Cerenkov Luminescence Imaging: Prinsip Fisika dan Aplikasi Potensial dalam Ilmu Biomedis

Kesehatan

Ketika sebuah partikel bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya, ia memancarkan radiasi Cerenkov. Fenomena ini telah menghasilkan aplikasi pencitraan medis baru, seperti yang dijelaskan dalam makalah ulasan 2017 oleh Esther Ciarrocchi dan Nicola Belcari ( Cerenkov Luminescence Imaging: Prinsip Fisika dan Aplikasi Potensial dalam Ilmu Biomedis, Fisika EJNMMI, Volume 4, Pasal 14). Ini adalah artikel akses terbuka, sehingga Anda dapat membacanya secara gratis.

Rekomendasi Swab Test Jakarta

Russ Hobbie dan saya tidak membahas Cerenkov Luminescence Imaging dalam Fisika Menengah untuk Kedokteran dan Biologi, tetapi Anda dapat belajar banyak tentangnya menggunakan fisika yang kita diskusikan. Misalnya, bisakah partikel bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya? Mereka tidak dapat melakukan perjalanan lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa, tetapi mereka dapat melakukan perjalanan lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam bahan seperti air atau jaringan di mana cahaya diperlambat dan medium memiliki indeks bias. Di bawah ini adalah masalah pekerjaan rumah baru, di mana kami mempertimbangkan elektron yang dipancarkan dalam jaringan oleh peluruhan beta dari isotop yodium-131, yang digunakan dalam banyak aplikasi medis.

Soal 9 . Energi kinetik titik akhir (lihat Gambar 17.8) untuk peluruhan beta 131I adalah 606 keV, dan jaringan memiliki indeks bias 1,4. Apakah ada elektron yang dipancarkan memiliki kecepatan lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam jaringan? Untuk menentukan kecepatan ini, gunakan Persamaan. 14.1. Karena elektron bergerak mendekati kecepatan cahaya, untuk menentukan kecepatannya sebagai fungsi dari energi kinetiknya menggunakan hasil dari relativitas khusus, Persamaan. 17.1.

Bagi mereka yang tidak memiliki IPMB di pihak Anda (malu!), Persamaan. 14.1 adalah = c/ n, di mana adalah kecepatan cahaya dalam medium, c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3 × 108 m/s), dan n adalah indeks bias, dan Persamaan. 17.1 adalah T + mc2= mc2/√(1 v2/ c2), di mana v adalah kecepatan partikel, T adalah energi kinetiknya, dan mc2 adalah massa diam elektron yang dinyatakan sebagai energi (511 keV).

Jika Anda memecahkan masalah ini dengan benar, Anda menemukan bahwa beberapa elektron yang lebih energik yang dipancarkan selama peluruhan beta 131I bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam jaringan.

Radiasi Cerenkov dipancarkan pada sudut terhadap arah pergerakan partikel. Distribusi cahaya ini merupakan karakteristik gelombang kejut, dan mirip dengan distribusi suara dalam ledakan sonik yang dibuat oleh pesawat ketika terbang lebih cepat dari kecepatan suara. Masalah baru di bawah ini mengharuskan pembaca untuk menghitung .

Soal 9 . Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah partikel bergerak ke kanan lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam medium. Posisi partikel pada beberapa saat ditunjukkan oleh titik-titik ungu. Lokasi cahaya yang dipancarkan oleh partikel pada setiap posisi ditunjukkan oleh lingkaran hitam. Cahaya menambah membentuk muka gelombang kerucut, ditunjukkan oleh garis hijau.

(a) Gunakan segitiga siku-siku merah untuk menghitung sudut sebagai fungsi dari kecepatan partikel, v, dan indeks bias, n.

(b) Hitunglah nilai untuk elektron tercepat yang dipancarkan oleh peluruhan beta 131I dalam jaringan.

Jumlah foton yang dipancarkan cenderung paling banyak pada panjang gelombang pendek, sehingga radiasi Cerenkov sering memiliki semburat biru. Namun, pembaca IPMB mempelajari pada Bab 14 bahwa spektrum radiasi dapat terlihat berbeda jika dilihat sebagai fungsi frekuensi (atau energi) daripada sebagai fungsi panjang gelombang. Di bawah ini adalah masalah baru untuk mengeksplorasi efek ini.

Soal 9 . Jumlah foton dN yang dipancarkan dengan panjang gelombang antara dan + dλ kira-kira dN = Cdλ/λ2, di mana C adalah konstanta.

(a) Buat sketsa plot dN/dλ versus . Jangan khawatir tentang skala sumbu (dengan kata lain, jangan khawatir tentang nilai C); buat saja plotnya benar secara kualitatif.

(b) Gunakan metode yang serupa dengan yang diperkenalkan di Bagian 14.8 untuk menentukan jumlah foton yang dipancarkan dengan energi antara E dan E + dE. Jangan khawatir tentang faktor konstan, cukup tentukan bagaimana dN/dE bervariasi dengan E.

(c) Buat sketsa plot dN/dE versus E. Sekali lagi, buat plot yang benar secara kualitatif.

Jika Anda menyelesaikan bagian (c) dengan benar, Anda seharusnya menggambar plot dengan garis datar, karena dN/dE tidak tergantung pada E. Tentu saja, harus ada beberapa batasan untuk hasil ini, jika tidak partikel akan memancarkan jumlah tak terbatas energi ketika terintegrasi di semua energi foton. Lihat ulasan Ciarrocchi dan Belcari untuk penjelasannya.

Mungkin bagian yang paling menarik dari artikel Ciarrocchi dan Belcari adalah diskusi mereka tentang aplikasi biomedis. Anda dapat menggunakan radiasi Cerenkov untuk mencitrakan pemancar beta seperti 131I, pemancar positron seperti yang digunakan dalam tomografi emisi positron, dan proton berenergi tinggi yang diperlukan untuk terapi proton.

Swab Test Jakarta yang nyaman