-
Capitolul 13
Interactia radiatiilor cusistemele biologice
Studiile efectelor radiatiilor ionizante au devenit necesare
dupa in-troducerea radiatiilor X n terapia si diagnosticul medical
la nceputulsecolului XX si au capatat o relevanta mare n era
nucleara. Astfel ala-turi de aparatele de raze X care permit
efectuarea de radiograi ale di-verselor organe ale corpului, s-au
pus la punct noi tehnici precum tomo-graa cu emisie de pozitroni si
hadronoterapia. Prin notiunea de radiatientelegem n conceptia
actuala un fascicol de particule n miscare. Ter-menul de particule
este folosit n sensul cel mai general si cuprinde attparticulele cu
masa de repaus diferita de zero ct si particulele cu masade repaus
zero. De exemplu n prima categorie intra radiatiile alfa, betaiar n
a doua categorie intra radiatiile X si gama.Radiatiile ionizante
din mediu sunt datorate surselor extraterestre si
dezintegrarilor spontane ale anumitor nuclee, precum si ale
celor produsede diferite dispozitive tehnice. Chiar daca expunerea
la radiatii a oa-menilor este inuentata de sursele articiale,
exista o expunere naturalaa tuturor organismelor care reprezinta
practic o parte a conditiilor demediu n care acestea se
dezvolta.
13.1 Radioactivitatea
Radioactivitatea este proprietatea unor nuclee de a emite
radiatii nmod spontan. Se spune ca nucleul se dezintegreaza. Doua
marimi carac-
179
-
180
terizeaza n principal un nucleu radioactiv.1. Activitatea A care
reprezinta numarul de dezintegrari suferite de o
sursa (cantitate de material radioactiv) n unitatea de timp.
Unitatea demasura a activitatii este Bequerellul (Bq) care
reprezinta o dezintegrarepe secunda.
1 Bq = 1 dez/s (13.1)
Numele unitatii de masura provine de la Bequerell care a
descoperitfenomenul de radiactivitate n anul 1896. O alta unitate
(tolerata) esteCuriul (dupa numele sotilor Marie si Joliot Curie
care la nceputul sec-olului XX au efectuat numeroase studii asupra
radioactivitatii)
1 Ci = 3; 7 1010 Bq (13.2)El reprezinta activitatea unui gram de
radiu 226, substanta studiata desotii Curie.2. Timpul de
njumatatire reprezinta timpul dupa care activitatea
unei surse scade la jumatate. El intervine n legea
dezintegraarii radioac-tive
A = A0 exp
t ln 2T1=2
(13.3)
n relatia de mai sus A reprezinta activitatea sursei la
momentulde timp t, A0 reprezinta activitatea sursei la momentul
initial (t = 0)iar T1=2reprezinta timpul de njumatatire. Evolutia n
timp a activitatiirelative a sursei A=A0 functie de raportul t=T1=2
este prezentata n Fig.13.1Se observa ca cu ct acest timp este mai
mic activitatea sursei scade
mai repede. n Tabelul 13.1 de mai jos sunt prezentati timpi de
n-jumatatire ai ctorva radioizotopi utilizati n medicina
Tabelul 13.1Timpi de njumatatire pentru diversi radioizotopi
Izotop Notatie T1=2 UtilizareCarbon 11 C 11 10,32 trasorCesiu
137 Ce 137 30 ani radioterapieCobalt 60 Co 60 5,27 ani
radioterapieAstatin 211 At 211 7,21 ore iradiere din interiorSodiu
24 Na 24 15 ore trasorIod 123 I 123 13,2 ore trasor
-
181
Figura 13.1: Variatia activitatii relative A=A0 functie de
raportul t=T1=2:
n radioterapie tesuturile canceroase sunt iradiate cu radiatiile
gamaproduse de izotopi care emit aceste radiatii cu energie foarte
mare, pre-cum cesiul si cobaltul. Trasorii sunt radioizotopi care
sunt atasati deproteine, acizi nucleici si alte componente din
celule. Prin masurarearadiatiilor emise se poate urmarii deplasarea
acestora n organism. ncazul iradierii din interior anumiti nuclizi
emitatori alfa sunt introdusin celule bolnave pe care le iradiaza
si le distrug. Astfel iodul 131 estetransportat chiar de organism n
tiroida pe care o iradiaza cu ecientafoarte mare. Alti izotopi
folositi pentru acest scop sunt cei care emitparticule alfa precum
astantinul care este transportat la celule bolnavecu ajutorul
anticorpilor.
13.2 Natura si proprietatile radiatiilor
Radiatiile alfa sunt nuclee de heliu. Ele au masa de repaus
marecare le permite sa se deplaseze rectiliniu. Din acest motiv
parcursul loreste mic. Energiile particulelor alfa sunt cuprinse
ntre 2 si 9 MeV. Eleprovoaca o puternica ionizare specica (o
particula alfa cu energie de 2MeV produce n jur de 60.000 perechi
de ioni/cm). n cmp magnetic elesunt deviate n fascicol ngust ceea
ce nseamna ca aceste particule suntemise cu energii bine
determinate.
-
182
Radiatii cu ioni grei Aceste radiatii constau din atomi ionizati
precumNe, Ar, Xe. Astfel de radiatii sunt produse n mod
articialRadiatiile beta sunt formate din electroni sau pozitroni. n
cmp
magnetic sunt deviate n fascicol larg ceea ce nseamna ca aceste
particulesunt emise cu energii diferite. Energia medie a unui
spectru de radiatiibeta reprezinta 40% din valoarea maxima a
acestora (0,01-15 MeV). Dincauza spectrului energetic continuu,
radiatiile beta au un parcurs carevariaza n limite foarte largi.
Totusi pentru energii egale cu cele aleradiatiilor alfa ionizarea
radiatiilor beta este mult mai mica. Astfel oparticula cu energia
de 2 MeV determina doar 60 perechi de ioni/cm.Radiatiile X si gama
sunt radiatii de natura electromagnetica. Aceste
radiatii se caracterizeaza printr-un parcurs foarte mare si o
ionizare speci-ca mica (o cuanta cu energia 2 MeV produce n aer o
singura perechede ioni/cm). n aer, n functie de energie ele pot
strabate chiar sute demetri. Radiatiile X sunt generate de nvelisul
electronic n timp ce radia-tiile gama sunt generate de nucleul
atomic. Domeniul energiilor cu caresunt emise radiatiile gama este
cuprins ntre 0,2 MeV si 7 MeV. Spectrulenergetic al acestor
radiatii este unul discret.Neutronii sunt particule lipsite de
sarcina electrica cu masa de repaus
egala cu a protonilor (nuclee de hidrogen), mult mai mare dect a
par-ticulelor beta. Deoarece nu au sarcina electrica acestia au un
parcursmare n aer. Datorita interactiilor cu nucleele, neutronii au
un parcurscare este strabatut n zig zag. Neutronii sunt
caracterizati de o ionizarespecica mare datorita nucleelor de recul
create la strabaterea materialu-lui. Ei sunt ncetiniti de materiale
usoare (parana, grat, apa, apa grea,beriliu) si sunt absorbiti de
bor si cadmiu. Materialele grele ncetinescmai putin neutronii.
13.3 Marimi n dozimetria radiatiilor
13.3.1 Doza absorbita
Doza absorbita este o marime fundamentala n biologia
radiatiilor,radiologia clinica si protectia radiologica. Ea este
utilizata pentru toatetipurile de radiatii si orice geometrie de
iradiere. Ea este denita astfel
D ="
m(13.4)
-
183
unde " este energia medie transmisa de radiatia ionizanta
materiei demasa m. Doza absorbita reprezinta cantitatea de energie
pe care radia-tia o cedeaza n unitatea de masa. Ea se masoara n
J/kg n SistemulInternational de Unitati. Aceasta unitate are o
denumire specica sianume Gray (Gy).
1Gy = 1J/kg
Doza absorbita este o marime masurabila si exista standarde
primarepentru determinarea ei. Atunci cnd se utilizeaza n aplicatii
practicede protectie dozele sunt mediate pe volumele tesuturilor.
Acest lucrueste necesar deoarece valoarea medie a dozei absorbite
pe un organ sautesut specic poate corelata cu detrimentul datorat
pentru efectelestocastice. Calculul dozei mediate depinde de
omogenitatea expunerii sitipul radiatiilor. Pentru radiatiile cu
penetrare mica (fotoni de energiemica, particule ncarcate) si
pentru tesuturile si organele distribuite pe osuprafata mare,
distributia dozei va heterogena.O marime de interes este si rata
(viteza) dozei absorbita. Rata dozei
este exprimata n Gy/s, mGy/s, mGh/h.
13.3.2 Doza echivalenta
Introducerea notiunii de doza echivalenta este necesara deoarece
dife-ritele radiatii produc distrugeri diferite n tesuturi
(modicari) pentruaceiasi cantitate de energie cedata n tesuturi.
Doza echivalenta estenotata cu HT (pentru un tesut sau organ). n
NSR-01 - Norme fun-damentale de securitate radiologica 01,
echivalentul doza se deneste caprodusul dintre doza absorbita D si
un factor de ponderare wR (Tabelul13.2) n cazul unei radiatii:
HT = wRDTR (13.5)
unde DTR este doza absorbita mediata pe tesutul sau organul T
datorataradiatiei R. n cazul ca se considera totalitatea
radiatiilor care ajung latesutul respectiv
HT =XR
wRDTR (13.6)
Factorii de ponderare tin cont de diferentele n efectul
stocastic da-torat diferitelor tipuri de radiatii.
-
184
Tabelul 13.2Factorii de ponderare ai diverselor tipuri de
radiatii din Normele de
Securitate Radiologica NSR-01.
Tipul
radiatiei.......................................................................
wRFotoni - toate
energiile............................................................
1Electroni si mioni (toate
energiile)....................................... 1Neutroni cu
energia < 10
keV................................................. 5Neutroni cu
energia cuprinsa ntre 10 keV si 100 keV............ 10Neutroni cu
energia cuprinsa ntre 100 keV si 2 MeV............ 20Neutroni cu
energia cuprinsa ntre 2 MeV si 20 MeV............. 10Neutroni cu
energia mai mare de 20 MeV.............................. 5Protoni,
alti dect cei de recul cu energii mai mari de 2 MeV. 5Particule
alfa, fragmente de siune, nuclee grele..................... 20
Referitor la protoni, trebuie luate n considerare doar sursele
de ra-diatii externe. n ultimii ani acestei radiatii i s-a acordat
o mai mareatentie pentru evaluarea dozei de expunere a echipajelor
din avioane sinave spatiale. Expunerea se datoreaza radiatiei
solare si cosmice. naceasta predomina protonii cu energie mare iar
protonii cu energii decteva MeV sunt nesemnicativi. Parcursul
acestor protoni este mic ntesuturi (protonii cu energia de 4 MeV au
un parcurs n tesut de 0,25 mmiar cei de 10 MeV au parcursul de 1,2
mm) si vor absorbiti n tesuturi.CIPR (Comisia Internationala de
Protectie lRadiologica) a apreciat caeste sucient sa se adopte o
singura valoare pentru wR deoarece numaiprotonii de energie mare
sunt relevanti n cmpurile de radiatie cosmica.Unitatea de masura n
Sistemul International a dozei echivalente este
Sievertul (Sv)
1Sv = 1 J/kg
13.3.3 Doza efectiva
Doza echivalenta asa cum a fost descrisa mai sus se utilizeaza
pentrua decela actiunea diferitelor tipuri de radiatii. Doza
echivalenta ia nconsiderare sensibilitatea ecarui tesut care este
iradiat. Pentru a luan considerare riscul asociat cu iradierea unui
anumit organ se introduce
-
185
marimea numita doza efectiva denita prin:
ET = wTHT (13.7)
unde wT este factorul de pondere al tesutului sau organului T
(Tabelul13.3).Doza efectiva E- se masoara tot n sievert. Daca la
radiatii sunt
expuse mai multe organe doza efectiva se calculeaza dupa
formula:
E = TwTHT (13.8)
Unitatea de masura este tot Sievertul.
Tabelul 13.3Factori de pondere tisulara wT conform Normelor de
Securitate
Radiologica NSR 01
Tesut....................................
wTGonade................................. 0,20Maduva osoasa
0,12Colon....................................
0,12Plamni................................
0,12Stomac................................. 0,05Vezica
urinara......................
0,05Sni......................................
0,05Ficat.....................................
0,05Esofag...................................
0,05Tiroida..................................
0,05Piele..................................... 0,01Suprafata
osoasa................... 0,01Restul organelor/tesuturilor 0,05
13.4 Interactia radiatiilor cu substanta
Pentru a caracteriza un fascicol de particule se poate deni uxul
departicule printr-o suprafata S ca ind numarul de particule ce
trecen unitatea de timp prin acea suprafata. Densitatea uxului de
particule
-
186
reprezinta uxul de particule ce trece prin unitatea de suprafata
n uni-tatea de timp. Fie o sursa care determina la o anumita
distanta o densi-tate de ux de particule I0. Daca n calea acestor
particule se interpuneun ecran se constata ca nu toate radiatiile
strabat ecranul, densitateauxului de particule la iesirea din
acesta ind I < I0. Astfel o parte dinradiatii sunt absorbite,
iar altele sunt deviate (mprastiate) sub diverseunghiuri (de la 0
la 180) si numai o parte trec nedeviate. Fenomenulde reducere a
densitatii uxului de particule din fascicol poarta numelede
atenuare.Ca urmare a interactiei dintre radiatiile incidente si
substanta prin
care acestea trec se produce o modicare a starii initiale a
radiatiei (radi-atia pierde energie, ind absorbita si mprastiata)
si se produc modicarin starea atomilor cu care interactioneaza
particulele.Dupa modul n care radiatia interactioneaza cu mediul,
ciocnirile par-
ticulelor acesteia cu atomii mediului sunt considerate a
elastice si inelas-tice. n cazul ciocnirilor elastice are loc un
transfer de energie cinetica dela radiatie la atomii mediului. n
cazul ciocnirilor inelastice se modican plus si starea energetica
interna a atomilor.
13.4.1 Interactia particulelor alfa cu substanta
La trecerea lor prin substanta, radiatiile alfa sufera trei
tipuri de in-teractii: ciocnire (cea mai probabila), frnare n cmp
electric si capturade catre nuclee. n urma ciocnirii unei particule
alfa cu un atom se poateproduce excitarea acestuia ca urmare a
trecerii unui electron pe un nivelde energie superior sau ionizarea
atomului prin smulgerea unor electronidin acesta. n cazul
fenomenului de ionizare se produce o pereche deioni: un ion pozitiv
si un ion negativ sau un ion pozitiv si un electron.Fenomenul de
ionizare este nsotit de mai multe excitari.Prin interactii
succesive cu atomii mediului particulele alfa si pierd
energia pna ce nu mai sunt capabile sa produca ionizari. Atunci
oparticula alfa capteaza doi electroni si se transforma ntr-un atom
deheliu.
13.4.2 Interactia radiatiilor beta cu substanta
Radiatiile beta excita si ionizeaza atomii substantelor prin
care trec.Mecanismul este asemanator cu cel ntlnit n cazul
radiatiilor alfa, nsa
-
187
fortele care actioneaza asupra electronilor din atomi sunt de
respingere.Pierderea de energie ntr-o interactie este mica. (De
exemplu o particulacu energia de 1 MeV si pierde complet energia
dupa aproximativ 104
interactiuni). Daca este smuls un electron din straturile
inferioare, prindezexcitari succesive atomul emite un spectru de
radiatii X caracteristicecarui element.Ionizarea specica produsa de
particulele beta scade pe masura ce
creste energia lor cinetica, ajungnd la un minim pentru energia
de 1MeV, dupa care creste lent pentru energii mai mari. Unii din
electroniismulsi au o energie foarte mare nct la rndul lor pot
provoca ionizarisecundare.
13.4.3 Interactia radiatiilor X si gama cu substanta
n procesul de propagare aceste radiatii se comporta ondulatoriu,
ntimp ce n procesele de interactie cu substanta aceste radiatii se
comportacorpuscular. Exista trei tipuri principale de interactie a
radiatiilor gamacu substanta: efect fotoelectric, efect Compton si
formarea de perechi.
Efect fotoelectric
Efectul fotoelectric se produce atunci cnd radiatiile gama
ciocnescelectronii puternic legati n atomii substantei prin care
trec. n urmaacestui proces electronul este scos din atom, iar
fotonul este completabsorbit si dispare. Daca energia de legatura a
electronul n atom esteWk, iar Wc este energia cinetica care i se
imprima electronului, denumitfotoelectron, atunci se poate
scrie:
W = Wk +Wc = h (13.9)
Procesul nu poate avea loc dect daca energia radiatiilor este
maimare dect energia de legatura a electronului ciocnit. Deoarece
energiilede legatura ale electronilor sunt mai mici n raport cu
energia radiatiilorX si gama, efectul fotoelectric se poate produce
chiar cu fotoni de energiimici. Nu trebuie confundat acest fenomen
cu efectul fotoelectric externprin care radiatia luminoasa scoate
electroni din metale.Pentru valori ale energiei fotonului incident
egale cu energia de lega-
tura a electronului ciocnit, probabilitatea de interactie creste
brusc. Pro-babilitatea ca efectul fotoelectric sa aiba loc cu
electroni de pe nivelele
-
188
K, L, M scade simtitor de la nivelul K spre nivelele superioare.
Dacafotonii incidenti au energii mai mari de 0; 01 MeV efectul
poate avea locndeosebi cu electroni de pe nivelele K ale atomilor
cu Z 30: Cndenergia depaseste 0; 02 MeV atunci efectul se produce n
proportie de80 % cu electronii K si 20% cu electronii L ai acestor
atomi. Pentruelementele grele, cum este plumbul efectul
fotoelectric se petrece si cndradiatiile au energii peste 0,5 MeV.
Probabilitatea de aparitie a efectuluieste proportionala cu Z4 al
atomilor materialului si invers proportionalacu energia radiatiilor
incidente.
Efect Compton
Efectul Compton are loc la interactia radiatiilor
electromagnetice cuelectronii liberi sau slab legati n atomi. n
procesul de interactie prinefect Compton radiatia cedeaza partial
energia electronului ciocnit. nurma acestui proces, att radiatia
incidenta ct si electronul Compton(de recul) sunt deviate de la
traiectoriile lor initiale. Electronul ciocnitva produce ionizarea
atomilor mediului (ionizare secundara).Probabilitatea producerii
unei interactiuni de tip Compton creste
pentru aceiasi energie a fotonului incident cu numarul de
electroni dinnvelisurile electronice periferice (adica cu Z). n
cazul unor radiatiiincidente cu energii sub 0; 1 MeV acestea sufera
o mprastiere aproapeuniforma ca si electronii de recul. Electronii
de recul au o energie egalacu o fractie destul de mica din energia
radiatiilor incidente. Cnd ra-diatiile incidente au energii
ridicate fotonii mprastiati sunt grupati nmajoritatea lor ntr-un
con a carui deschidere scade pe masura cresteriienergiei. Pentru
elemente usoare si energii medii ale radiatiilor incidenteefectul
Compton este predominant.
Formare de perechi
Fenomenul apare ca urmare a interactiei dintre radiatiile gama
cuenergii mai mari de 1; 022 MeV si cmpul nucleului. Radiatia
inci-denta dispare rezultnd un electron si un pozitron. Pentru
formareaunei perechi electron-pozitron este nevoie de o energie de
1; 022 MeV,restul de energie transmitndu-se n mod egal electronului
si pozitronu-lui. Electronul produce ionizari secundare n mediu ca
si o particula betan timp ce pozitronul se va anihila cu un
electron dnd nastere la doua
-
189
cuante gama.
13.4.4 Interactia neutronilor cu substanta
Deoarece sunt particule neutre, neutronii interactioneaza doar
cu nu-cleele atomilor. Ei pot suferi interactii elastice
(mprastiere) si interactiiinelastice (mprastiere si absorbtie).n
categoria interactiilor elastice intra doua tipuri de fenomene:
o
ciocnire elastica cu nucleul cnd are loc un transfer de energie
cineticade la neutron la nucleu fara schimbarea starii interne a
nucleului si ointeractie de captura a nucleului care se transforma
ntr-un interval scurt(10121016 s) ntr-un nucleu intermediar care se
dezintegreaza emitndun neutron si trece n starea fundamentala.n
cazul interactiilor inelastice pot avea loc urmatoarele procese:-
ciocnirea inelastica n urma careia nucleul ramne excitat si
dupa
un scurt timp emite o radiatie gama- captura neutronica, prin
care neutronul este captat de un nucleu. n
urma acestui proces nucleul obtinut este ntr-o stare excitata.
Revenirean starea fundamentala se face prin emise de particule
alfa, protoni sauparticule gama. Uneori are loc chiar siunea
nucleului cnd sunt emisi2-3 neutroni, iar nucleul se descompune n
doua nuclee relativ usoare.Probabilitatea de a se produce un tip
sau altul de interactie depinde
de energia neutronilor. Astfel cnd energia neutronilor este
mare, nucleulprimeste un exces de energie, care prin procese de
ciocnire ale nucleonilorsai se poate transfera asupra unei
particule si aceasta este emisa de nu-cleu. n acest caz cel mai
probabil este sa e emis un neutron.Daca neutronul are o energie
cinetica mica, ca n cazul neutronilor
termici la patrunderea n nucleu el aduce doar un exces de
energie egalacu energia de legatura. Probabilitatea ca prin
uctuatii ale nucleuluio particula sa primeasca o energie de miscare
ridicata este foarte mica.Nucleul se dezexcita prin emisia unei
particule :
13.4.5 Interactia ionilor grei cu materia
Interactia ionilor grei este asemanatoare cu cea a radiatiilor
alfa cumateria. Atunci cnd un ion greu trece prin materie el
cedeaza energieelectronilor din materie. Daca electronii sunt
liberi ei capata o energiecinetica cu att mai mare cu ct sunt mai
aproape de ioni. Daca electronii
-
190
Figura 13.2: Doza relativa absorbita an profunzimea tesutului
pentru ionigrei (carbon ) n comparatie cu cea datorata electronilor
(radiatii beta) siradiatiilor game.
sunt legati exista doua posibilitati: daca energia cedata este
mare atuncielectronul este scos din atom care devine ionizat, iar
daca aceasta energieeste mica atunci electronul nu este scos din
atom, acesta devenind excitat.Energia ionului scade pe masura ce
nainteaza n material. Cum ioniiau energie mare ei nu sunt deviati
de la traiectorie. n Fig. 13.2 esteprezentata doza (energia cedata
de ionii grei n unitatea de masa) relativadatorata ionilor grei
functie de adncimea la care acestia ajung n tesut.n aceiasi gura si
doza absorbita datorata unor electroni sau fotoni.
Se observa din Fig. 13.2ca doza absorbita n cea mai mare se aa
ntr-o anumita regiune bine determinata (functie de energie). Astfel
atuncicnd se trateaza o tumoare cu ioni grei doza este administrata
cu oprecizie foarte mare n volumul tumorii, afectnd putin tesutul
din jur.Acest lucru practic este realizat ntr-o masura mai mica n
cazul elec-tronilor. Electronii sunt accelerati n acceleratoare de
particule numitebetatroane. Astfel pentru energii de 8 MeV doza are
un maxim la oadncime de 3-4 cm dupa care scade exponential. n cazul
gamaterapieise iradiaza practic si tesutul sanatos din apropierea
celui bolnav.
Din acest motiv pentru iradierea selectiva a tumorilor n
profunzime
-
191
se folosesc fascicole multiple de ion grei focalizate pe
tumoarea respectiva.Ei contin ioni de energii diferite astfel ca
cea mai mare parte din energiesa e cedata n interiorul tumori.
Rezolutia acestui tip de iradieri este de1mm. Iradierea tesuturilor
cu ioni grei poarta numele de hadronoterapie.Mai mult tratamentul
este unul de o mare acuratete deoarece fascicolelede ioni pot
urmari cu delitate forma tumorii. Dozele sunt fractionate:se
realizeaza 4-5 sedinte de hadronoterapie ntr-un interval de 8-10
zile.Doza utilizata variaza n intervalul 45 - 85 Gy. O iradiere
dureaza camun minut.
13.5 Efecte biologice ale radiatiilor
Radiatiile ionizante pot actiona asupra organismului n trei
moduri:prin actiune directa, prin actiune indirecta si prin actiune
la distanta.Prin actiunea directa a radiatiilor sunt lezate
macromolecule de impor-tanta vitala (proteine, acizi nucleici) care
sufera transformari datoritaionizarii si excitarii. Actiunea
indirecta este declansata de elementelecare apar n urma proceselor
radiochimice. Mediul principal ind apa,efectele care apar sunt
rezultatul ionizarii acesteia. Produsii de descom-punere ai apei
(ioni sau radicali) actioneaza ca agenti oxidanti si reduca-tori
asupra unor componente esentiale celulare. Actiunea la distanta
seproduce prin raspndirea n organism a toxinelor care apar n
organismuliradiat.n Fig. 13.3 sunt prezentate cteva din procesele
suferite de apa
sub actiunea radiatiilor. ntr-o prima etapa ntr-un interval de
timp de1018 1016 s un electron este smuls sub actiunea unui foton
care-icedeaza o energie de 12,56 eV. Procesul primar de absorbtie
de energiepoate exprimat printr-una din urmatoarele relatii:
H2O+ h ! H2O+ + eel (13.10)
H2O+ ! H+ +OH (13.11)
Radicalul OH are proprietati oxidante si poate privit ca
produsulprincipal al acestei etape. El poate, prin intermediul unui
transfer deelectroni, sa se lege de un alt radical OH sau de un
atom de hidrogenH: Electronul eliberat eel hidrolizeaza ca si ionii
neutrii din solutii. Se
-
192
Figura 13.3: Ilustrarea schematica a celor mai importante
reactii suferite deapa sub actiunea radiatiilor . Cu * am notat
starile excitate.
obtine H2O: Timpul de viata al unui astfel de compus n apa este
de600 s: Interactia cu moleculele de apa a electronului eliberat
are loc nacest mod:
eel +H2O! H2O ! H+OH (13.12)Printr-un proces de interactie cu un
foton poate formata o molecula
excitata de apa care are o energie de aproximativ 7 eV. Aceasta
moleculase poate descompune n radicali liberi astfel:
H2O+ h ! H2O ! H+OH (13.13)
Se obtin trei produsi: electronul eliberat eel si radicalii H si
OH.Este cunoscut de mult timp ca daca doza de radiatie este foarte
mare
se formeaza peroxid de hidrogen si hidrogen molecular. Astfel au
loc ur-matoarele reactii daca un numar sucient de radicali liberi
sunt prezenti:
OH+OH! H2O2 (13.14)
H+H! H2 (13.15)H+OH! H2O (13.16)
-
193
H2O2 este cunoscut ca un produs toxic, dar cantitatea care se
produceeste foarte mica. Pe de alta parte aceste reactii elimina o
buna parte dinacesti radicali foarte activi, astfel ca efectele
indirecte ale radiatiilor suntn mare masura atenuate.Recombinarea
acestor radicali cu oxigenul n solutie apoasa este foarte
importanta pentru viitoarele reactii. Astfel tesuturile bogate n
oxigensufera n cazul iradierii mai mult n comparatie cu cele cu un
continutscazut de oxigen. Cele mai importante reactii dintre H si
OH cu mole-culele organice de tipul MH sunt:
MH+H! MH2 (13.17)
MH+OH! MHOH (13.18)MH+H! M+H2 (13.19)
MH+OH! M+H2O (13.20)n plus fata de efectele indirecte datorate
produsilor care apar n apa,
alte molecule importante din punct de vedere biologic pot
ionizate nmod direct. Aminoacizii aromatici precum tirozina,
fenilamina pot distrusi prin clivajul inelului benzenic.
Aminoacizii ce au un grup SH(cistina) si derivatii lor (glutationa)
sunt foarte sensibili. Prin oxidaregrupul SH se transforma ntr-un
grup disult.Descompunerea ADN-ului este posibila prin intermediul
mai multor
pasi. Ruperea unei benzi a dublei spirale nu duce n mod necesar
laruperea ntregii molecule. Mai mult pierderea unei singure baze
esteposibila. Iradierea poate duce la denaturarea unor zone ntregi
si lacrearea unor legaturi intermoleculare cu macromoleculele
vecine. Dublaelice este nsa o constructie cu o mare stabilitate
fata de o singura bandaa elicei ADN-ului.Cnd materia vie este
supusa unei iradieri astfel nct solicitarile
pentru organism nu depasesc cu mult conditiile ziologice normale
siel poate reactiona n limite functionale normale, actiunea
radiatiilor aredoar un efect functional. n acest caz radiatiile au
un efect pozitiv sipentru cazurile n care metabolismul este
dereglat. Iradierea produce oactivare temporara a metabolismului,
realiznd de cele mai multe ori oreglare metabolica. Acest lucru
poate explicat prin faptul ca n anu-mite conditii de iradiere apare
o intensicare a reactiilor prin care se
-
194
realizeaza procesele de sinteza ceea ce face ca echilibrul
metabolic sa sedeplaseze favorabil spre domeniul proceselor de
sinteza.Daca prin iradiere sunt depasite limitele functionale ale
organismului
atunci are loc o dereglare a metabolismului care poate conduce
la moarteacelulelor, tesuturilor, si chiar a organismului. Acest
lucru se explica prinfaptul ca radiatiile creeaza modicari ale
legaturilor macromoleculelorsau le descompune. Modicarile aparute n
structura formatiunilor con-duc de asemenea la perturbarea
coordonarii proceselor fermentative, asintezei proteinelor,
nucleoproteinelor, glicoproteinelor.De o importanta deosebita este
socotit si efectul produs asupra meca-
nismelor reglatoare ale corpului si n principal cele asupra
sistemuluinervos. Prin actiunea directa sau indirecta a radiatiilor
asupra sistemuluinervos se produc modicari ale activitatii de
reglare neuro-hormonala siapar tulburari functionale biochimice si
biologice n ntreg organismul.Trebuie remarcat ca nu s-a stabilit o
teorie generala care sa lamureascatoate aceste probleme.Numarul de
reactii chimice produse prin iradiere fata de numarul de
molecule (1091010) dintr-o celula este relativ redus chiar
pentru iradieriimportante. Din acest motiv s-a considerat ca n
crearea unei leziuni rolulprincipal l are distrugerea unui
component esential al celulei. Se conside-ra ca n astfel de
fenomene un rol nsemnat l joaca modicarile produsen moleculele
proteice. Prin iradiere aceste molecule pot inactivate caurmare a
sciziunii lantului principal sau a dezorganizarii structurii lor
caurmare a ruperii legaturilor de hidrogen.n cazul unor iradieri
semnicative organismele nu revin nici o data
la starea lor initiala ca urmare a procesului de refacere.
Deoarece lairadieri ndelungate, dar cu doze mici se produce o
scurtare a timpuluide viata proportional cu doza primita, rezulta
ca n tesuturi se producleziuni iremediabile.Efectul iradierii este
considerat un efect stocastic. Acest efect asculta
n manifestarea lui de o relatie doza - efect de natura
probabilistica. Ast-fel cnd o populatie este iradiata, efectele
iradierii apar numai la anumitiindivizi si acestea la ntmplare.
Efectele somatice si genetice fac partedin aceasta categorie. Desi
moleculele ADN-ului joaca un rol dominantn reactiile primare de
iradiere, aceasta nu nseamna ca ecare leziunea ADN-ului duce la o
mutatie. Datorita multitudinii mecanismelor dereparare, numai un
foarte mic numar de molecule ADN sufera alterari ire-mediabile.
Pentru a determina efectele genetice datorate iradierilor, doza
-
195
de iradiere trebuie integrata peste un individ sau pe ntreaga
populatie.Mutatiile determinate de iradiere sunt importante pentru
celulele care
prolifereaza rapid n organism (ca cele din snge si gonade).
Diferitelefaze ale vietii celulare prezinta sensibilitati diferite
relativ la radiatii.Faza cnd ADN-ul este sintetizat este una din
cele mai sensibile. Chiarprocesele de mitoza pot perturbate de
iradieri. Rezultatul consta ntr-o separare incompleta a
cromozomilor. Cnd tesuturile n crestere suntiradiate schimbarile n
mitoza pot observate pe o perioada lunga detimp. Imediat dupa
iradiere (sub doza letala) numarul celulelor care sedivid devine
mic. Dupa un anumit timp de revenire, numarul celulelorcare se
divid revine la valoarea normala. Aceasta nseamna ca
dezvoltareacelulelor ntr-un anumit stadiu de evolutie este
mpiedicata. Din acestmotiv se ntelege de ce organismele tinere n
special n faza embrionarasunt foarte sensibile la iradieri.
Deteriorarea materialului genetic ducela malformatii severe.
Trebuie remarcat ca sistemul nervos este sensibilla radiatii n
perioada de crestere. n schimb la maturitate creierul esteunul din
organele cele mai rezistente la radiatii.Un rol important n
radiochimie este jucat de alterarea enzimelor.
Sensibilitatea acestora la radiatii prezinta mari variatii.
Printre cele maisensibile sunt moleculele de ATP. Sensibilitatea
proteinelor depinde ngeneral de compozitia lor. Printre proteinele
cele mai sensibile la radiatiisunt cele ce au n compozitie
aminoacizi care contin sulf. Aceste proteinese gasesc n principal n
epiderma si n produsele acesteia (par, unghii)care sunt
caracterizate printr-un nalt continut de cistina.Alterarea acestor
proteine duce la pierderea parului si degradarea pielii.Procesele
care duc la degenerarea proteinelor explica n plus si modi-carea
permeabilitatii membranelor supuse radiatiilor. ntre
organismeexista totusi mari deosebiri n cea ce priveste actiunea
radiatiilor asupralor. Sensibilitatea la radiatii creste cu ct
organismul este mai complex.Este greu sa se gaseasca o modalitate
de a masura rezistenta diferitelororganisme la iradiere. Din acest
motiv se utilizeaza ca parametru dozaletala (DL). Aceasta se
deneste ca doza care aplicata ntr-un timp foartescurt face ca 50 %
din organismele iradiate sa moara n urmatoarele 30de zile. Exemple
de doze letale pentru diverse organisme sunt date nTabelul 13.4.La
doze mici actiunea daunatoare a radiatiilor este datorata n
prin-
cipal alterarii patologice n organele care produc sngele si se
reecta nschimbari importante n compozitia acestuia.
-
196
Tabelul 13.4Doze letale pentru diverse organisme iradiate cu
raxe X
Organism DL (Gy) Organism DL (Gy)Alge 180-1000 Sarpe
820Potozoare 350-1000 Pui de gaina 10Drosola (adult) 950 Soarece
4-6,5Drosola( larve) 1,3 Cine 2,75Drosola (oua) 1.5 Magar
6,5Broasca 17 Maimuta 5Turturica 15 Om 4-5
O decienta mare de limfocite reduce rezistenta corpului la
actiuneainfectioasa a bacteriilor. Schimbarile patologice de acest
tip sunt maximela doze de 10 Gy. O crestere ulterioara nu
accelereaza aceste procese.Daca animalele sunt iradiate cu doze de
peste 80 Gy sistemul nervoscentral devine afectat. n acest caz
animalele (vertebrate) mor dupaputin timp.De asemenea n cazul
proceselor ritmice de refacere, efectul biologic
depinde de timpul de expunere si debitul dozei. Astfel un
echivalent de7,5 Sv (750 rem) primit de un om pe ntregul corp n mod
uniform peo perioada de 50 ani (0,05 rem pe zi) nu produce efecte
considerabile.n schimb o iradiere de 7,5 Sv pe zi are ca efect
moartea subiectului.Aplicnd o iradiere de 4-5 Sv (400-500 rem) unui
brat efectul este neglija-bil, n timp ce iradierea organismului n
totalitatea sa la acelasi echivalenteste letala n 50% din
cazuri.Protectia radiologica nseamna pe de o parte protectia
mpotriva radi-
atiilor ce provin din mediu si pe de alta parte a
radionuclizilor ce patrundn organism. (40K; 14C). Calculul dozei
absorbite datorate contaminariiorganismului cu radionuclizi este
mult mai complicata dect cea datoratasurselor externe.Protectia
oamenilor mpotriva radiatiilor ionizante se bazeaza pe reco-
mandarile Comisiei Internationale de Protectia Radiologica
(ICPR), o or-ganizatie nonguvernamentala fondata n 1928. Filozoa
recomandariloracestei organizatii consta n excluderea efectelor
nestochastice ale radi-atiilor si minimizarea efectelor
stochastice. Principiile protectiei contraradiatiilor ionizante se
ntemeiaza pe ipoteza prudenta a unei relatii deproportionalitate
directa fara prag ntre doza si probabilitatea de aparitie
-
197
a efectelor stocastice. Efectele stocastice includ posibile
degenerari ge-netice sau inducerea cancerului. n general presupunem
ca o crestere airadierii care depaseste doza naturala va conduce la
o crestere a rateimutatiilor. Nu exista un prag sub care nu exista
nici o inuenta asupraratei mutatiilor.Recomandarea pentru
persoanele care lucreaza n mediu radioactiv
este aceea ca o expunerea anuala la care sunt supuse sa nu
depaseascavaloarea de 20 mSv (Pe luna este acceptabila o doza de 2
mSv). Pentrupopulatie se recomanda sa nu e depasita o doza de 1 mSv
pe an. nambele cazuri nu se ia n consideratie iradierea
naturala.
13.5.1 Protectia zica la radiatii
Diferite materiale plasate ntre sursa si receptor afecteaza
cantitateade radiatie transmisa de la sursa de receptor. Aceasta se
datoreazaatenuarii si absorbtiei radiatiei n materialul sursei, n
materialul utilizatpentru ncapsularea sursei si n ecranele
nconjuratoare. Trei cuvintecheie sunt utilizate cnd este vorba de
lucru cu surse de radiatii: timpul,distanta si ecranarea.1. Timpul
se refera la principiul ca timpul petrecut n cmpul de
radiatii al unei surse nu trebuie sa e mai mare dect este
necesar. Evi-dent cu ct timpul este mai mare cu att numarul de
particule incidentepe corp este mai mare si doza absorbita este mai
mare. Este necesar catimpul de lucru n cmp de radiatii sa e ct mai
mic, deoarece cel cemunceste n cmp de radiatie nu simte prezenta
radiatiilor.2. Distanta se refera la faptul ca este de dorit ca
distanta dintre lucra-
tor si sursa sa e ct mai mare. n general intensitatea sursei
(masuratan numar de particule ce trec prin unitatea de suprafata n
unitatea detimp) scade cu patratul distantei n cazul unor surse de
dimensiuni mici.3. Ecranarea se refera la materialele plasate ntre
surse si lucrator
care pot micsora foarte mult intensitatea radiatiei.Pentru
ecranarea radiatiilor electromagnetice X si gama se folosesc
materiale cu numar atomic mare - n principiu se folosesc ecrane
deplumb. Pentru radiatia beta (electroni) se folosesc materiale cu
Z mic(materiale plastice, aluminiu) pentru a se minimiza producerea
de radiatiiX. Pentru surse de radiatii beta cu activitate mare se
utilizeaza ecrane custrat dublu: primul consta din material cu Z
mic pentru atenuarea radi-atiilor beta si un strat de material cu Z
mare pentru atenuarea radiatilor
-
198
X de frnare.Radiatiile alfa sunt absorbite de ecrane subtiri si
din materiale usoare
datorita puterii mari de ionizare a particulelor alfa. Pentru
radiatiile deneutroni se folosesc ecrane formate din trei straturi:
apa (apa grea) careare loc sa micsoreze energia neutronilor, cadmiu
care are absorb neutroniincetiniti si plumb pentru a se absorbi
radiatiile X sau gama care apardupa absorbtia neutronilor n
cadmiu
-
Capitolul 14
Elemente de imagisticamedicala
Imagistica medicala permite obtinerea de informatii asupra
starii desanatate a organismului pe baza interpretarii imaginilor
obtinute. Imagi-nile organismului sunt obtinute pe baza interactiei
cu organismul a ultra-sunetelor, a razelor X, a cmpurilor
electromagnetice, a radiatiilor ioni-zante.
14.1 Raze X si tomograe computerizata
Razele X sunt radiatii electromagnetice precum lumina.
Lungimilede unda ale razelor X sunt cuprinse n intervalul 9,1 - 10
nm. Ele aufost descoperite de Wilhelm Conrad Roentgen care la nalul
secoluluiXIX studia radiatiile ce apar n tuburile catodice. El a
gasit ca foartemulte materiale permit trecerea acestor raze si ca
ele impresioneaza placafotograca. Lucrarea sa "On a new kind of
ray" i-a permis sa ia primulpremiu Nobel n Fizica n anul 1901.O
multime de aplicatii ale razelor X au fost gasite n diverse
domenii:
geologie, astronomie, n medicina (radiologie). n radiologie
razele Xsunt utilizate n uoroscopie (tehnica care permite obtinerea
de imaginin timp real) n angiograe (tehnica prin care sunt
vizualizate vasele desnge n care s-a introdus un agent contrastant)
si tomograa compute-rizata (se obtin imagini n diverse sectiuni ale
organismului)
199
-
200
Figura 14.1: Tub de raze X
14.1.1 Tubul de raze X
Un tub de raze X consta din patru parti: un catod, un anod pe
careaa o tinta de tungsten, si un tub vidat n care se aa cele trei
componente(Fig. 14.1)
Catodul se aa la un potential negativ si electronii produsi n
apro-pierea acestuia sunt accelerati spre anod (aat la un potential
pozitiv)Catodul este legat de lamentul realizat din tungsten. Prin
lament estetrecut un curent. Curentul ncalzeste lamentul iar acesta
genereazaelectroni prin fenomenul de emisie teromoelectronica.
Emisia termoelec-tronica este denita ca emisia electronilor prin
absorbtia energiei termice(numarul de electroni emisi este
proportional cu temperatura la care estencalzit lamentul si deci cu
intensitatea curentului care trece prin la-ment). Filamentul este
realizat din tungsten deoarece acesta poate atingetemperaturi
foarte mari fara sa se topeasca. Electronii emisi sunt foca-lizati
pe anod. Deoarece tubul este vidat electronii nu mai
interactioneazacu alti atomi nainte de a ajunge pe anod. Electronii
sunt accelerati nspatiul dintre catod si anod, deoarece ei sunt
respinsi de catodul aatla potential negativ si atrasi de anodul aat
pa un potential pozitiv.Electronii care ajung pe tinta din tungsten
aata pe anod produc razeleX.
-
201
Figura 14.2: Producerea radiatiilor X de frnare
Exista doua modalitati n care apar razele X1. Cnd sarcina
negativa (electronul) intra cu viteza mare n cmpul
electric al unui nucleu asupra lui va actiona o forta electrica
de atractiecare-i va curba traiectoria. Aceasta nsemna ca miscarea
sa va deveniuna accelerata. Acest fapt face ca electronul sa emita
o radiatie electro-magnetica Fig. 14.2.Presupunnd ca electronul
este accelerat initial la o diferenta de
potentialul V , energia ca inainte de apropierea de nucleu este
eV . Deoa-rece el emite un foton cu energia h; energia sa dupa ce
se ndeparteazade nucleul respectiv va eV h:Producerea razelor X n
acest fel este un proces aleatoriu, deoarece
un electron poate avea toate traiectoriile posibile inclusiv
aceea n careacestia cad pe nucleu. Din acest motiv fotonii emisi au
toate energiileposibile pna la valoarea eV: n plus ei sunt emisi n
toate directiile. Ra-diatiile X astfel obtinuta poarta numele de
radiatii de frnare (deoarecen nalul energia electronului este mai
mica dect cea initiala) si ea areun spectru continuu.2. Cnd
electronii au sucienta energiei ei pot disloca un electron
de pe paturile inferioare ale atomului. Astfel ramne un loc
vacant nstructura electronica, care poate ocupat de un electron de
pe o paturasuperioara. Prin aceasta tranzitie apare o radiatie X.
Deoarece niveleleenergetice pentru un anumit material are valori
bine determinate radi-atiile X care apar n acest mod poarta numele
de radiatii X caracteristiceDaca apare un loc vacant n patura K,
razele X care sunt emise prin
ocuparea acestui loc poarta numele de raze K (Fig 14.3).
Electronii careocupa acest loc pot provenii din subpaturile
nivelelor L, M, N. La fel se
-
202
Figura 14.3: Producerea radiatiilor X caracteristice.
petrec lucrurile cnd apare un loc vacant n patura L. Atunci
electroniicare ocupa acest loc pot provenii de pe paturilor
nivelelor M, N,...
14.1.2 Atenuarea radiatiilor X
Atenuarea poate denita ca reducerea n intensitate a unui
fasci-col de radiatii X care strabate materia prin absorbtia sau
mprastiereafotonilor din fascicol. Atenuarea are loc dupa legea
Lambert -Bear
I = I0ex
unde I0 este intensitatea initiala a radiatiei, I este
intensitatea dupa ceradiatia trece prin materialul considerat pe
distanta x, iar este coe-cientul de atenuare liniar. Intensitatea
radiatiilor reprezinta numarul defotoni din fascicol sau indicatia
unui detector care este introdus n fasci-colul de raze X. Distanta
x se masoara n cm iar coecientul de atenuareliniar n cm1.Factorii
de care depinde atenuarea radiatiilor sunt energia radiatiilor
si densitatea substantei prin care aceste radiatii trec. n
general radiatiilecu energia mai mica sunt mai puternic absorbite
astfel ca atenuarea estemai mare. Substantele cu densitate mai mare
(precum oasele) atenueazamai mult radiatiile dect substantele cu
densitate mai mica precum te-suturile. Numarul de electroni din
unitatea de volum determina putereade stopare a radiatiilor X
-
203
14.1.3 Detectia radiatiilor X
Trecerea radiatiilor prin organism le atenueaza n functie de
tesuturilepe care le strabat. Aceste radiatii X atenuate sunt cele
ce sunt convertiten imagini. Procesul se realizeaza de exemplu prin
expunerea unei placifotograce la aceste radiatii. Daca se
utilizeaza un ecran uorescentimaginea poate vizualizata pe un
monitor de calculator.Exista trei tipuri de detectori pentru
detectia radiatiilor X:a) detectoare care utilizeaza fenomenul de
ionizareb) detectoare care utilizeaza fenomenul de uorescentac)
cele ce utilizeaza fenomenul de absorbtiePrimul tip de detectoare
utilizeaza n principal un gaz care este ioni-
zat de radiatiile X. Prim masurarea ionizarii se determina
intensitatearadiatiilor. Acest tip de detectorii este utilizat n
principal pentru moni-torizarea zonelor n care exista posibilitatea
de aparitie a radiatiilor ion-izante.Cel de-al doilea tip de
detectorii utilizeaza asa numiti intensicatori
de imagine care sunt dispozitive ce permit ca organismul sa
primeascao cantitate de radiatii de cel putin 100 de ori mai mica
dect n lipsaacestora. n intensicatorii de imagine razele X
determina electroni caresunt accelerati pentru a le creste energia.
Electronii determina la rndullor un ux de lumina care poate
vizualizat pe un ecran TV sau pemonitorul unui calculator.Un
intensicator de imagine (Fig. 14.4) consta: a) un fotocatod aat
n apropierea unui ecran uorescent pe care cade uxul de raze X
carea trecut prin pacient. b) lentile electrostatice, d) un ecran
uorescent.Razele X care trec prin pacient cad pe ecranul uorescent
producndun ux luminos. Fluxul luminos cade pe fotocad care emite
electroni ntoate directiile. Electronii emisi sunt concentrati cu
ajutorul unor cm-puri electrice produse de asa numitele lentile
electostatice pe anod astfelca ecarui punct de pe ecranul uorescent
sa i corespunda un punctimagine pe ecranul uorescent de iesire. n
timpul traversarii intensi-catorului de imagine de catre electronii
emisi de catre fotocatod, acestiasunt accelerati la o diferenta de
potential n jur de 25-35 kV.Trebuie remarcat ca pentru un debit al
dozei de 0,2 Gy/s la intrarea
n intensicator corespund 5105 cuante X pe cm2. n fereastra de
intrareare loc o absorbtie de 10 % din acestea. Absorbtia razelor X
n ecranuluorescent, depinde de materialul utilizat, grosimea lui si
cantitatea de
-
204
Figura 14.4: Intensicator de imagine
raze X. Aceste ecrane active sunt facute din iodat de cesiu,
fapt ce poatedetermina o absorbtie de 50 - 70 %. Astfel un ux de
2105cuante X/cm2ramn disponibile. n total se obtin 250 de electroni
per cuanta X astfelca fotocatodul emite 5 107 electroni cm2/s.
Fiecare electron acceleratla 25 kV produce 1000 de cuante de lumina
pe ecranul uorescent de laiesire. Imaginea obtinuta poate captata
pe monitorul unui calculator.
14.1.4 Fluoroscopie
Prima generatie de uoroscoape utilizeaza un ecran facut din Cu
ac-tivat cu sult de cadmiu care emitea lumina n domeniul galben -
verdeal spectrului vizibil. Rezolutia era slaba si examinarea era
realizata demedic n ncaperi ntunecoase. n plus imaginile erau
neclare. Acesteprobleme au fost rezolvate cu ajutorul
intensicatorilor de imagine careau permis n nal ca sa se obtina
imagini pe un monitor de computer.
-
205
14.1.5 Angiograe
Aceasta este o tehnica prin care sunt vizualizate vasele de
snge.Un angiograf digital consta dintr-un tub de raze X, un
intensicator deimagine, o diafragma pentru o controla fascicolul
luminos si o cameravideo legata la un computer. Sistemul este
similar cu cel utilizat nuoroscopie cu diferenta ca n vasele de
snge este introdusa o substantacontrastanta.
14.1.6 Tomograe
Fluoroscopia si anginograe determina imagini plane. Imaginile
potcontine si alte structuri fapt ce mpiedica de multe ori
capacitatea de aun diagnostic clar.Sistemul a fost dezvoltat n mod
independent de Godfrey N. Hounseld
si Dr. Allan McCormack care au obtinut premiul Nobel n 1979.
Sis-temele de raze X normale produc doar imagini ntr-un plan, iar
infor-matia n adncime este pierduta. Tomograe computerizata a
rezolvatproblema prin achizitionarea de imagini produse de raze X
din jurulobiectului. Un computer proceseaza aceste imagini si
produce o imaginea obiectului original printr-un proces numit
reconstructie.Partile unui unei tomograf cu raze X sunt; sursa de
radiatii, detectoare
si computerul pentru prelucrare semnalului. Sursa de radiatii X
estemobila si este plasata pe o sina circulara astfel ca ea sa se
poata rotii njurul corpului pacientului. O sectiune printr-un
tomograf este prezentatan Fig. 14.5.Sursa emite un fascicol colimat
care poate iradia corpul. Atunci cnd
se realizeaza o rotatie completa a corpului se realizeaza sute
de mii deimagini. Fiecare nregistrare contine informatii privind
coecientul deatenuare pe diferite directii. Corpul examinat se
mparte n elementespatiale numite voxeli (pixeli sunt elementele din
plan). Pentru a reali-za imaginea ecarui voxel se folosesc
algoritmi care stabilesc razele ceinteractioneaza cu voxelul
respectiv. Dupa prelucrare se obtine o imagi-ne a unei sectiuni n
pacient Imaginea este una bimensionala. Pentruobtinerea unei
imagini tridimensionale pacientul este translatat si apoise
asambleaza datele obtinute pentru diverse sectiuni. n Fig. 14.6
esteprezentata imaginea unui tomograf iar n Fig. 14.7 sunt
prezentate imagi-ni succesive obtinute cu un tomograf asupra unei
vertebre. Osul este alb
-
206
Figura 14.5: Sectiune printr-un tomograf
n timp ce tesuturile alaturate precum cartilajele si muschi apar
n tonuride gri.
Actualmente s-au introdus instalatii n care nregistarea se face
nspirala. n acest caz pacientul este n repaus iar sursa de radiatii
sidetectorii se rotesc solidar n jurul pacientului.
14.2 Tomograe computerizata RMN (re-zonanta magnetica de
spin)
RMN-ul este o tehnica tomograca care produce imagini a
interiorulcorpului prin masurarea semnalelor emise prin rezonanta
magnetica nu-cleara. Un semnal de radiofrecventa este emis catre
pacient, iar corpulacestuia emite la rndul lui un nou semnal de
radiofrecventa. Semnalulemis este procesat si se obtine imaginea
corpului pacientului.Fenomenul de rezonanta magnetica de spin a
fost pus n evidente n
anul 1946 de Bloch si Purcell. n anul 1973 imagini prin RMN au
fost
-
207
Figura 14.6: Tomograf.
Figura 14.7: Imagini pentru diverse sectiuni ale unei vertebre
cu ajutorul unuitomograf.
-
208
obtinute de Laterbur si Manseld.Tehnica produce imagini cu un
contrast mai mare dect cea a tomo-
graei computerizate. n plus n cazul RMN -ul nu se utilizeaza
radiatiiionizante fapt ce face ca procedeul sa e fara nici un risc
pentru pa-cient. n locul razelor X RMN-ul utilizeaza un cmp
magnetic puterniccare determina o aliniere a atomilor n interiorul
corpului. Cmpurilede radiofrecventa sunt utilizate pentru a modica
aceasta aliniere faptce determina ca nucleele sa produca un cmp
magnetic rotitor care estedetectat de receptorii din interiorul
scanerului.Particulele subatomice (protonii si neutronii) se
comporta ca niste
dipoli magnetici cu un pol nord si unul sud. Un dipol magnetic
estecaracterizat de o marime numita moment magnetic ntr-un cmp
mag-netic momentul magnetic se orienteaza paralel si n acelasi sens
cu cmpulmagnetic. Daca doua particule sunt aduse n apropiere una
fata de altamomentele magnetice ale particulele se orienteaza n
sensuri opuse si -sianuleaza reciproc cmpurile magnetice. Anumite
nuclee precum Hidro-genul 1 Heliul 3 si Carbon 13 au un numar impar
de protoni sau neutroni, astfel ca exista o particula nemperecheata
care determina un momentmagnetic. Acest moment magnetic este
momentul magnetic caracteristicntregului nucleu. Astfel nucleul
respectiv are proprietati magnetice.Momentul magnetic al unei
particule este legat de momentul cinetic
propriu al particulei care poarta numele de spin. Momentul
cinetic estelegat de miscarea de rotatie a particulei respective.
Totusi n cazul parti-culelor subatomice precum protonii si
neutronii aceasta este o proprietateintrinseca a particulei
respective. n plus pentru acestea spinul nu poateavea dect doua
orientari una "n sus" si una "n jos". Acelasi lucru sepetrece si cu
momentul magnetic. S-a stabilit experimental si teoreticca atunci
cnd nucleele se aa ntr-un cmp magnetic puternic momen-tul magnetic
al nucleului sufera o miscare de precesie n jurul directieicmpului
magnetic (Fig. 14.8).Frecventa !0 cu care are loc precesia este
direct proportionala cu
inductia cmpului magnetic B: ntr-un cmp magnetic de 1 Tesla
(uni-tatea de masura a inductiei cmpului magnetic) frecventa
precesiei estede 42,6 MHz pentru un proton adica pentru nucleul de
hidrogen. Aceastavaloare difera de la nucleu la nucleu. n acest cmp
magnetic o parte dinmagnetii nucleari se orienteaza pe directia
cmpului si n acelasi sens cuacestea, iar ceilalti n sens contrar.
Este sucienta o mica diferenta n-tre numarul nucleelor orientate
ntr-un sens si altul, pentru a da nastere
-
209
Figura 14.8: Miscarea de precesie a momentului magnetic al unui
proton.
unei magnetizari nete. n cazul aplicarii cmpului magnetic static
ceimai multe nuclee care au energie mica se orienteaza n directia
cmpuluimagnetic. O mica parte dintre nuclee (cele cu energie mare)
se orien-teaza n sens contrar cmpului magnetic. Rezulta o
magnetizare neta nsensul cmpului magnetic. Magnetizarea este o
marime egala cu sumamomentelor magnetice din unitatea de
volum.Aplicnd un puls de radiofrecventa cu o frecventa egala cu cea
de
precesie, pe o directie ce face 90o cu cmpul magnetic face ca
nucleelede hidrogen si numai cele de hidrogen sa rezoneze. Nucleele
de hidrogenabsorb energie de la puls si creste numarul de nuclee al
caror momentmagnetic este antiparalel cu cmpul magnetic. Daca o
cantitate de ener-gie corespunzatoare este cedata hidrogenului
atunci numarul nucleelor cumomentul magnetic orientat n sens contra
cu cmpul magnetic devineegal cu numarul de nuclee. Apare o
magnetizare perpendiculara pe di-rectie perpendiculara pe directia
cmpului magnetic static. n Fig. 14.9este prezentat modul n care se
obtine magnetizarea transversala. Ast-fel se nsumeaza magnetizarea
atomilor cu momentul magnetic n sus simagnetizarea atomilor cu
momentul magnetic n jos. Totusi momentelemagnetice si magnetizarile
sunt putin nclinate fata de directia cmpului
-
210
Figura 14.9: Magnetizarea obtinuta n cazul aplicarii cmpului de
ra-diofrecventa. Ms reprezinta magnetizarea datorata de nucleele al
caror mo-ment magnetic este n sus, Mj este magnetizarea datorata
nucleelor al carormoment magnetic este n jos si M este magnetizarea
totala.
magnetic. Acest fapt face ca sa apara magnetizarea
transversala.Cmpul de radiofrecventa determina de asemenea ca
rotatia de pre-
cesie a momentelor magnetice nucleare sa se realizeze n faza
(adicatoate momentele magnetice sa aiba aceiasi miscare de
precesie). Aceastanseamna ca vectorul net de magnetizare care este
perpendicular pe di-rectia cmpului magnetic extern, executa o
miscare de precesie ca simomentele magnetice ale nucleelor
individuale. Frecventa de precesiea magnetizarii totale este egala
cu frecventa de precesie a momentelormagnetice
individuale.Detectorul de imagine a aparatului RMN este o bobina
electromag-
netica. Ea este plasata la 90 de grade fata de cmpul magnetic
net. Ea seaa n planul transversal n timp ce cmpul magnetic este n
plan orizon-tal. Precesia vectorului magnetizare totala induce o
tensiune n bobina.Acesta este semnalul RMN. n Fig. 14.10 este
prezentata bobina si mag-netizarea neta care executa o miscare de
precesie n plan orizontal.Deoarece miscare de precesie este una
periodica ea induce un curent
alternativ n bobina. Cnd pulsul electromagnetic nceteaza
protoniincep sa piarda energie si diferenta dintre numarul de
nuclee cu spiniorientati n sensuri opuse creste pna cnd
magnetizarea totala nu maicade n planul orizontal. Atunci semnalul
MR scade exponential. Re-laxarea este caracterizata prin timpul de
relaxare longitudinala (timpul
-
211
Figura 14.10: Cmpul magnetic net executa o miscare de precesie n
planorizontal n timp ce bobina se aa n plan vertical.
de relaxare este timpul dupa care magnetizarea pe directia
paralela cucmpul revine la valoare 0,63 din valoare dinaintea
aplicarii pulsului deradiofrecventa).Un alt timp de relaxare este
timpul de relaxare pe directie transversala
(orizontala). Acesta este timpul dupa care magnetizarea
transversalascade la valoarea 0,37 din valoarea sa dupa excitare.
(Fig. 14.12)Trebuie remarcat ca pentru diverse tipuri de nuclee nu
numai timpii
de relaxare sunt diferiti ci si frecventele de precesie.n
tomograa RMN pacientul este introdus ntr-o incinta n care se
realizeaza un cmp magnetic uniform si constant creat cu ajutorul
uneibobine racite cu apa, apoi asupra pacientului se trimit pulsuri
de radiofre-ceventa care au ca rezultat aparitia unor semnale n
bobinele detector.
14.3 Ecograa
Ecograa este una din metodele imagistice care utilizeaza
ultrasunete.Ultrasunetele sunt unul dintre cel mai utilizate
instrumente pentru avizualiza interiorul corpului uman de cel putin
50 de ani. Diagnozacu ultrasunete utilizeaza pulsuri de ultrasunete
cu frecvente de 1 MHzobtinute cu ajutorul unui traductor
piezoelectric. Ele sunt directionatecatre organul tinta. Ca si alte
tipuri de unde, ultrasunetele se pot re-ecta, absorbi si transmite.
n cazul ecograei unde reectate sunt celecare sunt utilizate pentru
crearea imaginii, Intensitatea undelor reec-
-
212
Figura 14.11: Evolutia magnetizarii longitudinale dupa anularea
cmpuluimagnetizarii transversale.
Figura 14.12: Evolutia n timp a magnetizarii transversale dupa
ncetareasemnalului de radiofrecventa.
-
213
tate si timpul de ntrziere pot analizate pentru a obtine
informatii cuprivire la organele interne si mediul care le
ncojoara. Absorbtia ultra-sunetelor este fenomenul care limiteaza
rezolutia ecograei. Desi n prin-cipiu o rezolutie buna se poate
obtine atunci cnd se utilizeaza frecventemai nalte, aceste lucru nu
este posibil deoarece cu ct creste frecventaundelor cu att acestea
sunt mai puternic absorbite. Exista mai multemoduri n care un
scaner cu ultrasunete poate opera:Modul de operare AAceasta este o
tehnica n care un singur traductor scaneaza de-a lun-
gul unei linii n corp, ecourile rezultate ind reprezentate n
functie detimp. Aceasta tehnica este utilizata pentru determinarea
marimii or-ganelor interne.Modul de operare Bn acest caz sunt
utilizate mai multe traductoare asezate n linie care
scaneaza un plan din corp, rezultatul ind prezentat pe un
monitor.Modul de operare MEste utilizat pentru nregistrare
organelor interne. Aceasta tehnica
este utilizata pentru a pune n evidenta miscarile fatului.
14.4 Ultrasonograa Doppler
Aceasta modalitate de scanare se bazeaza pe efectul Doppler.
EfectulDoppler consta din modicarea frecventei unei unde
nregistrata de unobservator atunci cnd sursa undei este n miscare.
Efectul se observasi cnd sursa este n repaus iar observatorul n
miscare. Modicare nfrecventa a undei depinde de viteza de miscare a
observatorului sau asursei undei, precum si de directia de miscare
a acestora. Pornind deaceste considerente se demonstreaza ca daca
se trimite o unda sonora peo structura n miscare frecventa undei
reectate este mai mica sau maimare de cea a undei emise n functie
de faptul ca structura se departeazasau se apropie de sursa undei.
Modicarea frecventei undei este functieeste functie de viteza de
deplasare a structurii studiate. O astfel detehnica este utilizata
la pentru masurarea vitezei de deplasare a sngeluisi deci a
debitului de snge. Instalatia care permite masurarea vitezeisngelui
consta din doua cristale piezoelectrice dinte care primul emiteunda
incidenta iar cel de-al doilea receptioneaza unda reectata.