CURS 13, 14

I. Sticle şi vitroceramici radioterapeutice

Sticlele folosite în radioterapie sticle radioterapeutice

Sticle activate cu neutroni emit radiaţii sau (utilizate în tratamentul tumorilor)

IRADIEREA EXTERNĂ = metoda de bază în radioterapie

radiaţia inconveniente: doză de iradiere mare iradiere nedorită a ţesutului sănătos (dăunătoare) doză de iradiere mică ineficientă

radiaţia distanţă de acţiune mică pt. iradierea eficientă a tumorilor radiaţie "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 sticle YAS Sm sticle SmAS Ho sticle HoAS Dy sticle DyAS

→ forma sferică (20-40 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 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 -

Na Mg Al Si - - - -

K - - - Ti V - Mn - - - Cu - Ga Ge - - - -

- - - - Zr Nb - - - - - - - - - - - I -

- - - - - - - - - - - - - - Pb - - - -

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

Radionuclid Timp de înjumătăţire (ore)Energia maximă ß- (MeV)

Distanţa de pătrundere în ţesut neted (mm)

Medie MaximăY-90Ho-166Sm-153Dy-165

64,026,946,82,3

2,271,840,801,29

2,5 2,91,1 1,9

10,38,73,35,8

puritate mare !! pt. ca prin activare cu neutroni să nu rezulte izotopi nedoriţi

FABRICAREA STICLELOR REAS 1. Topirea sticlei

2

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 1m 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

A0 = kN(1-e-t1)

unde: N = Numărul de atomi ai pământurilor rare activabili pe gram de sticlă = Secţiunea transversală termică a pământurilor rare, în barn

= Fluxul de neutroni al fasciculului incident de neutroni

= 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:

A = A0e-t2

5

activitatea specifică a radionuclizilor utilizaţi în sticle radioterapeutice REAS

Radionuclidul Activitatea specifică

maximă (Ci/g)

Timpul de iradiere pt.

99% din activitatea maximă

Timpul de scădere

a activităţii cu 99%

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)ii [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 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 – 1,752o mai mare decât al sticlelor comercialeo creşte cu conţinutul % de PR

3. Duritatea

o duritate mare material dentareo durabilitate chimică mare

STUDII RES ASUPRA SISTEMULUI VITROS 20M2O320Al2O360SiO2 (M=Y, Dy)

două sisteme vitroase de alumino-silicaţi cu PR 20Y2O320Al2O360SiO2 +Gd2O3

20Dy2O320Al2O360SiO2 +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 1200C, 1300oC şi 1400C iradiate 83 zile, cu două surse izotopice de Am-Be, flux total de 6 107 neutroni/s

o ordinea locală în jurul PR RES a ionilor Gd3+ (care substituie 1% din ionii de Dy, Y)o Gd3+ = senzori structuralio s-au urmărit schimbări structurale în ordinea locală (tratamente termice diferite)o activităţi specifice:

/20Y2O320Al2O360SiO2 = 20 Bq/g /20Dy2O320Al2O360SiO2 = 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 (Dy) = 2,5x (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 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 (> 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 mărindu-

şi 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

IV. Imagistica prin rezonanţă magnetică (RMN)

25

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

deci TRANSFERUL DE ENERGIE ÎNTRE DOUĂ SISTEME OSCILANTE CARE AU

ACEEAŞI FRECVENŢĂ = REZONANŢĂ .

Componentele IRM sunt:

26

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.

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.

 

29

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.

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

30

sistemul de procesare a datelor

sistemul de vizualizare şi stocare a datelor

sistemul de comandă a ansamblului

31

32