Mechanismen van Gezondheid en Ziekte | Joris van Doremalen
Beeldvorming met Ioniserende Straling (MBI)
Dit kwartaal gaat over homeostase, daarbij zijn allerlei organen betrokken. Van deze organen wil je
weten hoe ze eruitzien (anatomisch) en wat ze doen (functioneel). Verschillende technieken tonen
verschillende beelden, doordat ze verschillende eigenschappen zien. Je meet dus de eigenschap van
het weefsel. In de medische beeldvorming wordt gebruik gemaakt ioniserende straling (röntgen, CT,
PET), magnetisme (MRI) en geluidsgolven (echografie).
Gevaren van straling
Ioniserende straling wordt veel gebruikt in medische diagnostiek en therapie. De toepassing van
ioniserende straling is echter niet zonder risico voor de patiënt en personeel; juist het feit dat
ioniserende straling schade kan aanrichten wordt gebruikt bij het bestralen van tumoren. Er wordt
altijd geprobeerd om zo laag mogelijke straling te geven (ALARA: as low as reasonably achievable).
Toch kunnen er effecten optreden: deterministische effecten (zeker optreden na 250 mSv) en
stochastische effecten (toeval, grotere kans bij grotere dosis (mSv)). Hierbij is het risico op fatale
kanker 0.006% per mSv (berekend a.d.h.v. de effectieve dosis).
De dodelijke dosis van röntgenstraling bedraagt ongeveer 10 J/kg. Dit is erg veel energie als je
bedenkt dat de zon op aarde een energiedichtheid heeft van 1.5 J/m3. Toch is de temperatuurstijging
van je lichaam bij zo’n dosis erg laag, door de warmtecapaciteit van weefsel (4.2 103 J/C/kg). De
temperatuurstijging van het lichaam is bijvoorbeeld veel hoger als je een uurtje in de zon ligt. Hieruit
blijkt dat het niet zozeer de energie van röntgenstraling is die schadelijk: een veel grotere dosis door
zonlicht doet niet meer dan opwarmen, en daar kan het lichaam prima tegen. Zonlicht en
röntgenstraling zijn beide elektromagnetische straling, maar hebben een verschillende golflengte.
Röntgenstaling heeft een kleine golflengte met veel energie, zonlicht juist niet. Röntgenfotonen
hebben een fotonenergie van tientallen keV (lichtfotonen 2 eV). Deze energie wordt berekend door
de formule: E = h f , waarbij de frequentie, en dus de golflengte ( f = c / ) een grote rol speelt: hoe
kleiner de golflengte, hoe groter de frequentie en dus de energie. De bindingsenergie van de zwakste
chemische bindingen in eiwitten en DNA bedraagt ongeveer 3 eV. Een röntgenfoton kan dus
tienduizenden van deze verbindingen verbreken en een lichtfoton helemaal geen. Ter vergelijking:
Uv-straling heeft een fotonenergie van 4 eV en radiogolven van 4.1 eV.
De kwadratenwet
Uit het voorafgaande is het duidelijk dat het belangrijk is dat artsen en onderzoekers die werken met
ioniserende straling de blootstelling daaraan minimaliseren. Eén manier is heel simpel: afstand
houden tot de bron. De intensiteit van de straling is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de
afstand, dit wordt de kwadratenwet genoemd.
De verzwakkingscoëfficiënt
Een andere manier om de blootstelling te verminderen is afscherming met een materiaal dat de
straling verzwakt. De mate waarin een materiaal straling verzwakt heet de verzwakkingscoëfficiënt
(eenheid: m-1), het is de fractie van de straling die wordt tegengehouden per meter dikte. Een grote
verzwakkingscoëfficiënt betekend dat de straling snel verminderd/afzwakt. Hier hoort een kleine
halfwaardedikte bij. De verzwakkingscoëfficiënt hangt dan ook af van het materiaal en de straling.
Materiaal
De grootte van de verzwakkingscoëfficiënt hangt af van de dichtheid van het materiaal (logisch: hoe
dichter, hoe sterker de verzwakking) maar ook van het atoomnummer: hoe hoger het
atoomnummer, hoe sterker de verzwakking (dit komt omdat bij een hoger atoomnummer de
elektronen vaster zitten aan de kern, en de straling daardoor meer energie verliest bij interactie met
157
Beeldvorming met Ioniserende Straling (MBI)
Dit kwartaal gaat over homeostase, daarbij zijn allerlei organen betrokken. Van deze organen wil je
weten hoe ze eruitzien (anatomisch) en wat ze doen (functioneel). Verschillende technieken tonen
verschillende beelden, doordat ze verschillende eigenschappen zien. Je meet dus de eigenschap van
het weefsel. In de medische beeldvorming wordt gebruik gemaakt ioniserende straling (röntgen, CT,
PET), magnetisme (MRI) en geluidsgolven (echografie).
Gevaren van straling
Ioniserende straling wordt veel gebruikt in medische diagnostiek en therapie. De toepassing van
ioniserende straling is echter niet zonder risico voor de patiënt en personeel; juist het feit dat
ioniserende straling schade kan aanrichten wordt gebruikt bij het bestralen van tumoren. Er wordt
altijd geprobeerd om zo laag mogelijke straling te geven (ALARA: as low as reasonably achievable).
Toch kunnen er effecten optreden: deterministische effecten (zeker optreden na 250 mSv) en
stochastische effecten (toeval, grotere kans bij grotere dosis (mSv)). Hierbij is het risico op fatale
kanker 0.006% per mSv (berekend a.d.h.v. de effectieve dosis).
De dodelijke dosis van röntgenstraling bedraagt ongeveer 10 J/kg. Dit is erg veel energie als je
bedenkt dat de zon op aarde een energiedichtheid heeft van 1.5 J/m3. Toch is de temperatuurstijging
van je lichaam bij zo’n dosis erg laag, door de warmtecapaciteit van weefsel (4.2 103 J/C/kg). De
temperatuurstijging van het lichaam is bijvoorbeeld veel hoger als je een uurtje in de zon ligt. Hieruit
blijkt dat het niet zozeer de energie van röntgenstraling is die schadelijk: een veel grotere dosis door
zonlicht doet niet meer dan opwarmen, en daar kan het lichaam prima tegen. Zonlicht en
röntgenstraling zijn beide elektromagnetische straling, maar hebben een verschillende golflengte.
Röntgenstaling heeft een kleine golflengte met veel energie, zonlicht juist niet. Röntgenfotonen
hebben een fotonenergie van tientallen keV (lichtfotonen 2 eV). Deze energie wordt berekend door
de formule: E = h f , waarbij de frequentie, en dus de golflengte ( f = c / ) een grote rol speelt: hoe
kleiner de golflengte, hoe groter de frequentie en dus de energie. De bindingsenergie van de zwakste
chemische bindingen in eiwitten en DNA bedraagt ongeveer 3 eV. Een röntgenfoton kan dus
tienduizenden van deze verbindingen verbreken en een lichtfoton helemaal geen. Ter vergelijking:
Uv-straling heeft een fotonenergie van 4 eV en radiogolven van 4.1 eV.
De kwadratenwet
Uit het voorafgaande is het duidelijk dat het belangrijk is dat artsen en onderzoekers die werken met
ioniserende straling de blootstelling daaraan minimaliseren. Eén manier is heel simpel: afstand
houden tot de bron. De intensiteit van de straling is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de
afstand, dit wordt de kwadratenwet genoemd.
De verzwakkingscoëfficiënt
Een andere manier om de blootstelling te verminderen is afscherming met een materiaal dat de
straling verzwakt. De mate waarin een materiaal straling verzwakt heet de verzwakkingscoëfficiënt
(eenheid: m-1), het is de fractie van de straling die wordt tegengehouden per meter dikte. Een grote
verzwakkingscoëfficiënt betekend dat de straling snel verminderd/afzwakt. Hier hoort een kleine
halfwaardedikte bij. De verzwakkingscoëfficiënt hangt dan ook af van het materiaal en de straling.
Materiaal
De grootte van de verzwakkingscoëfficiënt hangt af van de dichtheid van het materiaal (logisch: hoe
dichter, hoe sterker de verzwakking) maar ook van het atoomnummer: hoe hoger het
atoomnummer, hoe sterker de verzwakking (dit komt omdat bij een hoger atoomnummer de
elektronen vaster zitten aan de kern, en de straling daardoor meer energie verliest bij interactie met
157
