




























































































Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Parametr ten jest niezwykle ważny dla eliminacji artefaktów ruchowych. Zawsze, gdy możemy ... Paralaksa - przesuniecie obrazu względem badanego obiektu.
Typologia: Egzaminy
1 / 155
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
Projekt współfinansowany ze środków funduszy norweskich i krajowych.
OCHRONA RADIOLOGICZNA Z ELEMENTAMI FIZYKI WSPÓŁCZESNEJ
0.1. Zakres skryptu
Czynniki fizyczne, których wykorzystanie w medycynie omówione zostało w niniejszym skryp- cie, zostały ograniczone do fal dźwiękowych i elektromagnetycznych. Skrypt nie dotyczy pomia- rów biopotencjałów ani metod diagnostycznych innych, niż obrazowanie. Dotyczy również wy- korzystania tych czynników do leczenia: bezpośrednio lub jako obrazowego narzędzia nadzoru i monitorowania leczenia. Aby otrzymać obraz lub przeprowadzić leczenie należy do rejestratora obrazu lub pacjenta do- starczyć jakąś formę energii wywołującej określoną reakcję tkanki i elementów rejestratora. Układ skryptu został zdeterminowany podziałem na różne rodzaje energii i jej nośników. Zadaniem skryptu nie jest dublowanie wykładów i wiadomości uzyskanych podczas innych za- jęć. Omawiane tu podstawy fizyczne i techniczne będą więc jedynie krótkim przypomnieniem najważniejszych informacji, związanych bezpośrednio z wyposażeniem, z którym w swojej pra- cy styka się technik elektroradiologii oraz z własnościami i jakością obrazu, a także z zagroże- niami dotyczącymi zarówno pacjenta, personelu, jak i wyposażenia. Tworzenie obrazów me- dycznych i leczenie wymaga umiejętnego wykorzystania zjawisk i reguł fizycznych. Większość z nich jest już znana ze szkoły lub zajęć prowadzonych na innych przedmiotach. Zrozumienie zasad ich wpływu na zawartość informacyjną tworzonych obrazów, skuteczność procesów tera- peutycznych oraz zaburzenia prawidłowego funkcjonowania organizmu pozwoli na właściwą optymalizację wykonywanych działań, a więc na rzeczywistą realizację uniwersalnej zasady ALARA (As Low As Reasonably Achievable), czyli osiągnięcie zamierzonego efektu jak naj- niższym kosztem (zdrowia, nakładu pracy, finansowym, itp.). Siłą rzeczy stosować będziemy pewne uproszczenia, nie sprzeczne z zasadami fizyki, ale pozwalające na szybkie zrozumienie podstawowych zasad, wielkości, zależności i wzajemnych oddziaływań. 0.2. Układ skryptu Skrypt opracowany został tak, by stanowił prosty przewodnik po poszczególnych obszarach wy- korzystania nośników różnych rodzajów energii. Szczególny nacisk położono na obrazowanie w zakresie rentgenodiagnostyki. W Części I powiemy czym jest obraz, w szczególności obraz medyczny oraz przypomnimy pod- stawowe pojęcia z fizyki, dotyczące pól i fal. Część II to obszar kliniczny. W jego kolejnych rozdziałach omówione są czynniki fizyczne wy- korzystywane w obrazowaniu lub leczeniu, zebrane w Tabeli 0.2.1.
W Części III krótko omówione będą, organizacja ochrony przed czynnikami szkodliwymi, obo- wiązujące w Polsce i na świecie przepisy prawne oraz znaki ostrzegawcze stosowane w każdej z omawianych dziedzin. Część IV zawiera opis ćwiczeń przewidzianych do wykonania podczas zajęć.
I.1. Obrazowanie. Obrazowanie medyczne
Obrazowanie to ostateczny efekt współdziałania z sygnałem (nośnikiem informacji) trzech ele- mentów: źródła tegoż sygnału, modulatora i rejestratora. Ogólną zasadą jest uzyskanie właści- wego stosunku sygnału do szumu, czyli taka nadwyżka nośnika nad losowym „mrowieniem” obrazu, by z wystarczającą dokładnością dało się odczytać zawarte w nim informacje. Różne są metody zapewnienia tej nadwyżki: zwiększenie ilości nośnika (w rentgenodiagnostyce wiąże się to ze zwiększeniem narażenia pacjenta na promieniowanie jonizujące), wielokrotne powtarzanie akwizycji (tomografia rezonansu magnetycznego), wyciszanie szumów, wielokrotne przeliczanie tych samych danych (iteracje), filtrowanie informacji i wiele, wiele innych… Ważne, by do reje- stratora obrazu dotarło wystarczająco dużo informacji. Rysunek I.1.1. przedstawia podstawowy schemat tworzenia obrazu. Rysunek I.1.1. Podstawowy schemat tworzenia obrazu.
Obraz, w tym również obraz medyczny, jest mapą wartości jakiegoś parametru. Parametr ten zależy od nośnika informacji i sposobu jego zastosowania. Niezwykle ważną rzeczą jest zrozumienie i umiejętność interpretacji obrazu. Rentgenowski ob- raz analogowy jest prostym odwzorowaniem osłabienia promieniowania przez badany obiekt. Nawet z dobrą lupą nie zauważymy ziaren srebrowych, które obraz tworzą. Prawidłowo naświe- tlone i wywołane zdjęcie rentgenowskie nie kryje w sobie problemów interpretacyjnych wynika- jących natury obrazu, a nie z zawartych w nim informacji klinicznych. Inaczej sprawa ma się z obrazem cyfrowym, który zawsze będzie jedynie lepszym lub gorszym przybliżeniem rzeczy- wistości. Analiza obrazu cyfrowego przypomina trochę czynności uczestnika zawodów na orien- tację, który ma w ręku mapę topograficzną terenu, przez który będzie wędrował. Bez umiejętno- ści „czytania” mapy nigdzie nie dotrze. Zrozumienie natury obrazu medycznego i zasad jego czytania pozwoli na prawidłowe sterowanie jego wykonaniem oraz uniknięcie lub minimalizację
Rysunek I.1.2. Obraz i profil. Rysunek I.1.3. Mapa.
Należy zauważyć, że kontur góry można otrzymać zarówno z fotografii, jak i z mapy, korzysta- jąc ze znajdujących się na niej poziomic. Cyfrowy obraz medyczny będzie mozaiką punktów o różnej jasności. W komputerze każdemu punktowi (pikselowi) obrazu przypisana jest wartość informująca jak jasno ma ten punkt na obrazie świecić. Skala poziomów szarości (wartości moż- liwych do przyjęcia przez punkt) zależy od liczby bitów na każdy piksel. Dla 12 bitów mamy 4096 stopni skali szarości. To praktycznie tyle, ile w obrazach tomografii komputerowej. Skala szarości wynosi tu od -1000 (powietrze) do 3000 (metal). Na monitorze -1000 to całkowita czerń, a +3000 to idealna biel. (Zdjęcia rentgenowskie – radiografię – można również w przybli- żeniu tak przedstawić – w obrazie analogowym 0 to całkowita biel, 4 – całkowita czerń; zatem skalę można łatwo odnieść do 4000 poziomów szarości). Gęstość większości tkanek zbliżona jest do gęstości wody (0 jednostek Hounsfielda) i zawiera się w przedziale od -30 do +120. To trochę jak z naszą górą na rysunkach powyżej. Załóżmy, że do prezentacji naszej góry przyj- miemy skalę od poziomu morza do szczytów Alp. To będzie właśnie około 4000 metrów. Nasza góra jest wzniesieniem o wysokości 834 metry nad poziomem morza, w Bieszczadach, ale sfoto- grafowana jest z przełęczy Nasiczniańskiej, położonej na wysokości 717 m n. p. m. Czyli wi-
doczny zarys ma 117 metrów wysokości. To mniej więcej 1/40 przyjętej skali. Przedstawia to Rysunek I.1.4.
Rysunek I.1.4. Pełny zakres okna. Rysunek I.1.5. Okno dopasowane.
Niewiele da się z takiej prezenta- cji odczytać. Musimy zmienić… okno wyświetlania. Przyjmijmy, powiedzmy, że szerokość okna to będzie 200 metrów, a jego środek będzie na poziomie 800 ( Rysu- nek nr I.1.5. ). Wtedy zarys na- szej góry będzie doskonale wi- doczny i możliwy do dokładnego zinterpretowania. Otrzymaliśmy obraz o wysokim kontraście, bardzo dobrze poka- zujący szczegóły obszarów niewiele różniących się wyso- kością (jasnością punktów).
To teraz popatrzmy na Rysunek I.1.6. – to zarys w tej samej skali Babiej Góry 1725 m n. p. m. i 1075 m od podnóża. Gdybyśmy chcieli przedstawić go w tym samym oknie, co poprzedni za- rys, z takim samym kontrastem ( Rysunek I.1.7. ), to zobaczylibyśmy jedynie fragment zboczy. Zatem nie zawsze wysoki kontrast obrazu jest dobry. Gdy go zmniejszymy (zwiększymy szero- kość okna), wtedy możemy ocenić wszystkie informacje, jakie niesie kształt zboczy ( Rysunek I.1.8. ).
Rysunek I.1.9. Pomiar wielkości w różnych oknach.
Czym od innych obrazów różni się obraz medyczny? Przede wszystkim tym, że od prawidłowej jego interpretacji może zależeć zdrowie, a czasami i życie pacjenta. Zatem obraz medyczny musi zawierać adekwatną do danej sytuacji ilość informacji, uzyskanych kosztem, którego wysokość jest uzasadniona stanem klinicznym pacjenta. Z jakimi zatem mapami spotkamy się diagnostyce obrazowej? Chyba najprostszym jest podział według kryterium liczby wymiarów. Poniżej wraz z przykładami: 1D : to punkty zaznaczone na osi, np. projekcja A w ultrasonografii; na osi zaznaczone są miejsca czasu powrotu echa sygnału odbitego od granicy dwóch różnych struktur tkankowych lub krzy- wa renoscyntygraficzna pokazująca na osi czasu szybkość ekstrahowania radiofarmaceutyku przez nerki i przekazywania go do pęcherza. 2D : to płaski, dwuwymiarowy obraz, najczęściej mapa różnic parametru stabilnego w czasie znacznie dłuższym, niż czas uzyskania obrazu (np. współczynnika pochłaniania promieniowania rtg - warstwa TK lub radiografia – zdjęcie rtg). 3D : to obraz przestrzenny, najczęściej mapa różnic parametru stabilnego w czasie znacznie dłuż- szym, niż czas uzyskania obrazu (np. współczynnika pochłaniania promieniowania rtg - trójwy- miarowa rekonstrukcja sieci naczyniowej w fazie tętniczej lub trójwymiarowa rekonstrukcja ob- razu TK). 4D : to obraz przestrzenny, uwzględniający czas, czyli mapa różnic parametru zmiennego w cza- sie zbliżonym do czasu uzyskiwania obrazu (np. współczynnika pochłaniania promieniowania rtg - trójwymiarowa rekonstrukcja sieci naczyniowej w fazie żylnej z pokazanym jej przejściem w fazę tętniczą; dyfuzja – bez wymuszenia mechanicznego lub perfuzja – z wymuszeniem naj- częściej krążeniowym).
5D : to mapa zmian wartości parametru zmiennego w czasie (np. prędkości zmian współczynnika pochłaniania promieniowania rtg) w przestrzeni (np. trójwymiarowa rekonstrukcja obrazu kie- runku i prędkości przemieszczania się krwi lub innego płynu ustrojowego). Ale prócz prostych obrazów, wymienionych wyżej, mogą być obrazy złożone, rekonstrukcje dynamiczne… Złożony obraz medyczny:
I.2.1.4 Tensor ( łac. tensus – napięty; początki używania tensora to opisanie pola naprężeń ) – jest wielowymiarową macierzą wartości określających różne właściwości jakiejś przestrzeni; w zasadzie do zdefiniowania tensora potrzebne są pojęcia z wyższej matematyki, jednak na na- sze potrzeby przyjmijmy poniższy opis na przykładzie dyfuzji: dyfuzja wody to jej swobod- ny, niewymuszony czynnikami zewnętrznymi, przepływ wynikający z chaotycznych, przy- padkowych ruchów cząsteczek. Jeśli odbywa się ona w środowisku izotropowym – wszyst- kie kierunki są równocenne, jeśli jednak środowisko nie jest homogenne – dyfuzja będzie miała kierunki mniej lub bardziej uprzywilejowane. Przepływ, ruch, jak stwierdziliśmy po- wyżej, opisujemy wektorem, który informuje nas o jego wielkości i kierunku. W środowisku izotropowym wektory skierowane we wszystkich kierunkach będą miały równe długości. W środowisku, jakim jest mózg, pewne obszary są bardziej izotropowe (substancja szara), inne silnie anizotropowe (substancja biała). Zatem w różnych punktach będą działały różne siły w układzie przestrzennym modelujące przepływ dyfuzyjny. W każdym miejscu zatem te podstawowe wektory opisujące przepływ będą miały inną długość i kierunek – ich parame- try będą przetworzone przez warunki panujące w konkretnym punkcie. Tensor zawiera in- formacje dla każdego woksela (piksel jest podstawowym elementem cyfrowej płaszczyzny, woksel – podstawowym elementem cyfrowej przestrzeni) jak modyfikowany jest w tym punkcie przestrzeni wektor przepływu; dla każdego woksela utworzona jest macierz 3 x 3, czyli 9 wartości (po trzy dla każdego z kierunków, a jeśli dołożymy do tego czas, to warto- ści będzie 16, bo dla każdego kierunku po 4), które zmieniają długość, kierunek i zwrot wektora przepływu. Krótko podsumowując: to macierz liczb, dzięki której możemy wie- dzieć jakie wartości w danym punkcie i w każdym z kierunków przyjmie wektor dyfuzji. Taki tensor może dotyczyć naprężeń w jakiejś bryle, natężeń pola elektromagnetycznego… Tensory, które są stosowane w interesujących nas działaniach, to tensory drugiego rzędu ( Rysunek I.2.3. ). Rysunek I.2.3. Tensor (dla przestrzeni trójwymiarowej + czas).
I.2.2 Nośniki energii w obrazowaniu medycznym lub terapii; najczęściej stosowane, a więc sto- sunkowo dobrze znane. Zatem już krócej i bez szerszych opisów poniżej zestawione są jedy- nie ich najważniejsze właściwości.
I.2.2.1 Fala dźwiękowa – zaburzenie ośrodka mechanicznego, polegające na przemieszczaniu się fali zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka; przemieszczanie się zaburzeń następuje w tym samym kierunku, co ruch fali; fala mechaniczna; fala podłużna. Rysunek I.2.4. Fala dźwiękowa = fala mechaniczna.
Tabela nr I.2.1. Dźwięki – fala akustyczna.
Nazwa / opis Zakres częstotliwości [Hz] Infradźwięki od 0 do 16 Dźwięki słyszalne od 16 do 20•10^3 Ultradźwięki od 20•10^3 do 10^8 Hiperdźwięki od 10^8 do 3•10^9 Fale sejsmiczne – fale o dużej a mplitudzie rozcho- dzące się w litosferze
I.2.2.2 Fala elektromagnetyczna ( Rysunek I.2.5. ) – zaburzenie pola elektromagnetycznego (lub nierozerwalnie powiązane ze sobą zaburzenia pola elektrycznego i pola magnetycznego); za- burzenia pola elektrycznego są prostopadłe do zaburzeń pola magnetycznego i zachodzą po- przecznie do kierunku rozchodzenia się fali; w pewnym zakresie energetycznym ma zdolność jonizacji materii – jonizacja pośrednia; słabe przekazywanie energii do materii (duża przeni- kliwość), bo brak masy i ładunku, a zatem duży zasięg; fala poprzeczna.
jądra atomowego. Jest to liczba masowa (A), określająca ilość nukleonów (protonów i neu- tronów) w jądrze oraz liczba atomowa (Z), określająca liczbę protonów w jądrze. Pierwiastek jednoznacznie określony jest liczbą atomową. Atomy, które mają tą samą liczbę atomową i różne liczby masowe to izotopy tego samego pierwiastka. Każda z przemian promieniotwór- czych zmienia wartość co najmniej jednej z liczb. Dwie podstawowe przemiany to alfa i beta. Ilustrują je poniższe rysunki. Rozpad promieniotwórczy z emisją cząstki alfa: od wartości liczby masowej (A) należy odjąć 4, a od liczby atomowej (Z) należy odjąć 2. W efekcie roz- padu wyemitowane zostało jądro helu, czyli cztery nukleony, w tym dwa protony. Zasada za- chowania ładunku jest respektowana, bo sumaryczny ładunek wszystkich produktów rozpadu pozostał bez zmian. Rysunek I.2.7. Rozpad promieniotwórczy alfa.
Rozpad promieniotwórczy z emisją cząstki beta może być dwojakiego rodzaju – beta minus (emisja elektronu) i beta plus – emisja antyelektronu, czyli pozytonu. W obu wypadkach su- maryczny ładunek musi pozostać bez zmian, zatem przy przemianie beta minus ładunek jądra musi się zwiększyć o 1 (Z+1, bo wyemitowany został ujemny elektron). Jeden z neutronów zmienia się zatem w proton i elektron. W przemianie beta plus (wyemitowany dodatni pozy- ton) – ładunek jądra musi się zmniejszyć o 1 (czyli Z-1). Jeden z protonów zmienia się w neu- tron i pozyton.
Rysunek I.2.8. Rozpad promieniotwórczy beta.
I.2.2.4. Promieniowanie
Promieniowanie, inaczej radiacja, to emisja cząstek lub fal. Można zatem promieniowanie, bar- dzo ogólnie, podzielić na trzy rodzaje: