Kategorije
Broj 15 Razumjeti znanost

Od Röntgena do Damadiana: demistifikacija zračenja te uvod u radiologiju i nuklearnu medicinu

🕒 13 min

Koautor: Mario Zelić

“Ništa u životu ne postoji da bi da se plašili, samo da bismo ga razumjeli. Sada je vrijeme da razumijemo više kako bismo se bojali manje.”

Marie Curie

Zračenje je riječ koja plaši mnoge ljude. Velik dio tog straha proizlazi iz manjka razumijevanja toga što zračenje uistinu jest te što radi, a što ne. “Zračenje” samo za sebe vrlo je širok pojam, općenito korišten za bilo kakvu emisiju energije iz nekog izvora. Međutim, brojne su pojave obuhvaćene njime, a dolaze u raznim kategorijama uobičajenosti, kao i opasnosti. Čak i one vrste zračenja koje možemo smatrati “opasnima” mogu nekad biti korisnije nego što su štetne – zbog čega u medicini postoje i tretmani liječenja štetnih efekata zračenja i tretmani koji zahtijevaju namjerno ozračenje pacijenta.

Opet, riječ “zračenje” može značiti mnogo toga. U fizici se obično razdvaja na dvije vrlo različite (iako nekad povezane) kategorije – elektromagnetsko (EM) zračenje i nuklearno zračenje. Elektromagnetsko zračenje obilježeno je svojim djelovanjem – sastoji se od valova čiste energije, oscilacija u elektromagnetskom polju. Od navedenih kategorija, ono je manje zanimljiv izbor za potrebe naše rasprave pa nećemo ulaziti u previše detalja, ali možda bi vas mogli zanimati neki od linkova na kraju članka ako želite znati više. Nuklearno zračenje obilježeno je svojim izvorom – atomskom jezgrom. Jezgra atoma izgrađena je od protona i neutrona držanih na okupu zbog djelovanja jedne od četiriju fundamentalnih sila, jake nuklearne sile. Međutim, neke su atomske jezgre po prirodi nestabilne ili radioaktivne. One se raspadaju i emitiraju nuklearno zračenje kako bi postigle stabilnije stanje.

Dobro, loše, zlo

Kada govorimo o radioaktivnosti (i, općenitije, o bilo kojem obliku zračenja), korisno je napomenuti da ono nije ili-ili tip stvari. Nešto nije samo radioaktivno ili ne, već može biti više, manje ili efektivno nimalo radioaktivno. Ono što čini razliku jesu količina i tip zračenja. Zato radiolozi mogu pacijenta sigurno izložiti kontroliranoj dozi zračenja – potencijalna šteta zanemariva je u odnosu na doprinos dodatnih informacija pri traženju dobre dijagnoze. Isto zato, doduše, radiolog neće stajati u istoj prostoriji ili će nositi zaštitnu opremu (ili bar biti više pokriven od pacijenta). Radiolozi stalno rade sa zračenjem, zbog čega bi se izlagali riziku ako ne bi minimizirali dozu koju prime po pacijentu.

Bitna razlika treba se napraviti između različitih vrsta zračenja. Prvo, možemo razlikovati ionizirajuće i neionizirajuće zračenje. Ionizirajuće ima dovoljnu energiju da proizvede ione na molekularnoj razini tkiva, dok neionizirajuće nema. Primjeri neionizirajućeg zračenja mogu se naći u našim svakodnevnim životima, od naših mobitela, radio antena, vidljivog svjetla, pa čak i 5G tornjeva (oko kojih se stvorilo mnogo teorija zavjere zbog manjka razumijevanja što zračenje uistinu jest). Kako bismo ostali potpuno iskreni, neionizirajuće zračenje može naštetiti čovjeku, ali samo u obliku topline. Ovaj efekt grijanja također se koristi u medicini u različitim oblicima infracrvene i mikrovalne terapije za rehabilitaciju od operacija ili ozljeda, olakšavanja boli i mnogih drugih slučajeva.

Slika 1: Elektromagnetski spektar i zračenja.

Pri ionizirajućem zračenju, emitirani ioni mogu uzrokovati veliku štetu našoj DNK ili proteinima u stanici, što može dovesti do smrti ili različitih ozljeda. Kada mislimo na ionizirajuće zračenje, najčešće mislimo na rendgensko (ili X-) i gama elektromagnetsko zračenje, kao i na nuklearno zračenje. Tipična oštećenja zračenjem uključuju, ali nisu ograničena na:

  • Anemije (gubitak proizvodnje crvenih krvnih stanica)
  • Problemi probavnog trakta (gubitak epitelnih stanica koji pokrivaju unutrašnjost naših crijeva i na taj nam način pomažu s probavom)
  • Reakcija tkiva (kada visoke doze zračenja oštete veliku količinu nekog tkiva poput naše kože, pluća, krvnih žila ili mozga)
  • Mutacija spermija i jajnih stanica (malo povećan rizik pojavljivanja genetskih defekata kod djece)
  • Povećana vjerojatnost razvoja raka

Ova oštećenja zračenjem najčešće se pojavljuju u 3 stadija:

  1. Prvi (ili akutni = brzonastupajući) stadij – mučnina, gubitak apetita, povraćanje, umor i proljev
  2. Drugi (ili latentni = čekajući) stadij – nema simptoma
  3. Treći (ili kronični = dugotrajući) stadij – različiti sindromi ovisni o apsorbiranoj dozi zračenja

Koliko će teški simptomi zračenja biti ovisi o mnogim faktorima, ali najvažniji su:

  • Količina (doza)
  • Vrijeme u kojem je doza primljena
  • Koliki je dio tijela izložen zračenju
  • Osjetljivost tkiva na zračenje
  • Starost i zdravlje osobe te prisutnost genetskih abnormalnosti

Nuklearno zračenje najčešće se dijeli na tri tipa – alfa, beta i gama, ovisno o tome koje su čestice emitirane.

Alfa zračenje dolazi od naziva „alfa raspad“ u nuklearnoj fizici, pri kojem se nestabilna atomska jezgra raspada na alfa česticu (2 protona i 2 neutrona – jezgra helija-4) i kćer-jezgru koja ima 2 protona i 2 neutrona manje.

Slika 2: Alfa raspad plutonija.

Beta zračenje dolazi od „beta raspada“, u kojem se nestabilna jezgra raspada otpuštajući takozvanu beta česticu. Postoje dvije različite vrste beta raspada – beta-minus i beta-plus raspad, s različitim beta česticama. U beta-minus raspadu nestabilna jezgra raspada se na elektron, antineutrino (neutrinovu antičesticu) i kćer-jezgru koja ima jedan proton više. U beta-plus raspadu, nestabilna jezgra raspada se na pozitron (česticu koja je slična elektronu, ima istu masu kao on, ali joj je naboj +1, a ne -1), neutrino (malu česticu gotovo bez mase i bez naboja koja nosi velike količine energije) i kćer-jezgru s jednim protonom manje. Otpuštanje ovih brzih visokoenergetskih elektrona ili pozitrona ono je što inače nazivamo beta zračenjem.

Slika 3: Beta plus i beta minus radioaktivni raspad.

Gama zračenje dolazi od gama raspada, gdje ekscitirana jezgra (ona s velikom količinom energije) otpušta energiju u obliku gama fotona (što je zapravo oblik visokoenergetskog elektromagnetskog zračenja).

Slika 4: Gama zračenje.

Kako bismo znali kolikoj je količini zračenja osoba bila izložena, trebamo način kako bismo izmjerili koliku je količinu zračenja osoba zapravo apsorbirala. Ta je količina poznata pod nazivom apsorbirana doza i ona je mjera energije predane tijelu ionizirajućim zračenjem. Ona je jednaka energiji predanoj po jedinici mase, znači da ima mjernu jedinicu džul po kilogramu, s prisvojenim imenom gray (Gy) gdje je jedan gray jednak jednom džulu po kilogramu. Ponekad možemo naići i na staru mjernu jedinicu apsorbirane doze zvanu rad, gdje je 100 rad = 1 Gy.

Klinički bitnija mjera ozračenja je ekvivalentna doza. Ekvivalentna doza jednaka je apsorbiranoj dozi pomnoženoj s težinskim faktorom zračenja. Ovaj faktor ovisi o različitim vrstama i energijama zračenja kojem je osoba izložena. Na primjer, ovaj jednak je 1 za rendgenske i gama zrake kao i za beta čestice, 5 za protone, a između 5 i 20 je za neutrone i alfa čestice. Mjerna jedinica za ekvivalentnu dozu je Sievert (Sv) i koristi se za mjerenje toga koliko zračenja osoba može sigurno primiti prije nego što se određeni simptomi krenu pojavljivati. Na primjer, doza profesionalne izloženosti radiologa i specijalista nuklearne medicine godišnje je 20 mSv. Različiti dijelovi našeg tijela imaju različite ekvivalentne doze, tako da naše oči, koje su jako osjetljive na zračenje, mogu primiti samo 150 mSv godišnje, dok naši dlanovi i stopala mogu primiti čak 500 mSv godišnje prije nego što je određen broj stanica promijenjen zračenjem. Fetusi su jako osjetljivi na zračenje, pogotovo tijekom prvih nekoliko tjedana od začeća, kada majke još možda nisu ni svjesne da su trudne. Njihova ekvivalentna doza iznosi samo 1 mSv za čitavo vrijeme trudnoće.

Zračenje i medicinsko oslikavanje

Sada, znajući da postoje načini kako možemo sigurno koristiti zračenje za dijagnosticiranje bolesti, pogledajmo kako su ljudi pronašli različite načine kako iskoristiti različite vrste zračenja.

Najpoznatija je tehnika dijagnostike zračenjem rendgen zbog svoje povijesti kao iz zbog svojih mnogih korisnih primjena. Koristimo rendgen kako bismo vidjeli unutrašnje organe, kosti i nekada krvne žile.

Slike 5: Antero-posteriorna slika rendgena prsa čovjeka.

Ovo je antero-posteriorna slika rendgena prsa čovjeka. Kosti se najbolje vide jer apsorbiraju najviše zračenja, dok se u plućima većinom nalazi zrak, koji loše upija zračenje pa zbog toga ona izgledaju crno. Zanimljiva činjenica o rendgenskim slikama je ta što dobijemo 2D sliku 3D strukture prsnog koša. Zbog toga možemo vidjeti cijela rebra, iako su djelomično naprijed, a djelomično odostraga. U sredini možemo vidjeti obris srca, a oko njega se vide sivkaste mrežolike strukture – to su zapravo krvne i limfne žile zajedno s bronhiolima. Možemo ih vidjeti u središnjem dijelu pluća jer su tu debeli, ali kako odmičemo prema vanjskom dijelu pluća, postaju sve tanji te zbog toga i manje vidljivi. Jedino kako ih vidimo je ako ih nešto učini vidljivima, što su najčešće upala, tumor ili nakupljanje tekućine, tj. plućni edem.

Funkcijska osnova rendgenskih strojeva uglavnom leži u potpunosti u elektromagnetizmu. Obično proizvode zračenje tako da zabijaju brze elektrone u takozvanu anodu izrađenu od teških atoma, zbog čega elektroni otpuštaju svoju energiju u obliku topline, ali i nešto elektromagnetskog zračenja. X-zrake vrlo su visokoenergijsko EM zračenje, što im omogućuje da prođu kroz ljudsko tijelo kako bismo s druge strane dobili sliku. Najobičnija svjetlost može u nekim slučajevima proizvesti sličan efekt. Stavite li, na primjer, svjetlo svog mobitela direktno na vrh prsta, moći ćete otprilike vidjeti kako je kost prsta postavljena. Princip je u biti isti – ostatak vašeg tijela samo je previše otporan na prolazak niskofrekventne svjetlosti, prebrzo se reflektira ili apsorbira.

Kao dodatak, ovime se možda lakše možete pomiriti s time zašto su oni težinski faktori zračenja otprije viši za zračenje niže energije, što bi moglo biti malo zbunjujuće. Jednostavno je, vaše tijelo neće uspjeti zadržati mnogo gama zračenja, samo će proći kroz vas! Alfa čestice, s druge strane, puno su veće pa ih je lakše zaustaviti. Kad stanu, istalože svoju energiju u što god ih okružuje, čime uzrokuju veću štetu nego kad bi samo prošle bez zaustavljanja. Zapravo apsorbirate iznenađujuće malo rendgenskog zračenja tijekom snimanja upravo zbog toga. Naša tijela jednostavno nisu dovoljno dobra u zaustavljanju tako visokoenergijskog zračenja (što nazivamo niskom atenuacijom ili prigušenjem).

Iduće možete vidjeti kako izgleda scintigrafija ljudskog kostura.

Slika 6: Anteriorna i posteriorna slika scintigrafije kostura čovjeka.

Scintigrafija je dijagnostička procedura nuklearne medicine za vrijeme koje pacijent intravenozno primi određenu količinu radionuklida (nestabilnog, radioaktivnog atoma). Ti atomi emitiraju gama zračenje, koje hvataju detektori nazvani gama kamerama. Proces je sličan rendgenu, ali koristi visokoenergetske fotone nuklearnog podrijetla. Ovisno o tome koji radionuklid stavite pacijentu u tijelo, različiti dijelovi tijela apsorbirat će atome i otpuštat će fotone.

Scintigrafija se najčešće koristi za različite bolesti kostiju poput upale, tumora i prijeloma. Također, može se koristiti za dijagnostiku mnogih drugih bolesti poput žučnih kamenaca u žučovodu, razlikovanje dobroćudnih od zloćudnih tvorbi u štitnjači i doštitnim žlijezdama, promatranje funkcije srca nakon preživljenog srčanog napada. Na slici gore možete vidjeti 2D prikaz ljudskog kostura. Kosti u kojima se najviše nešto događa apsorbiraju najviše atoma i prikazuju se kao najtamniji. Postoje mnogo sofisticiranije verzije scintigrafije poznate kao SPECT i PET, koje postaju sve jeftinije i time češće korištene.

Scintigrafija je posebna upotreba metode koja se zove scintilografija (s kojom dijeli latinski korijen riječi “iskra”), a koja označava bilo kakvo oslikavanje pulseva zračenja oslobođenih uslijed nuklearnog raspada ili sudara nekih čestica. U fizici se može koristiti za detekciju neutrina, koji su zloglasni po svojoj neuhvatljivosti.

Slika 7: CT abdomena pacijenta s rakom želuca na prednjoj stijenci.

Još jedna jako popularna dijagnostička tehnika jest CT. CT znači kompjuterizirana tomografija i ustvari je samo jako sofisticirani rendgen. Rotirajući izvor rendgenskih zraka oko osobe možemo dobiti jako detaljni uvid u određeni sloj čovjekova tijela. Na GIF-u gore možete vidjeti CT pacijentova abdomena. Ovaj pacijent ima rak želuca što se može vidjeti kao zaokružena siva struktura na prednjoj strani želuca (gore je prednja strana, dolje je stražnja strana). CT nam je jako koristan jer nam omogućuje uvid u organe, krvne žile, a može nam pokazati i kako se organi pomiču i funkcioniraju u stvarnom vremenu. Na ovaj način možemo dijagnosticirati i funkcionalne bolesti različitih organa.

Možda vas zanima zašto na ovim slikama možete vidjeti puno više mekog tkiva nego na rendgenskoj snimci otprije. Kao što smo ranije rekli, i meko tkivo može zaustaviti dio X-zraka, samo ne onoliko koliko mogu naše puno čvršće, gušće kosti. Zato CT skeneri koriste rotaciju – kao i računala (odakle dolazi C u CT). Skenovi dobiveni iz različitih kutova mogu se iskoristiti za rekonstrukciju sveobuhvatne slike raznih tkiva kroz koja su rendgenske zrake prošle, sve na temelju razlika u atenuaciji. Takva rekonstrukcija također omogućuje dobivanje čiste slike sloja, bez onog neobičnog 3D u 2D efekta. Možete vidjeti jednostavno objašnjenje ovdje (ili pročitati jedno dosta detaljnije na linku na kraju članka).

Slika 8: Horizontalni, sagitalni i frontalni MR mozga.

Kao završni primjer medicinskog oslikavanja, predstavljamo vam kraljicu radiologije – MR, odnosno magnetska rezonanca. Ova tehnika omogućila nam je pristup mnoštvu informacija o čitavom ljudskom tijelu, ali osobito o ljudskom mozgu. Često se koristi kod oslikavanja mozga jer puno bolje prikazuje bijelu i sivu tvar od CT-a pa se stoga mogu puno lakše dijagnosticirati različite bolesti poput demencije, multiple skleroze, Alzheimerove bolesti, epilepsije i mnogih drugih. Također se koristi u stereotaktički vođenoj neurokirurgiji i radiokirurgiji za liječenje tumora mozga i različitih malformacija. Da ne bude zabune, također se koristi za dijagnozu bolesti ostalih organa poput kardiovaskularnog, probavnog i mišićnokoštanog sustava.

Još jedna zanimljiva razlika MR-a u odnosu na ostale spomenute tehnike jest to da uopće ne izlaže pacijenta ionizirajućem zračenju. Umjesto toga, MR uređaji proizvode jaka magnetska polja i iskorištavaju vrlo zanimljiv, ali također dosta kompliciran fenomen nuklearne magnetske rezonancije. Upotreba jakih magenta predstavlja i jedno ograničenje, doduše, a to je kod pacijenata s metalnim implantatima. No, ukratko, jezgre atoma vodika (koji su posebno odabrani u radiologiji jer ih ima posvuda u ljudskom tijelu, od vode do kojekakvih organskih molekula) mogu se natjerati da emitiraju signale tako da apsorbiraju energiju u poravnanju s jakim vanjskim magnetskim poljem (jer protoni pokazuju određen intrinzični magnetizam, svoj magnetski moment). Stoga zapravo jakost magnetskog polja, iako bitna, ovdje nije istinski najvažniji faktor – veću ulogu igra to koliko su ravne silnice magnetskog polja (odnosno njegova homogenost).


Još jednom, zračenje je riječ koje se brojni ljudi jako boje, a slabo je razumiju. Istinsko razumijevanje zračenja, njegovih učinaka i toga kako se zapravo može uporabiti nama u korist ključno je u današnjem svijetu jer nas razni njegovi oblici uistinu svugdje i stalno okružuju u našoj svakodnevici. Zato se i nadamo da smo takvo razumijevanje približili onima od vas kojima je to bilo potrebno, a možda pobudili novi, dublji interes u onih kojima nije. Stoga, uživajte u raznovrsnim oblicima zračenja, neki od kojih vam i omogućuju da čitate članke poput ovoga.

Želiš još?

Evo kratke selekcije dodatnih izvora o temama koje smo raspravili, uz napomenu da su sve na engleskom jeziku:

  1. A more detailed explanation of the principles behind CT scanning
  2. How MRI works
  3. A summary of what nuclear medicine is and what it does
  4. Is radiation dangerous? by Fermilab

Autor Laura Busak

Laura je studentica fizike s velikom ljubavi za sve povezano sa svemirom. Voli svirati i slušati glazbu, čitati, promišljati i općenito raditi što god joj padne na pamet, nerijetko do bar 2 ujutro.

Odgovori

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Obavezna polja su označena sa *

Ova web-stranica koristi Akismet za zaštitu protiv spama. Saznajte kako se obrađuju podaci komentara.