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.