Q3: Beeldvorming met ioniserende
straling
Stralingsfysica
Verschillende beeldvormende technieken laten verschillende eigenschappen zien. Om goed
te weten welke techniek het meest geschikt is voor een specifieke vraagstelling is het
belangrijk te begrijpen welke eigenschappen dat zijn. Straling is pas schadelijk als het
ioniserend is.
Röntgenstraling is de elektromagnetische straling (EM-straling) die wordt opgewekt door het
beschieten van materialen met een bundel snelle elektronen. Deze straling onderscheidt
zich van zichtbaar licht (een andere vorm van EM-straling) door een veel hogere energie per
foton (‘lichtdeeltje’). In verband hiermee heeft röntgenstraling een grote mate van
doordringbaarheid door materialen. Straling van een dergelijk hoge energie wordt in de
geneeskunde toegepast:
1. In de diagnostiek: het maken van afbeeldingen van materialen (weefsels waar
gewoon zichtbaar licht niet doorheen dringt)
2. In de therapie: het vernietigen van zieke weefsels, vooral daar waar deze een relatief
snelle groei vertonen (tumoren).
Voor beide toepassingen wordt naast de röntgenstraling gebruikgemaakt van
elektromagnetische straling afkomstig van andere oorsprong, bijvoorbeeld natuurlijke γ-
straling of stralingseffecten van snelle deeltjes.
Zowel elektromagnetische straling als de straling samenhangend met snelle, al dan niet
elektrisch geladen deeltjes heeft, bij een voldoende hoge energie, het vermogen tot
interactie met afzonderlijke atomen. Dit heeft excitatie van elektronen binnen de atoom-
structuren tot gevolg, of ionisatie van de atomen. Excitatie is het overbrengen van een
elektron naar een hoger energieniveau binnen het atoom, ionisatie is het verwijderen van
een elektron uit het atoom. Ionisatie van een molecuul geeft praktisch altijd aanleiding tot
chemische veranderingen: excitatie doet dit veelal ook.
Afbeeldingstechnieken
Het vermogen van straling om door materie heen te dringen maakt dat straling geschikt is
voor het afbeelden van interne structuren. Grofweg is de ioniserende straling te verdelen in
twee categorieën namelijk straling van binnen en buiten. Bij de straling van binnen zie je
altijd de concentratie van een stof in het lichaam (emissie). Bij straling van buiten zie je de
verzwakkingscoëfficiënt/absorptie van de straling. De volgende principes kunnen daarbij
worden onderscheiden:
- Transmissie: hierbij wordt een uitwendige stralingsbron gebruikt. De verzwakking
van straling door weefsels wordt gemeten in de uittredende bundel. Voorbeelden
hiervan zijn röntgenfoto’s en CT-scans.
- Emissie: het meten van straling die door het lichaam zelf wordt uitgezonden,
bijvoorbeeld nadat een radioactieve stof in het lichaam gebracht. De uittredende
, straling geeft dan een indruk van de interne structuur. Een ander voorbeeld waarbij
door het lichaam uitgezonden straling wordt gemeten is de MRI.
- Reflectie: het waarnemen van teruggekaatste straling na instraling van buitenaf. Een
voorbeelden hiervan is de echografie.
Röntgen (2D)
Bij de standaarddiagnostiek wordt straling geproduceerd door een röntgenbuis. Er wordt
een schaduwprojectie gevormd van de af te beelden structuren. De anode van de
röntgenbuis fungeert daarbij als focus. Voor een scherpe opname dient de grootte van de
focus zo klein mogelijk te zijn.
Het doordringend vermogen van röntgenstraling is afhankelijk van de gebruikte
fotonenergie en van de lineaire verzwakkingscoëfficiënt van de beschouwde weefsels. Voor
situaties waar de foto-elektrische absorptie domineert wordt de straling doordringender
naarmate de fotonenergie toeneemt. Het doordringend vermogen neemt af met een
toenemende dichtheid van het doorstraalde materiaal en met een toenemend
atoomnummer (dit samen wordt de densiteit genoemd). Dit komt doordat fotonen kunnen
botsen met elektronen in het atoom, waardoor de straling verzwakt. Dit gebeurt eerder bij
stoffen met een hoog atoomnummer. Bij een botsing komt energie vrij (MeV).
Er zijn verschillende effecten van röntgenstraling waar rekening mee gehouden moet
worden. Zo heb je:
- Stochastische effecten: toeval, maar kans groter als de dosis groter is
- Deterministische effecten: effecten die altijd optreden bij een hogere dosis
Om deze effecten zo klein mogelijk te houden wordt gewerkt met ALARA (As Low As
Reasonably Achievable). Bij een röntgenfoto wordt gebruik gemaakt van een filter tussen de
röntgenbuis en de patiënt om de de stralingsbelasting voor de patient te verminderen.
Subtractietechnieken
Een verder verbetering van de afbeelding is soms mogelijk door toepassing van een
subtractietechniek. Hierbij worden twee (digitale) opnamen gemaakt:
1. Vlak voor toediening van het contrastmedium
2. Vlak na toediening van het constrastmedium
In de digitale opname is de zwarting van opeenvolgende beeldelementen (pixels) van beide
opnamen als getallen weergegeven. Deze getallen worden door een computerprogramma
paarsgewijs per pixel van elkaar afgetrokken. Aangezien de pixelwaarden alleen verschillen
op plekken waar het contrastmedium zit, is in de resulterende afbeelding vrijwel alleen het
contrastmedium te zien, zodat het beoogde detail duidelijk in beeld gebracht wordt. De
toepassing van deze techniek voor het afbeelden van de coronair vaten wordt digitale
subtractiele angiografie (DSA) genoemd.
straling
Stralingsfysica
Verschillende beeldvormende technieken laten verschillende eigenschappen zien. Om goed
te weten welke techniek het meest geschikt is voor een specifieke vraagstelling is het
belangrijk te begrijpen welke eigenschappen dat zijn. Straling is pas schadelijk als het
ioniserend is.
Röntgenstraling is de elektromagnetische straling (EM-straling) die wordt opgewekt door het
beschieten van materialen met een bundel snelle elektronen. Deze straling onderscheidt
zich van zichtbaar licht (een andere vorm van EM-straling) door een veel hogere energie per
foton (‘lichtdeeltje’). In verband hiermee heeft röntgenstraling een grote mate van
doordringbaarheid door materialen. Straling van een dergelijk hoge energie wordt in de
geneeskunde toegepast:
1. In de diagnostiek: het maken van afbeeldingen van materialen (weefsels waar
gewoon zichtbaar licht niet doorheen dringt)
2. In de therapie: het vernietigen van zieke weefsels, vooral daar waar deze een relatief
snelle groei vertonen (tumoren).
Voor beide toepassingen wordt naast de röntgenstraling gebruikgemaakt van
elektromagnetische straling afkomstig van andere oorsprong, bijvoorbeeld natuurlijke γ-
straling of stralingseffecten van snelle deeltjes.
Zowel elektromagnetische straling als de straling samenhangend met snelle, al dan niet
elektrisch geladen deeltjes heeft, bij een voldoende hoge energie, het vermogen tot
interactie met afzonderlijke atomen. Dit heeft excitatie van elektronen binnen de atoom-
structuren tot gevolg, of ionisatie van de atomen. Excitatie is het overbrengen van een
elektron naar een hoger energieniveau binnen het atoom, ionisatie is het verwijderen van
een elektron uit het atoom. Ionisatie van een molecuul geeft praktisch altijd aanleiding tot
chemische veranderingen: excitatie doet dit veelal ook.
Afbeeldingstechnieken
Het vermogen van straling om door materie heen te dringen maakt dat straling geschikt is
voor het afbeelden van interne structuren. Grofweg is de ioniserende straling te verdelen in
twee categorieën namelijk straling van binnen en buiten. Bij de straling van binnen zie je
altijd de concentratie van een stof in het lichaam (emissie). Bij straling van buiten zie je de
verzwakkingscoëfficiënt/absorptie van de straling. De volgende principes kunnen daarbij
worden onderscheiden:
- Transmissie: hierbij wordt een uitwendige stralingsbron gebruikt. De verzwakking
van straling door weefsels wordt gemeten in de uittredende bundel. Voorbeelden
hiervan zijn röntgenfoto’s en CT-scans.
- Emissie: het meten van straling die door het lichaam zelf wordt uitgezonden,
bijvoorbeeld nadat een radioactieve stof in het lichaam gebracht. De uittredende
, straling geeft dan een indruk van de interne structuur. Een ander voorbeeld waarbij
door het lichaam uitgezonden straling wordt gemeten is de MRI.
- Reflectie: het waarnemen van teruggekaatste straling na instraling van buitenaf. Een
voorbeelden hiervan is de echografie.
Röntgen (2D)
Bij de standaarddiagnostiek wordt straling geproduceerd door een röntgenbuis. Er wordt
een schaduwprojectie gevormd van de af te beelden structuren. De anode van de
röntgenbuis fungeert daarbij als focus. Voor een scherpe opname dient de grootte van de
focus zo klein mogelijk te zijn.
Het doordringend vermogen van röntgenstraling is afhankelijk van de gebruikte
fotonenergie en van de lineaire verzwakkingscoëfficiënt van de beschouwde weefsels. Voor
situaties waar de foto-elektrische absorptie domineert wordt de straling doordringender
naarmate de fotonenergie toeneemt. Het doordringend vermogen neemt af met een
toenemende dichtheid van het doorstraalde materiaal en met een toenemend
atoomnummer (dit samen wordt de densiteit genoemd). Dit komt doordat fotonen kunnen
botsen met elektronen in het atoom, waardoor de straling verzwakt. Dit gebeurt eerder bij
stoffen met een hoog atoomnummer. Bij een botsing komt energie vrij (MeV).
Er zijn verschillende effecten van röntgenstraling waar rekening mee gehouden moet
worden. Zo heb je:
- Stochastische effecten: toeval, maar kans groter als de dosis groter is
- Deterministische effecten: effecten die altijd optreden bij een hogere dosis
Om deze effecten zo klein mogelijk te houden wordt gewerkt met ALARA (As Low As
Reasonably Achievable). Bij een röntgenfoto wordt gebruik gemaakt van een filter tussen de
röntgenbuis en de patiënt om de de stralingsbelasting voor de patient te verminderen.
Subtractietechnieken
Een verder verbetering van de afbeelding is soms mogelijk door toepassing van een
subtractietechniek. Hierbij worden twee (digitale) opnamen gemaakt:
1. Vlak voor toediening van het contrastmedium
2. Vlak na toediening van het constrastmedium
In de digitale opname is de zwarting van opeenvolgende beeldelementen (pixels) van beide
opnamen als getallen weergegeven. Deze getallen worden door een computerprogramma
paarsgewijs per pixel van elkaar afgetrokken. Aangezien de pixelwaarden alleen verschillen
op plekken waar het contrastmedium zit, is in de resulterende afbeelding vrijwel alleen het
contrastmedium te zien, zodat het beoogde detail duidelijk in beeld gebracht wordt. De
toepassing van deze techniek voor het afbeelden van de coronair vaten wordt digitale
subtractiele angiografie (DSA) genoemd.
