Orvosi képalkotó eljárások

Megpróbálom a legjellemzőbb orvosi képalkotó eljárások elvét közérthetően - nem tudományosan - összefoglalni. Ez utóbbit garantálhatom, hiszen nem vagyok szakember ezen a területen (sem), csak "lelkes érdeklődő".

Alapismeretek

Az orvosok biztosan régóta szerettek volna "belelátni" a páciensekbe, de ez sokáig nem volt lehetséges.
Ehhez alapelvében valami olyan, vélhetően hullámtermészetű, dolog szükséges, ami a szöveteken részben áthatol (lehetőleg károsítás nélkül) és aztán valamivel érzékelhető.

Ilyesmi valami a neutrínó is, károsítás nélkül áthalad az emberen (meg mindenen) viszont "nem hagy nyomot", rettentő nehéz észlelni.
A látható fényről viszont tudjuk, hogy nem megy át, tehát ez is kiesett.

Röntgen 1895-ben felfedezte az X sugarakat - meg is kapta érte az első fizikai Nobel-díjat. Ezzel az első olyan eszközt adta az orvosok kezébe, amely lehetővé teszi, hogy tényleg belelássanak a pácienseikbe. Arra is viszonylag hamar rá kellett jönni, hogy sajnos súlyos "mellékhatásai" is vannak. Az első röntgenorvosokra nem volt jellemző a természetes halál. De napjainban már tudunk vigyázni és nem csak a páciensek, az orvosok sem kapnak nagy sugárdózisokat.

Azóta sokat fejlődött a "belelátás" és számtalan egyéb módszer is lehetővé teszi a képalkotást. Némelyik ma is a "jó öreg" röntgensugárzást alkalmazza, némi számítógépes támogatással. Ilyen például a CT. Sok eljárás azonban egészen más lehetőségeket használ.

Itt van pl. az ultrahang. Ez az emberi fül számára hallhatónál rövidebb hullámhosszú, nagyobb frekvenciájú hanghullám, amely bizonyos szöveteken, bizonyos szögben áthatol, másokon elhajlik, szóródik, visszaverődik - tehát "rendes tisztességes" hullámként viselkedik. Ezen kívül viszonylag könnyen észlelhető és megfelelő számítógépes háttérrel nagyon jó képalkotást biztosít - károsítás nélkül.

A mostanában kifejlesztett további eljárások közül elektromágneses hullámokat észlel a PET is, a bejuttatott radioaktív izotóp bomlása során keletkező g-sugárzást. Egy másik korszerű eljárás az MRI viszont az erős mágneses térben gerjesztett atommagok eltérő viselkedését alkalmazza képalkotásra, de valójában ez is elektromágneses hullámokat észlel.

Tehát van jó néhány olyan "fizikai jelenség", amely megfelel az elején említett kritériumoknak és alkalmas arra, hogy az orvososok az "ember belsejébe láthassanak".
Mindegyik eljárásnak megvan az előnye (és hátránya) és mindegyik eljárással más-más szövettípusok vizsgálhatók megfelelően.

Egy agyvérzéses területről három különböző eljárással (CT, PET, MRI) készült felvételen összehasonlítható az egyes eljárások képalkotása. A << >> gombokkal nézhető meg az adott eljárással készült kép.

Röntgensugárzáson alapuló eljárások

A röntgensugárzás felfedezését követően viszonylag hamar rájöttek, hogy ez a látható fénynél sokkal rövidebb hullámhosszúságú elektromágneses sugárzás áthatol az emberi testen és megfeketíti a fényképészeti filmet. Ráadásul a különböző szöveteken nem egyformán halad át, tehát képet alkothat a test belsejéről.

Röntgensugár létrehozása

Valamennyi röntgensugárzáson alapuló képalkotó eljáráshoz először is röntgensugarat kell létrehozni valamilyen eszközzel.

Az ábrán és az animációban a röntgencső elvi működése látható.
(100000 voltos feszültséggel felgyorsított elektronnyaláb csapódik egy forgó volfrám katódba és röntgensugarakat kelt.)
(Az ábrán forgó az animációban álló katód látható.)

És egy "igazi" röntgencső az alábbi képen.
Ez a "tenyérnyi szerkezet" egy fogászati röntgenkészülék "lelke".
Baloldalt látszik a fűtött katód borítása. A jobboldali "ferde felület" a felgyorsított elektronnyaláb becsapódási helye (itt nem forog).
A gyorsítófeszültség ennél a készüléknél "mindössze" 70000 volt.

Van tehát röntgensugarunk, azt is tudjuk, hogy ez áthatol az emberi testen.
Már "csak" érzékelni kellene valahogy.

Röntgensugár észlelése

Filmmel

A legegyszerűbb és legrégebben használt lehetőség a fényképészeti film alkalmazása.
Hamar rájöttek, hogy a fényképészetben használt fekete-fehér negatív filmek a röntgensugarak hatására ugyanúgy megfeketednek, mint, ha fény érte volna. Ha tehát fénytől elzárva, de a röntgensugarakat átengedő csomagolásban helyeznek filmet a röntgensugarak útjába, akkor a sugárforrás és a film közé elhelyezett tágyról - ebben az esetben az emberi testről (vagy annak egy részéről) kép készíthető. (Ez látható a baloldali ábrán.)

Fluoroszkópia

Arra is van lehetőség, hogy a páciensen áthaladó röntgensugarat azonnal láthatóvá tegyék az orvos számára.
Egy a "hagyományos TV képcsőhöz" hasonló eszköz biztosítja, hogy a röntgensugarakat látható fénnyé alakítsák. Egy ilyen eszköz működési elve látható a baloldali ábrán.

Félvezetők, egyebek

A legkorszerűbb készülékekben már általában félvezető képérzékelőket használnak. Ezek leginkább a digitális fényképezőgépek CCD érzékelőihez hasonlítanak.
Az alábbi ábrán két eltérő megoldás látható.
A baloldali ábrán egy nagy röntgenelnyelőképességű réteggel bevont amorf szilicium képalkotó eszköz látható.
Ennek működési elve az, hogy a röntgenfotonok fény felvillanásokat okoznak, amit a szilicium réteg elektromos jelekké alakít.
A jobboldali félvezetős érzékelőben a röntgenfotonok elektromos töltéseket hoznak létre, vagyis közvetlenül elektromos jelekké alakítják át a röntgensugarakat.

A valóságban így néz ki egy fogászati célra kifejlesztett félvezetős röntgenérzékelő (balra),
és a vele készült kép a számítógép képernyőjén (jobbra).

Hagyományos röntgenezés

A "hagyományos röntgenezés" elvét fentebb, a Röntgensugár észlelése résznél láthattuk.
A "gyakorlati megvalósítás" a baloldali képen látható.
A páciens az asztalra fekszik, fölötte helyezkedik el a röntgencső, amely a röntgensugarakat kelti, az asztal alatti résbe tolják be a filmet tartalmazó kazettát. (Vagy itt helyezkedik el a röntgenfotonokat elektromos jelekké alakító érzékelő - de ez már nem "hagyományos".)
A filmet a "megvilágítás" után ugyanúgy előhívják, mint a "szokásos" filmet.
Az "eredmény" a jobboldali képen látható, amely egy térdizületet ábrázol kétféle szögből.

CT (CAT)

Röntgensugarat alkalmaz a CT (Compterized Tomography - Számítógépes Tomográfia, Kompjúter Tomográfia) illetve a CAT (Compterized Axial Tomography) eljárás is.
Ebben az esetben egy körben elforduló, több röntgencsőből és sok érzékelőből álló fej készít számos röntgenfelvételt, amelyeket egy bonyolult számítógépes rendszer egyesít értékelhető képpé. (Lásd az alábbi ábrát.)

Ultrahang diagnosztika

Az 1940-es évek óta fejlődő ultrahang diagnosztika nagy előnye, hogy a legkisebb kockázat mellett, "működés" közben láthatjuk az élő szervezet különböző részeit, szerveit.

Alapja két fizikai jelenség. Az alkalmazott, az emberi fül által hallhatónál sokkal magasabb rezgésszámú (1-15 MHz) ultrahang a szövetekben terjed és az eltérő szövetek határáról visszaverődik. A visszaérkezés, ugyanúgy mint a visszhang esetén, annál hamarabb történik, minél közelebb van az adott szövet határfelülete.
Az ultrahangok kibocsátása és észlelése egyaránt megfelelő piezoelektromos kristályokkal történik.
Ezek a kristályok áram hatására megváltoztatják az alakjukat illetve (az érzékelés során) fordítva, deformáció hatására áram keletkezik bennük.

A baloldali animáció egy öngyújtó (vagy gázgyújtó) szikraképződésén mutatja be a jelenséget. A képre kattintva a kvarckristály összenyomódik és a töltés szétválás miatt szikrát kelt. A képre újra rákattintva visszaáll az alaphelyzetbe.

Az elmozduló hangforrás/detektor miatt más-más szögből érkeznek a visszavert ultrahang rezgések, így - megfelelő számítógépes támogatással - kirajzolódnak a vizsgált szövetek.

Alkalmazási területei: magzatfejlődési rendellenességek (a képen), rákgócok felderítése, vese-, prosztatavizsgálatok, keringési és szívrendellenességek diagnózisa stb.

Egyéb korszerű eljárások

A fentebb említett képalkotó eljárások mellett számos egyéb, más fizikai elveken alapuló, korszerű képalkotó eljárást is alkalmaznak az orvosi diagnosztikában napjainkban. Az alábbiakban ezek működési elve látható.

PET

Bizonyos szempontból hasonlít a CT-hez a pozitronemissziós tomográfia (PET).
Ennél a módszernél egy nem stabil izotóp bomlásakor kibocsátott pozitron egy elektronnal való találkozásakor kisugárzott gamma-fotonokat detektálják.
A pozitron egy antianyag-részecske, pontosan az elektron antirészecskéje.
Amikor egy részecske és annak antianyag-párja találkozik, akkor mindkét anyagi részecske megsemmisül, és két nagyenergiájú foton sugárzódik ki egymással ellentétes irányban (baloldali ábra).
A PET berendezés ezeknek a fotonoknak a számát méri.
A páciens szervezetébe olyan izotópot juttatnak, amely bomlásakor pozitront sugároz ki. Erre tipikus példa a fluor 18-as izotópja. A fluoratomokat egy, a cukorral rokon vegyületben megkötött formában (fluoro-dezoxi-glukóz) adják a páciensnek. Ez az anyag így a szervezet anyagcsere-folyamatait követve olyan helyekre jut el, ahová a cukor is eljutna. A kibocsátott pozitronok száma és így a másodlagos folyamatban keletkező fotonok száma arányos a fluoratomok számával. Vagyis, ha egy tomografikus intenzitástérképet vesznek fel, tér- és időbeli képet kaphatnak az anyagcsere-folyamatok lezajlásáról.

Így ez a módszer lehetőséget nyújt pl. az agy különböző területeinek és az ott lezajló folyamatoknak a vizsgálatára.

Az agy működéséről pozitronemissziós tomográfiával kapott információ egy agyvérzéses beteg esetén.

MRI, NMR

Az MRI (Magnetic Resonance Imaging - Mágneses Rezonanciás Képalkotás) csak a vízben található hidrogénre érzékeny, míg az NMR (Nuclear Magnetic Resonance - Magmágneses Rezonancia) a testben található összes hidrogénre.
Mindkettő ugyanazon fizikai elv, a mágneses rezonancia alapján működik, melynek során erős mágneses mezőben precessziót végző atomok vagy atommagok a beeső elektromágneses hullámokból energiát nyelnek el.
Ismert, hogy egyes atomok rendelkeznek olyan mágneses tulajdonsággal, mint az iránytű, szakkifejezéssel, a mágneses dipólusok. Egy ilyen dipólust mágneses térbe helyezve arra forgatónyomaték hat mindaddig, amíg az be nem fordul a tér irányába.
Ha ebből az egyensúlyi helyzetből kitérítjük a dipólust, akkor az rezegni kezd (vagy 3D-ban precesszál). A rezgés frekvenciája arányos lesz az alkalmazott tér nagyságával (a visszatérítő erővel). Ha a dipólus kitérését egy külső, periodikusan változó elektromágneses térrel hozzuk létre, akkor a legnagyobb kitérést éppen akkor kapjuk, amikor a gerjesztő tér frekvenciája megegyezik a dipólus saját szabad rezgésének frekvenciájával.

Az MRI a tomográfiák közül talán a PET-hez van legközelebb, mivel itt is forrássűrűséget mérnek, de az MRI-nél az emittált fotonokat az energia szerint is analizálják, és ebből a forrás helyének egyik komponensét meg lehet határozni.
A másik két komponenst a gerjesztő forrás és detektor helyének pásztázásával térképezik fel. Tehát, ha mérik a gerjesztő elektromágneses hullámokból elnyelt energiát mint a frekvencia függvényét, akkor kapják a legnagyobb értéket, amikor a dipólus sajátrezgéseinek frekvenciáját elérik.
A gyakorlatban nem az abszorpciót mérnek, hanem az azzal arányos emissziót. Mivel a gerjesztő elektromágneses impulzus után a kis dipólusok az elnyelt energiát kisugározzák, ezt egy detektorral felfogják, és a jel nagyságát számítógépben tárolják.
A berendezés igen nagy erejű (a földi mágneses tér több 10.000-szerese) szupravezető mágneseket tartalmaz.

Az MRI előnye, hogy a detektált atomok (ami tipikusan hidrogén) környezete szintén befolyásolja lokális terével a precesszálási tulajdonságait, frekvenciáját, illetve az időbeli lecsengés sebességét, ezért szövetspecifikus információt biztosít.

MRI-vel készült kép egy agyvérzésen átesett betegről.

Felhasznált irodalom