Domein B. Beeld- en geluidstechniek Subdomein B2. Medische

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:
𝐸𝑓 = ℎ × 𝑓

𝐸𝑓 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).
2. 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:
1
2
I = I0 ∙ ( )n
met n =
d
d1
2




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
d1 is de halveringsdikte in m

n is hoe vaak je deelt
2
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:
massagetal
atoomnummerX



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 146𝐶 .
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
0
−1β.
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:
14
14
0
6𝐶 → 7𝑁 + −1𝑒
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:
209
205
4
84𝑃𝑜 → 82𝑃𝑏 + 2𝐻𝑒
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:
𝐸
𝐷=𝑚



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 𝑤𝑅 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 = 𝑤𝑅 × 𝐷



H is de effectieve dosis in Sv
𝑤𝑅 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
3. 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:
1
N = N0 ∙ (2)n




𝑡
met 𝑛 = 𝑡
1
2
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
𝑡1 is de halveringstijd in s
2

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:
𝐴𝑔𝑒𝑚 = −∆𝑁
∆𝑡

𝐴𝑔𝑒𝑚 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:
𝐴𝑔𝑒𝑚 = −(∆𝑁
∆𝑡 )𝑟𝑎𝑎𝑘𝑙𝑖𝑗𝑛

𝐴𝑔𝑒𝑚 is de gemiddelde activiteit in Bq


∆𝑁 is de verandering van het aantal deeltjes
∆𝑡 is de tijdsduur in s
1
A = 𝐴0 ∙ (2)n




𝑡
𝑚𝑒𝑡 𝑛 = 𝑡
1
2
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
𝑡1 is de halveringstijd in s
2
4. 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’.