Promieniowanie i medycyna

PROMIENIOWANIE I MEDYCYNA!!

Promieniowanie - strumień cząstek lub fal wysyłanych przez ciało.
Wytwarzanie promieniowania jest nazywane emisją.
Pierwotnie pojęcie promieniowanie używano do tych rodzajów wysyłanych cząsteczek i fal (bez wnikania w ich naturę), którego wąski strumień (promień patrz światło) rozchodząc się w przestrzeni może być traktowany jak linia w geometrii (nie rozdziela się).

Bardzo ważne miejsce w dzisiejszym świecie zajmuje zastosowanie promieniowania jonizującego w medycynie. Większość z nas poznała już jego je, chociażby podczas prześwietleń aparaturą rentgenowską(np. złamanej ręki). Zasada jej działania jest bardzo prosta i polega na tym, że wiązka promieni X przenikając przez badany narząd ulega osłabieniu, ponieważ część promieni zostaje pochłonięta przez tkankę. Narządy zbudowane z tkanek o różnej gęstości, w różnym stopniu pochłaniają wiązkę promieniowania. Niejednorodnie osłabiona wiązka promieni X trafia na kliszę fotograficzną i powoduje jej zaciemnienie proporcjonalnie do stopnia osłabienia. W ten sposób na kliszy fotograficznej uzyskujemy obraz badanego narządu. Jednym z ważniejszych osiągnięć techniki rentgenowskiej jest tomografia komputerowa. Sterowany komputerem proces wykonywania kolejnych zdjęć badanego narządu w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem pozwala uzyskiwać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładne nawet niewielkie zmiany chorobowe. Innym ważnym zastosowaniem promieniowania w medycynie jest radioterapia. Stosuje się ją w przypadku nowotworów szczególnie czerniaka (nowotwór skóry).

Promieniowanie rentgenowskie powstaje przy przejściach elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe atomu, jego długości zawarte są w przedziale 0,1 pm do ok. 50 nm, tj. między promieniowaniem gamma i ultrafioletowym. Dzieli się na miękkie (większa długość fali, mniej przenikliwe) i twarde (większa długość fali, bardziej przenikliwe).

Źródłem promieniowania X jest aparat rentgenowski, reaktor jądrowy, akcelerator a także pierwiastki promieniotwórcze i wiele obiektów astronomicznych. W aparacie rentgenowskim znajduje się lampa próżniowa lub gazowa, w której strumień elektronów pada na elektrodę zwaną anykatod. Promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest też przez dwie lampy: jonową oraz Coolidge?go z żarzoną katodą, która służy do wytwarzania elektronów swobodnych. Jonowa lampa rentgenowska to bańka szklana, kulista, wypełniona gazem; wewnątrz znajdują się trzy elektrody metalowe.
Do prześwietlania służy: ekran fluoryzujący, ekran rentgenologiczny, wzmacniacz elektronowy obrazu ekranowego. Ekran fluoryzujący zawiera elementy fluoryzujące, które pod wpływem promieniowania X dają obraz słabo odbierany przez siatkówkę oka, ale silnie przez błony fotograficzne. Ekran rentgenowski przetwarza promienie X w promienie widzialne.
Ciekawostką jest, że Słońce, gwiazdy i inne obiekty w przestrzeni kosmicznej (np. czarne dziury) są naturalnymi źródłami promieni X. Wokół Ziemi krążą satelity wyposażone w teleskopy wysyłające obrazy rentgenowskie z przestrzeni kosmicznej. Po przetworzeniu dają one obraz trójwymiarowy.

Własności promieniowania X:
- wszelkie substancje są dla promieni X w mniejszym lub większym stopniu przejrzyste
- są niewidzialne, ale wywołują fluorescencję
- wywołują jonizację powietrza

- wiele substancji fosforyzuje przy naświetlaniu promieniami X
- emulsje fotograficzne są czułe na promienie X, powodujące zaczernienie kliszy
- w próżni mają prędkość światła
- rozchodzą się po liniach prostych, ich tor nie zakrzywia się w polu magnetycznym ani elektrycznym
- padając na ciało naelektryzowane powodują, że ciało to traci ładunek

Zastosowanie promieni X:
- pierwszą dziedziną, w której wykorzystano promienie X była medycyna
- prześwietlają bagaże na lotniskach
- pomagają w defektoskopii (wykrywaniu wad metali) i budowaniu konstrukcji stalowych
- każdy odbiornik telewizyjny emituje promienie X, które jednak nie przedostają się przez szybę odbiornika
- używane są w fizyce jądrowej (mikroskopy elektronowe, cyklotrony, akcelatory)
- wykorzystywane są w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji oraz struktur kryształów
- umożliwiają obserwację przyćmionych ciał, np. pulsarów
- podczas I wojny światowej za pomocą promieni X szukano kul i ich odłamków w ciałach rannych żołnierzy
- W 1896 roku we Francji promienie X wykorzystywane były do diagnozowania gruźlicy
Jednak największe zastosowanie promienie X znalazły w medycynie- służą do otrzymywania obrazu organów wewnętrznych oraz leczenia schorzeń. Dzięki tomografowi rentegowskiemu udaje się uzyskać bardzo dokładny obraz nawet małych zmian chorobowych. Najczęściej robi się zdjęcia klatki piersiowej i układu kostnego; wprowadzenie promieni X do układu naczyniowego pozwala na uwidocznienie przebiegu i zarysu tętnic i żył. Promienie rentgenowskie wykorzystywane są również do niszczenia chorych komórek, najczęściej nowotworowych.

Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. W dawkach stosowanych w medycynie nie powinno powodować działań niepożądanych, choć należy zachować ostrożność i nie nadużywać go. Promieniowanie X może wpływać na rozwój płodu, duże dawki są szkodliwe dla zdrowia. Powodują przede wszystkim uszkodzenie szpiku kostnego, co prowadzi do niedokrwistości. Reakcja organizmu na promieniowanie X zależy przede wszystkim od jego ilości, wieku (im osoba młodsza tym bardziej narażona), rodzajów tkanek. Dlatego stosuje się fartuch z gumy ołowiowej, który chroni nie badane części ciała.

Promieniowanie rentgenowskie mogą mieć zarówno widmo ciągłe jak i liniowe. Podczas zmniejszania się prędkości cząstek naładowanych powstaje widmo promieniowania hamowania (widmo ciągłe), jego maksymalne natężenie zależy od energii cząstek bombardujących (zazwyczaj elektrony). Widmo liniowe (widmo promieniowania charakterystycznego) zależy od rodzaju atomów emitujących to promieniowanie, składa się ono z grup linii tworzących serie widmowe, odpowiadające przejściom elektronów na odpowiednie zewnętrzne powłoki elektronowe.

Promienie odkryte w 1895 roku przez niemieckiego fizyka Roentgena stały się nieodzowne w medycynie, pomagają też w wielu innych dziedzinach życia. Rozwój techniki i coraz większa wiedza o świecie pozwalają na tworzenie coraz lepszych aparatów rentgenowskich oraz poszerzanie stosowania promieni X.

Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają m.in. na diagnostykę złamań kości i chorób płuc. Naświetlanie promieniami rentgenowskimi zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania może powodować oparzenia i chorobę popromienną...

Radiografia cyfrowa
Klasyczny obraz radiograficzny ma charakter analogowy i uzyskiwany jest zazwyczaj na kliszy rentgenowskiej. W tej postaci może być oglądany i analizowany bezpośrednio lub po zamianie (przez skanowanie laserowe) na obraz cyfrowy, za pomocą monitora. Obraz w postaci cyfrowej jakkolwiek zubożony o część informacji ma tę zaletę, że może być przetwarzany, jak to ma miejsce w opisanych dalej nowoczesnych metodach wizualizacji oraz łatwo archiwizowany.
Nowoczesne urządzenia rentgenowskie wyposażone w tak zwany tor wizyjny składający się ze wzmacniacza obrazu, kamery wideo, łączącego je układu optycznego oraz komputera, umożliwiają uzyskiwanie obrazu cyfrowego bezpośrednio w czasie rzeczywistym. Dzięki temu jest możliwa wizualizacja nie tylko struktury ale także czynności narządów, a w szczególności układu krążenia. Procedura otrzymywania i przetwarzania radiologicznych obrazów cyfrowych nazywa się radiografią cyfrową.

Znakowanie izotopowe
Znakowanie izotopowe jest to proces zamiany w związku chemicznym trwałego jądra, wysyłającym promieniowanie izotopem promieniotwórczym tego samego pierwiastka, dzięki czemu można śledzić drogę tego atomu wewnątrz układu biologicznego lub mechanicznego. Związek chemiczny zawierający izotop promieniotwórczy jest nazywany związkiem znaczonym, a atom służący do znakowania atomem znaczonym (wskaźnikiem izotopowym). Promieniotwórczy związek ma takie same własności chemiczne i fizyczne (czasami są drobne różnice) jak naturalny związek, a jego obecność można wykryć za pomocą odpowiednich detektorów. Metoda wskaźników jest szeroko stosowana w chemii, biologii, medycynie i technice. Bardzo często do znakowania używa się izotopu wodoru 3H, składającego się z jednego protonu i dwóch neutronów, zwanego trytem. Tryt ma czas połowicznego rozpadu 12,5 lat. Jeżeli w każdej cząsteczce związku na miejsce wodoru podstawiony zostanie atom trytu, to taki związek nosi nazwę związku trytowego. Najczęściej stosuje się wodę trytową T2O.

Tę technikę stosuje się często w medycynie. Podczas badań diagnostycznych śladowe ilości krótkożyjącego izotopu lub częściej substancji znakowanej nazywanej w medycynie radiofarmaceutykiem zostają wprowadzone do organizmu człowieka. Najczęściej używanym radioizotopem jest technet-99m, rzadziej używa się jodu-131, talu-201 i galu-67. Izotopy te zwykle są związane z odpowiednio dobranymi związkami chemicznymi powodującymi gromadzenie się ich w tym, a nie w innym narządzie. Radioizotop spełnia w tym przypadku rolę "szpiega". dzięki jego obecności łatwo można prześledzić za pomocą urządzeń rejestrujących promieniowanie czy rozkład podanego radiofarmaceutyku w badanym narządzie jest prawidłowy. Stosowane radiofarmaceutyki biorą udział w określonych procesach życiowych narządu, zatem rozkład radioaktywności obrazuje jego czynność.

Scynytgram nerek, na dole pokazana jest zmiana radioaktywności wraz z czasem podanym w minutach.
Urządzeniami służącymi do rozkładu radioaktywności w organizmie człowieka są scyntygrafy lub znacznie częściej obecnie stosowane gamma - kamery (zdjęcie u góry). Ich podstawową częścią jest detektor promieniowania umożliwiający pomiar radioaktywności równocześnie w całym narządzie. Nowoczesne gamma - kamery współpracują z systemem komputerowym. Uzyskane tą metodą obrazy rozkładu podanego znacznika pozwalają ocenić strukturę i czynność badanego narządu. Taki obraz komputerowy nazywamy scyntygramem. Najczęściej wykonuje się izotopowe badania tarczycy, nerek, kości, płuc i serca.
Na przykład badanie nerek polega na podaniu pacjentowi śladowej substancji znakowanej i wydalanej przez nerki z moczem. Śledząc na ekranie monitora jak szybko narasta i zanika radioaktywność w nerkach, można określić czy ich ukrwienie jest prawidłowe, czy czynność komórek nerkowych wychwytujących podaną substancję jest sprawna, a odpływ moczu nie napotyka na przeszkody.
Dawka promieniowania jaką otrzymuje pacjent podczas tego badania jest tak niewielka, że poleca się je u dzieci zamiast urografii - podstawowej techniki rentgenowskiej w badaniach nerek. Ponadto radiofarmaceutyki nie wywołują powikłań spotykanych przy stosowaniu kontrastów radiologicznych, takich jak wstrząs i uczulenie.
Opracowano na podstawie materiałów Państwowej Agencji Atomistyki "Promieniowanie i medycyna".
Emisyjna tomografia pozytonowa

tomografia pozytonowa
Badanie przy użyciu emisyjnej tomografii pozytonowej
Emisyjna tomografia pozytonowa w skrócie PET (positron emission tomography) polega na wstrzykiwaniu pacjentowi promieniotwórczego izotopu wysyłającego promieniowanie beta plus czyli pozytony (dodatnie elektrony), co prowadzi do anihilacji i emisji fotonów, wykrywanej w kolejnych warstwach. W badaniu korzysta się z pierwiastków, wbudowanych do określonych cząsteczek, np. glukozy, wody, amoniaku lub leków, które zostają wprowadzone do organizmu pacjenta drogą żylną lub przez inhalację. Czas połowicznego rozpadu użytych pierwiastków jest na tyle krótki, że nie stanowi zagrożenia dla zdrowia pacjenta. Poszczególne tkanki zużywają wprowadzone substancje znaczone w różnym tempie. Izotopy rozpadając się, są źródłem pozytonów, które w wyniku spotkania z elektronami anihilują, dając parę fotonów o energii 511 keV każdy, rozbiegających się w przeciwne strony. Jeżeli dwa umieszczone naprzeciwko siebie fotopowielacze jednocześnie rejestrują fotony, to wyznaczają one prostą przecinającą komórkę, w której nastąpiła emisja. Komputer zbierający dane tworzy mapę intensywności powstawania pozytonów. Obserwowany rozkład emisji pozwala ustalić tempo zużywania tych molekuł przez poszczególne komórki, co jest miarą ich metabolizmu. Nadmierny metabolizm może wskazywać na nowotworowe przerzuty, choroby neurologiczne, jak choroba Alzheimera, a także pozwala obserwować różnice w aktywności neuronów podczas pracy mózgu. Jedyny pozytonowy tomograf emisyjny w Polsce znajduje się w Centrum Onkologii w Bydgoszczy
Opracowano na podstawie nr 9/2004 czasopisma Świat Nauki.

Tomografia komputerowa
Tomografia w skrócie CT (computed tomography) polega na wykonywaniu wykonywaniu kolejnych zdjęć rentgenowskich sterowanych komputerem badanego narządu w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem. Pozwala to uzyskać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładnie nawet niewielkie zmiany chorobowe.
tomografia
Badanie przy użyciu tomografii komputerowej
Tomograf komputerowy składa się ze stołu, na którym leży pacjent, gantry, w której znajduje się lampa promieniowania rentgenowskiego wraz z detektorami oraz z komputerowej konsoli, na której programuje się i ogląda badania. Skaner tomografu komputerowego obraca się wokół leżącego pacjenta, wykonując co kilka stopni liczne pomiary. Na podstawie pomiarów gęstości osłabiania promieniowania komputer tworzy obrazy poprzecznych przekrojów ciała pacjenta uwidaczniające z dużą dokładnością tkanki organizmu i strukturę narządów. Poddane dalszej obróbce komputerowej przekroje poprzeczne mogą być źródłem obrazów trójwymiarowych. Obecnie rozdzielczość wynosi 1 mm, a zbadanie milimetrowej warstwy zajmuje sekundę. Tomografia komputerową stosuje się w przypadku znacznych różnic w gęstości tkanek, nadaje się więc do diagnozowania złamań, zakrzepów i kamieni nerkowych.
W przypadku tomografii oprogramowanie komputerowe jest integralną częścią przebiegu badania. Specjalna konsola tomografu umożliwia sterowanie i kontrolowanie przebiegu badania, przyjmuje informację o badanym obszarze anatomicznym, a następnie przetwarza je tak, aby uzyskać możliwie
tomografia
Zdjęcie tomograficzne głowy na poziomie oczodołów
najdokładniejsze odzwierciedlenie szczegółów badania. Przetworzone wyniki wpisywane są do pamięci magnetycznej na dysku detektora, a następnie odbierane przez system przetwarzania danych. Dalej zapisuje się je na drukarce, na monitorze lub na nośniku magnetycznym. Dzięki kamerze można ponadto wykonać zdjęcia oglądanego narządu na błonie światłoczułej. Tak jak w każdej technice cyfrowej, w tomografii komputerowej istnieje możliwość dowolnego powiększania i dzielenia obrazu oraz dokonywania jego wtórnej rekonstrukcji. Możliwości te zależą jednak od oprogramowania aparatu.
W celu uzyskania lepszego obrazu wieczorem jeden dzień przed badaniem i w dniu badania należy wypić rozcieńczoną w trzech szklankach wody jedną ampułkę urografiny. Czasami, w celu dokładniejszej oceny danego obszaru, pacjentowi podaje się dożylnie odpowiedni środek kontrastowy (osłabiający promieniowanie rentgenowskie). Podanie badanemu takiego środka powoduje, że fale rentgenowska jest prawie całkowicie pochłonięta w tych tkankach (np. naczynia żylne) a na ekranie komputera widzimy jasne pole, odpowiadające w tym przypadku naczyniom żylnym wypełnionym środkiem kontrastowym. Środki kontrastowe można podzielić na: środki podawane dożylnie, doustnie i doodbytniczo.

Promieniowanie laserowe ma pewne specyficzne cechy w stosunku do zwykłego promieniowania optycznego. Są one następujące:

1. Promieniowanie jest emitowane z lasera w postaci mało rozbieżnej wiązki w jednym, określonym kierunku, wyznaczonym przez oś rezonatora optycznego. Wiązka promieniowania ma na ogół małą rozbieżność, to znaczy, że jej średnica nie ulega większym zmianom w miarę oddalania się od lasera. Miarą rozbieżności wiązki jest kąt rozbieżności, który zazwyczaj ma wartość od kilku lub kilkudziesięciu miliradianów (lasery gazowe i lasery ciała stałego) do około 10 stopni (lasery półprzewodnikowe). Mała rozbieżność pozwala na przesyłanie wiązki laserowej na duże odległości, a także na jej silne skupienie przez układ optyczny. Im mniejszy jest kąt rozbieżności wiązki, tym mniejsza średnica plamki skupionego promieniowania w ognisku soczewki. Możliwe jest skupienie wiązki do średnicy od kilku do kilkuset mikrometrów. Ponieważ cała moc promieniowania zawarta jest w wąskiej wiązce laserowej, można po skupieniu uzyskać bardzo dużą gęstość mocy promieniowania w ognisku soczewki rzędu 108 - 1012 W/cm2.

2. Promieniowanie laserowe jest monochromatyczne. Żadne źródło nie emituje promieniowania o jednej długości fali. Nawet to światło, które wydaje się jednobarwne, jest złożone z fal zawartych w pewnym przedziale długości fali, dającym tzw. szerokość spektralną. Szerokość spektralna promieniowania laserowego jest bardzo mała i może osiągnąć nawet 10-7 nm, przy czym cała energia promieniowania jest zgromadzona w tej wąskiej linii. Ułatwia to ogniskowanie wiązki laserowej i osiąganie bardzo małych rozmiarów ogniska.

3. Promieniowanie laserowe jest koherentne (spójne). Oznacza to, że występuje stały związek fazowy fali promieniowania w wiązce w czasie (spójność czasowa) i między dowolnymi punktami przekroju poprzecznego wiązki laserowej (spójność przestrzenna).

Wszystkie te właściwości stwarzają olbrzymie możliwości zastosowania promieniowania laserowego.

We współczesnej medycynie znalazło zastosowanie kilkanaście, jeśli nie kilkadziesiąt, różnego rodzaju urządzeń laserowych. Trudno byłoby obecnie wymienić dziedzinę medycyny, która nie korzystałaby z takiego źródła promieniowania, jakim jest laser. Stosuje się je zarówno w diagnostyce, jak i w terapii. A postęp techniczny stwarza nowe możliwości ich wykorzystania.

Laserów używa się przede wszystkim dla "twardej" obróbki tkanek:

* cięcia,
* koagulacji,
* odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą)
* obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji)

Mammografia jest radiologiczną metodą badania sutka (gruczołu piersiowego). Podobnie jak w pozostałych metodach rentgenowskich, wykorzystuje się tu różnice w pochłanianiu promieni X, przechodzących przez poszczególne tkanki organizmu. Obraz utrwalany jest na błonach retgenowskich.

Badania wykonuje się specjalnym aparatem, wytwarzającym promieniowanie w zakresie 25-40 kV (tak zwane promieniowanie miękkie), przy użyciu czułych błon rentgenowskich.
Pierwsze, dobrze udokumentowane badania, przeprowadził Leborgne w 1951 roku.
Podstawowe projekcje to: osiowa (z góry na dół) i boczna (obu sutków z osobna).

Zdjęcia pozwalają uwidocznić prawidłowe struktury sutka i ewentualne ich zmiany:
- tkankę gruczołową,
- łącznotkankowe podścielisko
- główne przewody mleczne,
-tkankę tłuszczową,
-żyły
- skórę,
- brodawkę sutkową.

Obraz prawidłowego sutka zmienia się z wiekiem. W przypadku zaistnienia nieprawidłowości można stwierdzić:
-patologiczne zagęszczenia - cienie,także guzowate,
-zwapnienia,
-poszerzenie żył,
-pogrubienie skóry,
-ciągnięcie brodawki sutkowej
powiększenie węzłów chłonnych w uwidocznionym fragmencie dołu pachowego.

Mammografia jest cenną metodą wykrywania raka piersi (najczęstszego u kobiet nowotworu złośliwego) oraz innych nieprawidłowości. W przypadku raka sutka czułość tej metody jest oceniana na 80-95%.