Radioactiviteit - Medische beeldvorming (V)
Radioactiviteit
Medische beeldvorming (V)
1 / 23
volgende
Slide 1: Tekstslide
NatuurkundeMiddelbare schoolhavo, vwoLeerjaar 4
In deze les zitten 23 slides, met interactieve quiz, tekstslides en 4 videos.
Lesduur is: 45 minOnderdelen in deze les
Radioactiviteit
Medische beeldvorming (V)
Slide 1 - Tekstslide
Leerdoelen
Aan het eind van de les kun je...
...
...
Pinky wrestling
Slide 2 - Tekstslide
Leerdoelen
Aan het eind van de les kun je...
...
...
Pinky wrestling
Slide 3 - Tekstslide
Slide 4 - Video
Leerdoelen
Aan het eind van de les kun je...
...
...
Slide 5 - Tekstslide
Leerdoelen
Aan het eind van de les kun je...
...
...
Slide 6 - Tekstslide
Leerdoelen
Aan het eind van de les kun je...
...
...
Slide 7 - Tekstslide
Slide 8 - Video
Slide 9 - Video
Slide 10 - Video
Hoofdstuk Radioactiviteit
Radioactiviteit - De bouw van atomen
Radioactiviteit - Kernverval
Radioactiviteit - Halveringstijd
Radioactiviteit - Activiteit
Radioactiviteit - Stralingsgevaar
Radioactiviteit - Kernverval
Radioactiviteit - Halveringstijd
Radioactiviteit - Activiteit
Radioactiviteit - Stralingsgevaar
Radioactiviteit - Halveringsdikte & logaritmisch rekenen
Radioactiviteit - Medische beeldvorming
Slide 11 - Tekstslide
Leerdoelen
Aan het eind van de les kun je...
...
...
Slide 12 - Tekstslide
PET -scan
Ondanks de gevaren die straling ons kunnen geven, kunnen we radioactieve stoffen en straling gebruiken om medisch onderzoek te doen, bijvoorbeeld naar tumoren.
De eerste toepassing van medische beeldvorming die hier besproken wordt is de PET-scan. Hierbij krijgt een patient eerst een tracer toegediend, meestal in de bloedbaan. Een tracer bevat een molecuul waarbij één of meerdere atomen zijn vervangen door een radioactieve isotoop, zoals bijvoorbeeld een glucose molecuul waarbij een
De eerste toepassing van medische beeldvorming die hier besproken wordt is de PET-scan. Hierbij krijgt een patient eerst een tracer toegediend, meestal in de bloedbaan. Een tracer bevat een molecuul waarbij één of meerdere atomen zijn vervangen door een radioactieve isotoop, zoals bijvoorbeeld een glucose molecuul waarbij een
OH-groep is vervangen
door het isotoop F-18,
zie afbeelding hier-
naast in groen.
Eenmaal in het lichaam van de patient, straalt de tracer positronen uit. Zodra een positron tegen een elektron in het lichaam botst, dan worden beide deeltjes geheel omgezet in twee fotonen die in tegengestelde richting wegschieten. We noemen dit annihilatie:
e−+e+=γ+γ
Slide 13 - Tekstslide
PET -scan
Omdat gammafotonen een grotere dracht hebben, zal een groot aantal hiervan het lichaam verlaten. Deze fotonen worden dan gedetecteerd door een cirkelvormige detector, zoals in de video hieronder is weergegeven.
Beide gammafotonen planten zich voort met de snelheid van het licht, c, in tegengestelde richting van elkaar.
Door het verschil in tijd, Δt, te meten tussen de aankomst van beide fotonen, kan met de formule Δx =c·Δt de positie Δx van de annihilatie bepaald worden, zie afbeelding hieronder.
Zo kan met alle gammafotonen die gedetecteerd worden, de plaats bepaald worden van een tumor die het radioactieve glucose heeft opgenomen, omdat een tumor meer energie (glucose) verbruikt en het radioactieve glucose zich daar ophoopt.
Slide 14 - Tekstslide
PET -scan
Deze methode kan ook gebruikt worden bij het lokaliseren van tumoren. Een bekend voorbeeld is het gebruik van een jood-tracer voor het onderzoek naar de schildklier, die relatief veel jodium opneemt.
De radioactieve vorm van glucose wordt niet alleen voor kankeronderzoek gebruikt. Ook bij hersenonderzoek wordt het toegepast.
Hersendelen die meer actief zijn nemen meer glucose op en als gevolg lichten deze delen meer op in de PET-scan. Op deze manier kunnen we dus een idee krijgen van hersenactiviteit, zie afbeelding hieronder.
Slide 15 - Tekstslide
Röntgenstraling
Een andere methode is het maken van röntgenfoto's, zie afbeelding hiernaast. Hierbij wordt röntgenstraling door het lichaam geschenen. Als deze straling het lichaam in geschenen wordt, dan zal een deel worden geabsorbeerd en een deel worden doorgelaten.
Hoeveel er wordt geab-
sorbeerd hangt af van
het soort stof waar de
straling doorheen gaat
en van de dikte van
deze stof.
Door de doorgelaten straling op te vangen op een fotografische plaat kan dan een röntgenfoto worden gemaakt. Doordat spierweefsel bijvoorbeeld meer röntgenstraling doorlaat dan bot, kunnen we de botten in het menselijk lichaam hiermee duidelijk in kaart brengen.
In de paragraaf halveringsdikte gaan wordt in meer detail ingegaan op hoe bepaalde stoffen röntgen- of gammastraling absorberen of doorlaten.
Slide 16 - Tekstslide
CT-scan
Ook bij een CT-scan wordt gebruik gemaakt van röntgenstraling. Hier worden meerdere metingen gecombineerd om een doorsnedefoto van het menselijk lichaam te maken. Series van deze doorsnedes kunnen gecombineerd worden tot een 3D weergaven van het menselijk lichaam. Hieronder zien we bijvoorbeeld doorsnedes van de hersenen.
Van links naar rechts:
CT-scan ter hoogte van de ogen, net boven de ogen, ter hoogte van het voorhoofd, net voor de top van de schedel.
CT-scan ter hoogte van de ogen, net boven de ogen, ter hoogte van het voorhoofd, net voor de top van de schedel.
In de video hieronder zie je hoe een leeuw een CT-scan ondergaat. Omdat in de VS en andere Engelstalige landen de CT-scan een CAT-scan wordt genoemd, is dit in wezen wel hetzelfde.
Ook bij deze scan zie je de cirkelvormige detector in de achtergrond, waarbij aan de ene kant de röntgen- straling door de patient wordt geschenen en daar tegenover de doorgelaten straling wordt opgevangen.
Slide 17 - Tekstslide
Echoscopie
Bij echoscopie wordt gebruik gemaakt van geluidsgolven om het menselijk lichaam in kaart te brengen. Hieronder zien we bijvoorbeeld een echo van een foetus.
Deze foto is gemaakt door korte geluidspulsen de buik van een zwangere vrouw in te sturen. Een deel van deze geluidsgolven reflecteert op het moment dat ze van het ene naar het andere type weefsel overgaan.
Doordat de golven vaak door meerdere lagen weefsel trekken, krijg je ook meerdere pulsen terug, zie diagram hieronder.
Door te meten hoe lang het duurt voordat de verschillende pulsen terugkomen, kan een beeld gemaakt worden van de foetus. Door ook te meten hoeveel van de golf gereflecteerd is, kan ook iets worden gezegd over het type stof waartegen de geluidgolven reflecteren.
Slide 18 - Tekstslide
MRI
Bij het maken van een MRI-scan wordt een persoon in een zeer sterk magneetveld gelegd. Als gevolg gaan veel atomen in het lichaam in de richting van dit veld wijzen (zie linkerkant van afbeelding hiernaast).
Daarna wordt het lichaam bestraald met fotonen. De frequentie van deze fotonen wordt zo gekozen dat ze precies genoeg energie hebben om waterstofatomen in een aangeslagen toestand (hoger energieniveau) te brengen.
De waterstofatomen komen hierbij tegen de richting van het magneetveld in te liggen (zie midden van afbeelding). We noemen de frequentie waarbij dit gebeurt de resonantiefrequentie.
De waterstofatomen komen hierbij tegen de richting van het magneetveld in te liggen (zie midden van afbeelding). We noemen de frequentie waarbij dit gebeurt de resonantiefrequentie.
De grootte van deze frequentie hangt af van de sterkte van het magneetveld.
Slide 19 - Tekstslide
MRI
Waterstofatomen komen o.a.
voor in water. Hoe meer water
dus in een deel van het lichaam
zit, hoe meer fotonen hier dus
vandaan zullen komen. Met
behulp van verschillen in de
waterstofdichtheid kan het
lichaam hiermee nauwkeurig
in kaart worden gebracht (zie afbeelding).
Om een foto te maken willen we echter alleen fotonen ontvangen van een twee-dimensionale 'slice' van het menselijk lichaam. Dit wordt gedaan door de sterkte van het magneetveld te variëren langs het menselijk lichaam. Als gevolg krijgt elk deel van het menselijk lichaam ook zijn eigen resonantiefrequentie.
voor in water. Hoe meer water
dus in een deel van het lichaam
zit, hoe meer fotonen hier dus
vandaan zullen komen. Met
behulp van verschillen in de
waterstofdichtheid kan het
lichaam hiermee nauwkeurig
in kaart worden gebracht (zie afbeelding).
Om een foto te maken willen we echter alleen fotonen ontvangen van een twee-dimensionale 'slice' van het menselijk lichaam. Dit wordt gedaan door de sterkte van het magneetveld te variëren langs het menselijk lichaam. Als gevolg krijgt elk deel van het menselijk lichaam ook zijn eigen resonantiefrequentie.
Waterstofatomen zullen nu alleen aangeslagen worden op de plek waar de frequentie van de gebruikte fotonen (fMRI) gelijk is aan de resonantiefrequentie (fr). Door het magneetveld te versterken of verzwakken, kunnen we op deze manier verschillende delen van het lichaam in kaart brengen (zie de onderstaande afbeelding).
Slide 20 - Tekstslide
Als je vragen hebt, kan je ze hier stellen.
Slide 21 - Open vraag
Opgaven
Opgave 1
Toon aan m.b.v. de formule E =mc² aan dat bij annihilatie van een positron en een elektron twee gammafotonen met elk een energie van 511 keV ontstaan. Hint: gebruik BINAS T7A & B.
Opgave 2
Thalliumscintigrafie is een techniek die gebruikt wordt om de doorbloeding van de hartspier te onderzoeken. In het onderzoek wordt thallium-201 gebruikt. Deze isotoop ontstaat via twee reacties. Eerst wordt thallium-203 beschoten met een proton. Bij deze reactie ontstaat de isotoop lood-201. Uit het radioactieve verval van lood-201 ontstaat vervolgens thallium-201.
a. Geef van beide kernreacties de reactievergelijking.
Opgave 2 (vervolg)
b. De isotoop thallium-201 is radioactief en vervalt via een proces dat K-vangst heet. Bij K-vangst neemt een atoomkern een elektron op uit de binnenste elektronenschil. Bij dit proces komt alleen γ-straling vrij. Ook bij andere radioactieve stoffen die vervallen onder uitzending van α-straling of β-straling kan γ-straling vrijkomen. Toch wordt er in dit onderzoek gekozen voor een radioactieve stof die vervalt via K-vangst. Leg uit waarom.
c. De hoeveelheid radioactieve stof die in het onderzoek gebruikt wordt, heeft een activiteit van 56 MBq. Thallium-201 heeft een halveringstijd van 3,04 dag. Bereken de massa van deze hoeveelheid thallium-201. Gebruik 201 als massagetal.
b. De isotoop thallium-201 is radioactief en vervalt via een proces dat K-vangst heet. Bij K-vangst neemt een atoomkern een elektron op uit de binnenste elektronenschil. Bij dit proces komt alleen γ-straling vrij. Ook bij andere radioactieve stoffen die vervallen onder uitzending van α-straling of β-straling kan γ-straling vrijkomen. Toch wordt er in dit onderzoek gekozen voor een radioactieve stof die vervalt via K-vangst. Leg uit waarom.
c. De hoeveelheid radioactieve stof die in het onderzoek gebruikt wordt, heeft een activiteit van 56 MBq. Thallium-201 heeft een halveringstijd van 3,04 dag. Bereken de massa van deze hoeveelheid thallium-201. Gebruik 201 als massagetal.
Slide 22 - Tekstslide
Opgaven
Opgave 3
Bij onderzoek naar de ziekte van Alzheimer wordt de PET-scan gebruikt. Daarbij spuit men bij de patiënt een speciale stof in die het C-11-isotoop bevat. Deze stof bindt het C-11-isotoop aan plaatsen in de hersenen waar de ziekte van Alzheimer zit. Het C-11-isotoop verkrijgt men door versnelde protonen op N-14 te schieten.
a. Geef de kernreactievergelijking van de productie van het C-11-isotoop uit N-14.
b. Het C-11-isotoop vervalt onder uitzending van een positron. Het positron dat ontstaat remt in het hersenweefsel af tot (bijna) stilstand, en annihileert dan met een elektron.
a. Geef de kernreactievergelijking van de productie van het C-11-isotoop uit N-14.
b. Het C-11-isotoop vervalt onder uitzending van een positron. Het positron dat ontstaat remt in het hersenweefsel af tot (bijna) stilstand, en annihileert dan met een elektron.
Opgave 3 (vervolg)
Daarbij worden twee gamma-fotonen met dezelfde frequentie in tegengestelde richting uitgezonden (zie afbeelding). Als twee gamma-
fotonen binnen een tijdsduur Δt
de ringvormige detector berei-
ken, neemt men aan dat ze af-
komstig zijn van dezelfde anni-
hilatie. Een computer verwerkt
de gegevens tot een plaatje.
Stel dat een patiënt hersenen
heeft met een diameter van
20 cm. Bereken het maximale
tijdverschil Δt. Neem aan dat de
fotonen overal met de lichtsnel-
heid in vacuüm bewegen.
Daarbij worden twee gamma-fotonen met dezelfde frequentie in tegengestelde richting uitgezonden (zie afbeelding). Als twee gamma-
fotonen binnen een tijdsduur Δt
de ringvormige detector berei-
ken, neemt men aan dat ze af-
komstig zijn van dezelfde anni-
hilatie. Een computer verwerkt
de gegevens tot een plaatje.
Stel dat een patiënt hersenen
heeft met een diameter van
20 cm. Bereken het maximale
tijdverschil Δt. Neem aan dat de
fotonen overal met de lichtsnel-
heid in vacuüm bewegen.
