Obrazki wnętrza ciała


12-02-2021 15:51:53

Pola płucne bez zagęszczeń ogniskowych, cienie wnęk typowe, kąty żebrowo-przeponowe wolne, sylwetka serca w RTG nieposzerzona, widoczne w zakresie badania struktury kostne bez cech patologicznej przebudowy. To diagnoza klatki piersiowej na podstawie badania rentgenowskiego.

Zachodzące w naszym ciele zmiany fizjologiczne i patologiczne obrazowanie medyczne przedstawia w formie obrazów, co pozwala lekarzowi „zajrzeć” do naszego wnętrza bez konieczności przeprowadzania operacji chirurgicznej. Zwiększyło ono zakres i skuteczność diagnostyki medycznej, bo umożliwia: wizualizację (czy widoczne są symptomy choroby), analizę ilościową (pomiary, np. wielkości organów czy zmian chorobowych) i lokalizację (gdzie jest dana zmiana i jak do niej dotrzeć).

Od promieni rentgenowskich…

W 1895 r. niemiecki fizyk Wilhelm Conrad Röntgen (1845 - 1923), kierownik Instytutu Fizyki na uniwersytecie w Würzburgu (w 1894 r. został jego rektorem), rozpoczął badania promieni katodowych i w listopadzie odkrył nowy rodzaj promieniowania, które długo badał. Stwierdził, że przenika ono przez ciała nieprzezroczyste, zaciemnia kliszę fotograficzną i nie odchyla się w polu magnetycznym. Ten nowy rodzaj promieni niewidzialnych nazwał promieniami X. 8 listopada w pewnym momencie na ekranie ujrzał rękę szkieletu: obraz własnej ręki - cień jej kośćca. 22 grudnia naświetlono dłoń jego żony i po 15 min. ekspozycji otrzymano rentgenogram (przechowywany jest na uniwersytecie w Würzburgu). Röntgen o swym odkryciu szybko poinformował Towarzystwo Fizyczno-Lekarskie w pracy Über eine neue Art von Strahlen. Za odkrycie promieni nazwanych, na wniosek histologa Alberta Koellikera na posiedzeniu w Würzburgu, jego nazwiskiem, w 1901 r. został laureatem pierwszej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

Na jego cześć rentgenem nazwano również jednostkę dawki promieniowania jonizującego, a w 2004 r. - pierwiastek chemiczny, o liczbie atomowej 111, znany wcześniej jako unununium. Oczywiście sprzęt do prześwietleń wykorzystujący promieniowanie rentgenowskie nazwano aparatem rentgenowskim (rentgenem).

Warto wspomnieć, że w 1896 r. Piotr Lebiedziński (1860 - 1934), polski fotograf, chemik i wynalazca, pierwszy na ziemiach polskich sprzedawca aparatów kinematograficznych, niemal równocześnie z dr. Edmundem Biernackim wykonywał pionierskie zdjęcia rentgenowskie. W tym samym roku także profesorowie Karol Olszewski i Alfred Obaliński w Katedrze Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie wykonali zdjęcia rentgenowskie (są eksponowane w zbiorach Muzeum UJ w Collegium Maius). Dodam, że Lebiedziński w 1888 r. założył pierwszą w kraju wytwórnię papierów fotograficznych (po wojnie jej tradycje i nazwę przyjęły Warszawskie Zakłady Fotochemiczne „Foton”).

Natomiast pierwsze zdjęcie rentgenowskie całego ciała ludzkiego wykonał w 1934 r. Arthur Fuchs z amerykańskiej firmy Kodak. Właściwą lampę rentgenowską, tj. lampę próżniową z żarzoną katodą wolframową zamiast stosowanych wcześniej lamp wyładowczych - gazowanych z zimną katodą (jonowe), opatentował w 1913 r. amerykański fizyk i wynalazca William D. Coolidge (1873 - 1975), wieloletni dyrektor Laboratorium Badawczego firmy General Electric. Do zjawiska termoemisji wykorzystał wynalezione giętkie włókno wolframowe, dzięki któremu gorąca katoda mogła emitować w sposób sterowalny elektrony.

Zdjęcie rentgenowskie, czyli dwuwymiarowy obraz rejestrowany podczas prześwietlania organów badanej osoby wiązką promieniowania rentgenowskiego, jest jedną z podstawowych technik diagnostycznych w medycynie. Najczęściej wykonywane są prześwietlenia płuc (podstawowe badanie diagnostyczne w pulmonologii), piersi (mammografia), kręgosłupa (osteoporoza) i jamy brzusznej, a także zęba w stomatologii.

Trzeba jednak pamiętać, że promienie X, promieniowanie elektromagnetyczne o fali długości 0,0001 - 100 nm nie są obojętne dla naszego zdrowia. W kwietniu 2017 r. opublikowano obwieszczenie Ministra Zdrowia w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Zdrowia w sprawie warunków bezpiecznego stosowania promieniowania jonizującego dla wszystkich rodzajów ekspozycji medycznej (Dz.U. nr 884/2017). I dlatego zdjęcia wykonywane są w specjalnych pomieszczeniach, a części ciała i narządy pacjenta niebędące przedmiotem badania, a w szczególności znajdujące się w obrębie wiązki pierwotnej tego promieniowania, jeżeli nie umniejsza to diagnostycznych wartości wyniku badania, chronione są przed promieniowaniem jonizującym.

Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się też w bezinwazyjnej i bezbolesnej tomografii komputerowej (TK) stosowanej w neurologii, kardiologii, pulmonologii i gastroenterologii. Pokazuje bardzo dobrej jakości obrazy przekrojów (nie rzutów na płaszczyznę), nie różnicuje tkanek miękkich. Tomografia jamy brzusznej umożliwia ocenę nerek, dróg żółciowych i pęcherzyka żółciowego, wątroby i trzustki oraz diagnozę m.in. nowotworów mózgu i płuc (na badaniu TK widać również jelita), angiografii/arteriografii, wykorzystywanej do wizualizacji wnętrza naczyń krwionośnych oraz organów ciała, zwracającej szczególną uwagę na tętnice, żyły oraz komory serca, czy densytometrii, zwanej też osteodensytometrią, badającej gęstość substancji mineralnych tkanki kostnej, w której obraz otrzymuje się trzema metodami: podwójną wiązką promieniowania rentgenowskiego, tomografią komputerową i ultrasonografią.

… do fal akustycznych

Innym popularnym badaniem obrazowym jest ultrasonografia, która wykorzystuje fale akustyczne wysokiej częstotliwości, nieszkodliwe dla ludzkiego organizmu. Badanie USG wykonuje się sondą przykładaną bezpośrednio do powierzchni ciała (aby przewodzenie impulsów było łatwiejsze, diagnozowany fragment ciała smaruje się specjalnym żelem), w której wnętrzu jest kryształ wytwarzający fale akustyczne o wysokiej częstotliwości (1 - 10 MHz), które bezboleśnie wnikają do naszego ciała i rozchodzą się, nie uszkadzając komórek (każdy narząd inaczej odbija ultradźwięki, dzięki czemu można rozpoznać jego strukturę). Odbiornik echa akustycznego powracającego po odbiciu się od warstwy badanych narządów organizmu zamienia przetwornikiem piezoelektrycznym impuls akustyczny na elektryczny, który zostaje komputerowo przetworzony na obraz widoczny na monitorze.

Stosowana jest w kardiologii, ginekologii i położnictwie, urologii i gastrologii. Pomaga w diagnostyce narządów miękkich, naczyń krwionośnych. Najczęściej wykonuje się USG jamy brzusznej, piersi, tarczycy, węzłów chłonnych, serca (tzw. echo serca), ślinianek, układu kostno-szkieletowego stawu kolanowego lub ramiennego, ginekologiczne (transwaginalne), naczyniowe i inne. Na obrazie widoczne są nie tylko same narządy, ale także wszelkie guzy, zmiany nowotworowe, mięśniaki, a w przypadku przyszłej mamy – płód. Za pomocą USG jamy brzusznej można obrazować: wątrobę, trzustkę, śledzionę, nerki, pęcherzyk żółciowy i drogi żółciowe, narządy moczowo-płciowe: pęcherz moczowy, prostatę, macicę, jajniki i jądra, poza tym tarczycę, sutki, węzły chłonne (na szyi, nad- i podobojczykowo, w pachach, pachwinach, wzdłuż aorty i naczyń biodrowych), naczynia (poszerzenie, zwężenie, tętniaki, płytki miażdżycowe), ślinianki, zmiany w tkankach miękkich, stawy itd.

Na osobne przedstawienie zasługuje zaawansowana technika diagnostyczna: pozytonowa tomografia emisyjna (PET), rejestrująca komputerowe obrazy zmian metabolizmu cukrów, jakie mają miejsce w tkankach. Jej opracowanie zajęło wiele lat, a powszechnie stosowana jest dopiero od 2001 r. Jest niezastąpiona w onkologii w diagnozowaniu nawet niewielkich, świeżych zmian nowotworowych w całym organizmie pacjenta. Nie tylko potwierdza lub je wyklucza, ale także określa, czy nowotwór ma charakter łagodny czy złośliwy, co umożliwia precyzyjne i drobiazgowe zaplanowanie leczenia.

Niestety, przeprowadzenie badania PET wymaga fachowej wiedzy i kosztownego sprzętu, w tym cyklotronu, czyli urządzenia do wytwarzania niezbędnych w procedurze radioaktywnych izotopów o dobrze znanym czasie rozpadu połowicznego (najczęściej są to fluor, tlen, azot lub węgiel), dlatego nie jest ono w Polsce powszechne.

W obrazowaniu medycznym wykorzystuje się też fale radiowe, które oddziałują na organizm umieszczony w polu magnetycznym. Wykorzystywane są w rezonansie magnetycznym (RM, RMI), który pozwala na otrzymanie dowolnych obrazów przekrojów ciała. Stosowane pole magnetyczne ma przeważnie wartość 0,5 - 3,0 Tesli (indukcji magnetycznej), a ponieważ nie powoduje interakcji z organizmem, więc rezonans ma opinię bezpiecznego. Nieinwazyjne badanie RM jest stosowane w diagnostyce chorób, m.in.: serca, kręgosłupa, kończyn i stawów, narządów jamy brzusznej (w tym nerek, wątroby, trzustki), narządów rodnych u kobiety, piersi, prostaty i stwardnienia rozsianego. Dobrze odwzorowuje tkanki miękkie widoczne na obrazie dobrej jakości.

W 1986 r. naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN w Krakowie stworzyli aparat do rezonansu magnetycznego – pracę rozpoczął prof. dr hab. Jacek Hennel, wybitny fizyk, współtwórca pierwszego cyklotronu C-48 w Krakowie, pionier badań z wykorzystaniem magnetycznego rezonansu jądrowego w Polsce, wieloletni kierownik Zakładu Radiospektroskopii Jądrowej w Instytucie, a kontynuował jego student - prof. dr hab. Andrzej Jasiński. Na początku do badań służyło… jabłko oraz źdźbło trawy. W latach 90. nasz rodzimy rezonans magnetyczny służył do badania zwierząt – sprawdził się przy diagnostyce pszczół oraz przy diagnostyce uszkodzenia rdzenia u szczurów (https://www.wizjamed.pl/historia-rezonansu-magentycznego/).

Z kamerą do wnętrza

Niezbędne w leczeniu naszych dolegliwości obrazy lekarz może uzyskać również w „tradycyjny” sposób. Takim zabiegiem diagnostyczno-medycznym jest endoskopia wykorzystywana w laryngologii, ortopedii oraz gastroenterologii. Wykonywany jest za pomocą endoskopu, wyposażonego we wbudowaną na końcu kamerę oraz źródło światła. Badanie polega na wprowadzeniu endoskopu przez naturalny otwór ciała (usta, nos, odbyt, cewka moczowa) lub otwór wykonany celowo w ciele na potrzeby zabiegu. Służy do wykrywania zmian chorobowych oraz umożliwia pobieranie materiału do badania histopatologicznego. Dzięki endoskopii możliwe jest również przeprowadzanie mało inwazyjnych zabiegów.

Wyodrębnia się kilka rodzajów endoskopii: gastroskopię (celem jest ogląd górnego odcinka pokarmowego pacjenta, pobieranie materiału do badania, a także zatrzymywanie krwawień - badania początkowego odcinka przewodu pokarmowego  pomagają lekarzowi skontrolować stan przełyku, żołądka i dwunastnicy), kolonoskopię (ogląd jelita grubego), cystoskopię (wziernikowanie pęcherza moczowego, które stosuje się w diagnostyce oraz leczeniu chorób układu moczowego), artroskopię (wziernikowanie stawu), bronchoskopię (umożliwia badanie tchawicy oraz oskrzeli, a także pobieranie próbek śluzówki i wydzieliny w celu ich badania laboratoryjnego - po raz pierwszy wykonana została tuż pod koniec XIX w. przez Gustava Kiliana, niemieckiego laryngologa), endoskopię igłową (badanie wnętrza oka, naczyń wieńcowych czy zastawek serca), endoskopię kapsułkową (badanie jelita cienkiego pacjenta dzięki połkniętej przez niego metalowej kapsułce z kamerą) i laparoskopię (pozwala na ocenę wnętrza jamy otrzewnej, przeprowadzana jest przez otwór w brzuchu za pomocą sondy). Laparoskopia jest dość młodą techniką badań, choć pierwsze doświadczenia w tej dziedzinie i próby kliniczne wykonywane były już ponad 200 lat temu. Jeszcze przed dwudziestoma laty służyła wyłącznie do diagnostyki wnętrza jamy brzusznej oraz pobierania wycinków do badań histopatologicznych. Obecnie za jej pomocą przeprowadza się także zabiegi operacyjne. Endoskopię można również podzielić pod względem celu jej przeprowadzenia. Pod tym względem wyróżnia się endoskopię diagnostyczną i zabiegową. Niestety nie są to badania przyjemne, dlatego pacjentowi podawane są zwykle dożylne lub miejscowe leki znieczulające (https://www.medonet.pl/zdrowie,endoskopia---rodzaje--przebieg-badania--przygotowanie,artykul,1729474.html).

Ciekawy jest opublikowany w 2020 r. „wykład” „Obrazowanie medyczne” prof. dr. hab. inż. Michała Strzeleckiego, pracownika Zakładu Elektroniki Medycznej, Instytutu Elektroniki Politechniki Łódzkiej, dla studentów VII semestru Inżynierii biomedycznej (http://mstrzel.eletel.p.lodz.pl/mstrzel/lecture2020/OM_1.pdf).

Na wstępie ilustrowanego licznymi wykresami i zdjęciami opracowania autor wymienia efekty kształcenia. I tak po zaliczeniu przedmiotu student powinien:

1. Umieć wyjaśnić podstawowe zjawiska fizyczne występujące w wybranych metodach obrazowania medycznego,

2. Znać zasady działania oraz zastosowania kliniczne wybranych metod obrazowania medycznego,

3. Rozumieć zalety i wady różnych technik obrazowania oraz być świadomym zagrożeń dla pacjenta wynikających ze stosowania tych technik,

4. Rozwiązać prosty problem inżynierski z zakresu wyświetlania, przetwarzania lub analizy obrazów biomedycznych.

Jerzy Bojanowicz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pierwsza na ziemiach polskich fotografia rentgenowska przedstawia przycisk do papieru w kształcie jaszczurki (1895/96 r.).

 

 

 

 

 

 

 

 

Zdjęcie dłoni Tadeusza Estreichera, wykonane przez Karola Olszewskiego prawdopodobnie w 1896 r.

Oba zdjęcia znajdują się w zbiorach w Muzeum Uniwersytetu Jagiellońskiego Collegium Maius (depozyt od Towarzystwa Przyjaciół Sztuk Pięknych w Krakowie).

 

 

 

 

 

 

Tomograf i rezonans magnetyczny

 

 

 

 

 

 

Ultrasonograf

 

 

 

 

 

 

 

Laparoskop-SKINPAD.pro

 

Historia obrazowania medycznego

rentgenografia: w styczniu 1896 r. brytyjski lekarz John Francis Hall-Edwards po raz pierwszy użył promieni rentgenowskich w warunkach klinicznych, prześwietlając rękę współpracownika, w lutym wykonał pierwsze zdjęcie rentgenowskie, a następnie pierwsze prześwietlenie ludzkiego kręgosłupa;

angiografia: w 1926 r. portugalski neurolog António Caetano de Abreu Freire Egas Moniz jako pierwszy wykonał angiografię mózgu u człowieka dotkniętego nowotworem śródczaszkowym (w 1949 r. dostał Nagrodę Nobla „za odkrycie terapeutycznej wartości lobotomii w pewnych psychozach”);

ultrasonografia: pierwszy skaner obrazujący badane organy w prezentacji typu B wykorzystywany w położnictwie powstał w 1951 r. W 1954 r. szwedzki kardiolog Inge Gudmar Edler i niemiecki fizyk Carl Hellmuth Hertz (syn noblisty, Gustava Hertza) zbudowali pierwszy skaner ultrasonograficzny umożliwiający prezentację w trybie M, co umożliwiało zobrazowanie ruchu zastawek serca (rok później w Japonii przeprowadzono pierwszą analizę ruchu zastawek serca, wykorzystując w badaniu efekt Dopplera);

endoskopia: w 1957 r. amerykański lekarz Basil Hirschowitz skonstruował  pierwszy giętki endoskop – aparat zbudowany z włókien światłowodowych;

tomografia: w 1974 r. Michel Matthew Ter-Pogossian, amerykański fizyk medyczny, profesor radiologii, pionier medycyny nuklearnej, kierował zespołem, który skonstruował pierwszy aparat do pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) - nazywany jest „ojcem PET”; w 2003 r. amerykański chemik Paul Charles Lauterbur i brytyjski fizyk Peter Mansfield dostali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny „za odkrycie dotyczące obrazowania rezonansu magnetycznego” (w 1988 r. Uniwersytet Jagielloński nadał Lauterburowi doktorat honoris causa).

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl