Podstawy fizyczne: RTG i PET

Tomografia Pozytonowa PET

Tomografia Pozytonowa (ang. Positron emission tomography, PET) jest rodzajem tomografii komputerowej - techniką obrazowania, w której zamiast zewnętrznego źródła promieniowania rentgenowskiego lub radioaktywnego rejestruje się promieniowanie powstające podczas anihilacji pozytonów (antyelektronów czyli elektronów o dodatnim ładunku).

Jej stosowanie wymaga wprowadzenia do organizmu (do krwi) znakowanej promieniotwórczo substancji, radioaktywnego izotopu. W badaniu tym wykorzystuje się izotopy promieniotwórcze ale tylko te, które w wyniku rozpadu emitują promieniowanie B+ czyli pozytony. Wśród emiterów pozytonów znajdują się podstawowe w biochemii organizmu izotopy pierwiastków takich jak tlen, węgiel, i azot ( C-11, O-15, N-13 a także F-18, Rb-82, Ga-68 ).

Podczas rozpadu izotop emituje pozytony. Pozytony anihilują z elektronami, dając pary kwantów gamma (fotonów o wysokiej energii), wykrywanych w podobny sposób jak w tomografii, Fotony te rejestrowane są jednocześnie przez dwa z wielu detektorów ustawionych pod różnymi kątami w stosunku do ciała pacjenta (najczęściej w postaci pierścienia), w wyniku czego można określić dokładne miejsce powstania pozytonów. Informacje te rejestrowane w postaci cyfrowej na dysku komputera, pozwalają na konstrukcję obrazów będących przekrojami ciała pacjenta, analogicznych do obrazów uzyskiwanych w tomografii NMR.

Dzięki diagnostyce PET istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo rozpoznania nowotworów (w około 90% badanych przypadków). Takiego wyniku nie daje się osiągnąć przy pomocy żadnej innej techniki obrazowania. PET daje także możliwość kontroli efektów terapeutycznych w trakcie leczenia chorób nowotworowych, np. za pomocą chemioterapii.

Obrazy uzyskiwane metodą PET maja wysoką rozdzielczość czasową pozwalającą na dynamiczne obrazowanie (obraz zmienia się na bieżąco).

Jest to niestety metoda bardzo droga - m.in ze względu na to, że używane izotopy muszą być czesto produkowane na miejscu, w akceleratorze - ich średni czas życia waha się od 2 do 110 minut

RADIOLOGIA

I - PODSTAWY TEORETYCZNE BADAŃ OBRAZOWYCH

RTG, TK

 Promieniowanie rentgenowskie jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego. Rozchodzi się w

przestrzeni jak fale, ale reaguje z materią jak cząstki (dualizm korpuskularno - falowy). Rozchodzi się

jako kwanty energii - fotony.

 Promienie takie powstają w lampie rentgenowskiej, ktorej podstawą jest szklana bańka prożniowa,

zawierająca dwie elektrody:

 ujemna (katoda) - cienki spiralny drut wolframowy, tzw. włokno żarzenia - pod wpływem wysokiego

napięcie włokno rozgrzewa się do 2200oC i dochodzi do termoemisji elektronow

 dodatnia (anoda) - blok miedziowy z wtopionym krążkiem, stanowiącym top b. odporny na

temperaturę i czynniki mechaniczne

 Do elektrod podłącza się wysokie napięcie, przez co z katody wyrzucane są elektrony, ktore przebiegają

do anody i ulegają wyhamowaniu na ognisku lampy. W wyniku tego energia elektronow zostaje

zamieniona na ciepło (99 %) i promieniowanie rentgenowskie (1 %).

 Emitowane promieniowanie składa się z promieni hamowania i promieni charakterystycznych. Te

pierwsze posiadają widmo ciągłe, drugie zaś - skokowe (dyskretne, o określonej długości fali (λ) -

zależnej od struktury atomowej materiału tworzącego ognisko). Promieniowanie charakterystyczne

odgrywa istotną rolę w mammografii.

 Jakość promieniowania zależy od napięcie szczytowego (U), natomiast ilość - od natężenia prądu (I).

 Jak wcześniej wspomniano, promieniowane rentgenowskie oddziałuje z materią. Zachodzi to na 3

sposoby:

 rozpraszanie spojne - foton uderzając w atom wprawia jego elektrony w drgania z częstotliwością

spojną z jego częstotliwością, po czym wyemitowany zostaje nowy foton o zmienionym kierunku, ale

takiej samej długości fali; zachodzi to bez jonizacji atomu

 zjawisko fotoelektryczne - energia fotonu przekracza energię wiązania powłoki, wobec czego elektron

(tzw. fotoelektron) zostaje wytrącony poza atom; powstają zatem 2 jony - następuje jonizacja; na

miejsce wybitego fotoelektronu wchodzi elektron z wyższe powłoki, wskutek czego emitowane jest

promieniowanie charakterystyczne; zjawisko to odgrywa istotną rolę w pochłanianiu promieniowania

 rozpraszanie (zjawisko) Comptona - energia fotonu przewyższa energię wiązania powłoki na tyle, że

poza wyrzuceniem elektronu poza atom powstaje nowy foton - o zmienionym kierunku i większej

długości fali; atom staje się jonem - następuje jonizacja

 promieniowanie może oddziaływać z materią rownież na inne sposoby - np. zjawisko tworzenia par czy

rozpadu jąder - jednak nie występują one przy zakresach energii używanych w diagnostyce medycznej

 właściwości promieniowania rentgenowskiego:

 jego natężenie maleje wraz z kwadratem odległości od ogniska - odległość jest najlepszą ochroną przed

promieniowaniem

 podczas przenikania przez materię ulega osłabieni wskutek pochłaniania i rozpraszania; pochłanianie

zależy gł. od efektu fotoelektrycznego, ktory z kolei jest zależny od liczby atomowej (Z); dlatego tkanki

miękkie wytwarzają b. mało fotoelektronow, natomiast kości - znacznie więcej, stąd rożnice w obrazie

RTG pomiędzy powietrzem, tkankami miękkimi i kością; promieniowanie rozproszone nie bierze

udziału w tworzeniu obrazu RTG, a wręcz przeciwnie - pogarsza jego jakość przez poszarzanie;

promieniowanie miękkie (< 70 kV) powoduje gł. pochłanianie, natomiast twarde (> 100 kV) powoduje

duże rozpraszanie; osłabienie zależy od energii promieniowania (w/w), efektywnej liczby atomowej,

względnej gęstości oraz grubości materiału

 podczas oddziaływania wywołuje jonizację atomow i związkow chemicznych - biologicznie jest to

zjawisko niekorzystne, technicznie - użyteczne do określania ilości promieniowania do dobrej

ekspozycji

 wywołuje luminescencję - pewne związki chemiczne pod wpływem promieniowania RTG emitują

światło widzialne - zjawisko to wykorzystuje się do wzmacniania obrazu

 działanie fotograficzne - zaczernianie błony światłoczułej

 działanie biologiczne - dz. destrukcyjne, wykorzystywane w RTH onkologicznej

 Aparat rentgenowski składa się z: jednej lub więcej lamp, generatora oraz urządzeń umożliwiających

przeprowadzenie badań.

 Lampa - obecnie stosuje się lampy dwuogniskowe z wirującą anodą. Katoda zawiera 2 włokna,

rożniące się długością, umieszczone na dnie skupiającej je czaszy. Wirująca anoda osadzona jest na osi

odprowadzającej ciepło (Mo + grafit), a pokryta odpornym stopem (W + Re). Elektrony padają na

prostokątną część talerza, zwaną ogniskiem rzeczywistym, natomiast wiązka promieniowania ma

kształt (przekroj) kwadratowy, określany jako ognisko optyczne - zawsze mniejsze od rzeczywistego.

Dzięki wirowaniu anody elektrony padają wciąż na inne miejsca talerza, co zmniejsza wymiary i

zwiększa moc ogniska oraz usprawnia odprowadzanie ciepła. Moc zależy proporcjonalnie od częstości

obrotow (obecnie 3 - 17 tys. / min.). Lampa zamknięta jest w metalowym kołpaku, wypełnionym

specjalnym olejem, pełniącym funkcje izolacyjne. 2 kable łączą ją z generatorem.

 Generator - to zespoł urządzeń zaopatrujących lampę w prąd, m. in.: transformatory, prostownik,

zegary i stolik rozdzielczy. Generator dostarcza prądu do żarzenia katody (niskie napięcie - 10 - 20 V),

prostuje napięcie (połprzewodnik Se/Si), dostarcza lampie prądu o wysokim napięciu (25 - 150 kV)

oraz steruje całym aparatem. Zegary: mechaniczny (> 250 ms), synchroniczny (1 - 250 ms),

elektroniczne (< 1 ms). Stolik zawiera: włącznik prądu, regulatory parametrow prądu (U, I), zegary,

przełączniki lamp i ich ognisk.

 Urządzenia do diagnostyki RTG: aparat RTG składa się z dwoch niezależnych części: ścianki do

prześwietleń z lampą i zestawem wzmacniacz obrazu - telewizja oraz stołu do zdjęć z pozycji poziomej

i statywu do zdjęć w pozycji pionowej wraz z lampą. Stoł, statyw i ścianka mają przesuwalne kratki

p/rozproszeniowe. Wzmacniacz pozwala na zastosowanie kamer, a telewizja - magnetowidu. Istnieją

rownież aparaty do badań specjalistycznych: serca i naczyń, dzieci, mammografii, zębow, do zdjęć przy

łożku chorego.

 Ochrona pacjenta przed promieniowaniem:

 przesłona głębinowa - oświetla pole badania, przez co ogranicza wiązkę promieni, zmniejsza ilość

promieniowania rozproszonego i wskazuje przebieg promienia środkowego, co ułatwia ustawienie

 filtry - pochłaniają fotony o długich falach, nie tworzące obrazu RTG z racji pochłaniania przez skorę

pacjenta; < 50 kV - szkło lampy, olej i okienko bakelitowe; 50 - 70 kV - filtr aluminiowy 0,5 mm;

> 70 kV - filtr aluminiowy 1,5 mm; dawka przyjmowana przez skorę zmniejsza się dzięki temu o 80 %

 kratka p/rozproszeniowa - listewki ołowiane poprzedzielane substancją dobrze przepuszczającą

promieniowanie RTG; kratki muszą być używane do wszystkich zdjęć grubszych części ciała

 uciskadła i pasy - gł. w diagnostyce jamy brzusznej i piersi

 Systemy obrazowania - zdjęcia konwencjonalne, radiologia cyfrowa, prześwietlenia, badania

czynnościowe, TK.

 Zdjęcia konwencjonalne - promienie po przejściu przez ciało padają na powierzchnię błony RTG

(podłoże + emulsja - tj. zawiesina AgBr i AgI w żelatynie) zawartej w kasecie. We wnętrzu kasety

znajdują się błony wzmacniające z warstwą luminoforu (dawniej CaWO4, obecnie związki metali ziem

rzadkich): od wielkości ziarna luminoforu zależy jakość zdjęcia i dawka promieniowania. Folie

wzmacniające zamieniają padające na nie promieniowanie RTG na światło widzialne, przez co

zwiększają efekt naświetlenia emulsji fotograficznej. Po naświetleniu błona jest wywoływana,

utrwalana, płukana i suszona.

 Kontrast - zaczernienie poszczegolnych pol, odpowiadających rożnicom gęstości tkanek - zależy

od: jakości promieniowania, budowy przedmiotu, czułości błony, rodzaju folii wzmacniających,

ilości promieniowania rozproszonego oraz stopnia zadymienia błony.

 Ostrość - zdolność do dobrego zarysowania granic części składowych przedmiotu. Wyrożnia się 4

rodzaje nieostrości:

 geometryczna - rośnie wraz ze wzrostem rozmiarow ogniska optycznego lampy

 fotograficzna - rośnie wraz ze wzrostem wspołczynnika wzmocnienia folii oraz czułości

błony - zależnej od rozmiaru ziarna luminoforu folii

 ruchowa - maleje wraz ze skroceniem czasu naświetlania

 zależna od promieniowania rozproszonego

 Rozdzielczość - zdolność do oddzielnego uwidocznienia blisko położonych szczegołow. Folie

wzmacniające nieznacznie osłabiają rozdzielczość błony.

 Radiografia cyfrowa - zamiast błony RTG występuj folia pamięciowa (związki P/Se), ktora po

naświetleniu odczytywana jest przez czytnik laserowy i zapisywana komputerowo. Zalety: mniejsza

dawka promieniowania, możliwe przetworzenie i korekcji obrazu, archiwizacja elektroniczna i

przesyłanie w formie pliku.

 Prześwietlenie - wykonywane przy pomocy wzmacniacza obrazu połączonego z telewizją w układzie

zamkniętym. Wzmacniacz składa się z: ekranu luminescencyjnego pierwotnego, fotokatody,

elektrostatycznych soczewek skupiających, anody i ekranu wtornego, a jego funkcją jest zamiana

promieniowania RTG na światło widzialne. Wzmacniacz połączony jest z kamerą i monitorem. Zalety:

duża jasność obrazow, lepsza jakość (kontrast i szczegoły), mniejsze (o 25 %) obciążenie

promieniowaniem, przeniesienie obrazu, digitalizacja.

 Radiologiczna badania czynnościowe: serce, naczynia, p. pok. - to narządy w ciągłym ruchu, dlatego

też ich obrazowanie musi być dynamiczne. Wykorzystywane są tu:

 zmieniacz błon RTG (do 12/s - konwencjonalna angiografia)

 kamera filmowa 35 mm (do 200 zdjęć/s) - badania serca: koronarografia i wentrykulografia

 magnetowid z zapisem na taśmie - połykanie, perystaltyka przełyku, odpływy pęcherzowo -

moczowodowe

 cyfrowe systemy przetwarzania obrazu - cyfrowa angiografia subtrakcyjna (DSA) -

uwidocznienie naczyń bez części miękkich dzięki odejmowaniu obrazu uzyskanego przed

podaniem kontrastu od obrazu uzyskanego po jego podaniu

 Tomografia komputerowa (TK) - lampa RTG porusza się dookoła obiektu, a zmiany natężenia

promieniowania rejestrowane są za pomocą detektorow po przeciwnej stronie. Następnie uzyskane

pomiary są analizowane elektronicznie, co umożliwia rekonstrukcję obrazu.

 TK umożliwia zobrazowanie przekrojow ciała z dokładnością atlasu anatomicznego. Ponadto

umożliwia uwidocznienie tkanek miękkich - mozgu, wątroby, trzustki.

 Zestaw do TK składa się ze: statywu (lampa i detektory), stołu, konsoli sterowniczej z

komputerem.

 2 systemy badania:

 tradycyjny - stoł przesuwany skokami, umożliwiając obrazowanie kolejnych

przekrojow ciała; oddech pomiędzy skokami

 spiralny - ciągła rotacja lampy i automatyczny stały przesuw stołu; badanie w fazie

bezdechu; zalety: krotszy czas badania, prezentacja 3D, wirtualna endoskopia,

badania naczyniowe w okresie największego stężenia kontrastu

 wspołczynniki pochłaniania promieniowania - skala Hounsfieda

 powietrze: -1000 j. H.

 (-): płuco, tłuszcz, pierś

 woda: 0 } 5 (~ 0) j. H.

 pozostałe narządy i tkanki: 25 - 90 j. H.

 kości: > 130 (do 3000) j. H.

---