Curs 13, 14

CURS 13, 14

I.

Sticle şi vitroceramici radioterapeutice

Sticlele folosite în radioterapie → sticle radioterapeutice Sticle → activate cu neutroni → emit radiaţii β sau γ

(utilizate în tratamentul tumorilor)

IRADIEREA EXTERNĂ = metoda de bază în radioterapie  radiaţia γ → inconveniente:  doză de iradiere mare → iradiere nedorită a ţesutului sănătos (dăunătoare)  doză de iradiere mică → ineficientă  radiaţia β → distanţă de acţiune mică

⇒ pt. iradierea eficientă a tumorilor → radiaţie β "livrată" din interiorul tumorii IRADIEREA INTERNĂ ↔ folosirea materialelor oxidice (sticle radioactive)  doza administrată tumorii este mare (>10.000 rad)  creşte eficienţa iradierii tumorii (distanţă de acţiune mică)  nu afectează ţesuturile vecine sănătoase ("localizare" a tratamentului) Sticlele radioactive = "vehicul de livrare" al radiaţiilor direct în tumoră in vivo Sticlele radioterapeutice → criterii: • • •

să fie biocompatibile şi netoxice să fie insolubile atâta timp cât sunt radioactive să aibă puritate chimică mare

Sticlele alumino-silicate (AS) = X2O3 • Al2O3 • SiO2 X = pământurilor rare (RE = Rare Earth) ⇒ sticle REAS    

Y Sm Ho Dy

⇒ sticle YAS ⇒ sticle SmAS ⇒ sticle HoAS ⇒ sticle DyAS → forma  sferică (20-40 µ m) microsfere!  cilindrică (5/0,8 mm)= "seminţe"  fibre

1

Microsferele de sticlă REAS radioactive (bombardare cu neutroni)  se injectează direct în vasul nutritiv al tumorii  eliberează doze mari de radiaţie β localizată (> 15.000 rad)  timpul de iradiere este adecvat (radioactivitatea 90Y scade la nivel neglijabil după 21 zile)  sunt stabile  după pierderea radioactivităţii nu sunt nocive pentru ţesuturi  au fost folosite cu succes în studii pe animale şi în tratamentul pacienţilor umani COMPOZIŢIA STICLELOR REAS = X2O3 • Al2O3 • SiO2

(0 < x < 30 mol %)

 în alegerea elementului component (X) se iau în considerare:  capacitatea de a forma sticle  proprietăţile nucleare (T1/2, tipul, energia şi gama de radiaţie emisă)  elementele din compoziţia sticlei (Si, O, Al) rămân stabile după iradierea neutronică  elemente care au proprietăţi nucleare acceptabile pentru a fi utilizate în microsferele radioterapeutice - -

-

-

C

N O F -

Al

Si

-

-

-

-

- Mn - - - Cu - Ga Ge -

-

-

-

Na Mg K

-

- - Ti

V

-

-

- - Z r

Nb - -

- - - -

- -

-

-

-

I

-

-

-

- - -

-

- - - -

- -

Pb -

-

-

-

- -

 proprietăţile nucleare ale radionuclizilor ß- emiţători utilizaţi în sticlele REAS.

Distanţa de pătrundere în Energia ţesut neted (mm) maximă ß (MeV) Medie Maximă Y-90 64,0 2,27 2,5 10,3 Ho-166 26,9 1,84 2,9 8,7 Sm-153 46,8 0,80 1,1 3,3 Dy-165 2,3 1,29 1,9 5,8  puritate mare !! → pt. ca prin activare cu neutroni să nu rezulte izotopi nedoriţi Radionuclid

Timp de înjumătăţire (ore)

2

FABRICAREA STICLELOR REAS 1. Topirea sticlei a. Se aleg materiale brute (oxizi) chimic puri, pentru a nu conţine impurităţi care ar putea să formeze radioizotopi nedoriţi în timpul activării cu neutroni. b. Se amestecă materialele brute pentru a forma un amestec omogen de pulberi. c. Topire (creuzet de platină, furnal electric, 1500-16500C, 6-12 ore) pentru a forma o sticlă omogenă. 2. Sfericizarea (formarea microsferelor) a. Se zdrobeşte sticla la particule cu dimensiunea dorită (mojarare). b. Se pulverizează particule de sticlă zdrobită (în azot) printr-o flacără gaz-oxigen pentru ca fiecare particulă să se topească şi apoi să formeze o sferă de sticlă solidă. Sferele se răcesc şi se solidifică în cădere la temp. camerei. c. Se colectează microsferele într-un container adecvat (inox). 3. Dimensionarea – se spală, se cern sau se aleg microsferele pe gamele de dimensiuni dorite (între 1µ m şi 1 mm). 4. Activarea cu neutroni – se iradiază microsferele în reactorul nuclear, timp de mai multe zile, până se obţine nivelul de radioactivitate dorit. Se împachetează microsferele pentru a fi livrate medicilor.

3

4

RADIOACTIVAREA MICROSFERELOR  bombardare cu neutroni  în reactorul nuclear (pentru scopuri clinice)  cu o sursă de neutroni Am-Be (în laborator)  ultimul pas în procesul de producere (important!: evită precauţiunile, cheltuielile, expunerea)

 celelalte componete ale sticlelor REAS (Si, Al, O) pot fi activate, însă timpul de înjumătăţire scurt şi activitatea redusă a radionuclizilor lor sunt neglijabile în comparaţie cu cele ale radionuclizilor de pământuri rare şi pot fi ignoraţi  activitatea specifică iniţială a sticlelor REAS λ t1

A0 = kNσ Φ (1-e-

)

unde: N = Numărul de atomi ai pământurilor rare activabili pe gram de sticlă σ = Secţiunea transversală termică a pământurilor rare, în barn Φ = Fluxul de neutroni al fasciculului incident de neutroni λ = Constanta de dezintegrare = ln(2)/timpul fizic de înjumătăţire t1 = Timpul de iradiere k = Factorul de conversie

 după iradiere, activitatea radionuclizilor de pământuri rare scade după ecuaţia: λ t2

A = A0⋅ e-

5

 activitatea specifică a radionuclizilor utilizaţi în sticle radioterapeutice REAS Radionuclidu l

Activitatea specifică

Timpul de iradiere pt.

Timpul de scădere

99% din activitatea maximă a activităţii cu 99%

maximă (Ci/g) Y-90

2,4

17,7 zile

26,6 zile

Ho-166

63

7,4 zile

11,2 zile

Sm-153

61

13,0 zile

19,4 zile

Dy-165

230

15,3 ore

22,9 ore

DOZIMETRIA MICROSFERELOR RADIOACTIVE → efectul radiaţiilor ionizante emise in vivo de sticlele REAS asupra ţesuturilor  Doza absorbită

D = (A/m) (te/ln2)Σ ∆ iΦ

i

[rad sau Gy]

unde: A = Activitatea în momentul injectării m = masa ţesutului iradiat te = Timpul de înjumătăţire efectiv al radionuclidului ∆ i = Constanta de echilibru a dozei absorbite a radiaţiei incidente Φ i = Fracţia absorbită a radiaţiei incidente.

6

 în funcţie de tipul, activitatea şi cantitatea radionuclizilor PR din sticlele REAS, doza este între

10 - 350 rad/mg  pentru eliberarea dozei terapeutice (> 10.000 rad), trebuie să fie injectate în pacient

aproximativ 10-200 mg de sticle REAS.

PROPRIETĂŢILE CHIMICE ALE STICLELOR REAS  atât timp cât sticlele sunt radioactive, ele trebuie să fie insolubile (radionuclizii pământurilor rare să nu scape din ţesutul-ţintă)  Timpul de insolubilitate = timpul în care sticla nu se dizolvă complet în solvent  sticlele radioactive REAS sunt superioare în ceea ce priveşte timpul de insolubilitate  stabilitatea chimică variază cu: concentraţia ionilor de PR, mediu, t0C  testele in vitro: toate sticlele radioterapeutice REAS conţinând Y2O3, Ho2O3 sau Dy2O3, nu

prezintă nici o pierdere de masă măsurabilă (mai mare de 0,1 mg), după ce au stat până la 6 săptămâni în apă distilată sau ser fiziologic, la 37, 50 sau 700C

 Sticlele REAS utilizate pentru radioterapie in vivo au o durabilitate chimică excelentă şi sunt considerate inerte în corp, câtă vreme sunt radioactive

PROPRIETĂŢILE FIZICE ALE STICLELOR REAS 1. Densitatea sticlelor REAS > densitatea sângelui (dar nu precipită) o YAS 10-30 moli% Y2O3 2,8-3,8 g/cm3 o HoAS 10-30 moli% de Ho2O3 3,6-5,6 g/cm3

7

2. Indicele de refracţie nD = 1,572 – 1,752 o mai mare decât al sticlelor comerciale o creşte cu conţinutul % de PR

3. Duritatea o duritate mare o durabilitate chimică mare

material dentare

STUDII RES ASUPRA SISTEMULUI VITROS 20M2O3•20Al2O3•60SiO2 (M=Y, Dy)  două sisteme vitroase de alumino-silicaţi cu PR • 20Y2O3•20Al2O3•60SiO2 +Gd2O3 • 20Dy2O3•20Al2O3•60SiO2 +Gd2O3  activate prin iradierea cu neutroni pentru a deveni radioactive  cu posibile aplicaţii ca sticle radioterapeutice  componenţi oxidici cu grad de puritate ridicat, în proporţii corespunzătoare, amestec omogenizat  creuzete sintetice de corind, cuptorl electric, 5 ore la 1200°C, 1300oC şi 1400°C  iradiate 83 zile, cu două surse izotopice de Am-Be, flux total de 6 ⋅ 107 neutroni/s

o o o o

ordinea locală în jurul PR ← RES a ionilor Gd3+ (care substituie 1% din ionii de Dy, Y) Gd3+ = senzori structurali s-au urmărit schimbări structurale în ordinea locală (tratamente termice diferite) activităţi γ specifice: • ∆ γ /20Y2O3•20Al2O3•60SiO2 = 20 Bq/g • ∆ γ /20Dy2O3•20Al2O3•60SiO2 = 50 Bq/g

8

Evoluţia spectrului RES al probei dopate cu Gd3+ în diferite etape

Concluzii

 iradierea cu 10n a sistemelor vitroase de AS duce la activarea unor elemente telurice rare incluse în aceste sisteme şi nu produce radioizotopi nedoriţi  ∆ γ (Dy) = 2,5x ∆ γ (Y)  locurile ocupate de elementele telurice rare sunt supuse unui câmp cristalin relativ slab  absenţa defectelor de iradiere confirmă o reţea vitroasă continuă (foarte important pentru stabilitatea în medii biologice) ⇒ posibilitatea utilizării acestor sisteme vitroase ca sticle radioterapeutice RES → coordinarea izotopilor (stabilitatea sticlelor AS) poate fi controlată prin tratamentul termic

9

UTILIZĂRI TERAPEUTICE ALE STICLELOR REAS

Iradierea tumorilor maligne hepato-celulare  microsferele YAS cu diametru de 20-30μm  doze neobişnuit de mari, până la 15.000 rad (2,5-10 milioane microsferele)  fără a se observa piederi detectabile de radiaţie  injectate în artera hepatică a pacienţilor utilizând un cateter  se blochează în patul capilar al tumorii

   

supravieţuirea pacienţilor = >4 ani (fără tratament = < 4 luni) sunt optimi radionuclizii de 90Y rezultaţi, cu T1/2 mare ţesutul hepatic normal este mai rezistent la iradierea β internă faţă de cea externă doza receptată  tumora hepatică = 32.000 rad  ţesutul hepatic normal = 2.200 rad

Utilizarea microsferelor radioactive în tratamentul altor tumori decât cele hepatice  microsfere radioactive cu 166Ho, Mg şi alumino-silicaţi, 2-5 μm diametru, 200μCi  injectate în tumori mamare umane BT-20 induse la şoricei fără păr  grup de control = 3 şoricei, tumori identice, microsfere neradioactive  după 12 zile

10

 iradierea rinichilor cu cancer înaintea extirpării chirurgicale  injectarea directă în lichidul sinovial din cavitatea articulară a articulaţiilor atinse de artrită reumatoidă  sunt în curs studii de administrare în cancerul ovarian şi prostatic Până în prezent, toate aplicaţiile au dus la rezultate foarte bune !!! IMPORTANŢA TERAPEUTICĂ A STICLELOR REAS

(concluzii )

 microsferele REAS permit administrarea unor doze terapeutice de radiaţie β (> 15.000 rad), doze mult mai mari decât cele utilizate în radioterapia externă  sunt relativ uşor de preparat, cu o multitudine de forme şi dimensiuni  gamă largă de tipuri şi cantităţi de oxizi de Y şi PR încorporate → variaţiuni nelimitate de dimensiuni şi doze  se activează cu 10n în ultima etapă de fabricare → reducerea costurilor, riscurilor şi precauţiunilor  durabilitate foarte bună → eficienţa iradierii şi evitarea iradierii ţesutului sănătos  densitate şi duritate mai mare decât a majorităţii sticlelor → materiale dentare, osoase  studiile in vivo (animale, oameni) de până acum au oferit rezultate foarte bune.

II.

Laserii şi aplicaţiile lor în medicină

LASER → ”Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (amplificare de lumină prin emisie stimulată de radiaţie) Noţiuni teoretice care stau la baza fenomenului laser: Emisia spontană şi emisia stimulată: Un atom sau o moleculă poate să absoarbă (sau să emită) o anumită cantitate de energie în anumite condiţii. Ca urmare a absorbţiei de energie, un electron (sau mai mulţi) poate să efectueze o tranziţie cuantică de pe un nivel cu energie inferioară Ei pe un nivel de energie superioară Es. Acest proces de excitare a atomului se realizează numai dacă energia fotonului este egală cu diferenţa de energie dintre cele două nivele între care are loc tranziţia: hν = Es - Ei

11

Atomul rămâne în stare excitată numai un timp limitat, aproximativ 10-9 s. Aceste stări se numesc metastabile şi joacă un rol important în fenomenul laser. Datorită unor cauze interne sau externe, spontan, atomul se dezexcită, electronul revenind pe nivelul energetic iniţial emiţând un foton a cărui energie este egală cu cea a fotonului absorbit. Dacă electronul revine de la sine, spontan, pe nivelul energetic iniţial, fenomenul se numeşte emisie spontană. Dacă un electron aflat pe un nivel metastabil este obligat din cauza unor factori externi (de ex. radiaţie electromagnetică) să revină pe nivelul iniţial după un timp mai scurt, fenomenul se numeşte emisie stimulată. Dacă stimularea se face cu un foton a cărui frecvenţă este egală cu cea a radiaţiei care a excitat atomul, se observă că pe lângă acesta care nu este absorbit de atom mai apare încă unul datorită dezexcitării atomului, de aceeaşi energie, direcţie şi a cărui undă asociată este în fază cu a primului. Dacă fiecare din aceşti doi fotoni va întâlni câte un alt atom excitat cu aceleaşi nivele metastabile, se vor produce alte două emisii stimulate, rezultând în total 4 fotoni în fază. Daca fenomenul se repetă, se obţine o multiplicare în avalanşă a numărului fotonilor care au aceeaşi energie, direcţie şi fază. Acest proces de amplificare a radiaţiei prin emisie stimulată de radiaţie se numeşte fenomen laser, iar substanţa a cărei atomi permit producerea acestui fenomen se numeşte mediu activ laser (care poate fi solid, lichid sau gazos). Pentru a obţine un efect de amplificare este necesar ca emisia să se producă simultan la un număr foarte mare de atomi, deci să aibă loc o dezexcitare în lanţ. În mod normal, atomii se află în marea lor majoritate în stare fundamentală. Realizarea unei emisii stimulate în lanţ devine posibilă numai prin inversarea proporţiei dintre atomii în stare fundamentală şi cei excitaţi. Această inversiune de populaţie se produce printr-un aport de energie din exterior. Procesul prin care se realizează inversiunea populaţiilor se numeşte pompaj fotonic sau optic.

Proprietăţile fascicolului laser: Monocromaticitatea. Proprietatea fascicolului laser de a avea o singură lungime de undă (o singură culoare), reprezentând un domeniu foarte îngust al spectrului radiaţiilor electromagnetice. Direcţionalitatea. Proprietatea fascicolului laser de a se propaga într-o singură direcţie. Coerenţa. Proprietatea fascicolului laser de a fi format din fotoni coerenţi. Intensitatea. Intensitatea fascicolului laser este foarte mare datorită faptului că într-un timp foarte scurt are loc dezexcitarea unui număr mare de atomi. 12

Efectele radiaţiei laser la interacţiunea cu substanţa Interacţiunea radiaţiei laser cu substanţa poate să determine o serie de efecte care depind de intensitatea energetică a radiaţiei laser. În principal, aceste efecte pot fi de două categorii: distructive şi neliniare. Efectele distructive se manifestă ca urmare a concentrării unei energii foarte mari în zona de impact a radiaţiei laser cu substanţa. În aceste locuri se produce un adevărat şoc termic, deoarece se pot produce creşteri instantanee de temperatură de ordinul milioanelor de grade. Efectele neliniare ale interacţiunii luminii cu substanţa se manifestă în cazul radiaţiei laser, al cărui câmp electric este comparabil, ca intensitate, cu câmpurile electrice intraatomice. S-a observat, astfel, că un fascicol laser care traversează un mediu transparent se autofocalizează. Efectele radiaţiei laser asupra organismelor vii sunt variate şi de aceea folosirea laserului în domeniul biologic şi medical se face cu multă prudenţă. La interacţiunea cu materia vie radiaţia laser poate să producă, în principal, următoarele efecte: termic, fotobiostimulent şi fotochimic. În funcţie de temperatura atinsă de contactul cu ţesuturile, se pot produce două tipuri de efecte termice: coagularea (pentru temperaturi cuprinse între 60o şi 100o C) şi volatilizarea (pentru temperaturi mai mari de 100oC.

Aplicaţiile laserului în medicină Datorită proprietăţilor deosebite ale radiaţiei laser, aceasta este folosită ca instrument de lucru la studierea celulelor vii şi a diferitelor organite celulare, prin intermediul unor tehnici 13

spectroscopice şi microscopice din citologia experimentală. Utilizarea radiaţiei laser în aceste cercetări la nivel submicroscopic se bazează pe aşa-numitul ”needle-effect” (efect de ac), datorită posibilităţii obţinerii unor fascicule laser cu diametre foarte mici. În acest fel s-a putut elimina nucleul din celulă observându-se comportamentul celulei, etapele agoniei şi necrozei, s-au extirpat cromozomii din celula vie, lăsând toate celelalte elemente intacte. În chirurgie laserul este folosit în tratarea glioamelor, la desprinderea unor tumori de pe principalele vase de sânge, la vaporizarea unor tumori de pe principalele vase de sânge, la vaporizarea unor tumori din ventricule, excizia nevroamelor, repararea, anastomozarea (sutura) unor vase de sânge, la detaşarea muşchilor de os, la endoscopia clinică pentru controlarea hemoragiilor gastrointestinale, pentru cicatrizarea ulcerului gastric, etc. Cu ajutorul acestei tehnici chirurgicale în care raza laser are rolul bisturiului clasic se evită unele influenţe negative asupra ţesuturilor din jur, intervenţiile operatorii sunt nesângerânde. În oftalmologie laserul este utilizat în retinopatie, ocluziile vaselor retiniene, la prevenirea şi extinderea hemoragiilor, la dezlipiri sau rupturi retiniene, în chirurgia tumorilor pleoapei, la unele forme de cataractă şi glaucom. În O.R.L. laserul permite tratarea unor afecţiuni patologice prin fotocoagulare sau vaporizare, de exemplu în cazul papilomatozei laringiene, a nodulilor vocali, a polipilor corzilor vocale, la înlăturarea unor formaţiuni tumorale benigne. În dermatologie fotocoagularea şi vaporizarea sunt folosite în cazul terapiei hemangiomului plan, a steluţelor vasculare, a cuperozei, la înlăturarea tumorilor cutanate benigne. În ortopedie radiaţia laser este indicată în tratarea unei serii întregi de afecţiuni: artroze postraumatice şi reumatismale, osteoporoze, discartroze, spondiloze. În unele cazuri utilizarea laserului nu poate înlocui tehnicile terapeutice considerate clasice, dar completează şi amplifică posibilităţile prin precizie, fineţe, rapiditate şi eficacitate.

III.

Ultrasunetele şi aplicaţiile lor în medicină

Literatura de specialitate împarte domeniul vibraţiilor mecanice in trei categorii:  Sunetele – vibraţii cu frecvenţa cuprinsă între16 si 20000 Hz ;

14

 Infrasunetele – vibraţii cu frecvenţe mai mici de 16 Hz ;

Vibraţiile infrasonore , la intensităţi mari , influenţează comportarea şi sănătatea omului. Efectele infrasunetelor sunt cumulative, dau senzaţii de voma şi oboseală, produc irascibilitate. Mediul înconjurător conţine nenumărate surse de infrasunete : aparate de uscare prin ventilaţie , automobile, tramvaie , elicoptere.  Ultrasunetele - cu frecvenţă mai înaltă de 20000 Hz .

ULTRASUNETELE ÎN MEDICINĂ

•

Diagnosticul cu ultrasunete

Ţesuturile pe care le traversează fasciculul ultrasonic au proprietăţi acustice deosebite, producând absorbţii şi reflexii diferite ale ultrasunetului. Astfel , ultrasunetele devin utile in detectarea unor corpuri străine în organism sau în determinarea dimensiunilor unor organe. •

Ultrasonografia în oftalmologie

Nici un alt organ nu este atât de uşor accesibil examinării cu ajutorul fasciculul ultrasonic ca şi ochiul, pentru că investigaţia nu este deranjată de şezuturi vecine care ar da ecouri improprii globului ocular. În scop diagnostic ultrasunetele se utilizează curent la determinarea distanţelor în globul ocular, la diagnosticarea tumorilor,dezlipirilor de retină,la stabilirea hemoragiilor,la localizarea corpurilor străine. •

Ultrasunete în neurologie

Un alt domeniu in care ultrasonografia a devenit o metodă foarte utilă este explorarea sistemului nervos central. Investigaţia ecoencefalografică se bazează pe proprietatea fasciculului ultrasonor de a traversa masa cranio-encefalică şi de a fi reflectată. Medicul specialist în timpul diagnosticării bolii cercetează poziţia ecourilor normale şi existenţa ecourilor suplimentare. •

Ultrasunete în medicina internă

Prin dezvoltarea ecografiei ,a devenit posibil ca pe ecranul osciloscopului să apară o imagine a secţiunii transversale a ţesutului de studiat (ficat,vezică biliară,glandă tiroida,etc.) Un alt rol important al ecotomografiei consta în ajutorul adus medicului care dirijează iradierea tumorilor cu radiaţii 15

gama, pentru stabilirea exactă a formei şi mărimii tumorii în vederea iradierii ei. Astfel se pot feri de iradiere inutilă alte organe vitale din jurul tumorii. •

Ultrasunete în cardiologie

Anatomia şi particularităţile fiziologice ale inimii determină o succesiune a fenomenelor mecanice care se repetă cu fiecare contracţie şi relaxare. Examinarea mişcărilor inimii se realizează prin impulsuri scurte de ultrasunete care se reflectă pe peretele inimii. Semnalele recepţionate sunt amplificate şi vizualizate pe ecranul unui tub catodic.

•

Terapia cu ultrasunete

Fizioterapia cu ultrasunete se bazează pe acţiunea fiziologică a acestora şi constă în efecte mecanice,termice, chimice. Datorită acestor efecte ţesuturile sunt solicitate mecanic sub formă de ’’micromasaj ’’intern şi se încălzesc suferind reacţii chimice favorabile organismului.

Ultrasunetele (US) sunt o formă de energie mecanică ce se propagă sub forma unor unde de frecvenţă superioară limitei de percepţie a urechii umane. Dacă o particulă dintr-un mediu elastic execută o mişcare înainte şi înapoi faţă de poziţia de echilibru numită oscilaţie mecanică, are loc o transformare a energiei în mediul care o înconjoară. Acest tip de mişcare a particulei se numeşte vibratorie. Particula care oscilează interacţionează cu cele vecine şi astfel unda se propagă din aproape în aproape. Regiunea din spaţiu în care se află unde ultrasonice sau altfel spus câmpul de US este reprezentat de oscilaţii ciclice în spaţiu şi timp. Elementele unei mişcări oscilatorii: •

Perioada (T) este timpul necesar unei particule pentru descrierea unei oscilaţii complete si se exprima in secunde.

•

Frecvenţa (f) este numărul de oscilaţii efectuate în unitatea de timp (secundă). Unitatea de frecvenţă este Hertz (Hz). O frecvenţă de 1 Hz este o oscilaţie/secundă: f=1/T

•

Amplitudinea oscilaţiei este valoarea absolută a distanţei maxime parcurse de particulă în jurul poziţiei de echilibru. 16

•

Lungimea de undă este distanţa dintre două maxime sau dintre două puncte succesive aflate în aceeaşi fază.

•

Viteza ultrasunetelor exprimă distanţa parcursă de US în unitatea de timp. Se măsoară în m/s.

•

Energia acustică. Unda de ultrasunete transportă şi cedează o parte din energie mediului străbătut determinând oscilaţii ale particulelor. Se măsoară în Jouli (J).

•

Intensitatea US este cantitatea de energie care străbate unitatea de suprafaţă în unitatea de timp. Se exprimă în W/cm2. Intensitatea US scade proporţional cu distanţa parcursă, atenuarea acustică fiind cu atât mai mare cu cât frecvenţa este mai ridicată. Deci pe măsură ce creşte frecvenţa scade adâncimea de penetrare. Profunzimea de penetrare a US este limitată de scăderea intensităţii odată cu parcurgerea unei distanţe.

•

Impedanţa acustică exprimă rezistenţa la trecerea undelor fiind produsul dintre densitatea mediului şi viteza US. Impedanţa acustică este deci o constantă de material: Z=ρc şi se măsoară în Rayl; 1 Rayl = 1 Kg ∙ 1 m-2 ∙s-1

•

Puterea acustică este cantitatea de energie care străbate o suprafaţă în unitatea de timp. Se măsoară în Watt.

Producerea ultrasunetelor Efectul piezoelectric La baza obţinerii ultrasunetelor se află fenomenul piezoelectric, efect descoperit în anul 1880 de Pierre şi Jacques Curie.  Apariţia polarizării electrice la suprafaţa unui cristal atunci când asupra lui se exercită o

presiune mecanică sau o tracţiune se numeşte efect piezoelectric direct.

17

 Aplicarea unui câmp electric pe suprafaţa unui cristal piezoelectric duce la contracţia sau

dilatarea acestuia şi la emisia unor unde mecanice. Acest fenomen se numeşte efect piezoelectric invers. Această deformare mecanică periodică generează ultrasunete. Materialele piezoelectrice folosite sunt: titanatul de bariu, zirconatul de plumb şi fluorura de poliviniliden (material plastic).

Transductorul este partea principală a ecografului cu rol de emiţător, dar şi de receptor al ultrasunetelor. El asigură conversia reciprocă şi succesivă a energiei electrice în energie mecanică. Elementul său activ este cristalul piezoelectric. Acesta are forma unui disc şi este acoperit pe ambele feţe cu două straturi metalice, bune conductoare de electricitate pe care se aplică doi electrozi, câte unul pe fiecare suprafaţă. Aplicarea unei tensiuni electrice între electrozi va provoca deformarea cristalului şi consecutiv emisia de energie mecanică spre ambele suprafeţe. Straturile metalice au atât rolul de a transfera tensiunea electrică cristalului cât şi de a prelua impulsul electric creat la suprafaţa acestuia după acţiunea ultrasunetelor reflectate în ţesuturi. Acest impuls electric creat este condus apoi spre sistemul de amplificare al aparatului. Grosimea discului piezoelectric determină frecvenţa nominală.

18

Clasificarea transductoarelor. Există patru clase: liniare, sectoriale, monoelemente şi combinate. Transductoarele liniare produc un fascicul de US paralele între ele şi perpendiculare pe suprafaţa lor, iar pe ecran va apare o imagine dreptunghiulară. Transductoarele lineare pot fi mecanice, fiind alcătuite dintr-un singur cristal piezoelectric sau electronice din mai multe (64-128) aşezate asemănător claviaturii unui pian şi activate succesiv în grupuri de câte 4 sau 8. Transductoarele sectoriale emit un fascicul de US divergent dintr-un punct situat în mijlocul suprafeţei transductorului, iar pe ecran apare o imagine triunghiulară cu vârful pe suprafaţa de emisie a transductorului. Transductoarele monoelemente conţin o singură piesă piezoelectrică şi nu pot fi activate electronic. Ele sunt folosite în modul M fiind plasate în regiunea precordială unde rămân nemişcate în timpul examinării. Sunt transductoare cu frecvenţă şi focalizare fixă. Transductoarele monoelemente pentru examinarea Doppler continuu conţin două elemente unul pentru emisia şi altul pentru recepţia US.

19

Transductoarele combinate sunt transductoare complexe şi înglobează toate posibilităţile transductoarelor simple prezentate. Au frecvenţe multiple între 3,5 şi 10 MHz, permiţând efectuarea cu acelaşi transductor a examinării în modul A, B, M şi Doppler. Fiecare tip de transductor are avantajele şi dezavantajele sale, el putând fi folosit doar pentru scopul pentru care a fost construit. Există transductoare pentru aplicaţie externă (percutantă), endocavitară (endorectal, endovezical, endovaginal, etc.) sau pentru uz intraoperator.

Fasciculul de ultrasunete Materialul piezoelectric nu emite o singură undă ultrasonoră ci un fascicul care porneşte de pe toate suprafaţa materialului. Acest fascicul într-o primă porţiune de câţiva cm este îngust şi are formă cilindrică, undele din componenţă având practic dispoziţie paralelă. Această zonă apropiată poartă denumirea de zona Fresnel. Urmează o altă porţiune, numită zona îndepărtată sau zona Fraunhofer, în care undele devin divergente şi unde fasciculul are formă de trunchi de con. Lungimea zonei Fresnel şi divergenţa zonei Fraunhofer depind de dimensiunile discului piezoelectric dar şi de frecvenţa ultrasunetului produs de acesta. Creşterea frecvenţei ultrasunetului sau diametrului discului piezoelectric va determina mărimea zonei Fresnel şi micşorarea unghiului de divergenţă. Proprietăţi acustice ale ţesuturilor Viteza de propagare (c) este distanţa parcursă de undă în unitatea de timp. Se măsoară în m/s. Această relaţie este valabilă numai pentru undele continue. În ecografie se folosesc unde pulsatile, viteza lor de propagare fiind dependentă de densitatea şi elasticitatea ţesutului. Viteza de propagare a US variază între 331 m/s în aer şi 4090-7800 m/s în os, iar în apă de 1430 m/s. Pentru organele parenchimatoase viteza de propagare variază între 1440 m/s pentru ţesutul adipos şi 1590 m/s pentru muşchi. Viteza de propagare a US depinde de elasticitatea şi densitatea ţesutului. Creşterea elasticităţii va conduce la mărirea vitezei US în respectivul ţesut, în timp ce o creştere a densităţii tisulare va avea efecte inverse. Elasticitatea ţesuturilor este influenţată de arhitectonica şi structura tisulară. Undele sonore nu se propagă în vid, iar în gaze se propagă destul de greu datorită distanţei mari dintre molecule. Cu cât această distanţă este mai redusă, cu atât viteza de propagare este mai mare. 20

Osul, metalele sunt bune conductoare a US. Plămânul şi intestinul, datorită conţinutului aeric nu pot fi uzual examinate ecografic. De asemenea, structurile situate posterior unor organe cu conţinut aeric nu pot fi vizualizate. În aceste situaţii se folosesc ferestre ecografie (organe ce conţin lichid, de exemplu vezica urinară în repleţie). O altă proprietate importantă este impedanţa acustică (Z). Această mărime fizică este direct proporţională cu densitatea mediului străbătut şi viteza US. Fiecare ţesut are o impedanţă acustică specifică. Astfel, ţesuturile cu densitate apropiată (organele parenchimatoase abdominale, tiroida, muşchi, etc) vor avea valori ale impedanţei acustice asemănătoare în timp ce alte ţesuturi cu densitate mult diferită vor fi caracterizate de valori ale impedanţei acustice fie foarte mici (ca exemplu plămânul), fie mult crescute (oasele). Limita de separare dintre două medii cu densitate diferită, deci cu impedanţă acustică diferită, se numeşte interfaţă. La nivelul interfeţelor, impulsul ultrasonic este: reflectat, refractat, dispersat, absorbit sau atenuat. Reflexia reprezintă o proprietate importantă a US care stă la baza principiilor ecografiei. Propagarea US în ţesuturi se face liniar. În funcţie de impedanţa acustică a celor două medii la traversarea interfeţei o parte din fasciculul de ultrasunete se întoarce (se reflectă) în mediul iniţial. Refracţia reprezintă schimbarea direcţiei fasciculului incident după ce a străbătut o interfaţa. Refracţia nu influenţează imaginea ecografică deoarece fasciculul refractat are direcţia opusă transductorului. Valoarea unghiului de refracţie este proporţională cu diferenţa de viteza a US în cele două medii şi invers proporţională cu unghiul de incidenţă. Dispersia. Fasciculul de US la întâlnirea unor zone de ţesuturi cu impedanţe acustice diferite şi dimensiuni mai mici decât lungimea de undă suferă fenomenul de împrăştiere, de reiradiere mărinduşi aria de secţiune prin emiterea unor unde sferice. Conform principiului Huygens fiecare particulă vibrantă se comportă ca o sursă sonoră. Particulele corpului uman cu dimensiuni mai mici decât lungimea de undă absorb energia fasciculului şi o retransmit sub forma unei unde sferice, fenomen denumit difuzie. Difracţia. Atunci când fasciculul de US trece la o distanţă mai mică de una sau două lungimi de undă de un corp direcţia de propagare a undelor va fi deviată în spatele acestora. În spatele obstacolului apar zone de umbră acustică, iar În faţa lui se produce interferenţa undelor. Aceasta este rezultatul acţiunii mai multor unde asupra aceloraşi particule. Dacă undele sunt în aceeaşi fază efectul se

21

cumulează şi este denumită interferenţă constructivă, iar dacă sunt în antifază efectul se anulează interferenţa distructivă. Atenuarea se produce prin: absorbţie, difuzie, reflexie, distanţa parcursă. Atenuarea este direct proporţională cu pătratul distanţei parcurse. De asemenea, este direct proporţională cu frecvenţa fasciculului, cele cu frecvenţă mare fiind atenuate după un parcurs scurt, iar cele cu frecvenţă mică pătrunzând în profunzime. Principiul fundamental de obţinere a imaginii ecografice Transductorul generează în mod repetitiv impulsuri de US cu o durată de o microsecundă care străbat ţesuturile iar la nivelul interfeţelor se reflectă şi se întorc în transductor. Transductorul funcţionează ca emiţător şi receptor al US. Timpul de recepţie este de 99 ms. Ecourile care se reîntorc la transductor interacţionează cu discul piezoelectric şi generează un potenţial electric. Ecoul reflectat de prima interfaţă din corpul uman este recepţionat primul. Restul de energie US transmisă, se reflectă de la interfeţele următoare din ce în ce mai târziu pe masură ce interfeţele sunt mai îndepărtate de transductor. Deci un singur impuls emis este recepţionat ca o multitudine de ecouri care se reîntorc la intervale de timp din ce în ce mai mari pe masură ce interfeţele care le-au generat sunt mai îndepărtate de transductor. Amplitudinea potenţialului electric generat de ecou este direct proporţională cu intensitatea ecoului.

Ecograful este denumirea aparatului folosit în diagnosticul ultrasonografic. 22

Acesta are în componenţa sa mai multe subansamble:  transductorul (care generează şi recepţionează US)  receptorul de imagine are rolul de a prelua impulsurile electrice generate la nivelul

transductorului; el filtrează semnalele electrice cu intensitate redusă care produc zgomotul de fond; receptorul permite amplificarea impulsurilor electrice atunci când voltajul este mic  ansamblul de conversie  compartimentul de stocare şi prelucrare a informaţiei  compartimentul de vizualizare a imaginii (monitorul video, hârtie termosensibilă, film foto

sau suport magnetic).  compartimentul electric (care generează curenţii utilizaţi la formarea US)

Modalităţi de reprezentare grafică Ecografia Doppler. Se bazează pe efectul Doppler care constă în modificarea lungimii de undă a unui fascicul de US dupa reflectarea lui de către o sursă aflată în mişcare faţă de emiţător/receptor; acest fenomen stă la baza examinării unor structuri aflate în mişcare (vase de sânge, etc.).

23

24

Ecografia tridimensională, este o tehnică ultrasonografică nouă prin care cu ajutorul computerului se

realizează

vizualizarea

volumetrică

a

structurilor

anatomice.

Indicaţiile ecografiei Ecografia poate fi folosită în primul rând în scop diagnostic şi pentru evaluarea post terapeutică, dar şi ca metodă adjuvantă în realizarea unor explorări invazive (puncţii ghidate ecografic) sau unele manopere (drenaje de colecţii, nefrostomii, alcoolizări, etc.).

Avantajele ecografiei  cost scăzut  explorare nenocivă şi comodă, care poate fi repetată ori de câte ori este nevoie în absenţa

unei pregătiri speciale a bolnavului şi în condiţii de urgenţă  are o sensibilitate mare în decelarea leziunilor

 explorarea sistemului cardio-vascular este rapidă şi fără a fi invazivă

25

IV.

Imagistica prin rezonanţă magnetică (RMN)

Imagistica prin rezonanţă magnetică (IRM) constituie o metodă non-invazivă de examinare a afecţiunilor neuro-musculo-scheletale. Obţinerea imaginilor prin rezonanţă magnetică nucleară are la bază tehnologia rezonanţei magnetice nucleare (RMN) utilizată în chimie şi fizică pentru determinarea structurii substanţei. IRM se bazează pe descoperirea făcută în 1946 de Felix Bloch şi Edward Purcell (Premiul Nobel, 1952), care au constatat că în prezenţa câmpului magnetic intens, nucleele se comportă ca nişte magneţi. Imaginile prin rezonanţă magnetică nucleară se obţin ca urmare a absorbţiei şi emisiei energiei din domeniul radiofrecvenţelor (RF) ale spectrului electromegnetic de către spinii protonilor. Permite obţinerea unor imagini multiplane din organismul uman, fără utilizarea razelor X, în acest fel fiind posibilă diagnosticarea precisă a numeroase afecţiuni. Se pot vizualiza cele mai mici detalii (nervi, structuri vasculare fine, tumori), putându-se depista leziuni de până la 2 mm. Pentru investigaţie, pacientul este introdus în interiorul unui magnet, pe un suport, in poziţie orizontală. Aparatul emite semnale de radiofrecvenţă, care sunt captate de corpul uman si retransmise spre un computer, care le transformă în imagini. Examinarea unei zone durează aproximativ 30 de minute. Bazele imagisticii prin rezonanţă magnetică Atomii şi moleculele constituente ale organismului sunt dipoli magnetici comportându-se ca nişte mici magneţi. În absenţa unui câmp magnetic aceştia sunt dispuşi haotic. Când organismul este plasat într-un câmp magnetic intens, dipolii magnetici rezonează (sunt obligaţi să se alinieze). Această stare este una metastabilă care poate fi uşor perturbată de o undă de radiofrecvenţă. Revenirea dipolilor în starea de rezonanţă este însoţită de emiterea unui semnal care poate fi detectat. Acest semnal se numeşte semnal de rezonanţă şi permite obţinerea imaginii de RMN. Intensitatea semnalului RMN este în funcţie de densitatea protonică. Datorită bogăţiei corpului uman în apă, nucleele cele mai utilizate sunt cele de hidrogen. Arii cu densitate protonică ridicată, cum ar fi urina, pot să dea semnale intense, iar cele cu densitate protonică scăzută (care au un conţinut scăzut de apă) cum ar fi osul, tendoanele, dau în general semnale slabe.  Când pulsul de radiofrevenţă şi protonii au aceeaşi frecvenţă, protonii pot lua energia din unda radio, fenomen denumit REZONANŢĂ

26

deci TRANSFERUL DE ENERGIE ÎNTRE DOUĂ SISTEME OSCILANTE CARE AU ACEEAŞI FRECVENŢĂ = REZONANŢĂ .

Componentele IRM sunt:  Magnetul, care generează câmpul magnetic Bo;  Bobinele de gradient, plasate în interiorul magnetului, necesare producerii gradientului câmpului magnetic pe direcţiile X, Y şi Z  Bobinele RF, situate în bobinele de gradient, care produc câmpul magnetic B1 necesar rotirii spinilor cu 90o sau cu 180o. Bobinele RF detectează de asemenea semnalul  Masa pentru pacient, poziţionarea corectă a pacientului fiind asigurată de un calculator  Ecrane de protecţie împotriva câmpurilor de radiofrecvenţă externe, care înconjoară camera în care este instalat IRM şi asigură protecţia împotriva câmpurilor de radiofrecvenţă exterioare, inclusiv cele generate de semnalele radio sau televiziune  Ecrane de protecţie împotriva câmpurilor magnetice externe  Calculatorul, care controlează toate componentele legate de sursa undelor de radiofrecvenţă şi programarea pulsurilor, forma şi aplitudinea gradientului.  Masă de comandă, unde operatorul selectează o secvenţă a imaginii, pe care o urmăreşte pe un monitor sau imprimă imaginea

27

28

Măsuri de protecţie Deşi IRM nu utilizează radiaţiile ionizante pentru formarea imaginii, este necesar să se cunoască măsurile de protecţie asociate utilizării câmpurilor magnetice foarte intense, energiei undelor radio, variaţiilor în timp a intensităţii câmpului magnetic, gazelor lichefiate şi gradientului de câmp magnetic. Câmpurile magnetice determină magnetizarea tuturor corpurilor feromagnetice. Prezenţa în câmpul magnetic a corpurilor feromagnetice poate produce efecte nedorite asupra pacientului sau poate determina deteriorarea magnetului şi a bobinelor. Efecte similare pot fi produse şi de corpurile feromagnetice asociate pacientului. La pacienţii cu pacemaker sunt necesare precauţii deosebite, deoarece câmpul magnetic intens poate afecta circuitul electronic ca urmare a curenţilor pe care îi generează. În acest fel viaţa pacientului poate fi pusă în pericol. Câmpul magnetic poate de asemenea şterge informaţiile înregistrate pe card. Efectele produse de undele de radiofrecvenţă Undele de radiofrecvenţă pot produce încălzirea ţesuturilor din organism. Din acest motiv se recomandă limitarea timpului în care o persoană stă în acest câmp. Unele bobine RF, pot produce arsuri ale pacientului, care trebuie avertizat pentru a anunţa dacă simte un asemenea efect, în scopul întreruperii investigaţiei.

29

Avantejele IRM:  permit obţinerea unui contrast mai bun decât în tomografia computerizată;  asigură informaţii mai exacte asupra diferenţelor în structura unui ţesut decât cele care pot fi percepute prin diferenţele de atenuări ale radiaţiilor X, deoarece utilizează proprietăţile spaţiale ale spinilor din nucleele care alcătuiesc ţesuturile;  utilizează câmpuri magnetice intense şi unde din domeniul radiofrecvenţelor în locul radiaţiilor ionizante, deci efectele dăunătoare asupra organismului sunt semnificativ mai mici. Limitele examenului IRM:  timp de examinare relativ lung;  rezoluţie spaţială încă inferioară faţă de CT de înaltă rezoluţie;  calcificările sunt greu evidenţiabile datorită absenţei semnalului acestor structuri.

V.

Tomografia computerizată (CT)

Computer-tomografia (CT) face parte din explorările imagistice secţionale, fiind o metodă relativ recentă rezultată din combinarea utilizării razelor X şi a computerului. CT se bazează pe două principii:  măsurarea atenuarii unui fascicul de raze X ce traversează un corp (densitatea radiologică)  reconstrucţia imaginii unui obiect plecând de la proiecţiile sale diferite, practic realizând o

reproducere bidimensională a realităţii tridimensionale Imaginea CT reprezintă etalarea anatomică a unei secţiuni axiale a corpului uman de o grosime prestabilită, prin măsurători ale absorbţiei razelor X făcute din diverse unghiuri în jurul corpului uman. Indicaţii : Metoda se foloseşte în cazul politraumatismelor craniene, vertebrale si cervicale, dar şi pentru studierea sistemului nervos şi a aparatului cardiovascular. Fiind o metodă investigativa de mare fineţe, este folosită şi în oncologie, la identificarea tumorilor.

30

Avantaje : Principalul beneficiu al acestei metode este precizia detaliilor, întrucât oferă posibilitatea de a obţine imagini ale unor secţiuni foarte subţiri (cel mult 1-2 mm grosime).

Planul de secţiune este pentru majoritatea structurilor investigate, cel transversal sau axial, pentru fiecare secţiune tubul de raze X se roteşte în jurul bolnavului, având pe partea opusă detectorii al căror rol este de a recepta energia fotonică ce a traversat corpul uman şi de a o transforma în energie luminoasă, pe care ulterior o fotodiodă o transformă în semnale electrice. Aceste semnale sunt apoi digitalizate şi transmise unui procesor de imagini, ce reconstruieşte imaginea pe baza unui număr mare de măsurători, doza de iradiere fiind apreciabilă. Schema de ansamblu a unei unităţi CT cuprinde:  sistemul de achiziţie a datelor  sistemul de procesare a datelor  sistemul de vizualizare şi stocare a datelor  sistemul de comandă a ansamblului

31

32