Stel je bent dokter en er komt een patiënt op je spreekuur met klachten over pijn in de borst. Zo’n 100 jaar geleden had je niet veel meer mogelijkheden dan de patient te bekloppen, of met een stethoscoop te luisteren. Het is verder maar een beetje raden wat de oorzaak van de klacht zou kunnen zijn. Je zou best willen weten wat er in de borstholte mis is, maar een operatie om te kijken wat er aan de hand is behoort meestal niet tot de mogelijkheden: de gevaren daarvan zouden wel eens veel erger kunnen zijn dan de kwaal.
Nu heeft de arts in het ziekenhuis een scala aan mogelijkheden om als het ware in het lichaam te kijken. De medische beeldvorming begon met de ontdekking van röntgenstraling in 1895 en is in de loop van de 20e eeuw aangevuld met allerlei beeldvormingstechnieken waarbij de computer een onmisbare rol speelt.
In dit thema worden de volgende technieken besproken (je kunt op de titels klikken om bij de artikelen te komen):
Röntgenfoto
De oudste techniek, welbekend bij botbreuken of het onderzoek van het gebit, maar er zijn ook minder bekende computertechnieken, zoals het zichtbaar maken van bloedvaten.
CT-scan
CT staat voor ‘computed tomography’. Met behulp van röntgenstraling wordt door de computer een beeld gemaakt van de dwarsdoorsnede van het lichaam. Voordeel is een veel betere kwaliteit van het beeld, nadeel is dat de patiënt een vrij hoge stralingsdosis oploopt.
Nucleaire geneeskunde
Hier wordt niet zozeer een beeld gevormd van het binnenste van de patiënt, maar gekeken naar de fysiologie: waar is de stofwisseling het actiefst, hoe is het met de doorbloeding van weefsels, waar ontwikkelt zich mogelijk een tumor etc. De patiënt krijgt een kleine hoeveelheid radioactieve stof toegediend en met een gammacamera of andere detectoren wordt gekeken waar in het lichaam die stof terecht komt. Een variant hiervan is de PET-scan. (PET = positron emission tomography). Als een elektron en een positron bij elkaar komen verdwijnen beide deeltjes en komt er energie in de vorm van 2 gammafotonen vrij. Met detectoren kan men bepalen waar die straling vandaan gekomen is.
MRI-scan
MRI staat voor 'magnetic resonance imaging'. Men maakt gebruik van het feit dat protonen (waterstofkernen) zich gedragen als kleine magneetjes. Ze hebben 'spin'. Door een speciale techniek brengt men de waterstofkernen ertoe om radiogolven uit te zenden. Met behulp van ontvangers en de computer wordt een beeld gevormd. Weefsels die veel waterstof bevatten kunnen zo onderscheiden worden van weefsels die weinig bevatten. De MRI-scan is vooral nuttig om beelden van zachte weefsels te maken. Een voordeel is dat er geen gebruik gemaakt wordt van röntgenstraling of radioactiviteit. Nadeel is dat het apparaat zeer duur is, en dat het wegens het zeer sterke magneetveld niet geschikt is voor patiënten die elektronische apparaatjes (zoals een pacemaker) in hun lichaam hebben.
Echografie
Ultrageluid kaatst gedeeltelijk terug op het grensvlak van verschillende weefsels. Aan de hand van de terugkaatsing kan de computer een beeld van het inwendige maken. Meest bekend gebruik ervan is bij zwangerschapscontrole, maar je kan het ook gebruiken om b.v. de stroomsnelheid van het bloed te meten. Voordeel is dat er geen ioniserende straling of radioactiviteit aan te pas komt.
Medische beeldvorming is in de huidige geneeskunde niet meer weg te denken. In een gemiddeld ziekenhuis met 800 bedden worden per jaar zo’n 160 000 onderzoeken gedaan waarbij meer dan een miljoen opnamen gemaakt worden. Een derde deel van de investeringen van een ziekenhuis gaat zitten in apparatuur voor medische beeldvorming.
Het is een vakgebied dat nog sterk in ontwikkeling is: beeldvorming verfijnen, efficiënter maken, zuiniger zijn met straling etc. vergt nog veel onderzoek waar artsen, ingenieurs, natuurkundigen, informatici en wiskundigen bij betrokken zijn.
Wat je kunt vinden in dit thema:
Interactieve bijlessen
Radioactiviteit (N1)
In deze bijles een overzicht van van de bouw van de atoomkern en de verschillende soorten radioactiviteit. Over halfwaardetijd en activiteit.
Absorptie van röntgenstraling (N1)
In deze bijles komt aan de orde wat röntgenstraling in het menselijk lichaam doet: het kan er gewoon dwars doorheen gaan, het kan verstrooid worden, waarbij de straling een deeltjeskarakter laat zien, of het kan geabsorbeerd worden (en schade aanrichten!). Het begrip halveringsdikte wordt behandeld.
Het ontstaan van röntgenstraling (N1,2)
Behoort eigenlijk niet tot de examenstof, maar sluit wel aan op de atoomfysica: behandeld wordt: de bouw van de röntgenbuis, het ontstaan van röntgenstraling: remstraling en het röntgenlijnenspectrum. In een kader komt de synchrotronstraling aan de orde: van belang in de sterrenkunde en bij deeltjesversnellers.
Antimaterie (N1,2) Over het ontstaan van deeltje en antideeltje (paarvorming) en het verdwijnen ervan (annihilatie). Hoe je de energie berekent die minimaal nodig is om een deeltje en antideeltje te laten ontstaan.
Tralie (N1) Aansluitend op het richten van geluidsgolven bij echografie, wordt in een bijles het tralie behandeld. In een animatie zie je hoe het zit met interferentie van golven. Wat je krijgt als 1, 2 of 8 trillingsbronnen aan het werk ziet.
Artikelen
In een vijftal artikelen worden de beeldvormingstechnieken met de daarachter liggende natuurkunde besproken. De artikelen zijn in eerste instantie goed begrijpelijk voor N1 leerlingen. Soms kan doorgelinkt worden naar meer details en dan wordt het wat moeilijker.
Hierin lees je over de ontdekking van de röntgenstraling en het gebruik ervan in de geneeskunde. Ook komen moderne varianten aan de orde zoals het digitale scherm, waardoor je met zeer weinig straling toch een goede digitale foto kan maken. En de DSA-opname die het mogelijk maakt scherpe foto’s van bloedvaten te maken. Er wordt kort ingegaan op het gevaar van röntgenstraling.
Aan de hand van animaties kan je zien hoe deze techniek werkt. Hoe er beelden van een dwarsdoorsnede van het lichaam mogelijk zijn en dat men ook 3D-beelden kan maken. In een wat meer gedetailleerde bespreking wordt aan de hand van een 'beeld' van slechts 4 pixels aangegeven hoe de computer de grijswaarden kan uitrekenen om het beeld te laten ontstaan.
Men dient de patiënt een kleine hoeveelheid radioactieve stof die gammastraling uitzendt toe. Met een gammacamera kan bepaald worden waar in het lichaam de stof is terechtgekomen. Een variant hiervan is de PET-scan. Een radioactief isotoop zendt positronen uit die na korte tijd met elektronen reageren. Bij de reactie ontstaan twee gammafotonen die vrijwel precies in tegengestelde richting bewegen. Door middel van een ring van detectoren om de patiënt heen worden die paren geregistreerd en kan bepaald worden waar de straling vandaan is gekomen.
Uitgelegd wordt hoe waterstofkernen ertoe gebracht worden om radiogolven uit te zenden en dat men aan de hand van de frequentie van die golven kan bepalen waar de straling vandaan komt. Een veel gebruikte en goed werkende techniek, maar met het zeer sterke magnetische veld moet men zorgen dat al het ijzer en gevoelige elektronica uit de buurt blijft.
Een ‘transducer’ werkt als zender en ontvanger van ultrageluidsgolven. Een korte puls geluid wordt uitgezonden en de echo weer opgevangen. Uit het tijdsverschil tussen uitzending en ontvangst kan worden uitgerekend hoe diep het terugkaatsende oppervlak zit. In het artikel wordt ook ingegaan op het maken van 3d-beelden en het meten van de stroomsnelheid van het bloed met behulp van het dopplereffect.
Opgaven
Over de natuurkunde achter de beeldvormingstechniek zijn diverse opgaven te vinden via het zoekmenu met bijv. de termen 'medische beeldvorming' of 'nucleaire geneeskunde'.
Een paar voorbeelden van opgaven:
Studie en Beroep
Informatie over beroepen die met medische beeldvorming te maken hebben in de volgende artikelen:
