Elektromanyetik Alan Sunumu - Dr. Serhat TOZBURUN - PDF

Elektromanyetik (EM) alan ve radyasyon: Kaynaklar ve Korunma Yöntemleri Outline: 1- EM alanı nedir? 2- EM alan radyasyonu nedir? 3- Tıpta EM alanı 4- Korunma Yöntemleri Tozburun – fall’22 İletişim Bilgileri: Serhat Tozburun, PhD Doç.Dr. DEU IBG-Izmir ve...

Elektromanyetik (EM) alan ve radyasyon: Kaynaklar ve Korunma Yöntemleri Outline: 1- EM alanı nedir? 2- EM alan radyasyonu nedir? 3- Tıpta EM alanı 4- Korunma Yöntemleri Tozburun – fall’22 İletişim Bilgileri: Serhat Tozburun, PhD Doç.Dr. DEU IBG-Izmir ve DEU Biyofizik ABD Ofis no: 1026 Tel: 0(232) 412 65 38 Eposta: [email protected] Tozburun – fall’22  Research field: Physics Life (optics & Sciences photonics) Engineering (EE & ME) Biophotonics and Optical Imaging Healthcare purposes; diagnostic and/or therapeutic Tozburun – fall’22 Tozburun – fall’22 Elektrik alanları (EA) - voltajdaki farklılıklar: voltaj ne kadar yüksekse, ortaya çıkan alan o kadar güçlü olacaktır. Manyetik alanlar (MA) - elektrik akımında akış: akım ne kadar büyükse, manyetik alan o kadar güçlüdür. Ø Akan akım olmadığında bile bir EA var olacaktır. Ø MA’nın gücü, güç tüketimine göre değişecektir ancak EA gücü sabit olacaktır. Tozburun – fall’22 Electromagnetic Wave Magnetic field Electric field Tozburun – fall’22  EM Alanının Doğal Kaynakları Temel frekans, 7.84 Hz 2. harmonik, 14.1 Hz 3. harmonik, 20.3 Hz ~50 x 10-6 Tesla Sirkadiyen ritimler? Tozburun – fall’22 Peter Reid / NASA Tozburun – fall’22  EM Alanının İnsan Yapımı Kaynakları (bazı örnekler) 123rf.com Copyright: elenabsl Tozburun – fall’22 James C. Maxwell (Scottish) 1831-1879 Tozburun – fall’22 Elektromanyetik Spektrum Tozburun – fall’22  Elektromanyetik alanlar, tıbbi teşhis ve tedavi uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. EMA KAYNAĞI alıcı teşhis EMA KAYNAĞI terapi Tozburun – fall’22  Anatomik Konum Şartları Superior (üst) Anterior (ön) Posterior (arka) Inferior (alt) Tozburun – fall’22  Tıbbi Görüntüleme Düzlemleri Sajital Düzlem Koronal Düzlem Transvers Düzlem Transvers düzlem: enine düzlem: gövdeye dik uzun eksen Sajital (önden arkaya) düzlem: Solu sağ taraftan ikiye böler (Latince = ok) Koronal (dikey) düzlem: Ön tarafı arkadan ikiye böler (Latince = taç) Tozburun – fall’22  Tomografik görüntüleme nedir? tomos: dilim veya bölüm. graphein: yazmak, çizmek. Tanım: Bir nesnenin dilimler şeklinde analiz ederek görüntülenmesi. *Vücut dünyaları sergisi, Bilim Müzesi, Richmond, VATozburun – fall’22  Tıbbi görüntüleme süreciyle ilgili ana adımlar Görüntüleme Sistemi görüntülenecek görüntü artefakt obje sonda bozukluk DAQ bulanıklık kontrast işleme gürültü manuel ya da otomatik yorumlama parametrelerinin kontrolü manuel ya da otomatik Tozburun – fall’22  Energy sources and tissue properties employed in medicine Doku özellikleri Mass density Electron density Görüntü özellikleri Enerji kaynakları Proton density Transmissivity x-rays Atomic number Opacity gamma-rays (positron) Velocity Emissivity Visible light Pharmaceutical location Reflectivity UV light Current flow Conductivity Annihilation radiation Relaxation Magnetizability Electric fields Blood volume/flow Resonance Magnetic fields Oxygenation level of blood Absorption Infrared (IR) Temperature Ultrasound (US) Chemical state Applied voltage Tozburun – fall’22  X-ışını görüntüleme - Wilhelm Röntgen (German): 1895'te röntgenlerin keşfi Fizikte ilk Nobel Ödülü Tıbbi görüntülemenin kaynağı (radyografi) - Radyografi, çok erken bir zamandan beri tanı aracı olarak kullanılmıştır. Ancak iyonlaştırıcı radyasyon kaynağının tehlikeleri daha sonra keşfedildi. - Sınırlayıcı faktör, vücuttaki bitişik yumuşak dokuların yoğunlukları arasındaki benzerliktir, bu da onu vücuttaki kemik veya yabancı cisimler için çok ilginç bir görüntüleme tekniği yapar, ancak yumuşak doku patolojileri için değildir. *WG Bradley, “History of medical imaging,” Proc. Amer. Philos. Soci., (2008). Tozburun – fall’22  X-ışını üretimi Pozitif bir tungsten hedef anot Isıtılmış filaman, cam kap termiyonik emisyonla elektron yayar. Coolant circulates window (e.g. copper rod for heat dissipation) Elektronlar yüksek voltajla hızlandırılır (bir vakum içindeki çok yüksek sıcaklıktaki filaman negatif katodundan pozitif tungsten hedef anoda doğru). X-ışını Yüksek hızlı elektronlar metal hedefe çarptığında üretilen X ışınları. Tozburun – fall’22  X-ışınının zayıflaması *WR Hendee and ER Ritenour, Medical Imaging Physics, Wiley-Liss, Inc., New York., 4th Ed., (2002). Tozburun – fall’22  Konvansiyonel radyografi ve CT görüntüleme Konvansiyonel radyografi: Yalnızca 2B (x ve y) bilgileri sağlama. Derinlik kaybı (z), filme veya detektöre yansıtılan 2 boyutlu bir görüntüye daraltılarak bilgiyi çözdü. Herhangi bir şeyin ne kadar derin olduğunu söyleyemeden bir bedeni baştan sona görüntüleme. Computed tomography (CT): Üstün mekânsal bilgi sağlayan gelişmiş radyolojik görüntüleme tekniği. 3B bilgi sağlamak. Tomografik rekonstrüksiyon ile enine kesitsel bir görüntünün üretilmesine izin veren farklı bakış açılarında çok sayıda gözlem elde etmek. Tozburun – fall’22 CT’nin kısa bir geçmişi 1924 - mathematical theory of tomographic image reconstructions (J. Radon) 1930 - conventional tomography (A. Vallebona) 1963 - theoretical basis of CT (A. McLeod Cormack) 1971 - first commercial CT (Sir Godfrey Hounsfield) 1974 - first 3rd generation CT 1979 - Nobel price (Cormack & Hounsfield) 1989 - single-row CT 1994 - double-row spiral CT 2001 - 16-row spiral CT 2007 - 320-row spiral CT Cormack Hounsfield (English) (S.African American) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1979 was awarded jointly to AM Cormack and GN Hounsfield "for the development of computer assisted tomography." Tozburun – fall’22  Gamma-ışını Görüntülemesi positron emission tomography (PET) single-photon emission computer tomography (SPECT) Hastaya bir radyoaktif izleyici (radyo izleyici) enjekte edilir. Radyotraktörler, radyoaktif izotop bağlı glikoz gibi moleküllerdir. İzotop daha sonra bozunarak gama ışınları yayar (enerjide görünür ışıktan çok daha yüksek olan ve vücuttan geçebilen fotonlar). Radiotracer iki gün içinde vücuttan ayrılır!! Tozburun – fall’22 *Şekil: Faria et al., PET imaging in multiple sclerosis, J Neuroimmune Pharmacol. 2014 Sep;9(4):468-82 Bazı uygulama örnekleri Kolimasyon: 16 x 0.6 mm Tarama süresi: 11.5 s Tarama mesafesi: 165 mm Dönme süresi: 1 s Eff. doz: 0.5 mSv Cerebral aneurysm *Welwitschia Hospital, Walvis Bay, Namibia - https://www.healthcare.siemens.com Tozburun – fall’22 Bazı uygulama örnekleri Kolimasyon: 16 x 0.6 mm Tarama süresi : 23.8 s Tarama mesafesi : 342 mm Dönme süresi : 1 s Eff. doz: 1.6 mSv Suspected multiple metastasis in the lung *Instituto Português de Oncologia de Lisboa Francisco Gentil, Portugal- https://www.healthcare.siemens.com Tozburun – fall’22 Bazı uygulama örnekleri Kolimasyon: 16 x 0.6 mm Tarama süresi : 50 s Tarama mesafesi : 705,2 mm Dönme süresi : 1 s Eff. doz: 0.5 mSv Metal fixation of bilateral femora, left hip and knee *Aarthi Scans – Chennai, India - https://www.healthcare.siemens.com Tozburun – fall’22  Bazı uygulama örnekleri Bir yıl boyunca = ~3 mSv (millisieverts) doğal kaynaklardan 10 saatlik uçuş = ~0.03 mSv from cosmic rays. Tek bir göğüs röntgeni = ~0.1 mSv Bir mammogram = ~0.4 mSv Kalın bağırsağın görüntülenmesi= ~8 mSv Karın (göbek) ve pelvisin CT taraması = ~10 mSv PET/CT = ~25 mSv *cancer.org Tozburun – fall’22 Radyasyon türleri ve nüfuz (penetrasyon) derecesi Tozburun – fall’22 *J. W. Hirshfeld et al., J American College of Cardiology, 71: 24 (2018). Tozburun – fall’22 Tozburun – fall’22 Aşama 1: Temel / Pasif uyum sistemi - Tüm güvenlik eğitimi programları, çalışma koşulları, prosedürleri ve süreçleri düzenlemelere uygundur. Aşama 2: Kendi kendini yöneten güvenlik (düzenlemelerle aktif) uyum sistemi - çalışanlar düzenlemelere uygunluğu sağlar ve eğitim ve diğer düzenleyici hükümler için kişisel sorumluluk alır. Aşama 3: Davranışsal güvenlik sistemi - bireylere tehlikeleri taramayı, potansiyel yaralanmalara ve bunları önleyebilecek güvenli davranış(lar)a odaklanmayı ve güvenli davranmayı öğretmek. Bu, işgücü arasındaki karşılıklı bağımlılığı, yani birbirlerinin güvenliğini gözetmeyi vurgular. Herhangi bir kültür geliştirme programının amacı, örgütsel ve bireysel davranışları en üst aşamaya taşımaktır. Tozburun – fall’22  Ses dalgası spektrumu Audible Infrasound (human hearing) Ultrasound 20 Hz 20 kHz 2 MHz 200 MHz Low pitch high pitch Seismic Medical Medical therapy imaging Infrasound (“infra” = “aşağı”), duyulabilir and ultrasound (“ultra” = “ötesi”) ses (akustik) dalga frekansları aralığıdır. En yüksek ve en düşük işitilebilir frekans oranının 103 veya neredeyse 10 oktav olduğuna dikkat edin. Tozburun – fall’22  Ses dalgaları Ses dalgaları mekanik dalgalardır. Bir ortamın hareket etmesini zorunlu kılmak (bir boşluktan geçemezler). Bir ortamda basınç dalgası olarak hareket etmek. Bir ortam içindeki titreşimlerden üretilir. Ses, basınçta bir değişikliktir. Ses dalgası üzerindeki artan basınç, sıkıştırma olarak adlandırılır. Bir ses dalgası üzerindeki azalan basınç, genişleme (seyrelme) olarak adlandırılır. Wavelength Propagation direction of wave Vibrations → υ Tozburun – fall’22  US görüntüleme *Şekil: http://www.mothernurtureultrasound.com/whats-the-difference-between-a-3d-and-4d-ultrasound/ Tozburun – fall’22 Birkaç US görüntüleme örnekleri Sağlıklı bir deneğin uyluğundaki yüzeyel femoral arterin (SFA) ve yüzeyel femoral venin (SFV) nabız eko görüntüsü. Doppler bilgilerinin nabız eko görüntüsü üzerine bindirilmesiyle elde edilen renkli akış görüntüsü. *Şekil: D Evans, J Jensen, M Nielsen, “Ultrasonic colour Doppler imaging,” Interface focus (1), (2011). Tozburun – fall’22  Alternating frequency 1 MHz frequency 3 MHz frequency 1 MHz + 3 MHz Nüfuz derinliği İşlem sırasında doğrudan temastan kaçının!! (termal hasar tehlikesi) Tozburun – fall’22  MRI temel ilkesinin özeti Atomlar, kendi manyetik Eşsiz atomlar, radyo frekansını alanları etrafında rastgele uygularken aynı yönde dönerler. dönerler. (RF) nabız. Ekstra atomlar, RF darbesi KAPALI olduğunda enerji yayan ilk, zıt yöne döner. *TA. Gould & M. Edmonds, http://science.howstuffworks.com/mri3.htm Tozburun – fall’22  Magnetic resonance imaging (MRI) devamı… MRI makineleri, çok güçlü manyetik alanlar oluşturmak için tasarlanmıştır. Yoğunluk genellikle 1.5 T ile 5 T arasındadır. Karşılaştırma için, Dünya'nın manyetik alanının gücü kabaca 5 × 10−5 T'dir. İnsan vücudundaki hidrojen atomlarının (küçük mıknatıslar) tepkisi, MRI'ı güçlü bir manyetik alana karşı düşük enerjili radio-frekans (RF) darbelere maruz bırakıldığında çekici bir görüntüleme yöntemi haline getirir. Güçlü manyetik alanlara maruz kalmanın zararlı olduğuna dair hiçbir kanıt yoktur. MRI, üstün yumuşak doku kontrastı, yüksek uzaysal çözünürlük ve iyi zamansal çözünürlüğe sahip iyonlaştırıcı olmayan bir görüntüleme tekniğidir. *Figure: https://sportsmedicine.mayoclinic.org/locations/minneapolis-mn.php Tozburun – fall’22 Paramagnetic ve ferromagnetic → µi Magnetic moment → → µ total = ∑ µi i Magnetization: hacim başına toplam manyetik moment hacim (V) → → M = µ total / V Mıknatıslanmamış Kısmen mıknatıslanmış Tüm manyetik alanlar hizalı (doymuş) Tozburun – fall’22 Stam et al., Occupational exposure to electromagnetic magnetic from medical sources, Industrial Health 56, 96–105, (2018) Tozburun – fall’22  Optik Görüntüleme - Optik Terapi Mor: 400 – 450 nm Mavi: 450 – 500 nm Yeşil: 500 – 570 nm Sarı: 570- 590 Turuncu: 590 – 650 nm Kırmızı: 650 – 700 nm c = λ ⋅ν *Şekil: http://www.cpsafety.net/wp-content/uploads/2014/02/Image-1.png Tozburun – fall’22 Tedavi Penceresi (700-1300 nm) Tozburun – fall’22 Emilim Spektrumu – Saf Kan Tozburun – fall’22 *OCTnews.org Tozburun – fall’22 Optical coherence tomography (OCT) Tozburun – fall’22  In vivo 3B insan retinasının görüntülenmesi 250 μm çözünürlük: 3 μm. *Drexler et al., Vol. 7 Nature Medicine (2001). Tozburun – fall’22 *Potsaid et al., Vol. 8213 Proc. SPIE (2012). *Leitgeb et al., Vol. 41 Prog. Retinal&Eye Resr. (2014). Tozburun – fall’22  OCT teknolojisinin intraoperatif potansiyeli 1.2 cm 1 cm *Siddiqui, Nam, Tozburun, et al., Nature Photonics (2018). Tozburun – fall’22 *Tozburun, et al., Biomedical Optics Exp (2018).Tozburun – fall’22  Bileşik Mikroskop *Şekil: DB Murphy, “Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging,” John Wiley and Sons, Inc., (2011). Tozburun – fall’22  dik tasarım ve ters tasarım ters dik dik: Odak kontrolü, görüntüyü göz merceğinde uygun konumuna getirmek için numune aşamasını yukarı ve aşağı hareket ettirir. ters: Tabla gövdeye sabitlenir ve odak kadranları, görüntüyü göz merceklerinde konumlandırmak için hedef taretini yukarı ve aşağı hareket ettirir. Tozburun – fall’22 *Şekil: https://www.thermofisher.com/tr/en/home/life-science/cell-analysis/cell-analysis-learning-center/  Parlak alan Mikroskobi ve Floresan Mikroskobi boyanmamış boyanmış Obelia adlı deniz organizmasının örneği. Polipler, genellikle okyanus tabanı olan bir yüzeye yapışan kök benzeri iplikler. *Şekil: http://www.olympusmicro.com/micd/anatomy/micdbrightfield.html Tozburun – fall’22  Parlak Alan ve Karanlı Alan *Şekil: http://www.microbehunter.com/darkfield-microscopy/ Tozburun – fall’22  Geniş alan ve Konfokal Excitation Emission Wide Field Wide Field ZEISS ZEISS Plan-NEOFLUAR Plan-NEOFLUAR 40x /1,3 Oil 40x /1,3 Oil Excitation Emission Confocal Confocal ZEISS ZEISS Plan-NEOFLUAR Plan-NEOFLUAR 40x /1,3 Oil 40x /1,3 Oil Tozburun – fall’22  Göz ve Cilt Koruması! 1. Lazer ışığının özellikleri 2. Her bir lazer dalga boyunun özellikleri 3. Her dalga boyunun kromoforlarını belirleme (seçici fototermoliz) 4. Dozimetri (güç, güç yoğunluğu, darbe parametreleri, akıcılık, enerji yoğunluğu vb.) 5. Spot boyutu, iletim (ışıma) sistemleri, enstrümantasyon 6. Uygulama (tıbbi ve cerrahi) teknikleri Tozburun – fall’22 Sınıf 1: Akla gelebilecek her kullanım koşulunda güvenlidir. 1M: Optik yardımcılar olmadan görüntülemek için güvenli, ancak büyütme yardımcılarıyla (mikroskoplar, büyüteçler, dürbünler vb.) potansiyel olarak tehlikeli Sınıf 2: 0,25 saniyeden daha kısa süreyle bakıldığında görünür dalga boyları (400-700 nm) güvenlidir. 2M: Görünür dalga boyları (400-700 nm), optik görüntüleme yardımcıları ile güvenli değildir. Sınıf 3R: >7 mm çaplı lazer ışınının görüntülemesi için marjinal olarak güvensiz. Sınıf 3B: Işın içi görüntüleme için güvensizdir, doğrudan ancak dağınık enerjiden dolayı cilt ve göz hasarına neden olur. Sınıf 4: Doğrudan ve yansıyan enerjiden cilt ve göz hasarına neden olan yüksek güç. Tozburun – fall’22 Hatırlatma: Elektromanyetik Spektrum Tozburun – fall’22