Ιατρικές Ακτινοβολίες & Κβαντική Θεωρία

Φανταστείτε όλες τις μορφές φωτός και ενέργειας σαν ένα τεράστιο, αόρατο ουράνιο τόξο. Το μικρό κομμάτι που βλέπουμε με τα μάτια μας είναι απλώς μια λεπτή φέτα του. Στη μία άκρη αυτού του φάσματος έχουμε τα ραδιοκύματα, που είναι σαν μακριά, ήρεμα κύματα στη θάλασσα και μεταφέρουν το ραδιόφωνο και το Wi-Fi. Στην άλλη άκρη, έχουμε τις ακτίνες γάμμα, που είναι σαν μικροσκοπικά, πανίσχυρα και ταχύτατα κύματα. Κάπου ανάμεσα βρίσκονται τα μικροκύματα που ζεσταίνουν το φαγητό μας, το υπέρυθρο φως που νιώθουμε ως θερμότητα, το ορατό φως, και το υπεριώδες φως που μας μαυρίζει το καλοκαίρι. Οι ακτίνες Χ, που χρησιμοποιούν οι γιατροί για να δουν τα κόκαλά μας, βρίσκονται κοντά στο πολύ ενεργητικό άκρο, δίπλα στις ακτίνες γάμμα. Κάθε τύπος ακτινοβολίας είναι απλώς ενέργεια που ταξιδεύει, αλλά με διαφορετική «δύναμη» και «μήκος βήματος».

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ταξινομεί τις ακτινοβολίες με βάση το μήκος κύματος (λ) και τη συχνότητά τους (f). Αυτά τα δύο μεγέθη συνδέονται αντίστροφα μέσω της ταχύτητας του φωτός (c), με τη σχέση c = λf. Η ενέργεια (E) κάθε φωτονίου στο φάσμα είναι ανάλογη της συχνότητάς του, σύμφωνα με τη θεμελιώδη εξίσωση του Planck: E = hf, όπου h είναι η σταθερά του Planck. Έτσι, οι ακτινοβολίες χαμηλής συχνότητας, όπως τα ραδιοκύματα (f ≈ 10⁶ Hz), έχουν μεγάλο μήκος κύματος (λ ≈ 100 m) και πολύ χαμηλή ενέργεια. Αντίθετα, οι ακτίνες Χ που χρησιμοποιούνται στη διαγνωστική ιατρική έχουν συχνότητες της τάξης των 10¹⁸ Hz, μήκη κύματος συγκρίσιμα με τη διάμετρο ενός ατόμου (~10^-10 m) και ενέργειες που μετρώνται σε χιλιάδες ηλεκτρονιοβόλτ (keV). Αυτή η υψηλή ενέργεια είναι που τους επιτρέπει να διαπερνούν τους μαλακούς ιστούς του σώματος.

Ας σκεφτούμε το φως. Μερικές φορές, συμπεριφέρεται σαν κύμα στη θάλασσα. Μπορεί να διαχέεται, να περνά γύρω από εμπόδια και να δημιουργεί σχέδια συμβολής, ακριβώς όπως τα κύματα του νερού που συναντιούνται. Αυτή είναι η «κυματική» του φύση. Άλλες φορές, όμως, το φως συμπεριφέρεται σαν μια βροχή από μικροσκοπικά μπαλάκια ενέργειας. Κάθε «μπαλάκι» χτυπάει έναν στόχο και του μεταδίδει την ενέργειά του μεμιάς, σαν μια μπάλα του μπιλιάρδου. Αυτά τα μπαλάκια τα ονομάζουμε φωτόνια και αυτή είναι η «σωματιδιακή» του φύση. Το παράξενο και θαυμαστό στον κβαντικό κόσμο είναι ότι το φως (και κάθε ακτινοβολία) είναι και τα δύο ταυτόχρονα! Ανάλογα με το πώς το παρατηρούμε, θα μας δείξει είτε το κυματικό του πρόσωπο είτε το σωματιδιακό. Δεν είναι ότι αποφασίζει τι θα είναι, απλώς η φύση του είναι διπλή.

Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός είναι μια θεμελιώδης αρχή της κβαντομηχανικής. Δηλώνει ότι κάθε κβαντικό αντικείμενο, συμπεριλαμβανομένων των φωτονίων, μπορεί να εμφανίσει ιδιότητες τόσο κύματος όσο και σωματιδίου. Η κυματική φύση περιγράφεται από το μήκος κύματος (λ) και τη συχνότητα (f), ενώ η σωματιδιακή φύση από την ενέργεια (E) και την ορμή (p) του φωτονίου. Ο Louis de Broglie συνέδεσε αυτές τις δύο όψεις με τις σχέσεις λ = h/p και E = hf. Στις ιατρικές εφαρμογές, και οι δύο φύσεις είναι κρίσιμες. Η κυματική φύση είναι σημαντική σε φαινόμενα όπως η περίθλαση στις άκρες των αντικειμένων κατά την ακτινογράφηση, που μπορεί να επηρεάσει την ευκρίνεια της εικόνας. Η σωματιδιακή φύση, όμως, είναι κυρίαρχη στις αλληλεπιδράσεις που παράγουν την εικόνα, όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ένα φωτόνιο ακτίνας-Χ αλληλεπιδρά με ένα άτομο σαν ένα διακριτό πακέτο ενέργειας.

Κάθε φωτόνιο είναι σαν ένα μικροσκοπικό, ενεργειακό πακέτο. Ας φανταστούμε ότι ρίχνουμε πετραδάκια σε μια λίμνη. Ένα μικρό, ελαφρύ πετραδάκι θα δημιουργήσει έναν μικρό κυματισμό. Ένα μεγάλο, βαρύ πετραδάκι θα δημιουργήσει έναν πολύ μεγαλύτερο και ισχυρότερο κυματισμό. Με τα φωτόνια συμβαίνει κάτι ανάλογο. Τα φωτόνια του κόκκινου φωτός είναι σαν τα «ελαφριά πετραδάκια» – έχουν χαμηλή ενέργεια. Τα φωτόνια του μπλε ή του υπεριώδους φωτός είναι πιο «βαριά», έχουν περισσότερη ενέργεια. Τα φωτόνια των ακτίνων Χ είναι σαν τεράστιοι βράχοι! Έχουν τόσο πολλή ενέργεια που, όταν πέφτουν πάνω στα άτομα του σώματός μας, μπορούν να τα διαταράξουν και να περάσουν μέσα από αυτά. Αυτή η διαφορά στην ενέργεια του κάθε φωτονίου είναι ο λόγος που οι διάφορες ακτινοβολίες έχουν τόσο διαφορετικές ιδιότητες και χρήσεις.

Η ενέργεια ενός φωτονίου (E) είναι το θεμελιώδες μέγεθος που καθορίζει τη διεισδυτικότητά του και τον τρόπο αλληλεπίδρασής του με την ύλη. Μετράται συνήθως σε ηλεκτρονιοβόλτ (eV), με 1 eV να είναι η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται από διαφορά δυναμικού 1 Volt. Στην ιατρική απεικόνιση, οι ενέργειες είναι της τάξης των χιλιάδων (keV) ή εκατομμυρίων (MeV) ηλεκτρονιοβόλτ. Η σχέση E = hf = hc/λ δείχνει ότι η ενέργεια είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητας και αντιστρόφως ανάλογη του μήκους κύματος. Για παράδειγμα, ένα φωτόνιο ακτίνας-Χ με ενέργεια 80 keV έχει συχνότητα περίπου 1.9 x 10¹⁹ Hz. Αυτή η υψηλή ενέργεια του επιτρέπει να υπερνικήσει τις ενέργειες σύνδεσης των εσωτερικών ηλεκτρονίων στα άτομα των ιστών, οδηγώντας σε φαινόμενα ιονισμού που είναι η βάση της ακτινοδιαγνωστικής και της ακτινοθεραπείας.

Φανταστείτε τα άτομα στο σώμα μας σαν μικρά ηλιακά συστήματα, με τον πυρήνα στο κέντρο και τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω του σαν πλανήτες. Η μη-ιονίζουσα ακτινοβολία, όπως τα ραδιοκύματα ή το φως από μια λάμπα, είναι σαν ένα απαλό αεράκι. Μπορεί να κάνει τα ηλεκτρόνια να «χορέψουν» λίγο στη θέση τους, να ταλαντωθούν, αλλά δεν έχει αρκετή δύναμη για να τα διώξει από την τροχιά τους. Η ιονίζουσα ακτινοβολία, όπως οι ακτίνες Χ, είναι σαν ένας κομήτης που χτυπάει με δύναμη έναν πλανήτη. Έχει τόση ενέργεια που μπορεί να αποσπάσει ένα ηλεκτρόνιο εντελώς από το άτομό του. Αυτή η διαδικασία, ο «ιονισμός», αλλάζει το άτομο και μπορεί να προκαλέσει βιολογικές αλλαγές στα κύτταρα. Γι' αυτό οι ακτίνες Χ είναι χρήσιμες στην ιατρική, αλλά πρέπει να τις χρησιμοποιούμε με προσοχή.

Ο διαχωρισμός μεταξύ ιονίζουσας και μη-ιονίζουσας ακτινοβολίας βασίζεται στο αν η ενέργεια ενός μεμονωμένου φωτονίου είναι επαρκής για να υπερνικήσει την ενέργεια σύνδεσης ενός ηλεκτρονίου και να το απομακρύνει από το άτομο ή το μόριο, δημιουργώντας ένα ζεύγος ιόντων. Το ενεργειακό κατώφλι για τον ιονισμό των περισσότερων βιολογικών μορίων είναι περίπου 10-25 eV. Ακτινοβολίες με ενέργεια φωτονίου κάτω από αυτό το όριο, όπως το ορατό φως (≈2-3 eV) και τα μικροκύματα, είναι μη-ιονίζουσες. Οι κύριες βιολογικές τους επιδράσεις είναι θερμικές ή φωτοχημικές. Αντίθετα, οι ακτίνες Χ (με ενέργειες >120 eV) και οι ακτίνες γάμμα είναι ιονίζουσες. Ο ιονισμός μπορεί να προκαλέσει άμεση βλάβη σε κρίσιμα βιομόρια, όπως το DNA, ή έμμεση βλάβη μέσω της δημιουργίας ελεύθερων ριζών από τον ιονισμό μορίων νερού. Αυτή η ιδιότητα αξιοποιείται θεραπευτικά για την καταστροφή καρκινικών κυττάρων, αλλά επιβάλλει και την ανάγκη για ακτινοπροστασία.

Φανταστείτε ένα αυτοκίνητο που κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Αν ο οδηγός πατήσει ξαφνικά και δυνατά φρένο, το αυτοκίνητο θα επιβραδύνει απότομα, και η ενέργεια της κίνησής του θα μετατραπεί σε θερμότητα στα φρένα και σε ήχο (το τρίξιμο των ελαστικών). Κάτι παρόμοιο συμβαίνει με τα ηλεκτρόνια για να παραχθούν οι ακτίνες Χ. Επιταχύνουμε ένα ηλεκτρόνιο σε τεράστια ταχύτητα και το κατευθύνουμε προς έναν μεταλλικό στόχο. Καθώς το ηλεκτρόνιο περνά ξυστά από έναν βαρύ ατομικό πυρήνα του μετάλλου, η ισχυρή έλξη του πυρήνα το αναγκάζει να στρίψει απότομα και να «φρενάρει». Αυτή η ξαφνική απώλεια κινητικής ενέργειας δεν χάνεται, αλλά απελευθερώνεται με τη μορφή ενός φωτονίου ακτίνας-Χ. Όσο πιο απότομο το «φρενάρισμα», τόσο πιο ενεργητική η ακτίνα Χ που παράγεται.

Η ακτινοβολία πέδησης (Bremsstrahlung, από τα γερμανικά "braking radiation") είναι ο κύριος μηχανισμός παραγωγής ακτίνων-Χ στις ακτινολογικές λυχνίες. Όταν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας (π.χ., 100 keV) προσκρούουν σε ένα υλικό-στόχο υψηλού ατομικού αριθμού (Z), όπως το βολφράμιο (W, Z=74), αλληλεπιδρούν με το ηλεκτρικό πεδίο των πυρήνων. Η ηλεκτροστατική έλξη εκτρέπει την πορεία του ηλεκτρονίου, προκαλώντας του αρνητική επιτάχυνση (επιβράδυνση). Σύμφωνα με την κλασική ηλεκτροδυναμική, ένα επιταχυνόμενο φορτίο ακτινοβολεί ενέργεια. Αυτή η ενέργεια εκπέμπεται ως φωτόνιο ακτίνας-Χ. Η ενέργεια του φωτονίου μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή από μηδέν έως τη μέγιστη κινητική ενέργεια του προσπίπτοντος ηλεκτρονίου (E_max), η οποία καθορίζεται από την τάση της λυχνίας (kVp). Αυτό οδηγεί σε ένα συνεχές ενεργειακό φάσμα ακτίνων-Χ, που είναι χαρακτηριστικό της ακτινοβολίας πέδησης.

Ας φανταστούμε πάλι το άτομο σαν ένα κτίριο με πολλούς ορόφους, όπου τα ηλεκτρόνια ζουν σε συγκεκριμένους ορόφους (στιβάδες). Τα ηλεκτρόνια στους κάτω ορόφους είναι πιο «δεμένα» με το κτίριο. Αν ένα ηλεκτρόνιο-εισβολέας, που έρχεται με μεγάλη ταχύτητα, συγκρουστεί και διώξει ένα ηλεκτρόνιο από έναν κάτω όροφο (π.χ., το ισόγειο), τότε δημιουργείται μια κενή θέση. Αμέσως, ένα ηλεκτρόνιο από έναν πιο πάνω όροφο (π.χ., τον πρώτο) θα σπεύσει να «πέσει» και να καλύψει αυτό το κενό. Καθώς πέφτει από έναν όροφο υψηλής ενέργειας σε έναν χαμηλότερης, απελευθερώνει τη διαφορά ενέργειας ως ένα φωτόνιο. Η ενέργεια αυτού του φωτονίου είναι πολύ συγκεκριμένη, σαν ένα «ενεργειακό αποτύπωμα» του ατόμου-κτιρίου. Αυτή είναι η χαρακτηριστική ακτινοβολία.

Η χαρακτηριστική ακτινοβολία παράγεται όταν ένα προσπίπτον ηλεκτρόνιο έχει αρκετή ενέργεια για να ιονίσει το άτομο-στόχο, απομακρύνοντας ένα ηλεκτρόνιο από μια εσωτερική στιβάδα (π.χ., τη στιβάδα Κ). Η ενέργεια που απαιτείται γι' αυτό ισούται με την ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου (π.χ., E_K). Η «τρύπα» που δημιουργείται καθιστά το άτομο ασταθές. Για να επανέλθει σε σταθερή κατάσταση, ένα ηλεκτρόνιο από μια εξωτερική στιβάδα (π.χ., L ή M) μεταπίπτει για να καλύψει το κενό. Η διαφορά στις ενέργειες σύνδεσης μεταξύ της αρχικής και της τελικής στιβάδας εκπέμπεται ως φωτόνιο ακτίνας-Χ. Η ενέργεια του φωτονίου είναι διακριτή και χαρακτηριστική του στοιχείου-στόχου, π.χ., E_X-ray = E_L - E_K. Αυτές οι εκπομπές εμφανίζονται ως αιχμηρές κορυφές (γραμμές) πάνω στο συνεχές φάσμα της ακτινοβολίας πέδησης. Για το βολφράμιο, οι χαρακτηριστικές ακτίνες-Χ της στιβάδας Κ έχουν ενέργειες περίπου στα 59 keV και 67 keV.

Η λυχνία ακτίνων-Χ είναι η «καρδιά» κάθε ακτινολογικού μηχανήματος. Μπορούμε να τη φανταστούμε σαν ένα εξειδικευμένο «κανόνι» ηλεκτρονίων. Στη μία άκρη έχουμε ένα μικρό σύρμα, την κάθοδο, το οποίο θερμαίνεται πάρα πολύ, όπως το νήμα σε μια παλιά λάμπα. Αυτή η θερμότητα απελευθερώνει ένα «σύννεφο» ηλεκτρονίων. Στην απέναντι άκρη, υπάρχει ένας μεταλλικός δίσκος, η άνοδος, που λειτουργεί ως στόχος. Εφαρμόζουμε μια τεράστια ηλεκτρική τάση ανάμεσα στις δύο άκρες, η οποία λειτουργεί σαν ένας πανίσχυρος μαγνήτης που τραβάει τα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται με ιλιγγιώδη ταχύτητα μέσα σε ένα κενό και προσκρούουν με δύναμη πάνω στον στόχο. Αυτή η βίαιη σύγκρουση είναι που παράγει τις ακτίνες Χ, μέσω των διαδικασιών που είδαμε προηγουμένως. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας (πάνω από 99%) μετατρέπεται σε θερμότητα, γι' αυτό και η άνοδος πρέπει να ψύχεται συνεχώς.

Μια λυχνία ακτίνων-Χ αποτελείται από τρία κύρια μέρη, εγκλεισμένα σε ένα γυάλινο ή μεταλλικό περίβλημα κενού: την κάθοδο, την άνοδο και το κύκλωμα υψηλής τάσης. 1) Κάθοδος (-): Περιέχει το νήμα (συνήθως από βολφράμιο) το οποίο, όταν διαρρέεται από ρεύμα (ρεύμα νήματος), θερμαίνεται και εκπέμπει ηλεκτρόνια μέσω θερμιονικής εκπομπής. 2) Άνοδος (+): Είναι ο στόχος, κατασκευασμένος από υλικό υψηλού Z (βολφράμιο) ενσωματωμένο σε χαλκό για καλή απαγωγή της θερμότητας. Συχνά είναι περιστρεφόμενη για να κατανέμεται η θερμική καταπόνηση σε μεγαλύτερη επιφάνεια. 3) Κύκλωμα Υψηλής Τάσης: Εφαρμόζει μια υψηλή διαφορά δυναμικού (kVp) μεταξύ καθόδου και ανόδου, επιταχύνοντας τα ηλεκτρόνια. Το ρεύμα των ηλεκτρονίων που διαρρέει τη λυχνία (mA) και ο χρόνος έκθεσης (s) καθορίζουν την ποσότητα των παραγόμενων ακτίνων-Χ, ενώ η τάση (kVp) καθορίζει τη μέγιστη ενέργεια (και άρα τη διεισδυτικότητά τους).

Φανταστείτε ένα φωτόνιο ακτίνας-Χ σαν μια μπάλα του μπόουλινγκ που κατευθύνεται προς μια κορίνα. Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η μπάλα (φωτόνιο) χτυπά την κορίνα (ένα ηλεκτρόνιο που είναι γερά δεμένο στο άτομό του) με τόση ακρίβεια και δύναμη που της μεταδίδει ΟΛΗ την ενέργειά της. Η μπάλα σταματά ακαριαία, εξαφανίζεται, και η κορίνα εκτινάσσεται μακριά με μεγάλη ταχύτητα. Αυτό το φαινόμενο είναι εξαιρετικά σημαντικό για τις ακτινογραφίες. Τα κόκαλά μας περιέχουν ασβέστιο, το οποίο έχει «βαριά» άτομα. Αυτά τα άτομα είναι πολύ καλά στο να «αρπάζουν» τα φωτόνια των ακτίνων-Χ με αυτόν τον τρόπο, απορροφώντας τα. Αντίθετα, οι μαλακοί ιστοί (μύες, λίπος) έχουν ελαφρύτερα άτομα και δεν τα απορροφούν τόσο καλά. Έτσι, οι ακτίνες που περνούν μέσα από τους μαλακούς ιστούς φτάνουν στον ανιχνευτή, ενώ αυτές που σταματούν στα κόκαλα όχι, δημιουργώντας τη σκιά που βλέπουμε στην εικόνα.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια διαδικασία πλήρους απορρόφησης ενός φωτονίου από ένα άτομο. Ένα προσπίπτον φωτόνιο αλληλεπιδρά με ένα ισχυρά δεσμευμένο ηλεκτρόνιο (συνήθως από τη στιβάδα Κ ή L) και του μεταβιβάζει το σύνολο της ενέργειάς του. Το φωτόνιο παύει να υπάρχει. Μέρος της ενέργειας χρησιμοποιείται για να υπερνικηθεί η ενέργεια σύνδεσης (E_b) του ηλεκτρονίου, και η υπόλοιπη δίνεται στο ηλεκτρόνιο ως κινητική ενέργεια (E_k). Το ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται ονομάζεται φωτοηλεκτρόνιο: E_k = E_photon - E_b. Η πιθανότητα να συμβεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι έντονα εξαρτώμενη από τον ατομικό αριθμό (Z) του απορροφητή (περίπου ανάλογη του Z³) και αντιστρόφως ανάλογη της ενέργειας του φωτονίου (περίπου ανάλογη του 1/E³). Αυτή η ισχυρή εξάρτηση από το Z είναι η αιτία της υψηλής αντίθεσης (contrast) μεταξύ οστού (υψηλό Z) και μαλακών ιστών (χαμηλό Z) στη διαγνωστική ακτινολογία.

Ας ξανασκεφτούμε τη σύγκρουση, αλλά αυτή τη φορά η μπάλα του μπόουλινγκ (φωτόνιο) δεν χτυπά την κορίνα (ηλεκτρόνιο) ακριβώς στο κέντρο, αλλά την «ξύνει» στο πλάι. Σε αυτή την περίπτωση, η μπάλα δεν σταματά. Χάνει ένα μέρος της ενέργειάς της, το οποίο μεταφέρεται στην κορίνα κάνοντάς τη να εκτιναχθεί προς μια κατεύθυνση, και η ίδια η μπάλα αλλάζει πορεία και συνεχίζει να κινείται, αλλά πιο αργά (με λιγότερη ενέργεια). Αυτή είναι η σκέδαση Compton. Το αρχικό φωτόνιο δεν απορροφάται, αλλά σκεδάζεται, δηλαδή αλλάζει κατεύθυνση και ενέργεια. Αυτά τα σκεδασμένα φωτόνια είναι ένα πρόβλημα στην ακτινογραφία, γιατί είναι σαν «θόρυβος». Ταξιδεύουν προς τυχαίες κατευθύνσεις και, αν φτάσουν στον ανιχνευτή, θολώνουν την εικόνα και μειώνουν την αντίθεση, κάνοντας πιο δύσκολο για τον γιατρό να διακρίνει τις λεπτομέρειες.

Η σκέδαση Compton είναι μια ανελαστική σκέδαση ενός φωτονίου από ένα ασθενώς δεσμευμένο ή ελεύθερο ηλεκτρόνιο εξωτερικής στιβάδας. Σε αυτή την αλληλεπίδραση, το προσπίπτον φωτόνιο μεταβιβάζει μέρος της ενέργειάς του στο ηλεκτρόνιο (το οποίο ονομάζεται ηλεκτρόνιο ανάκρουσης) και σκεδάζεται σε μια γωνία (θ) σε σχέση με την αρχική του διεύθυνση, με μειωμένη ενέργεια. Η κατανομή της ενέργειας και των γωνιών διέπεται από τις αρχές διατήρησης της ενέργειας και της ορμής. Το φαινόμενο αυτό κυριαρχεί για ενέργειες φωτονίων που χρησιμοποιούνται τόσο στη διαγνωστική ακτινολογία όσο και στην ακτινοθεραπεία (π.χ., 60 keV - 2 MeV) για μαλακούς ιστούς. Σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η πιθανότητα σκέδασης Compton είναι σχεδόν ανεξάρτητη από τον ατομικό αριθμό (Z) του υλικού, αλλά εξαρτάται από την ηλεκτρονική του πυκνότητα. Η σκέδαση Compton είναι η κύρια πηγή της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας, η οποία υποβαθμίζει την ποιότητα της εικόνας και συμβάλλει στη δόση ακτινοβολίας του προσωπικού.

Φανταστείτε ότι ορισμένοι ατομικοί πυρήνες είναι σαν ποπ κορν που δεν έχει σκάσει ακόμα, αλλά είναι ασταθές και έτοιμο να το κάνει. Αυτοί οι πυρήνες έχουν υπερβολική ενέργεια και θέλουν να τη ξεφορτωθούν για να «ηρεμήσουν». Η ραδιενέργεια είναι ακριβώς αυτή η διαδικασία: ένας ασταθής πυρήνας «σκάει» (διασπάται) και απελευθερώνει την περιττή ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας. Μερικές φορές εκπέμπει σωματίδια (άλφα ή βήτα), και άλλες φορές εκπέμπει πανίσχυρα φωτόνια, τις ακτίνες γάμμα. Τα ισότοπα είναι εκδοχές του ίδιου χημικού στοιχείου, σαν αδέρφια που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων (που καθορίζει την ταυτότητά τους) αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Μερικά από αυτά τα «αδέρφια» είναι σταθερά, ενώ άλλα είναι ασταθή, δηλαδή ραδιενεργά. Στην πυρηνική ιατρική, χρησιμοποιούμε αυτά τα ραδιενεργά ισότοπα, τα οποία τα χορηγούμε στον ασθενή και μετά ανιχνεύουμε τις ακτίνες γάμμα που εκπέμπουν από μέσα από το σώμα του για να φτιάξουμε εικόνες.

Η ραδιενέργεια είναι η αυθόρμητη διάσπαση ασταθών ατομικών πυρήνων (ραδιονουκλίδια) προς μια πιο σταθερή ενεργειακή κατάσταση, συνοδευόμενη από την εκπομπή ιονίζουσας ακτινοβολίας. Τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό (Z, αριθμός πρωτονίων) αλλά διαφορετικό μαζικό αριθμό (A, σύνολο πρωτονίων και νετρονίων). Τα ραδιοϊσότοπα που χρησιμοποιούνται στην ιατρική (ραδιοφάρμακα) επιλέγονται ώστε να εκπέμπουν συγκεκριμένο τύπο και ενέργεια ακτινοβολίας. Στην πυρηνική ιατρική, για διαγνωστικούς σκοπούς (π.χ., σπινθηρογράφημα, PET), χρησιμοποιούνται κυρίως πομποί γάμμα (όπως το Τεχνήτιο-99m, ^99mTc) ή πομποί ποζιτρονίων (όπως το Φθόριο-18, ¹⁸F). Οι ακτίνες γάμμα είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής ενέργειας που προέρχεται από τον πυρήνα, σε αντίθεση με τις ακτίνες-Χ που προέρχονται από αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων. Ο ρυθμός διάσπασης ενός ραδιονουκλιδίου περιγράφεται από τον χρόνο ημιζωής (T_1/2), τον χρόνο που απαιτείται για να διασπαστεί η μισή ποσότητα των αρχικών πυρήνων.

Οι ακτινοβολίες είναι αόρατες, οπότε πώς τις «βλέπουμε»; Χρειαζόμαστε ειδικά «γυαλιά», τους ανιχνευτές. Ένας τύπος ανιχνευτή λειτουργεί σαν ένα κουτί γεμάτο με ένα ειδικό αέριο. Όταν μια ακτίνα Χ περάσει μέσα από το κουτί, «ξυπνάει» τα άτομα του αερίου, δημιουργώντας ηλεκτρικό φορτίο. Ο ανιχνευτής μετράει αυτό το φορτίο και φωνάζει: «Εδώ πέρασε μια ακτίνα!». Ένας άλλος τύπος είναι οι σπινθηριστές, που είναι σαν μαγικοί κρύσταλλοι. Όταν μια ακτίνα Χ χτυπήσει τον κρύσταλλο, αυτός παράγει μια μικρή, στιγμιαία λάμψη φωτός, έναν «σπινθηρισμό». Ειδικοί αισθητήρες βλέπουν αυτές τις λάμψεις και τις μετατρέπουν σε ηλεκτρικό σήμα. Στη σύγχρονη ψηφιακή ακτινογραφία, χρησιμοποιούμε ανιχνευτές που μετατρέπουν απευθείας την ενέργεια της ακτίνας Χ σε ψηφιακό σήμα, δίνοντάς μας αμέσως την εικόνα στον υπολογιστή.

Οι ανιχνευτές ιονίζουσας ακτινοβολίας μετατρέπουν την ενέργεια της ακτινοβολίας σε ένα μετρήσιμο σήμα, συνήθως ηλεκτρικό. Οι κύριες κατηγορίες περιλαμβάνουν: 1) Ανιχνευτές αερίου ιονισμού (π.χ., θάλαμοι ιονισμού, απαριθμητές Geiger-Müller): Η ακτινοβολία ιονίζει τα άτομα ενός αερίου, και το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα μεταξύ δύο ηλεκτροδίων είναι ανάλογο της έντασης της ακτινοβολίας. 2) Ανιχνευτές σπινθηρισμού: Η ακτινοβολία προσπίπτει σε ένα σπινθηριστή (π.χ., ιωδιούχο νάτριο, NaI), προκαλώντας την εκπομπή φωτός. Το φως αυτό ανιχνεύεται από έναν φωτοπολλαπλασιαστή (PMT) που το μετατρέπει σε ηλεκτρικό παλμό. 3) Ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (ημιαγωγοί): Λειτουργούν παρόμοια με τους ανιχνευτές αερίου, αλλά ο ιονισμός συμβαίνει σε ένα στερεό υλικό (π.χ., πυρίτιο, γερμάνιο), δημιουργώντας ζεύγη ηλεκτρονίου-οπής. Οι ψηφιακοί ανιχνευτές επίπεδης οθόνης (Flat Panel Detectors) που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη ακτινογραφία είναι αυτής της τεχνολογίας και προσφέρουν υψηλή απόδοση και άμεση απεικόνιση.

Πώς από αόρατες ακτίνες φτάνουμε στην ασπρόμαυρη εικόνα που όλοι ξέρουμε; Είναι σαν να ρίχνουμε νερό με ένα λάστιχο πάνω σε ένα σφουγγάρι με διαφορετικά πάχη. Εκεί που το σφουγγάρι είναι λεπτό, πολύ νερό θα περάσει από την άλλη πλευρά. Εκεί που είναι παχύ, λίγο ή καθόλου νερό θα το διαπεράσει. Το σώμα μας είναι το «σφουγγάρι». Τα κόκαλα είναι το «παχύ» μέρος που σταματούν πολλές ακτίνες-Χ. Οι μύες και το λίπος είναι το «λεπτό» μέρος που αφήνουν τις περισσότερες να περάσουν. Ο ανιχνευτής πίσω από το σώμα είναι το «χαρτί» που καταγράφει πόσες ακτίνες έφτασαν σε κάθε σημείο. Τα σημεία που δέχτηκαν πολλές ακτίνες (μαλακοί ιστοί) εμφανίζονται μαύρα στην εικόνα. Τα σημεία που δέχτηκαν λίγες ή καθόλου (κόκαλα) εμφανίζονται άσπρα. Έτσι, η τελική εικόνα είναι ένας χάρτης του πόσο «απορροφητικό» είναι κάθε σημείο του σώματος.

Ο σχηματισμός της ακτινογραφικής εικόνας βασίζεται στη διαφορική εξασθένηση της δέσμης ακτίνων-Χ καθώς διέρχεται από ιστούς με διαφορετική πυκνότητα και ατομικό αριθμό. Η εξασθένηση περιγράφεται από τον νόμο I = I₀e^-μx, όπου I₀ είναι η αρχική ένταση, I η τελική ένταση, x το πάχος του υλικού, και μ ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης. Ο συντελεστής μ εξαρτάται από την ενέργεια της ακτινοβολίας και τις ιδιότητες του υλικού (κυρίως Z και πυκνότητα). Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (που εξαρτάται από το Z³) και η σκέδαση Compton είναι οι κύριοι μηχανισμοί εξασθένησης. Η προκύπτουσα αντίθεση (contrast) στην εικόνα είναι η διαφορά στην ένταση της ακτινοβολίας που φτάνει στον ανιχνευτή πίσω από διαφορετικούς ιστούς. Υλικά υψηλού Z, όπως το οστό (Ca, Z=20) ή τα σκιαγραφικά μέσα (I, Z=53; Ba, Z=56), εξασθενούν έντονα τη δέσμη και εμφανίζονται ακτινοσκιερά (λευκά), ενώ οι μαλακοί ιστοί (χαμηλό Z) είναι ακτινοδιαπερατοί (μαύροι).

Μια απλή ακτινογραφία είναι σαν μια σκιά σε έναν τοίχο. Βλέπουμε το περίγραμμα, αλλά όλα είναι συμπιεσμένα σε ένα επίπεδο. Η υπολογιστική τομογραφία (CT scan) είναι σαν να παίρνουμε εκατοντάδες φωτογραφίες του αντικειμένου από κάθε δυνατή γωνία, καθώς αυτό περιστρέφεται, και μετά ένας πανέξυπνος υπολογιστής να ενώνει όλες αυτές τις πληροφορίες για να φτιάξει ένα τρισδιάστατο μοντέλο. Στην πραγματικότητα, ο ασθενής μένει ακίνητος και η λυχνία των ακτίνων-Χ μαζί με τους ανιχνευτές περιστρέφονται γύρω του. Αυτό μας επιτρέπει να δούμε το σώμα σε λεπτές «φέτες», σαν να κόβαμε ένα καρπούζι, χωρίς να χρειαστεί να το κόψουμε στα αλήθεια. Μπορούμε να δούμε τα όργανα, τα αγγεία και τους ιστούς με απίστευτη λεπτομέρεια και χωρίς τις επιπροβολές που έχει μια απλή ακτινογραφία.

Η Υπολογιστική Τομογραφία (CT) είναι μια απεικονιστική μέθοδος που χρησιμοποιεί ακτίνες-Χ για τη δημιουργία εγκάρσιων (αξονικών) εικόνων του σώματος. Ένα σύστημα CT αποτελείται από μια περιστρεφόμενη διάταξη (gantry) που φέρει μια λυχνία ακτίνων-Χ και έναν δακτύλιο ανιχνευτών. Καθώς η διάταξη περιστρέφεται γύρω από τον ασθενή, λαμβάνονται πολλαπλές προβολές (μετρήσεις εξασθένησης) από διαφορετικές γωνίες. Αυτά τα ανεπεξέργαστα δεδομένα (raw data) υφίστανται επεξεργασία από έναν υπολογιστή μέσω πολύπλοκων μαθηματικών αλγορίθμων, με πιο συνηθισμένο αυτόν της οπισθοπρόβολης διήθησης (filtered back-projection). Ο αλγόριθμος ανακατασκευάζει έναν δισδιάστατο χάρτη των συντελεστών εξασθένησης για κάθε «φέτα» (slice) του σώματος. Οι τιμές στην εικόνα CT εκφράζονται σε μονάδες Hounsfield (HU), μια κλίμακα όπου το νερό έχει τιμή 0 HU, ο αέρας -1000 HU, και το συμπαγές οστό > +1000 HU. Οι σύγχρονοι ελικοειδείς (helical) και πολυτομικοί (multidetector) αξονικοί τομογράφοι επιτρέπουν την ταχύτατη σάρωση μεγάλων περιοχών του σώματος και την τρισδιάστατη ανασύνθεση.

Σε αντίθεση με τις ακτινογραφίες όπου «φωτίζουμε» τον ασθενή από έξω, στην πυρηνική ιατρική κάνουμε το σώμα του ασθενούς να «φωτίσει» από μέσα! Χορηγούμε στον ασθενή μια πολύ μικρή ποσότητα μιας ραδιενεργού ουσίας (ραδιοφάρμακο), συνήθως με ένεση. Αυτή η ουσία είναι σχεδιασμένη να ταξιδεύει και να συγκεντρώνεται σε ένα συγκεκριμένο όργανο ή ιστό που θέλουμε να μελετήσουμε, π.χ., στον θυρεοειδή ή στα οστά. Καθώς η ουσία διασπάται, εκπέμπει ακτίνες γάμμα προς όλες τις κατευθύνσεις. Μια ειδική κάμερα, η γάμμα-κάμερα, τοποθετείται έξω από το σώμα και ανιχνεύει αυτές τις ακτίνες. Ένας υπολογιστής αναλύει από πού ήρθαν οι ακτίνες και δημιουργεί έναν χάρτη που δεν δείχνει την ανατομία (πώς μοιάζει κάτι), αλλά τη λειτουργία (πώς δουλεύει κάτι). Μας δείχνει δηλαδή τις περιοχές που είναι μεταβολικά δραστήριες.

Η απεικόνιση πυρηνικής ιατρικής είναι μια λειτουργική (functional) απεικονιστική τεχνική. Βασίζεται στη χορήγηση ραδιοφαρμάκων και στην εξωτερική ανίχνευση της ακτινοβολίας γάμμα που εκπέμπουν. Οι δύο κύριες τεχνικές είναι: 1) SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography - Υπολογιστική Τομογραφία Εκπομπής Μεμονωμένων Φωτονίων): Χρησιμοποιεί ραδιοϊσότοπα που εκπέμπουν ακτίνες γάμμα (π.χ., ^99mTc). Μία ή περισσότερες κεφαλές γάμμα-κάμερας περιστρέφονται γύρω από τον ασθενή για να δημιουργήσουν τομογραφικές εικόνες της κατανομής του ραδιοφαρμάκου. 2) PET (Positron Emission Tomography - Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων): Χρησιμοποιεί ραδιοϊσότοπα που διασπώνται εκπέμποντας ποζιτρόνια (π.χ., ¹⁸F). Το ποζιτρόνιο, το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου, διανύει μια μικρή απόσταση στον ιστό και εξαϋλώνεται με ένα ηλεκτρόνιο, παράγοντας δύο φωτόνια γάμμα 511 keV που εκπέμπονται σε αντίθετες κατευθύνσεις (180°). Ο ανιχνευτής PET καταγράφει αυτά τα ζεύγη φωτονίων που φτάνουν ταυτόχρονα (ανίχνευση σύμπτωσης), επιτρέποντας τον ακριβή εντοπισμό της προέλευσής τους και προσφέροντας υψηλότερη ευαισθησία και ευκρίνεια από το SPECT.

Όταν η ακτινοβολία περνά μέσα από το σώμα μας, αφήνει πίσω της ένα μέρος της ενέργειάς της, σαν ένα αυτοκίνητο που αφήνει ίχνη λάσπης καθώς περνά από έναν χωματόδρομο. Η απορροφούμενη δόση είναι απλώς η μέτρηση του πόση ενέργεια «άφησε» η ακτινοβολία σε ένα συγκεκριμένο κομμάτι του σώματός μας. Τη μετράμε σε μια μονάδα που λέγεται Gray (Γκρέι, Gy). Ένα Gray σημαίνει ότι ένα Τζάουλ (Joule) ενέργειας απορροφήθηκε από ένα κιλό ιστού. Είναι μια καθαρά φυσική μέτρηση. Δεν μας λέει πόσο επικίνδυνη είναι αυτή η ενέργεια – αυτό εξαρτάται και από τον τύπο της ακτινοβολίας – αλλά μας λέει ακριβώς την ποσότητα της ενέργειας που εναποτέθηκε. Είναι το πρώτο και βασικό βήμα για να καταλάβουμε την επίδραση της ακτινοβολίας.

Η απορροφούμενη δόση (D) είναι το θεμελιώδες δοσιμετρικό μέγεθος και ορίζεται ως η μέση ενέργεια (dE) που εναποτίθεται από την ιονίζουσα ακτινοβολία σε μια μάζα (dm) ύλης. Μαθηματικά, εκφράζεται ως D = dE/dm. Η μονάδα μέτρησης στο Διεθνές Σύστημα (SI) είναι το Gray (Gy), το οποίο ισοδυναμεί με ένα Joule ανά χιλιόγραμμο (1 Gy = 1 J/kg). Η απορροφούμενη δόση είναι ένα φυσικό μέγεθος που ποσοτικοποιεί την ενεργειακή εναπόθεση ανά μονάδα μάζας σε οποιοδήποτε υλικό, ανεξάρτητα από τον τύπο της ακτινοβολίας ή το είδος του υλικού. Είναι το μέγεθος που σχετίζεται άμεσα με τις φυσικοχημικές αλλαγές που προκαλεί η ακτινοβολία στην ύλη και αποτελεί τη βάση για τον υπολογισμό των υπόλοιπων δοσιμετρικών μεγεθών που λαμβάνουν υπόψη τη βιολογική επίδραση.

Το να απορροφήσεις την ίδια ποσότητα ενέργειας (π.χ. 1 Gray) από διαφορετικούς τύπους ακτινοβολίας δεν είναι το ίδιο πράγμα. Μερικές ακτινοβολίες είναι σαν να σε χτυπούν με μαξιλάρια (π.χ. ακτίνες-Χ), ενώ άλλες είναι σαν να σε χτυπούν με σφυριά (π.χ. σωματίδια άλφα). Προκαλούν διαφορετική βιολογική ζημιά. Η **ισοδύναμη δόση** λαμβάνει υπόψη αυτή τη διαφορά. Πολλαπλασιάζουμε την απορροφούμενη δόση με έναν «συντελεστή επικινδυνότητας» για κάθε τύπο ακτινοβολίας. Επιπλέον, διαφορετικά όργανα στο σώμα μας έχουν διαφορετική ευαισθησία. Το στομάχι είναι πιο ευαίσθητο από το δέρμα, για παράδειγμα. Η **ενεργός δόση** το λαμβάνει και αυτό υπόψη. Είναι ένας μέσος όρος της ισοδύναμης δόσης σε όλο το σώμα, σταθμισμένος για την ευαισθησία κάθε οργάνου. Και οι δύο μετριούνται σε Sievert (Σίβερτ, Sv) και μας δίνουν μια πολύ καλύτερη εικόνα του συνολικού βιολογικού κινδύνου.

Ενώ η απορροφούμενη δόση (D) είναι ένα φυσικό μέγεθος, η βιολογική βλάβη εξαρτάται από τον τύπο και την ενέργεια της ακτινοβολίας. Για να ποσοτικοποιηθεί αυτό, εισάγονται δύο μεγέθη ακτινοπροστασίας: 1) Ισοδύναμη Δόση (H_T): Ορίζεται για ένα συγκεκριμένο όργανο ή ιστό (T) και υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την απορροφούμενη δόση (D_T,R) από έναν τύπο ακτινοβολίας (R) με τον αντίστοιχο συντελεστή στάθμισης ακτινοβολίας (w_R). H_T = Σ_R w_R ⋅ D_T,R. Ο w_R είναι 1 για φωτόνια (ακτίνες-Χ και γ) και ηλεκτρόνια, 5-20 για νετρόνια, και 20 για σωματίδια άλφα. 2) Ενεργός Δόση (E): Είναι το σταθμισμένο άθροισμα των ισοδύναμων δόσεων σε όλα τα όργανα και τους ιστούς του σώματος. E = Σ_T w_T ⋅ H_T. Ο συντελεστής στάθμισης ιστού (w_T) αντιπροσωπεύει τη σχετική συμβολή του ιστού στον συνολικό στοχαστικό κίνδυνο για την υγεία. Και τα δύο μεγέθη μετρώνται σε Sievert (Sv). Η ενεργός δόση επιτρέπει τη σύγκριση του κινδύνου από διαφορετικές εκθέσεις σε ακτινοβολία (π.χ., μια αξονική τομογραφία θώρακος έναντι μιας πτήσης μεγάλων αποστάσεων).

Όταν η ιονίζουσα ακτινοβολία χτυπά τα κύτταρά μας, μπορεί να προκαλέσει ζημιά. Η πιο σημαντική ζημιά είναι στο DNA, το «εγχειρίδιο οδηγιών» του κυττάρου. Μερικές φορές, η ζημιά είναι μικρή και το κύτταρο την επισκευάζει. Άλλες φορές, η ζημιά είναι τόσο μεγάλη που το κύτταρο πεθαίνει. Αν πεθάνουν πολλά κύτταρα μαζί, το όργανο μπορεί να πάθει βλάβη (π.χ. έγκαυμα στο δέρμα). Αυτές είναι οι **ντετερμινιστικές** (ή καθορισμένες) επιδράσεις: συμβαίνουν σίγουρα αν η δόση ξεπεράσει ένα όριο. Υπάρχει όμως και μια άλλη περίπτωση: το κύτταρο να επιβιώσει, αλλά με ένα λάθος στο DNA του. Αυτό το λάθος μπορεί, μετά από πολλά χρόνια, να οδηγήσει σε καρκίνο. Αυτές είναι οι **στοχαστικές** (ή τυχαίες) επιδράσεις. Δεν υπάρχει ασφαλές όριο δόσης, απλώς όσο μεγαλύτερη η δόση, τόσο μεγαλύτερη η πιθανότητα να συμβεί, σαν να αγοράζεις περισσότερους λαχνούς σε μια λοταρία.

Οι βιολογικές επιδράσεις της ιονίζουσας ακτινοβολίας ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες: 1) Ντετερμινιστικές (Deterministic Effects): Χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη μιας δόσης-κατωφλίου, πάνω από την οποία η επίδραση εμφανίζεται με βεβαιότητα και η σοβαρότητά της αυξάνεται με τη δόση. Προκαλούνται από τον μαζικό κυτταρικό θάνατο. Παραδείγματα περιλαμβάνουν την ερυθρότητα του δέρματος (ερύθημα), την τριχόπτωση, τον καταρράκτη και τη στειρότητα. Το κατώφλι για τις περισσότερες οξείες επιδράσεις είναι της τάξης των 0.5 Gy. 2) Στοχαστικές (Stochastic Effects): Δεν έχουν δόση-κατώφλι. Η πιθανότητα εμφάνισής τους, και όχι η σοβαρότητά τους, αυξάνεται με τη δόση. Προκαλούνται από μη θανατηφόρες βλάβες στο DNA ενός κυττάρου, που οδηγούν σε μεταλλάξεις. Οι κύριες στοχαστικές επιδράσεις είναι η καρκινογένεση και οι κληρονομήσιμες γενετικές βλάβες. Το μοντέλο που χρησιμοποιείται στην ακτινοπροστασία για τον υπολογισμό του κινδύνου είναι το Γραμμικό-Χωρίς-Κατώφλι (Linear No-Threshold, LNT), το οποίο υποθέτει ότι κάθε δόση, όσο μικρή κι αν είναι, ενέχει κάποιον κίνδυνο.

Επειδή η ακτινοβολία μπορεί να είναι επικίνδυνη, πρέπει να προστατευόμαστε. Η βασική ιδέα είναι απλή και λέγεται ALARA: **A**s **L**ow **A**s **R**easonably **A**chievable, δηλαδή «Τόσο Χαμηλά Όσο είναι Λογικά Εφικτό». Προσπαθούμε πάντα να δεχόμαστε τη μικρότερη δυνατή δόση. Για να το πετύχουμε αυτό, ακολουθούμε τρεις χρυσούς κανόνες: 1) Χρόνος: Μένουμε όσο το δυνατόν λιγότερο χρόνο κοντά στην πηγή της ακτινοβολίας. Όσο λιγότερο μένεις, τόσο μικρότερη η δόση. 2) Απόσταση: Στεκόμαστε όσο το δυνατόν πιο μακριά. Η ακτινοβολία εξασθενεί πολύ γρήγορα με την απόσταση, όπως η θερμότητα από μια φωτιά. Αν διπλασιάσεις την απόστασή σου, η δόση πέφτει στο ένα τέταρτο! 3) Θωράκιση: Βάζουμε ένα εμπόδιο ανάμεσα σε εμάς και την πηγή. Για τις ακτίνες-Χ, χρησιμοποιούμε ποδιές από μόλυβδο, γυαλιά με μόλυβδο και ειδικούς τοίχους, που είναι πολύ αποτελεσματικά στο να σταματούν την ακτινοβολία.

Η ακτινοπροστασία βασίζεται σε τρεις θεμελιώδεις αρχές που έχουν τεθεί από τη Διεθνή Επιτροπή Ακτινολογικής Προστασίας (ICRP): 1) Αρχή της Αιτιολόγησης (Justification): Κάθε πρακτική που περιλαμβάνει έκθεση σε ακτινοβολία πρέπει να είναι αιτιολογημένη, δηλαδή το όφελος που προκύπτει να υπερτερεί της βλάβης που μπορεί να προκαλέσει. 2) Αρχή της Βελτιστοποίησης (Optimization): Οι δόσεις ακτινοβολίας πρέπει να διατηρούνται στο χαμηλότερο λογικά εφικτό επίπεδο (ALARA), λαμβάνοντας υπόψη οικονομικούς και κοινωνικούς παράγοντες. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση των τριών βασικών παραμέτρων: ελαχιστοποίηση του **χρόνου** έκθεσης, μεγιστοποίηση της **απόστασης** από την πηγή (η ένταση μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης, 1/r²), και χρήση κατάλληλης **θωράκισης** (π.χ., μόλυβδος-Pb για φωτόνια). 3) Αρχή των Ορίων Δόσης (Dose Limitation): Η συνολική δόση που λαμβάνουν τα άτομα (εξαιρουμένης της ιατρικής έκθεσης των ασθενών και της φυσικής ακτινοβολίας υποβάθρου) δεν πρέπει να υπερβαίνει συγκεκριμένα όρια που έχουν τεθεί από τις ρυθμιστικές αρχές για τους επαγγελματικά εκτιθέμενους και το γενικό πληθυσμό.

Αφού η ακτινοβολία μπορεί να καταστρέψει κύτταρα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή την ιδιότητα για καλό: να καταστρέψουμε τα καρκινικά κύτταρα. Αυτή είναι η ακτινοθεραπεία. Ο στόχος είναι να ρίξουμε μια πολύ μεγάλη, θανατηφόρα δόση ακτινοβολίας ακριβώς πάνω στον όγκο, προκαλώντας όσο το δυνατόν μικρότερη ζημιά στους υγιείς ιστούς που βρίσκονται γύρω του. Είναι σαν μια χειρουργική επέμβαση χωρίς νυστέρι. Για να το πετύχουμε αυτό, χρησιμοποιούμε ειδικά μηχανήματα που λέγονται γραμμικοί επιταχυντές. Αυτά παράγουν δέσμες ακτίνων-Χ πολύ υψηλής ενέργειας. Στρέφουμε τη δέσμη προς τον όγκο από πολλές διαφορετικές γωνίες. Κάθε δέσμη από μόνη της δεν είναι αρκετά ισχυρή για να βλάψει σοβαρά τον υγιή ιστό που διαπερνά, αλλά όλες οι δέσμες διασταυρώνονται και αθροίζονται πάνω στον όγκο, δίνοντάς του τη μέγιστη δόση και καταστρέφοντάς τον.

Η ακτινοθεραπεία στοχεύει στη χορήγηση μιας επακριβώς καθορισμένης, υψηλής δόσης ακτινοβολίας σε έναν όγκο-στόχο, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τη δόση στους περιβάλλοντες υγιείς ιστούς. Η θεραπεία βασίζεται στο ότι τα καρκινικά κύτταρα είναι γενικά πιο ευαίσθητα στην ακτινοβολία και έχουν μικρότερη ικανότητα επιδιόρθωσης της βλάβης στο DNA τους σε σχέση με τα υγιή κύτταρα. Η συνολική δόση (π.χ., 50-70 Gy) συνήθως χορηγείται σε μικρότερες, ημερήσιες δόσεις που ονομάζονται κλάσματα (fractionation), για να επιτραπεί η ανάρρωση των υγιών ιστών μεταξύ των συνεδριών. Η πιο κοινή μέθοδος είναι η **Εξωτερική Ακτινοθεραπεία (External Beam Radiotherapy)**, η οποία χρησιμοποιεί γραμμικούς επιταχυντές (LINAC) για την παραγωγή φωτονίων υψηλής ενέργειας (MeV). Σύγχρονες τεχνικές όπως η Διαμορφούμενης Έντασης Ακτινοθεραπεία (IMRT) και η Στερεοτακτική Ακτινοχειρουργική (SRS) επιτρέπουν την εξαιρετικά ακριβή προσαρμογή της δόσης στο σχήμα του όγκου, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα και μειώνοντας τις παρενέργειες.

Η μαγνητική τομογραφία (MRI) είναι εντελώς διαφορετική από τις άλλες μεθόδους, γιατί **δεν χρησιμοποιεί καθόλου ιονίζουσα ακτινοβολία**. Είναι σαν να δίνουμε οδηγίες στις μικροσκοπικές «πυξίδες» που υπάρχουν μέσα στο σώμα μας. Το σώμα μας αποτελείται κυρίως από νερό, και το νερό περιέχει πρωτόνια υδρογόνου, τα οποία συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες. Ο μαγνητικός τομογράφος είναι ένας τεράστιος, πανίσχυρος μαγνήτης που αναγκάζει όλες αυτές τις «πυξίδες» να ευθυγραμμιστούν. Στη συνέχεια, το μηχάνημα στέλνει έναν ραδιοπαλμό (σαν ένα ραδιοφωνικό σήμα) που τις «σπρώχνει» και τις βγάζει από την ευθυγράμμισή τους. Όταν ο παλμός σταματά, οι πυξίδες προσπαθούν να ξαναγυρίσουν στην αρχική τους θέση, και καθώς το κάνουν, εκπέμπουν ένα ασθενές σήμα. Ο υπολογιστής ανιχνεύει αυτά τα σήματα και τα χρησιμοποιεί για να φτιάξει απίστευτα λεπτομερείς εικόνες, ειδικά των μαλακών ιστών όπως ο εγκέφαλος, οι μύες και οι αρθρώσεις.

Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (MRI) είναι μια μη-ιονίζουσα απεικονιστική τεχνική που βασίζεται στις αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). Ο ασθενής τοποθετείται μέσα σε ένα ισχυρό, στατικό μαγνητικό πεδίο (B₀, συνήθως 1.5-3 Tesla), το οποίο προκαλεί την ευθυγράμμιση των πυρήνων υδρογόνου (πρωτονίων) του σώματος. Στη συνέχεια, εκπέμπεται ένας ραδιοσυχνός (RF) παλμός στη συχνότητα συντονισμού Larmor, ο οποίος διεγείρει τα πρωτόνια σε μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Όταν ο RF παλμός απενεργοποιείται, τα πρωτόνια «χαλαρώνουν» επιστρέφοντας στην αρχική τους κατάσταση ισορροπίας. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, εκπέμπουν ένα σήμα RF, το οποίο ανιχνεύεται από πηνία. Η αντίθεση της εικόνας MRI βασίζεται κυρίως στους χρόνους χαλάρωσης των ιστών: τον χρόνο χαλάρωσης **T1** (spin-lattice) και τον χρόνο χαλάρωσης **T2** (spin-spin). Διαφορετικοί ιστοί έχουν διαφορετικούς χρόνους T1 και T2, επιτρέποντας την εξαιρετική απεικόνιση της αντίθεσης των μαλακών μορίων, κάτι που καθιστά την MRI ιδανική για νευρολογικές και μυοσκελετικές εξετάσεις.