RADIOLOGIE-IMAGISTICA MEDICALACurs I

Sef. L. dr Anca ButnaruCatedra de Radiologie

U.M.F Cluj

Radiologia = disciplina medicala care studiaza organismul uman cu ajutorul razelor x sau Roentgen (Röntgen)

Specialitati medicale care utilizeaza razele X • Radiodiagnostic: dg.radiologic• Radioterapie: tratamente cu radiatii ionizante• Radiobiologie: modificari biologice sub influienta radiatiilor +masuri de radioprotectie• Radiogenetica: efectele genetice ale radiatiilor ionizante• Fizica radiatiilor: fizica razelor X cu aplicatii in diagnostic si terapie

Imagistica medicala= metode de diagnostic ce utilizeaza prelucrarea computerizata a semnalelor obtinute din volumul studiat; semnalele sunt obtinute prin investigarea unui volum utilizand diferite radiatii electromagnetice, corpusculare si acustice:

• ECOGRAFIA (ultrasunete)• TOMOGRAFIA COMPUTERIZATA (raze X)• RADIOLOGIA DIGITALA ( raze X)• REZONANTA MAGNETICA NUCLEARA ( unde radio + camp magnetic)• MEDICINA NUCLEARA: explorari si tratamente cu izotopi radioactivi ( + SPECT, PET)

Structura materiei• Fizica clasica: atomul ca structura solida aflat in stare continuua• Fizica cuantica (mecanica cuantica): atomul ca energie potentiala- aflata in stari (nivele) cuantice• Fizica sub-cuantica: particule ca energie in dinamica continuua

Structura materiei-fizica clasica- Atomul

Definitie : – cea mai mica particula a unui element– pastreaza toate caracteristicile elementului– indivizibil prin metode chimice– caracteristici nr. atomic Z = nr. protoni

nr. de masa A= nr. particule din nucleu- Structura atomului - Modelul Rutherford (1911) → Mic sistem planetar

• Nucleu in centru - concentreaza sarcinile + (protonii) si masa atomului• diam.nucl / diam.atom = 10-4

• electroni se rotesc pe orbite, la periferie = nor e-– concentreaza sarcinile -, masa neglijabila– nr. electronilor = nr. protonilor = Z nr.atomic

• sarcina e- = p+ - Structura atomului - Chadwick (1932)

• In nucleu exista si particule inerte electric, cu masa unitara (neutroni)– masa p+ ~ n

• masa nucleu < suma masei p+n– diferenta = energie de legatura intre nucleoni,W– mezoni= forte nucleare mentin nucleul intreg

» E=mc2 (Einstein)

1

– W energia necesara pt a desface nucleul in nucleoniPostulatele lui Bohr

• 1. e- se misca pe orbite circulare, bine determinate (orbite stationare), fara a pierde (emite) energie• 2. trecerea unui e- ,de pe o orbita pe alta se face prin emisia sau absorbtia de energie sub forma de

cuante : E=hυ -27 • h = constanta Planck = 6,6.10 ergi• υ = frecventa radiatiei emise sau absorbite

Structura atomului• Electronii se misca pe orbite in dublu sens :a) se rotesc in jurul propriului ax = miscare de spinb) se rotesc in jurul nucleului atomic printr-o miscare de rotatie

Energia de legatura si cinetica• Energia unui electron in miscare pe o orbita

E = E atractie + E cinetica• cu cat distanta fata de protoni este <, cu atat Eat> iar Ecin <• cu cat dist. fata de protoni este >, Eat <, • Ecin > - electronii mai aproape de nucleu sunt legati mai strans de atom,

- electronii mai departe de nucleu au sanse mai mari de a parasi atomulNumere cuantice - Sommerfeld (1916) → Orbitele electronilor sunt eliptice (au o axa mare si una mica)

Straturi electronice• Orbitele notate cu litere K,L,M,…• exista Straturi intr-o orbita, difera nr. magnetic sau de spin, sunt notate cu 1,2,3…...

Numere cuantice caracterizeaza electronul in miscare• n = nr.cuantic principal = nr. Stratului (valori: 1…. n)• l = nr. cuantic secundar, det. de semiaxa mica a elipsei (valori: 0 la n-1)• m = nr. cuantic magnetic, defineste inclinarea campului magnetic al electronului fata de campul

nucleului (valorea= -l……0……+l)• s = nr. de spin

+ ½ - coincid cu sensul miscarii pe orbita - ½- nu coincid Principiul Pauli (1925) → Intr-un atom nu pot exista doi electroni pentru care cele patru numere cuantice sa prezinte valori identice

Dualitatea unda – corpuscul : Principiul De Broglie (1924)• E = hu• u = c /l• E = hc / l • E = mc2 = hc / l• l = h / mc• l este invers proportionala cu masa particulei deci particule cu masa > au asociata unda neglijabila

Ionul = atom care a pierdut sau a castigat unul sau mai multi electroni• ion pozitiv- prin pierdere de electroni• ion negativ- prin castig de electroni

2

Energia de ionizare • In stare fundamentala: electronul se mentine pe orbita cu energie minima• In urma unei excitatii: trece pe o orbita superioara (periferica)• Daca E cedata e- este foarte mare el paraseste atomul =>ion pozitiv (potential de ionizare )• Potential de ionizare = energia necesara pentru desprinderea unui electron din atom (transformarea

in ion pozitiv) → se masoara in electron -volti (eV) → 1eV = cantitatea de energie consumata pentru a deplasa un electron intr-un camp electric, la o diferenta de potential de 1 volt.

Radiatii

ENERGIA = cantitate fizica fundamentala ce caracterizeaza particulele, undele si toate sistemele fizice→ Campuri universale cu actiune pe distanta mare care poate fi :

- gravitationala - mecanica - electromagnetica - termica - nucleara -chimica

- Se masoara in : joule (J), ergs, electron/volt, calorii- Intr-un sistem fizic inchis ramane constanta (legea conservarii energiei) - In teoria cuantica, energia poate fi cuantificata Mecanica cuantica

• Sta la baza intelegerii fizicii atomice si nucleare• conform teoriei cuantelor energia radianta: - nu se emite si se absoarbe in mod continuu ci discontinuu sub forma de fragmente de energie = cuante - cuantele sunt caracteristice fiecarei radiatii - energia cuantei este direct proportionala cu frecventa radiatiei pe care o constituie - marimea cuantei este caracterizata de energia si frecventa ei - relatia dintre energia si frecventa cuantei este data de relatia: E=hν

Radiatiile = emisia si propagarea energiei sau energia emisa (mod special de miscare a materiei)pot fi:

1) radiatii electromagnetice (unde, campul electric si cel magnetic sunt perpendiculare intre ele, si perpendiculare pe directia de propagare )2) radiatii corpusculare (particule) →materia are ambele caractere: Principiul De Broglie (1924) dualitatea unda-corpuscul

K L M N OP+N

-

E3=hu

Ion pozitivIon pozitiv

e - liber

K L M N OP+N

e-

Ion negativIon negativ

e - liber

3

3) radiatii acustice (unde longitudinale, particulele stationare ale mediului elastic strabatut, oscileaza in directia de propagare a undelor )

TEORIA PLANK-EINSTEIN→ Oricarui corp material i se poate asocia o unda• Energia nu se pierde, nu se poate anihila, ci se transforma in alte forme de miscare ale materiei• energia cinetica (½ mv2) a unei radiatii corpusculare se poate transforma in radiatie

electromagnetica si invers• ½ mv2=hν marimea cuantelor obtinute depinde de energia cinetica a radiatiei corpusculare ce se

transforma in energie electromagnetica si invers

Radiatiile electromagnetice• propagarea pt. majoritatea este rectilinie• se diferentiaza prin:

l (lungimea de unda)- m u (frecventa) -Hz

• energia este: h = constanta Planck u = frecventa radiatiei emise sau absorbite E= h • u = h • c / l

• cu cat l este mai mica, cu atat E este mai mare

• Corpul uman absoarbe aproape in intregime radiatiile electromagnetice, cu exceptia celor cu energie mare (raze X, raze gamma) si a celor cu energie mica (undele radio)

• Aceste doua categorii sunt utilizate in imagistica medicala (radiologie, CT, medicina nucleara si IRM)

Radiatiile corpusculare• E = mc2• Cuprind:

radiatii alfa si beta provenite din dezintegrarea radiului electroni, protoni, neutroni, pozitroni, mezoni ß

• absorbtie crescuta in tesuturi = inutilizabile in imagistica• interactiunea secundara cu materia le fac utile in PET• PET: Tomografia prin Emisie de Positroni

Radiatiile X• unde electromagnetice + corpusculi (fotoni)

4

r.ionizante

r.neionizante

• l se masoara in Ångstromi -10 -8 -7 1 angstrom = 10 m = 10 cm = 10 mm.

• Energia se masoara in keV• radiatiile X cu energie peste 15 eV produc ionizarea atomilor= radiatii ionizante• dupa energie:

– MOI - l = 1-5 Å, energie si penetratie <– DURE - l = 0,01Å, energie si penetratie >

Spectrul radiatiilor electromagnetice

Modul de producere al razelor X la nivel atomic • Razele X iau nastere ori de cate ori un fascicul de electroni in miscare foarte rapida este franat

brusc• energia lor cinetica se transforma in energie radianta (in tubul de raze x, 0,1% sunt raze X si 99,9%

caldura si lumina)Producerea razelor X(origine non-nucleara)

• 1.radiatiile de franare (principalele produse in tubul de raze X)• 2.radiatiile caracteristice• 3.captura electronului K (mai putin importanta in radiologie)

Radiatii de franare- Creste energia de vibratie a nc.=creste temperatura tintei- Ecin pierduta= E fotonica eliberata

Radiatia de franare (bremsstrahlung)• Devierea electronului incident in campul nucleului• curbarea traiectoriei =acceleratie centripeta prin atractie electrostatica• legea electrodinamicii : electronul emite radiatie electromagnetica (X)• energia electronului incident se reduce cu energia razei X• energia radiatiei X este cu atat mai mare cu cat electronul este mai puternic deviat• nucleul isi creste energia prin vibratie (creste temperatura tintei anodului)

Diagnostic

Terapie

0,5 1,5 3eV 0,12keV 1 10 102 103 104

24k 8k 4k 100 10Å 1 0,1 0,01 0,001

UVUVIRIR

Viz

ibil

Viz

ibil RX + gamaRX + gama

EE

l

Cos

mic

Cos

mic

Rad

ioR

adio

5

Radiatiile caracteristice→ Straturi K sau L

• Conditii:– Atomi cu Z mare– Tensiunea de acceleratie sa depaseasca o anumita valoare critica

• Ciocniri neelastice cu electronii tintei:– Excitare sau ionizare atomica– Proiectarea electronilor de pe orbitele interioare (energie>, K,L) pe altele superioare sau in

exteriorul atomului– Locul vacant e ocupat de un electron de pe un strat exterior (Bohr)– Se elibereaza o cuanta de energie egala cu diferenta energiilor caracteristice ale nivelelor

energetice intre care s-a facut tranzitia.

Captura electronului K

Razele X = fascicul de fotoni• particula elementara a campului electromagnetic• nu au sarcina electrica• nu au masa de repaus• cuante de energie in miscare• E= h u

K L M N OP+N

e-

X UVCaloricechimiceluminoase

X

6

Tubul de raze X → Aparatura de producere a RX• Sursa de RX (tubul de raze X)• alimentarea de joasa si inalta tensiune• sistem de comanda si control• sistem de detectie RX• energia unor corpusculi in miscare (electroni) este convertita in energie electromagnetica (raze X)

filament = tungsten Anod = tungsten, renium, molibden, grafit

mAmA

kVkV

RXRXFereastra

Anod +Catod

-

7

Tubul de raze X 1. marcarea pozitiei focarului

Filtrarea tubului

Filtru de aluminiu

Catodul =tungsten

1: filamentul “mare” 2 :filamentul “mic”3 :dim.reala a catodului Focar unic Focar dublu

8

1: filamentul “mare” 2 :filamentul “mic”3 :dim.reala a catodului

Anoda (anticatod)

Caracteristica anodului: 1 : « urma »anodei 2 : « urma » anodei 3000-10.000

Focar optic efectiv

9

Anoda fixa Anoda rotativa

Spectrul razelor X produse in tub - Max (energie cinetica a electronilor) = voltajul maxim pe tub (kVmax)= penetrabilitate maxima - Max (numar de electroni) = intensitate maxima = mA max; - intensitatea creste cu scaderea kV

Interactiun ea razelor x cu materia

• Atenuare = scaderea intesitatii fasc. RX cu distanta la propagarea printr-un mediu material• mecanismele de interactiune

– efect Thomson /Rayleigh (5% in radiologie)– efect Compton– efect fotoelectric– generarea de perechi (nu in radiologie; da in acceleratorii de particule)

• Efectul Thompson Rayleigh– radiatii moi, ciocnirea elastica cu electronul, – rezulta oscilatii ale electronului care emite energie de aceeasi frecv. ca si RX incidenta = imprastiere coerenta– nu contribuie la doza primita de pacient

Efect Rayleigh (imprastiere coerenta)→ Radiatii moi = E mic=l mare

Efectul Compton– cu raze X incidente dure, ciocnire neelastica cu e-.,– rezulta RX mai moi + e. accelerat (Compton, electron de recul), – emise in unghiuri divergente

Radiatii dure = E mare = l mic ionizarea atomului

hu

hu

l = l

X incidenta

X imprastiata

hu

hu

hu hu

X incidenta

X imprastiata

e- accelerat

10

Radiatii dure = E mare = l mic ionizarea atomului

Efectul imprastierii Compton →Efectele radiatiei imprastiate asupra: - calitatii imagini (radiatiile secundare reduc contrastul in radiologie si intensitatea imaginii in C T ) - creste radiatia absorbita de pacient - Radiatia imprastiata in incapere

• Efectul fotoelectric (absorbtia fotoelectrica)• -ciocnirea razelor X dure sau medii cu electr.

– -electr. preia toata energia razei X, este expulzat din atom, locul liber ocupat de e. periferic, cu emisie de energie in domeniul luminos sau radiatii caracteristice

• fluorescenta = dureaza numai in timpul actiunii RX >>> radioscopie• fosforescenta = dureaza si dupa incetarea actiunii RX >>> radiografie (folia

intaritoare)Radiatii dure = E mare = l mic → ionizarea atomului

11

UV si lumina=fluorescenta

Absorbtia fotoelectrica si imaginea radiologica• In tesuturile moi sau grase (apropiate de apa),la energii joase (E< 25 - 30 keV), efectul fotoelectric

predomina • Fotonul incident este complet absorbit si nu exista radiatii imprastiate (contribuie la doza primita

de pacient)• Þ contribuabil principal la formarea imaginii (contrast optim) pe filmul radiografic

• Compton + fotoelectric == ionizare directa si datorita e. secundari• efect chimic == radioliza apei, radicali liberi

X® H2O = H, OH, H2O2, H+, OH-• efect fotochimic == ruperea legaturi din molecula de bromura de Ag

K L M N OP+

N

-

E medie =hu

Ion pozitivIon pozitiv

e - liber

12

→ Rayleigh/Thomson

!!! Fascicolul de raze X care trece prin spatiu vidat ramane neschimbat

Absorbtia razelor X

Depinde de :a) compozitia obiectului (nr.atomic al tesutului)

Z = absorbtie mare

b) lungimea de unda a razelor X (l ): kV ¯ = l= penetrabilitate redusa = absorbtie mare kV = l ¯ =penetrabilitat mare = absorbtie mica

c) volumul si densitatea (greutatea specifica a tesutului) obiectului:• Apa + umorile = 1• Tesut osos = 1,85• Tesut grasos = 0,92• Aerul = 0,001 (nu absoarbe razele X)

ß vizualizarea radiologica diferita a structurilor anatomice d) durata iradierii obiectului: Iradiere de lunga durata = absorbtie ß reducerea la minimul necesar a timpului de expunere (T)® obtinerea unei imagini interpretabileLegea Bragg -Pierce: 4 3 d (densitatea) x Z x l x dimensiunea X T

REZUMAT:• Partile elementare ale atomului, constituit din nucleu si norul electronic, pot fi reprezentate

schematic.• Electronii si fotonii au tipuri diferite de interactiuni cu materia

13

• Doua forme diferite de producere a rad. X ,Bremsstrahlung si radiatia caracteristica, contribuie la procesul de formare a imaginii radiologice.

• Efectele fotoelectric si Compton au o influenta semnificativa asupra calitatii imaginei

14