven d½ is 4,0 cm.

Formule opzoeken die de gegevens linkt

Toegepast op vraagstuk:

Vervolg rekenen met logaritmen

Logaritme aan beide kanten nemen.

Rekenregel toepassen

Dus x = 3∙d½

Bij opgave 18

Halveringsdikte

1 I ( x)  I (0)    2

x / d1/2

n

of

x 1 I ( x)  I (0)    met n  d1/2 2

Intensiteitsafname

 I ( x)     I ( x) x Het oplossen van deze differentiaalvergelijking van de functie I(x) geeft;

Applet halveringstijd


Activiteit en halveringstijd Zoals je gezien hebt is radioactiviteit een kansproces. Het aantal kernen dat in ∆t vervalt is dus evenredig met N(t).

λ is de vervalconstante die afhangt van de atoomsoort. Deze differentiaal vergelijking heeft de onderstaande oplossing (2), wat je kunt controleren door invullen in (1).

Activiteit Het quotient in vergelijking (1) is het aantal kernen dat in ∆t vervalt. Nemen we voor ∆t één seconde dan is het quotient gelijk aan de activiteit A(t).

De activiteit op een bepaald tijdstip hangt dus af van het aantal kernen N en de vervalconstante (λ). Combineren van (1), (2) en (3) levert A(t) als functie van t.

Halveringstijd Het aantal kernen en de activiteit als functie van de tijd kan je ook noteren met behulp van de halveringstijd t½.


Halveringstijd


Applet halveringstijd


Radioactief verval


Halveringstijd Combineren van (2) en (5) levert het verband tussen de vervalconstante (λ) en de halveringstijd (t½).

Met behulp van de natuurlijke logaritme (ln), de inverse van de e-macht kan dit opgelost worden.

Halveringstijd

of

Video halveringstijd


Controle omrekenen λ en t½ 45

y=

Activiteit in Bq

40

λ = 0,0042 s−1

42,772e-0,0042x

35

check

30

21

25 20

15 10

5

t½ = 165 sec

0 0

1

2

3

Tijd in sec ×102

invullen 4

5

Fosforscherm

Het fosforscherm. De Röntgenstraling zorgt ervoor dat in het fosforscherm atomen licht geven. Dat licht geeft belichting van de filmemulsie. H10 Medische beeldvorming

Angiografie Angiogram van het hart. De naam komt van de Griekse woorden angeion en graphein. Angiografie betekent letterlijk "afbeelding van bloedvaten".

Bron: http://nl.wikipedia.org/wiki/Angiografie


DSA

Een DSA-opname van het hoofd. Links het maskerbeeld, midden het contrastbeeld, rechts het verschil tussen contrast- en maskerbeeld. De bloedvaten zijn nu zeer duidelijk te zien H10 Medische beeldvorming

Nucleaire diagnostiek

• Beeld van lichamelijke stofwisseling. • Patient krijg lage dosis radiactieve stof toegediend. H10 Medische beeldvorming

Detectie Geiger-Müller telbuis •

• • • •

•

gasgevulde metalen cilinder (kathode) met op de cilinderas een metalen draad (anode) spanning van 1 kV vooral gevoelig voor β-deeltjes deeltje veroorzaakt ionisatie van één of meer gasatomen vrijgemaakte elektronen versnellen naar anode en ioniseren daarbij meer gasatomen: er ontstaat een lawine van elektronen die een spanningspuls levert elektronische teller telt het aantal pulsen H10 Medische beeldvorming

Detectie Bellenvat • • •

•

• • •

vat met doorzichtige vloeistof temperatuur vloeistof vlak onder kookpunt invallende straling zorgt voor ionisaties door drukverlaging gaat de vloeistof spontaan koken: rond de ionen vormen zich dampbellen banen van de deeltjes zijn zichtbaar als bellenspoor gekromde banen onder invloed van magnetisch veld meestal wordt een foto van het bellenspoor gemaakt

Detectie Dradenkamer •

• •

een rij dicht op elkaar liggende anode-draden is gespannen tussen twee kathode-platen invallende straling zorgt voor ionisaties de draden detecteren de door ionisatie vrijgekomen elektronen een computerprogramma berekent het ionisatiespoor deeltje

•

kathode-platen anode-draden


Detectie Dosismeter •

• •

•

bevat materiaal dat de energie van de invallende straling absorbeert vroeger een fotografische film – na ontwikkelen bepaalt de zwarting de dosis tegenwoordig thermoluminescentie – straling brengt atomen in aangeslagen toestand, na verhitting komt energie vrij in de vorm van licht: de lichtintensiteit bepaalt de dosis. uitvoering als badge


Nucleaire diagnostiek  Leg na het maken van de oriëntatie opgave uit wat voor soort straling er gebruikt wordt in medisch onderzoek.  Waarom wordt niet alle straling gebruikt?


Schaarste medische isotopen 17 feb 2010 (Bron: nos.nl) Voor het eerst in tientallen jaren is een nieuwe reactor toegevoegd aan de wereldwijde keten voor medische isotopen. Daarmee is een oplossing gevonden voor een dreigend tekort. De reactor in Petten, sluit eind deze week een halfjaar wegens onderhoud en reparatie.

Reactor in Petten. Foto: ANP.

Ook de reactor in Canada is al enige tijd niet beschikbaar. Deze reactor, nu gesloten vanwege reparatiewerkzaamheden, gaat in april weer open. De reactors in Canada en Petten zorgden voor ongeveer 65 procent van de wereldwijde aanvoer van medische isotopen.


Technetium-99m 1. Verbindingen van technetium-99m worden gebruikt in de nucleaire geneeskunde als radioactieve tracer in het lichaam. 2. Het is hiervoor geschikt omdat het voldoende energetische gammastraling (141 keV) uitzendt. 3. De korte fysische halfwaardetijd van ongeveer 6 uur maakt dat de patiënt slechts aan een beperkte hoeveelheid straling wordt blootgesteld. 4. De halveringstijd is lang genoeg om het tijdverschil tussen transport, toedienen en het maken van de foto te overbruggen. H10 Medische beeldvorming

Gammacamera

Formules


Ioniserende straling


Dosis & Equivalent dosis


Dosis en dosisequivalent •

de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal: E str m eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg) het dosisequivalent H is de dosis, gecorrigeerd voor het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling: H = Q gD eenheid: sievert (Sv) weegfactor: Qα = 20 en Qβ = Qγ = Qrö = 1 D=

• •

• •


Equivalent dosis Bron

H (mSv/jaar)

Kosmische straling

0,25

Bron

WR (weegfactor)

Bodem

0,05

α

20

Water en voedsel

0,35

Lucht

0,8

β γ

1 1

Bouwmaterialen

0,35

Totaal

1,8

Bron: RIVM (2006)


Stralingsniveau’s rond de reactor


Stralingsniveau’s rond de reactor Plaats van meting

Stralingsbelasting

Buiten het gebouw

85,4 nSv/h

Naast het gebouw

230 nSv/h

In de reactor ruimte

1,6 μSv/h

Boven het reactorbassin

60 μSv/h

Vraag 1: Controleer of de waarde van de stralingsbelasting gemeten buiten het gebouw overeenkomt met de jaarlijkse stralingsdosis van 1,8 mSv/jaar.

Vraag 2: Hoeveel uur mag een medewerker werken boven het bassin werken voor hij zijn jaarlijkse dosislimiet (50 mSv) heeft bereikt.


Beschermingsmaatregelen • • • • • •

het jaarlijkse dosisequivalent van zo’n 2 mSv als gevolg van de natuurlijke achtergrondstraling is onontkoombaar de ontvangen extra dosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven er zijn drie mogelijkheden om het stralingsrisico voor stralingswerkers te beperken: verkorten van de tijd dat de stralingswerker met de bron bezig is afscherming van de bron vergroten van de afstand tot de bron


Afwegen van risico’s • • • •

•

toepassingen moeten gerechtvaardigd zijn de ontvangen stralingsdosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven bij medisch diagnostische stralingstoepassingen steeds nagaan of er alternatieven zijn (zoals MRI of echoscopie) voor medisch therapeutische stralingstoepassingen (bestraling) geldt een andere afweging: het risico van niet behandelen tegenover het risico van de stralingsdosis deze stralingsdosis valt niet onder de dosislimiet


Achtergrondstraling


Bron, straling en ontvanger

Bestraling versus besmetting H10 Medische beeldvorming

Stralingsbelasting


Echografie

Ultrageluid  zeer hoge frequentie Ultrageluid  kaatst gedeeltelijk terug tussen weefsels met verschillende dichtheden (en dus verschillende snelheden)


Echografie


Doppler


Breking van geluid (extra)

Schets voor situatie met licht


Opgave


Doppler effect De waarnemer hoort een hogere of lagere frequentie


Doppler formule (extra)

Voor dopplerecho werk je met een factor twee voor de snelheid: 2∙vbron i.p.v. vbron H10 Medische beeldvorming

Doppler effect Applet


Doppler


Echografie


Baby van 16 weken (4D echo)


Moderne 3D echo-foto (16 weken)


Echografie (Baby Baukje)


Echografie (Baby Baukje)


MRI-scan van de hersenen


MRI: Hoe klinkt dat?


MRI magneetveld


MRI magneetveld


Ct-scan/Cat-scan


Opengewerkte ct-scanner


Binair tellen Getal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Binair getal 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Afspraken • 1 byte = 8 bits • 1 MB is één megabyte = 1 000 000 byte • 1 Mb is één megabit = 1 000 000 bit, vroeger werd hier de factor 216 voor gebruikt = 1048576 ×

Nina Communicatie 2010

Binair tellen (6-bits) Binair

2(positie van de 1) - 1

Decimaal

Binair

2(positie van de 1) - 1

Decimaal

000001

20

1

000001

20

1

000010

21

2

000100

22

4

000100

22

4

001000

23

8

010000

24

16

010000

24

16

100000

25

32

111111

25+24+23+22+21+20

63

010101

24+22+20

21


Binair/decimaal omzetten 9-bits getallen omzetten 2(n – 1)

28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

001101010


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

001101010

+2


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

001101010

+8


+2

Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

001101010

+32

+8


+2

Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

+64

+32

001101010

+8


+2

Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Uit

0

0

1

1

0

1

0

1

0

+64

+32

64+32+8 +2

001101010

+8


+2


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

+64

+32

001101010

+8


+2

Uit =106


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

100010000


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

100010000

+256

+16


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

100010000

+256

+16


Uit

=272


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

niet

niet

niet

57


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

57

32


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

57

32 1


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 57-32

57

32 1


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 25

57

32 1


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 25

57

32

16

1

1


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 25

57

32

16

1

1

25-16


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 9

57

32

16

1

1


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 9

57

32

16

8

1

1

1


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 9

57

32

16

8

1

1

1

9-8


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 1

57

32

16

8

1

1

1


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 1

57

32

16

8

1

1

1

0


Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 1

57

32

16

8

1

1

1

0


0

Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Nog 1

57

32

16

8

1

1

1

1 0


0

1

Uit


28

27

26

25

24

23

22

21

20

In

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Uit

Nog 1

57

32

16

8

1

1

1

1 0


0

1

111001

Wikipedia_logo_pixels.png ‎(202 × 193 pixels 1 pixel


Pixels beeldscherm

Usb-microscoop Vergroting 200x

1 pixel groen


Afbeelding uit het boek blz. 72


This is not yellow


Kernsplijting

•

bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235:

•

•

235 92

89 1 U+ 01n  144 Ba + Kr + 3 56 36 0n

235 92

94 1 U+ 01n  140 Xe + Sr + 2 54 38 0n

bij deze splijtingsreactie is sprake van een massa-defect: er komt energie vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten de splijtingsproducten zijn instabiel en vervallen onder uitzenden van α-, β- en/of γ-straling

• ISP

Examenprogramma VWO 2010

138

Kettingreactie •

bij de splijting van U-235 ontstaan twee of drie vrije neutronen deze vrije neutronen kunnen op hun beurt weer nieuwe uraniumkernen splijten: zo ontstaat een kettingreactie.

•

ISP


139

Kernreactor

•

in een kernreactor is sprake van een gecontroleerde kettingreactie van kernsplijtingen om energie vrij te maken: elke kernsplijting veroorzaakt één volgende kernsplijting de energie wordt gebruikt om stoom te maken de stoom drijft een turbine/ generator-combinatie aan de kerncentrale levert elektrische energie

• • •

ISP


140

Natuurkunde Klas 5 Utrecht Stedelijk Gymnasium H10

Recommend Documents