Medische beeldvorming (Natuurkunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over medische beeldvorming: röntgenopname, halveringsdikte, CT-scan, echografie met ultrasone golven, nucleaire diagnostiek met een tracer en het kiezen van een techniek. Met woordweb, zes controlevragen, twee animaties, een poll en een open vraag. Halveringstijd en dosis staan in een aparte les.

Doorsnede van het hoofd op een CT-scan (foto: Andrew Ciscel, CC BY-SA 2.0)

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Medische beeldvorming

Examenstof natuurkunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: B2.4 (met B2.1 en B2.3 waar nodig). Image credit: Andrew Ciscel / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Wat ga je kunnen?

Ik kan röntgenopname, CT-scan, echografie en nucleaire diagnostiek beschrijven, rekenen aan echo en halveringsdikte en een techniek kiezen.

Welke medische scans ken je en wat zie je erop?

Verwacht: röntgenfoto, echo bij zwangerschap, CT, MRI, botbreuk. Zet de woorden in vier groepen: röntgen, CT, echo en overig. MRI en PET zijn geen havostof, laat ze staan als de leerlingen ze noemen. Syllabus B2.4.

Röntgenapparaat in een ziekenhuis (foto: Aniskov, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Röntgenopname

• Een röntgenopname is een schaduwbeeld: straling gaat door je lichaam naar een detector.

• Absorptie: een deel van de straling wordt in het weefsel opgenomen.

• Transmissie: het deel dat er doorheen komt en de detector bereikt.

• Bot absorbeert veel meer straling dan zacht weefsel, dus bot komt lichter in beeld.

Syllabus B2.4: röntgenopname, natuurkundige achtergronden absorptie en transmissie. Röntgenstraling is ioniserend (zie de les Straling en radioactiviteit). Kijkvraag: waarom zie je op een röntgenfoto wel de botten maar nauwelijks de spieren? Veelgemaakte fout: denken dat de straling door het bot heen gaat en door spieren niet. Het is andersom: spieren laten meer straling door (grotere transmissie), bot absorbeert meer. Foto: de witte kast is de bundelafscherming bij de röntgenbuis. De kennis uit B2.4 hoeft niet wendbaar te zijn: alleen in de context van medische beeldvorming. Image credit: Aniskov / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Eigen animatie: acht fotonen door drie platen van één halveringsdikte

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Halveringsdikte

• De halveringsdikte d½ is de dikte van een stof die de intensiteit van de straling halveert.

• I = I0·(½)^n met n = d/d½: n is het aantal halveringsdiktes dat de straling doorloopt.

• Je rekent alleen met een geheel aantal halveringsdiktes: na 1, 2 en 3 blijft ½, ¼ en ⅛ over.

• De d½ hangt af van het weefsel; je krijgt hem in de vraag of in je informatieboek.

Syllabus B2.4: halveringsdikte van menselijke weefsels (met B2.3: berekeningen alleen bij een geheel aantal halveringsdiktes, formule I = I0·(½)^n, doorlaatkromme). De formule staat in je informatieboek. In de animatie lopen acht fotonen door drie platen van elk één halveringsdikte: na de eerste plaat zijn er nog vier, daarna twee en dan één. Kijkvraag: hoeveel fotonen zijn er na twee platen over, en welk deel van de beginintensiteit is dat? Antwoord: twee van acht, dus ¼. Veelgemaakte fout: denken dat na twee halveringsdiktes niets meer over is, of dat de straling lineair afneemt. Image credit: Eigen animatie

Binnenwerk van een CT-scanner (foto: Nettadi, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

CT-scan

• Bij een CT-scan draait een röntgenbuis met detectoren rond je lichaam.

• Zo ontstaan opnames vanuit veel richtingen; een computer maakt er een beeld van een doorsnede van.

• Je ziet weefsels op diepte onder elkaar, niet als schaduw die over elkaar heen ligt.

• Nadeel: meestal een hogere stralingsbelasting dan een gewone röntgenopname.

Syllabus B2.4: CT-scan als beeldvormingstechniek met voor- en nadelen. De natuurkunde is die van de röntgenopname: absorptie en transmissie, nu vanuit veel richtingen. Dus ook ioniserend. Kijkvraag: wat zit er in de ring van de foto? Antwoord: de röntgenbuis en de detectoren draaien in deze ring rond de patiënt. Veelgemaakte fout: CT en MRI door elkaar halen; MRI hoort niet bij havo. Image credit: Nettadi / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Vul in

Bot heeft een grotere {absorptie} dan zacht weefsel, dus de {transmissie} van röntgenstraling is bij bot kleiner.

terugkaatsing

emissie

Syllabus B2.4: absorptie en transmissie. Bot neemt meer straling op, dus er komt minder doorheen. Verwachte fout: terugkaatsing, dat hoort bij echografie.

Een bundel gaat door twee keer de halveringsdikte van een weefsel. Welk deel komt door?

A

de helft van de beginintensiteit

B

een kwart van de beginintensiteit

C

niets van de beginintensiteit

D

driekwart van de beginintensiteit

Syllabus B2.3 en B2.4: n = 2, I = I0·(½)² = ¼·I0. Verwachte fouten: de helft (n = 1 genomen), niets (denken dat 2 d½ alles stopt) of driekwart (1 min ¼ als absorptie).

Probe voor echografie (foto: Harrison Keely, CC BY 4.0, uitsnede)

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Ultrasone geluidsgolven

• Echografie gebruikt een ultrasone geluidsgolf: geluid met een frequentie boven de hoorgrens.

• De probe stuurt korte pulsen het lichaam in en vangt de teruggekaatste pulsen weer op.

• De puls reist met de geluidsnelheid in het weefsel; die staat in je informatieboek of in de vraag.

• Het is geluid, geen elektromagnetische straling: echografie gebruikt geen ioniserende straling.

Syllabus B2.4: echografie, ultrasone geluidsgolf, geluidsnelheid in menselijke weefsels. De probe is zender en ontvanger in één. Een medische echo gebruikt frequenties van meerdere MHz, ver boven de hoorgrens van ongeveer 20 kHz. Kijkvraag: waarom heet het ultrasoon? Veelgemaakte fout: ultrasoon verwarren met straling of met licht. Image credit: Harrison Keely / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Eigen animatie: een ultrasone puls kaatst terug op een grensvlak

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Terugkaatsing en diepte

• Aan een grensvlak tussen twee weefsels kaatst een deel van de puls terug: terugkaatsing.

• De rest gaat verder (transmissie) of wordt opgenomen (absorptie).

• s = ½·v·t: de diepte s in m, v in m/s en t de tijd heen en terug in s.

• Het ½ komt doordat de puls de afstand twee keer aflegt: heen en terug.

Syllabus B2.4: terugkaatsing, absorptie, transmissie en geluidsnelheid in menselijke weefsels; formule s = v·t bij B1 en C1, hier als s = ½·v·t voor heen en terug. Kijkvraag bij de animatie: wat staat er in de teller op het moment dat de echo terug is bij de probe? Antwoord: 80 µs. Veelgemaakte fouten: het ½ vergeten, of µs niet omrekenen naar s (1 µs = 10⁻⁶ s). Image credit: Eigen animatie

Echobeeld op een scherm (foto: Goleisureintl, CC BY 4.0, uitsnede)

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Echobeeld, voor- en nadelen

• Hoe sterker de echo, hoe helderder de plek in het beeld; de looptijd geeft de diepte.

• Voordelen: geen ioniserende straling, beelden in real time, zacht weefsel goed te zien.

• Nadelen: bot en lucht kaatsen bijna al het geluid terug, dus daarachter zie je weinig.

• Een gel op de huid voorkomt een luchtlaagje tussen probe en huid.

Syllabus B2.4: voor- en nadelen van echografie en op grond daarvan een keuze beargumenteren. Een grensvlak met een groot verschil tussen de weefsels geeft een sterke echo. Kijkvraag: waarom zie je op een echo van het been niets achter het bot? Veelgemaakte fout: denken dat echografie 'zwakke röntgenstraling' is. Image credit: Goleisureintl / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Wat is een ultrasone geluidsgolf?

A

Een elektromagnetische golf met hoge frequentie

B

Geluid met een lagere frequentie dan hoorbaar

C

Geluid met een frequentie boven de hoorgrens

D

Hoorbaar geluid met een grote amplitude

Syllabus B2.4: ultrasone geluidsgolf. Verwachte fouten: ultra met straling verwarren (A) of met infrasoon (C).

De echo komt na 80 µs terug. Neem v = 1,5·10³ m/s. Hoe diep ligt het grensvlak?

A

6,0 cm

B

12 cm

C

6,0·10⁴ m

D

3,0 cm

Gegeven: t = 80 µs = 80·10⁻⁶ s, v = 1,5·10³ m/s. Gevraagd: s. s = ½·v·t = ½ · 1,5·10³ · 80·10⁻⁶ = 0,060 m = 6,0 cm. Controle: 1,5·10³ · 80·10⁻⁶ = 0,12 m, de helft is 0,060 m. Verwachte fouten: het ½ vergeten (12 cm), µs niet omrekenen (6,0·10⁴ m) of nog een keer delen door 2 (3,0 cm). Syllabus B2.4.

Gammacamera met twee detectorkoppen, 1999 (foto: TheRealSteelskin, CC BY-SA 4.0, bewerkt)

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Nucleaire diagnostiek

• Nucleaire diagnostiek laat zien hoe een orgaan werkt, niet alleen hoe het eruitziet.

• De patiënt krijgt een tracer: een radioactieve stof die zich ophoopt in het weefsel dat je onderzoekt.

• Een gammacamera buiten het lichaam vangt de γ-straling op en maakt er een beeld van.

• Waar de tracer zich ophoopt, komt veel straling vandaan: die plek valt op in het beeld.

Syllabus B2.4: nucleaire diagnostiek en tracer; B2.2: nucleaire diagnostische geneeskunde, γ-straling. Foto: een gammacamera met twee detectorkoppen; de koppen staan dicht bij de patiënt op de tafel en vangen de γ-straling op. De soorten straling en het verschil tussen bestraling en besmetting staan in de les Straling en radioactiviteit; halveringstijd en dosis in de les Halveringstijd en dosis. Kijkvraag: waar zit de stralingsbron bij een röntgenopname en waar bij nucleaire diagnostiek? Veelgemaakte fout: denken dat de camera straling uitzendt. Image credit: TheRealSteelskin / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0, uitsnede en logo verwijderd

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Voor- en nadelen nucleair

• Voordeel: je ziet de werking van een orgaan, zoals de stofwisseling of de doorbloeding.

• Voordeel: de γ-straling komt het lichaam uit, dus een camera buiten het lichaam kan haar opvangen.

• Nadeel: de stralingsbron zit in het lichaam zelf, dus de bestraling komt van binnenuit.

• Nadeel: het beeld is minder scherp en laat weinig bouw zien; een arts kiest daarom soms een andere techniek.

Syllabus B2.4: voor- en nadelen en een keuze beargumenteren. Een tracer wordt zo gekozen dat de stralingsbelasting beperkt blijft; hoe dat met de halveringstijd zit komt in de les Halveringstijd en dosis. Veelgemaakte fout: nucleaire diagnostiek zien als beste techniek voor alles; het laat vooral functie zien, geen vorm.

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Technieken vergeleken

• Röntgenopname: snel, goed voor bot, slecht voor zacht weefsel, ioniserend.

• CT-scan: doorsneden met veel detail, hogere stralingsbelasting, ioniserend.

• Echografie: geen ioniserende straling, goed voor zacht weefsel, bot en lucht storen.

• Nucleaire diagnostiek: laat de werking zien, tracer in het lichaam, ioniserend.

Syllabus B2.4: beeldvormingstechnieken met voor- en nadelen. Laat leerlingen de vier regels dichtklappen en uit het hoofd aanvullen. Veelgemaakte fout: 'ioniserend' bij echografie noemen.

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Een techniek kiezen

• Stap 1: wat wil de arts zien: de vorm van bot, zacht weefsel, een doorsnede of de werking?

• Stap 2: kies de techniek die daarbij hoort en noem de natuurkunde: absorptie, terugkaatsing of tracer.

• Stap 3: noem een voordeel of nadeel dat in deze situatie meetelt, zoals de stralingsbelasting.

• Stap 4: sluit af met een conclusie in één zin met 'omdat'.

Syllabus B2.4: op grond van voor- en nadelen in gegeven situaties een keuze voor een techniek beargumenteren. Voorbeeld: gebroken pols. Techniek: röntgenopname. Natuurkunde: bot absorbeert veel meer dan spieren. Voordeel: snel en lage belasting. Conclusie: 'Een röntgenopname past, omdat bot veel straling absorbeert en dus goed afsteekt.' De kennis hoeft niet wendbaar: alleen in de context van medische beeldvorming.

Vul in

Bij nucleaire diagnostiek krijgt de patiënt een {tracer} en vangt een gammacamera de {γ-straling} van buiten het lichaam op.

echo

röntgenbuis

Syllabus B2.4 en B2.2: tracer en γ-straling. Verwachte fout: röntgenbuis, die hoort bij röntgenopname en CT.

Wat is een nadeel van nucleaire diagnostiek?

A

Het toestel geeft alleen geluid af

B

De stralingsbron zit in het lichaam zelf

C

Het laat nooit de werking van een orgaan zien

D

De straling kan het lichaam niet verlaten

Syllabus B2.4. De tracer zit in het lichaam, dus de bestraling komt van binnenuit. Verwachte fouten: B en C zijn het omgekeerde van de eigenschappen van de techniek.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Rekenen met halveringsdikte

2

Diepte uit een echo berekenen

3

Technieken vergelijken

4

Een techniek kiezen en uitleggen

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je klassikaal nog eens doorloopt.

Gebroken pols: welke techniek en waarom?

Verwacht: röntgenopname, omdat bot veel meer straling absorbeert dan zacht weefsel en dus goed afsteekt; snel. Laat leerlingen de natuurkunde noemen (absorptie), niet alleen de techniek.

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Begrippen (1/2)

• röntgenopname: Schaduwbeeld van het lichaam met röntgenstraling; bot absorbeert meer dan zacht weefsel.

• CT-scan: Röntgenbuis en detectoren draaien rond het lichaam; een computer maakt doorsneden.

• echografie: Beeld van het lichaam met teruggekaatste ultrasone geluidspulsen.

• nucleaire diagnostiek: Beeld van de werking van een orgaan met een tracer en een gammacamera.

• tracer: Radioactieve stof die zich ophoopt in een orgaan en γ-straling uitzendt.

EXAMENSTOF · B2 · MEDISCHE BEELDVORMING

Begrippen (2/2)

• ultrasone geluidsgolf: Geluid met een frequentie boven de hoorgrens.

• absorptie: Een stof neemt straling of geluid op.

• transmissie: Het deel van de straling of het geluid dat door een stof heen komt.

• terugkaatsing: Een deel van de golf keert terug aan een grensvlak tussen twee weefsels.

• halveringsdikte: Dikte van een stof die de intensiteit van de straling halveert.