Twoja wyszukiwarka

BOGDAN PRUSZYŃSKI
NOWE OBLICZE RENTGENA
Wiedza i Życie nr 4/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 4/1997

WSPÓŁCZESNA RADIOGRAFIA UKAZUJE NAM WNĘTRZE LUDZKIEGO CIAŁA Z DOKŁADNOŚCIĄ ZBLIŻONĄ DO ATLASÓW ANATOMICZNYCH.

Diagnostyka obrazowa wykorzystuje różne rodzaje fal do uwidaczniania wnętrza ciała ludzkiego. Promienie rentgenowskie czy fale ultradźwiękowe umożliwiają ocenę wielkości, kształtu, struktury wewnętrznej i czynności różnych narządów, co znacznie rozszerza możliwości rozpoznawania i różnicowania skutków urazów i wielu chorób. Do najczęściej wykonywanych badań należą zdjęcia rentgenowskie narządów klatki piersiowej i układu kostnego. Zetknął się z nimi bezpośrednio prawie każdy z nas.

Podstawą wniosków rozpoznawczych są różnice pochłaniania promieni X przez elementy szkieletu, wypełnione powietrzem płuca i części miękkie, jak mięśnie czy narządy miąższowe. Emulsja fotograficzna błony ulega silnemu zaczernieniu w miejscach, gdzie dotarło więcej promieni (płuca), natomiast jaśniejsze obszary odpowiadają tym częściom ciała, które pochłonęły większość promieni lub je rozproszyły, np. kości. Tkanki miękkie widać w różnych odcieniach szarości. Uzyskany na błonie rentgenowskiej obraz nazywamy analogowym.

Konwencjonalny, analogowy zapis obrazu radiologicznego ma wiele zalet, wśród nich najważniejsze wydają się niski koszt badania oraz duża zdolność rozdzielcza, dzięki której można rozpoznawać niewielkie ogniska patologiczne, nawet o średnicy około 3 mm. Zasadnicze wady przedstawionego systemu to: brak możliwości różnicowania tkanek miękkich, np. tkanki tłuszczowej czy mięśniowej oraz wykrywania nieprawidłowych zbiorników płynu (obrzęki, torbiele, ropnie), a ponadto zużywanie dużych ilości srebra do produkcji emulsji światłoczułych, jak również zagrożenie środowiska w związku z procesami wywoływania i utrwalania błon rentgenowskich. Pewną trudność sprawia też szybkie przekazywanie wyników badań na odległość oraz rezerwowanie dużych powierzchni na archiwa. Właśnie dlatego w drugiej połowie lat sześćdziesiątych, wykorzystując postępy w dziedzinie elektroniki, informatyki i cyfrowej techniki obliczeniowej zaczęto poszukiwać innych, bardziej efektywnych systemów rejestracji obrazu radiologicznego.

W odróżnieniu od klasycznego układu, jaki stanowi lampa rentgenowska emitująca promienie X -
badany obiekt-błona rentgenowska, w radiografii cyfrowej zmiany natężenia promieniowania po przejściu przez ciało pacjenta rejestrowane są przez układ detektorów. Uzyskane dane zostają zapisane w postaci cyfrowej w matrycy układu pamięciowego komputera, która jest płytą podzieloną na wiele małych kwadratów zwanych pikselami. Zapis cyfrowy może być wtórnie przedstawiony na błonie rentgenowskiej, jeśli wartości liczbowej każdego piksela przypiszemy odpowiedni stopień szarości. Okazało się, że przedstawione rozwiązanie nie tylko znacznie rozszerzyło możliwości rozpoznawcze, ale również usprawniło działalność zakładów radiologii. Radiografia cyfrowa z możliwością przetwarzania obrazu stała się między innymi podstawą rozwoju tomografii komputerowej i cyfrowej angiografii subtrakcyjnej.

Idea tomografii komputerowej (CT) zrodziła się w dwóch odległych od medycyny dyscyplinach naukowych - astronomii i matematyce. Twórcy urządzenia Godfrey Haunsfield i Allen Cormack otrzymali Nagrodę Nobla, a w uzasadnieniu jej przyznania Komitet Naukowy stwierdził, że żadna inna metoda w diagnostyce medycznej nie przyniosła tak wydatnego postępu w tak krótkim czasie.

Prototypowe urządzenie do badania mózgu zostało zainstalowane w październiku 1971 w Londynie. Jedno z pierwszych badań wykonano u pacjenta z guzem mózgu. Przeprowadzona wkrótce operacja w pełni potwierdziła diagnozę radiologiczną. Sześć miesięcy później, w kwietniu 1972 roku, podczas dorocznego spotkania naukowego w Brytyjskim Instytucie Radiologii przedstawiono wyniki badań pierwszych 70 pacjentów. Pamiętam swoje rozczarowanie, kiedy po raz pierwszy - a było to w roku 1972 w Bazylei - zetknąłem się ze zdjęciami tomograficznymi. Zdolność rozdzielcza była tak mała, że obrazy robiły wrażenie rozmytej mgławicy.

Na początku lat siedemdziesiątych opinie na temat przyszłości tomografii komputerowej były zróżnicowane. Firmy europejskie oceniały potrzeby rynku światowego na 25 urządzeń. Przedstawiciele firmy Hitachi uważali, że Japonii wystarczą dwa tomografy. Kilka lat później pracowało na świecie ponad 6 tysięcy zestawów do CT.

Pierwsze aparaty tego typu charakteryzowały się długim czasem zbierania informacji i rekonstrukcji obrazu oraz niską zdolnością rozdzielczą. W ciągu następnych dziesięciu lat szybkość zbierania informacji wzrosła prawie stukrotnie, a zdolność rozdzielcza dwudziestokrotnie. Dziś tomografia komputerowa należy do podstawowych metod badania radiologicznego. W nowoczesnych urządzeniach do tomografii komputerowej lampa rentgenowska porusza się ciągłym ruchem okrężnym wokół długiej osi pacjenta, a zmiany natężenia promieniowania w określonej warstwie ciała rejestrowane są przez detektory umieszczone na obwodzie okola, w którym znajduje się pacjent (ryc. na s. 57). Następnym etapem jest przetworzenie uzyskanych danych pomiarowych i rekonstrukcja obrazu badanego przekroju ciała. Bardzo uproszczonym przykładem możliwości odtworzenia budowy ciała ludzkiego może być rycina obok. Każdy z przedstawionych na niej prostopadłościanów ma inny współczynnik pochłaniania. Po przejściu promieni X w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach otrzymujemy następujące równiania:

X1 + X2 = 5

X3 + X4 = 9

X1 + X3 = 6

X2 + X4 = 8

gdzie X1...X4 oznacza natężenie promieniowania. Po rozwiązaniu równań otrzymujemy wartości jego części składowych. W rzeczywistości badana warstwa podzielona jest na kilkadziesiąt tysięcy prostopadłościanów, a liczba pomiarów jest wielokrotnie większa.

Ponieważ liczba równań niepomiernie wzrasta, zamiast układów algebraicznych stosuje się inne, bardziej efektywne metody obliczeniowe. Wprowadzenie do praktyki klinicznej tomografii komputerowej umożliwiło przedstawienie poprzecznych przekrojów ciała ludzkiego z dokładnością zbliżoną do atlasów anatomicznych.

Najnowszym osiągnięciem radiografii jest spiralna tomografia komputerowa. Dzięki odpowiednim rozwiązaniom konstrukcyjnym umożliwia ona uzyskiwanie w stosunkowo krótkim czasie wielu częściowo nakładających się na siebie warstw. Efekt nakładania bierze się stąd, że w stałym ruchu jest nie tylko lampa rentgenowska, ale także stół, na którym leży pacjent. Jeśli wykonamy
30 warstw o grubości 10 mm przy prędkości przesuwu stołu 10 mm/s, uzyskamy możliwość rekonstrukcji przekrojów ciała co 10 mm lub mniej, np. co 5 mm. Cienkie warstwy wskazane są, np. przy badaniu płuc, gdy chodzi o rozpoznanie niewielkich guzków miąższowych. Grubsze umożliwiają badania dłuższych odcinków ciała i rutynowo stosowane są do badania narządów jamy brzusznej.

Spiralna tomografia komputerowa znalazła szczególne zastosowanie w badaniach układu naczyniowego. Po dożylnym podaniu środków cieniujących wzrasta współczynnik pochłaniania promieni X przez krew. Jeśli komputer będzie rejestrował wyłącznie wartości charakteryzujące się odpowiednio wysokim współczynnikiem pochłaniania, wówczas możemy otrzymać obraz naczyń krwionośnych bez towarzyszącego im tła innych elementów anatomicznych, np. otaczających tkanek miękkich oraz kości. Technika ta ma istotne znaczenie w rozpoznawaniu miażdżycy i w ocenie stopnia zwężenia naczynia. Najczęściej bada się tętnice szyjne, aortę piersiową i brzuszną, tętnice płucne, trzewne i nerkowe, a także układ wrotny. Podejmuje się też próby badania naczyń w kończynach dolnych.

Po przetworzeniu danych możemy przedstawić badany obraz anatomiczny w postaci trójwymiarowej. Przestrzenna prezentacja wnętrza ciała ludzkiego ułatwia umiejscowienie i ocenę rozległości procesu chorobowego oraz ułatwia planowanie zabiegu operacyjnego, szczególnie w dziedzinie neurochirurgii, ortopedii i chirurgii naczyniowej. Wkrótce prawdopodobnie będzie możliwa kolorowa prezentacja szczegółów anatomicznych, która znajduje się obecnie w fazie doświadczalnej.

Innym przykładem zastosowania radiografii cyfrowej jest cyfrowa angiografia subtrakcyjna (CAS). Podstawy techniczne tej metody powstały w latach 1976-80 na Uniwersytecie Wisconcin. Na początku lat osiemdziesiątych ukazały się pierwsze doniesienia na temat klinicznego zastosowania CAS. Obecnie system ten stanowi rutynowe wyposażenie zestawów do badań naczyniowych. Podstawowe elementy zestawu stanowią: zasilacz, lampa rentgenowska, wysokiej jakości wzmacniacz obrazu i kamera telewizyjna. Dodatkowymi istotnymi elementami są: logarytmiczny wzmacniacz sygnału, przetwornik analogowo-cyfrowy oraz komputer.

Subtrakcja polega na odejmowaniu obrazów. Jeśli mamy do dyspozycji pozytyw przeglądowego zdjęcia czaszki oraz negatyw tego samego obszaru anatomicznego po wypełnieniu tętnic szyjnych środkiem cieniującym, to nałożenie tych obrazów na siebie powoduje wyeliminowanie cieni części kostnych i lepsze uwidocznienie naczyń. Zasada działania CAS zbliżona jest do subtrakcji fotograficznej, z tym że obrazy rejestrowane są nie na błonach rentgenowskich, lecz w postaci cyfrowej.

W pierwszej fazie badania, po ustaleniu odpowiedniej pozycji chorego, a przed podaniem środka cieniującego wykonuje się obraz wzorcowy, a następnie rejestruje ten sam obszar anatomiczny po wypełnieniu naczyń środkiem cieniującym. Proces subtrakcji odbywa się tak szybko, że na ekranie monitora otrzymujemy wynik badania w czasie rzeczywistym.

Przedstawiona technika ze względu na wysoką zdolność rozdzielczą kontrastową, czyli możliwość rejestrowania minimalnych różnic w pochłanianiu promieniowania po podaniu środka cieniującego, pozwala zmniejszyć inwazyjność badań naczyniowych. Zabiegi polegające na nakłuciu naczynia, cewnikowaniu tętnic i podaniu kontrastu są bezpieczniejsze i lepiej znoszone przez pacjentów. Wyniki badań natomiast okazują się bardziej dokładne, gdyż technika cyfrowa umożliwia obiektywne pomiary stopnia i długości zwężenia naczynia.

Obecna radiografia cyfrowa znajduje coraz szersze zastosowanie w rutynowych badaniach radiologicznych, np. układu kostnego i narządów klatki piersiowej. Błonę rentgenowską zastąpiono selenową folią pamięciową. W zależności od natężenia promieni rentgenowskich padających na folię dochodzi do przemian energetycznych w powłoce elektronowej pierwiastków, z jakich jest ona zbudowana. Powstaje w ten sposób - podobnie jak w emulsji światłoczułej błony fotograficznej - obraz utajony, którego odczyt możliwy jest za pomocą urządzeń laserowych. Impulsy powstające w czytniku laserowym, wprowadzane są do pamięci komputera. Podobnie jak w cyfrowej angiografii subtrakcyjnej i tomografii komputerowej, obraz może być następnie prezentowany na ekranie monitora lub na błonie rentgenowskiej.

Radiografia cyfrowa ma wiele zalet, przede wszystkim pacjent otrzymuje o 40-50% promieniowania jonizującego mniej. Wielokierunkowe przetwarzanie obrazu otwiera nowe możliwości praktyczne i poznawcze.

Trójwymiarowa prezentacja ciała ludzkiego pozwala dokładniej odwzorować budowę narządów, natomiast bardziej precyzyjne umiejscowienie ognisk patologicznych oraz dokładniejsza ocena ich rozległości ułatwiają planowanie leczenia operacyjnego. Powtarzalne pomiary struktur anatomicznych, a także zjawisk czynnościowych przyczyniają się do zbliżenia medycyny do nauk ścisłych.

Dodatkową korzyścią jest możliwość archiwizacji dużej liczby obrazów na niewielkiej przestrzeni oraz łatwy dostęp do danych - na jednym dysku magneto-optycznym można zarejestrować około 10 tys. obrazów. Wyniki badań w postaci cyfrowej można przekazywać na odległość za pomocą linii telefonicznych lub światłowodów (Image Communication System). W zależności od możliwości i potrzeb, układ łączności może obejmować zakład radiologii, szpital, miasto czy też cały kraj, może mieć również zasięg międzynarodowy i międzykontynentalny. System PACS (Picture Archives and Communication System) ułatwia prezentację wyników badań, organizację szkolenia i konferencji naukowych. Satelitarna komunikacja międzykontynentalna znalazła zastosowanie w czasie wojny w Zatoce Perskiej. Wyniki badań różnego typu uszkodzeń urazowych, a w szczególności ośrodkowego układu nerwowego przesyłane były ze szpitali polowych do centrum konsultacyjnego w San Diego. Decyzje o rodzaju postępowania terapeutycznego docierały z powrotem do Arabii Saudyjskiej w czasie niezbędnym do przygotowania pacjenta do zabiegu operacyjnego. Ten międzykontynentalny system przesyłania obrazów jest coraz częściej wykorzystywany podczas konferencji i sympozjów radiologicznych.

Radiografia cyfrowa ma również swoje wady. Dotychczas, pomimo znacznego postępu w tej dziedzinie, jej zdolność rozdzielcza przestrzenna nie dorównuje obrazom rejestrowanym bezpośrednio na błonie rentgenowskiej. Elektroniczne urządzenia stosowane do rejestracji, przetwarzania, archiwizacji i przesyłania obrazów cyfrowych są w dalszym ciągu stosunkowo drogie. Niemniej przewiduje się, że przy końcu pierwszego dziesięciolecia XXI wieku większość pracowni i zakładów radiologicznych w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej, Japonii i w Europie posługiwać się będzie wyłącznie cyfrowymi systemami radiografii.

Zdjęcia autora

O Roentgenie i odkrytych przez niego promieniach X pisał Jan A. Kozubowski w artykule Roentgen i jego promienie X, "WiŻ" nr 12/95.

Prof. dr hab. med. BOGDAN PRUSZYŃSKI jest kierownikiem II Zakładu Radiologii Klinicznej AM w Warszawie.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(12/97) DENTYSTA RATUJE ŻYCIE?
(02/97) TAJEMNICE CIAŁA
(02/97) ZŁAPAĆ ECHO
(08/97) ŚWIECĄCE OGNISKA
(08/97) JAK ZIMNE, TO NIEBEZPIECZNE
(10/97) WPAŚĆ W REZONANS