Vragen tentamen Medische Technologie (3 juli 2003)

Transcriptie

1 Vragen tentamen Medische Technologie (3 juli 2003) Vraag 1: Licht: Voor electromagnetische golven geldt dat de voorplantingsnelheid c, de frequentie f en de golflengte λ aan elkaar gerelateerd zijn via c = f * λ. In vacuüm is de lichtsnelheid 3 * 10 8 m/s, in een medium met brekingsindex n is de lichtsnelheid een factor n kleiner (cmedium = cvacuüm/n). Schets en beschrijf kort de interactie van electromagnetische golven (zoals bijv. licht) met materie en geef voor alle interacties aan wat met de de richting, de amplitude, de frequentie en de golflengte van de electromagnetische golven gebeurt: a. Breking en reflectie b. Verstrooiing in een medium c. Absorptie aan een chromofoor d. Fluorescentie e. Doppler verschuivingen f. Interferentie Licht wordt zowel therapeutisch als diagnostisch toegepast. Het effect van het licht op het weefsel hangt, naast de hierboven genoemde wisselwerkingen, af van de chromophoor, de pulslengte, de intensiteit, de golflengte en de omgeving. Mogelijke interacties van licht met weefsel zijn: thermisch, chemisch, mechanisch en biostimulatie. g. Beschrijf kort deze werkingsmechanismen. h. Waartoe behoren de volgende therapeutische toepassingen: corneal shaping, wijnvlekbehandeling, fotodynamische therapie. Met diagnostische toepassingen van licht wordt morfologische of functionele informatie van het te onderzoeken weefsel verkregen. Oximetrie, fotoacoustiek, laser doppler, microscopie zijn voorbeelden daarvan. i. Beschrijf deze kort, en geef daarbij aan wat de belangrijkste wisselwerking, chromofoor en toepassingen zijn. Lasers zijn belangrijk geweest voor de ontwikkeling van deze therapeutische toepassingen, dit vanwege enkele eigenschappen. j. Geef 3 karakteristieke eigenschappen van laserlicht. 1

2 Vraag 2: Ultrageluid: Voor ultrageluid geldt eenzelfde relatie voor voortplantingssnelheid, golflengte en frequentie als voor electromagnetische golven. Voor echografie (het afbeelden van weefsel met ultrageluid) wordt gebruik gemaakt van geluidspulsen, waarvan de looptijd en de intensiteit van reflecties gemeten worden. a. beschrijf kort de verschillende mogelijkheden van weergave, te weten A- mode, B-mode, M-mode en Doppler imaging. A (1 MHz) VET spierweefsel B (5 MHz) C (10 MHz) 60 mm In het volgende voorbeeld vergelijken we de signalen van drie transducers met verschilende frequenties. De transducers staan in contact met een vetlaag (zie figuur hierboven), en op t= 0 wordt door elke transducer een puls ultrageluid uitgezonden in de richting van een spierlaag (weergegeven in grijs). De afstand van elke transducer tot deze laag is 60 mm onder het vetoppervlak. De drie transducers A, B en C zenden een geluidspuls met een frequentie van respectievelijk 1, 5 en 10 MHz uit. Voor iedere transducer geldt dat de uitgezonden puls een lengte heeft van 2 maal de golflengte. In de tabel staan de geluidssnelheden en acoustische impedanties voor verschillende typen weefsels weergegeven. Materiaal snelheid van het geluid (m/s) Acoustische impedantie Z (kg/m 2 s) lucht vet water spier bot b. Bereken de pulslengte in afstand (mm) en in tijd (s) voor elke transducer in vet. 2

3 De reflectiecoefficient bepaalt de verhouding tussen inkomende en gereflecteerde intensiteit en is gegeven door Irefl / Iinkomend = (Z1 Z2) 2 /(Z1 + Z2) 2 De pulsen van de 3 transducers worden gedeeltelijk gereflecteerd door de spierlaag. c. Bereken de looptijden van de reflecties vanaf t=0 totdat ze weer gedecteerd worden door de transducer. d. Bereken de relatieve reflectiecoefficient van het ultrageluid aan de spierlaag. Hoeveel gaat erdoor?. e. leg uit waarom bij de transducer een indexmatching gel gebruikt moet worden, en waarom bot een schaduw geeft. De verzwakking van het ultrageluid is zowel afhankelijk van het materiaal en de frequentie van het geluid. In zacht weefsel is de diepte (L1/2) waarop de intensiteit van 1 MHz geluid gehalveerd is 60 mm. In het algemeen geldt dat voor andere frequenties L1/2 gegeven wordt door L1/2 = Constante/frequentie in MHz. f. Bereken de Constante (inclusief dimensie), en de L1/2 (inclusief dimensie)voor 5 en 10 MHz ultrageluid in weefsel. g. Bereken de intensiteit relatief t.o.v. de startintensiteit I0 van de transducer voor de 3 transducers (dus voor 1, 5 en 10 MHz) bij de spierlaag en de intensiteit die bij de transducer terugkomt. De wand van een bloedvat is oa. opgebouwd uit gladde spiercellen en is dan ook te vergelijken met de hierboven besproken spierlaag. De detectielimiet voor de transducer is 1/ (10-5 ) van de ingaande bundelintensiteit I0. h. Leg uit welke frequentie het meest geschikt is om de vaatwand van 1 mm dik waar te kunnen nemen als deze zich ook op 60 mm diepte bevindt. En als het vat zich op 6 mm diepte bevindt? 3

4 Vraag 3: Röntgen Röntgen straling wordt veel gebruikt voor diagnostiek in het ziekenhuis. Deze straling wordt geproduceerd door buizen. a. Schets een Röntgenbuis inclusief effectief focus, en geef aan waarom we niet met een puntbron te maken hebben. Het energiespectrum wordt bepaald door de volgende interacties: karakteristiek straling en Bremsstrahlung. b. Beschrijf kort aan de hand van een geschetst schilmodel van een atoom deze twee verschillende stralingen. In de volgende figuur staat het spectrum van een Röntgenbuis. A C B c. Geef aan welk deel van het spectrum (A, B, en C) bepaald wordt door de Bremsstrahlung, de karakteristieke straling en de gebruikte filters. Wat was de spanning op de Röntgenbuis? De straling wordt gebruikt om verschillen in transmissie door weefsel af te beelden om zo de onderliggende structuren te kunnen bekijken. Verzwakking van de Röntgenstraling door absorptie en verstrooiing speelt daarbij een belangrijke rol. d. Schets een opstelling nodig voor een het maken van een doorlichtingsbeeld m.b.v. Röntgenstraling. Geef daarin bron, voorwerp, detector en stralengang aan. Welke van de 2 hierboven beschreven interacties (absorptie en verstrooiing) is de basis voor het maken van het beeld en welke zorgt juist voor het blurren van het beeld. Schets, door de stralengang aan te geven, hoe dit blurren veroorzaakt wordt, en geef 2 methoden om dit blurren te verminderen. In de onderstaande tabel staan de verzwakkingscoefficienten van zacht weefsel voor verschillende energiën van de Röntgenstraling. Met behulp van de wet van Lambert-Beer kan de fractie van de straling die door het weefsel 4

5 gaat (I/I0) berekend worden als functie van de verzwakkingscoefficient µ en dikte d van het materiaal. I/I0 = exp (-µ d) Energie (kev) VERZWAKKINGSCOEFFICENT µ [cm -1 ] kev ~0.2 e. Uitgaande van het bronspectrum hierboven gegeven, schets (kwalitatief) de transmissie door 10 cm weefsel. Leg aan de hand van de schets uit wat beam hardening inhoudt. Met Röntgendoorlichtingsbeelden kunnen eigenlijk alleen 5 categoriën weefsel onderscheiden worden. 4 daarvan staan in onderstaande tabel, de 5 e catogorie is metaal. X-ray energie µ lucht [cm -1 ] µ water [cm -1 ] µ vet [cm -1 ] µ bot [cm -1 ] [kev] * * ~ 0.5 f. Waarom kunnen de kleinere verschillen in verzwakking in weefsel niet afgebeeld worden met Röntgendoorlichting? g. Hoe kunnen bloedvaten toch afgebeeld worden? Computer tomografie (CT) beelden kunnen veel kleinere verschillen in transmissie weergeven, zodat ook kleine verschillen in verzwakking door de verschillende materialen bepaald kunnen worden. h. Leg kort uit hoe CT werkt, en waarom deze kleine verschillen wel met CT en niet met Röntgendoorlichting opgemerkt kunnen worden. De verzwakking, gemeten met CT, wordt relatief ten opzichte van die van water weergeven door het CT nummer. CT getalweefsel = 1000 (µ weefsel - µ water)/µ water. i. Geef de range van in van verschillende CT getallen voor weefsels die doorlicht kunnen worden in de kliniek. Leg uit hoe het probleem van het beperk aantal grijswaarden voor de weergave (ca 256) voor de grote range van CT getallen ondervangen wordt. 5

6 Vraag 4: MRI: Magnetische Resonantie Imaging (MRI) is een nieuwe techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van kerspinresonantie. De kernspin resonantie wordt aangezwengeld door een electromagnetische golf te laten wisselwerken met atomen die een kernspin hebben en die zich in een hoog magnetisch veld bevinden. Het magnetisch veld is noodzakelijk om de energieniveaus van het atoom te splitsen. De energie tussen deze niveaus is recht evenredig met de magnetische veldsterkte B. a. Verklaar waarom het magnetisch veld de energie niveaus splitst, welke van de 2 toestanden heeft de hoogste energietoestand? b. Om van het lage energieniveau naar het hoge energie niveau te komen is een elektromagnetische puls nodig (RF puls). Waarom wordt dit een resonante overgang genoemd? MRI is gebaseerd op de elektromagnetische reactie van de atomen (protonen) op de RF puls. Het uitgezonden signaal is afhankelijk van de protondichtheid en wordt gekenmerkt door karakteristieke tijden T1 en T2. De longitudinale magnetisatie Mz kan beschreven worden door Mz (T) = M0[(1- exp(-t/t1)] c. Beschrijf de fysische achtergrond van Mz. De transversale magnetisatie Mxy (het uiteindelijke uitgezonden en gedecteerde signaal) is afhankelijk van de bovenstaande longitudinale Mz als overblijfsel van de vorige RF puls. Mxy heeft een relaxatietijd T2, en kan dan als functie van de tijd T beschreven worden door: Mxy(T)=Mz(TR)*exp(-T/T2) met TR de tijd tussen opeenvolgende RF pulsen en T de tijd na de RF puls. d. Beschrijf de de fysische achtergrond van het verval van Mxy. Van welke invloeden is deze tijdsconstante T2 afhankelijk? Het MRI signaal S is recht evenredig met Mxy en wordt gemeten op een gekozen uitleestijdstip TE (S~Mxy(TE)). Door te spelen met de repetietie tijd TR en het moment van uitlezen TE, kunnen verschillen in T1 of T2 voor verschillende weefsels geaccentueerd worden. e. Hoe lang moet TR zijn t.o.v. T1 zodat het signaal S minder dan 2% afhankelijk is van T1? We hebben 3 typen (A,B en C) weefsel met dezelfde protondichtheid maar verschillende T1 en T2 (zie tabel): Type T1 [ms] T2 [ms] A B C

7 f. Schets Mxy voor de 3 hierboven genoemde typen weefsel in een grafiek uitgaande van eenzelfde startmagnetisatie Mz(TR)(Dit is te vergelijken met een TR van ca 5 seconden). Om 2 typen weefsel van elkaar te onderscheiden moeten we ervoor zorgen dat het signaal S van het ene type duidelijk groter is dan van het andere. g. Om typen A en C van B te kunnen onderscheiden, welke TE kunnen we dan (ongeveer) het beste kiezen? Verklaar en geef aan in de grafiek. Om type A van type C te kunnen onderscheiden hebben we een T1 gewogen MRI beeld nodig. Door de juiste TR te kiezen, kunnen we de startmagnetisatie van de volgende RF puls beïnvloeden. h. Schets het signaal Mxy voor TR 1 seconde voor type A en C weefsel, en vergelijk dat met de schets van van vraag f, waarin een TR van ca 5 seconden werd verondersteld. Verklaar hoe we met behulp van het kiezen van deze korte TR type en de juiste TE de twee typen A en C kunnen onderscheiden. MRI is gebaseerd op het feit dat de kernspinresonante signalen gelokaliseerd kunnen worden. Dit wordt gedaan door het maken van plakken (slices). i. Geef aan hoe de eerste plak gecreëerd en uitgelezen wordt. Loopt deze plak altijd in de zelfde richting? j. Noem 3 potentiële gevaren van MRI. 7