Najważniejsze jest wnętrze – o metodach obrazowania

Najważniejsze jest niewidoczne dla oczu, najważniejsze jest wnętrze. Słyszymy to w licznych wariantach – i rzecz jasna jest to prawda! Wnętrze jest najważniejsze. Zgodzi się z tym zdecydowana większość lekarzy. A jednocześnie tylko nieliczni z nich mają możliwość rzeczywiście to wnętrze zobaczyć – jeśli mówimy o głębszych warstwach, to właściwie tylko chirurdzy. Ale nic straconego! Jest szereg metod, które pozwalają zobrazować to, co niewidoczne dla oczu, bez konieczności rozcinania pacjenta. Jak działa obrazowanie i jakie techniki są w tym celu wykorzystywane? Pozwól, że wyjaśnię!

Disclaimer: staram się przekazywać tutaj rzetelną wiedzę naukową, ale nie jestem lekarzem, a żaden wpis na tym blogu nie może być traktowany jako porada medyczna. Jeśli potrzebujesz porady medycznej, skonsultuj się z lekarzem lub farmaceutą.

Jak zajrzeć pod skórę?

Każdy z nas słyszał o prześwietleniu czy USG, większość zapewne miała badania wykorzystywane tymi metodami. Standardowy rentgen, czyli prześwietlenie wykorzystujące promienie X jest najczęściej wykorzystywany do diagnostyki układu kostnego. Dlaczego? Ponieważ promienie Roentgena słabiej przenikają przez gęstsze tkanki, szczególnie te bogate w cięższe pierwiastki. Czyli w przypadku kości – wapń. Z kolei tkanki miękkie nie zatrzymują tego rodzaju promieniowania prawie wcale. Dzięki temu możliwe jest zwizualizowanie kości żywego człowieka, nie szkodząc mu przy tym zbytnio. Zbytnio, bo jednak taki rodzaj wysokoenergetycznego promieniowania nie jest dla zdrowia ludzkiego zupełnie obojętny – po szczegóły zapraszam do naszego dawnego artykułu. Dlatego też możliwe staje się potwierdzenie, czy kość jest złamana, nawet jeśli z zewnątrz tego nie widać.

Ale kości nie są jedynym, co można badać przez prześwietlenie. Jakim sposobem? No cóż, jeśli interesująca nas tkanka miękka nie absorbuje tego rodzaju promieniowania, to możemy podać jej coś, co sprawi, że zacznie. Czyli tak zwany kontrast. Są to związki chemiczne, które zawierają pierwiastki o wysokiej liczbie atomowej. Im wyższa liczba atomowa, tym lepsze pochłanianie promieni X, co z kolei oznacza, że dawka kontrastu może być stosunkowo niewielka. Taki rentgen z kontrastem pozwala zobaczyć na przykład naczynia krwionośne czy układ pokarmowy. W tym pierwszym wypadku podaje się kontrast zawierający jod, w tym drugim – najczęściej jest to siarczan baru.

Przechodzimy w trzeci wymiar

Ale to nie wszystko. Jeśli dotąd mieliście do czynienia z “klasycznym” prześwietleniem, to wynik był dwuwymiarowy. Dostaliście kliszę fotograficzną z wizerunkiem prześwietlanej części ciała¹Lub płytę zawierającą cyfrowy obraz tego wizerunku – na jedno wychodzi. Ale dziś mamy do dyspozycji znacznie potężniejszą możliwość: jesteśmy w stanie uzyskać obraz trójwymiarowy. A służy temu metoda zwana tomografią. A konkretniej w przypadku promieni X mówimy o tomografii rentgenowskiej lub, po prostu, tomografii komputerowej. O co chodzi?

Wszystko zaczęło się od opublikowanej w 1917 roku przez Austriaka, Johanna Radona, pracy, w której dowodził on, że z nieskończonej liczby rzutów dwuwymiarowego obiektu na płaszczyznę da się zrekonstruować sam obiekt. Działa to więc następująco. Wyobraźcie sobie, że macie jakiś kształt. Z jednej strony świecicie na niego latarką. Z drugiej – zaznaczacie jego cień. Odkładacie kartkę z zaznaczonym cieniem na bok, bierzecie następną, i powtarzacie procedurę, tym razem jednak świecąc pod nieco innym kątem. I tak dalej, i tak dalej, nieskończenie wiele razy. Oczywiście, w realnym świecie nieskończoności nie funkcjonują tak dobrze, jak w matematyce, ale jeśli nie potrzebujecie nieskończonej precyzji, to wystarczy skończona liczba takich rysunków, żeby w przybliżeniu na podstawie waszych rysunków zrekonstruować obiekt. W przypadku promieni X jest nawet łatwiej, bo nasz rzut zawiera nie tylko sam kształt, ale też informację o grubości warstwy, przez jaką promieniowanie przeszło. A najlepiej wyjaśni to chyba film dostępny tutaj.

Na plasterki!

Innymi słowy: jesteśmy w stanie zobaczyć trójwymiarowy obraz wnętrza pacjenta, jeżeli zrobimy mu wiele prześwietleń, jedno za drugim, pod różnym kątem. I tak właśnie działa tomografia komputerowa. Pacjenta układamy na specjalnym łóżku, a następnie wąską lampą rentgenowską i równie wąskim detektorem robimy zdjęcia kolejnych jego “plastrów” – a każdy plaster prześwietlamy wiele razy, pod różnymi kątami. Dzięki kontrastom możemy obejrzeć różne struktury, na przykład mózg – co pozwala sprawdzić, czy przypadkiem nie doszło do wylewu. Co więcej, guzy nowotworowe są na ogół bardzo silnie ukrwione, więc wizualizacja naczyń krwionośnych ułatwia diagnostykę nowotworową, a po diagnostyce – przygotowanie odpowiedniego planu operacji mającej na celu usunięcie guza.

Oczywiście, jak już wspomniałem, prześwietlenie nie jest obojętne dla zdrowia. A skoro tomografia oznacza wykonanie dziesiątek albo i setek prześwietleń, to też i przyjęta dawka promieniowania jest znacząco wyższa, niż przy zwykłym prześwietleniu. Nawet stukrotnie wyższa. Jest to jeden z powodów, dla których stosujemy również inne techniki obrazowania. Oczywiście, nie jest to powód jedyny – niektóre rzeczy po prostu lepiej widać, gdy zastosujemy inne metody. Takie, jak PET – tomografia emisji pozytonu.

Chodząca fabryka antymaterii

O co chodzi? O to, żeby na pewien czas przetworzyć pacjenta w chodzącą fabrykę antymaterii. Tak, dokładnie – tej antymaterii, o której już kiedyś pisałem. Podajemy badanemu związek, który spełnia kilka warunków. Przede wszystkim, jest nieszkodliwy dla jego zdrowia. Poza tym, ze względu na swoją strukturę, trafia do tej części badanego, którą chcemy zobaczyć. Czyli na przykład do krwi albo do wątroby. I wreszcie – ma w swojej strukturze jakiś promieniotwórczy izotop, ulegający rozpadowi beta plus. Jeśli nie kojarzycie tematu – zerknijcie do naszego artykułu o promieniotwórczości, a przypomnicie sobie, że w tym rozpadzie powstają pozytony. Czyli antymateryjne odpowiedniki elektronów. A co się stanie, gdy taki anty-elektron spotka się ze “zwykłym” elektronem?

Nastąpi anihilacja. Obydwa przestaną istnieć, powstaną natomiast dwa fotony. Fotony te będą miały ściśle określoną energię i, co istotne, będą się oddalały od siebie najszybciej jak się da – czyli będę się przemieszczały po tej samej prostej, ale w przeciwnych kierunkach. Biorąc pod uwagę, jak szybko porusza się światło i jaka jest wielkość tomografu, możemy przyjąć, że do rozmieszczonych wokół badanego detektorów dotrą równocześnie. To pozwala znacząco odsiać szum. Detektory są pobudzane przez fotony, ale sygnał za istotny uznajemy tylko wtedy, jeśli detektor po drugiej stronie badanego również zarejestrował sygnał w odpowiednim czasie. Jeśli nie – uznajemy, że to pobudzenie detektora nie wynikało z rozpadu promieniotwórczego w ciele badanego i nie wliczamy go do rekonstruowanego obrazu. Dlatego też PET daje tak dokładne obrazy. Trzeba jednak pamiętać, że znów mamy tu do czynienia z promieniotwórczością, co ogranicza nas jeśli chodzi o możliwość wielokrotnego powtarzania badania.

Przerażająca nazwa

Ale jest też metoda, która z promieniotwórczością nie ma nic wspólnego – poza niedoszłą nazwą, która została zmieniona ze względu na potencjalne skojarzenia badanych. O co chodzi? O rezonans, bo tak się u nas tę metodę nazywa. Po angielsku najczęściej określa się ją trzyliterowym skrótem: MRI, czyli Magnetic Resonance Imaging – obrazowanie rezonansem magnetycznym. A jest to tylko o jedną literkę “przesunięte” względem tego, jak nazywa się metoda wykorzystująca to samo zjawisko, stosowana w analizie chemicznej: NMR, czyli Nuclear Magnetic Resonance – jądrowy rezonans magnetyczny. Skąd różnica w nazwie? Bo “jądrowy” kojarzyło się ludziom z promieniotwórczością. Serio. Po prostu ktoś stwierdził, że jak pacjenci usłyszą, że ma im być wykonane badanie z “jądrowy” w nazwie, to się przestraszą promieniowania.

A to w ogóle nie o to chodzi – wykorzystujemy tutaj po prostu właściwości jąder pierwiastków. A konkretniej przede wszystkim wodoru. Bez wnikania w zbytnie szczegóły, chodzi o to, że niektóre jądra atomowe, umieszczone w silnym polu magnetycznym, ustawiają się na dwa różne sposoby. A niskoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne może sprawić, że przejdą one z jednego stanu do drugiego. I to właśnie wykrywa NMR czy też MRI. A ponieważ wodoru w żywych organizmach jest dużo – w wodzie, w białkach, tłuszczach, cukrach i innych związkach – to najczęściej nie potrzeba podawać żadnego kontrastu. W większości wypadków wystarczy pacjenta w stanie takim, w jakim jest, włożyć do aparatu do rezonansu i można podziwiać jego bogate wnętrze.

W polu magnetycznym

Czasem jednak ten kontrast jest potrzebny. Stosuje się wtedy związki gadolinu, ponieważ jądro tego pierwiastka jest bardzo aktywne w rezonansie magnetycznym. Jeśli jednak nie potrzeba podawać kontrastu, to nie ma problemu nawet z przypadkami, które nie kwalifikują się do pozostałych metod obrazowania, na przykład z kobietami w ciąży. Pole magnetyczne nie jest dla człowieka szkodliwe.

No chyba, że podejdzie zbyt blisko magnesu z czymś wykonanym z metalu wrażliwego na pole magnetyczne. Wtedy może już od niego się nie dać rady odsunąć. Pole magnetyczne w rezonansie jest 5-6 rzędów wielkości silniejsze niż ziemskie. A na domiar złego jego intensywność spada z kwadratem odległości. Jeśli więc zbliżymy się do magnesu o połowę, to pole wzrośnie nie dwu-, ale czterokrotnie. A do tego typu wzrostu człowiek nie jest przyzwyczajony, łatwo więc o chwilę nieuwagi… Jeśli wpiszecie w google “MRI fail”, to z łatwością znajdziecie szereg obrazów pokazujących, czym taka chwila nieuwagi może skutkować.

Mamy więc do dyspozycji szereg różnych metod obrazowania, pozwalających spojrzeć głębiej. Która jest najlepsza? Żadna. Każda ma wady i zalety: szybkość, czułość, rozdzielczość, cena… Ostatecznie to lekarz decyduje, z czego musi skorzystać, żeby zobaczyć, co pacjent ma w środku. Bo pamiętajcie, najważniejsze jest wnętrze!

Bibliografia

1. J. Radon, „On the determination of functions from their integral values along certain manifolds,” in IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 5, no. 4, pp. 170-176, Dec. 1986, doi: 10.1109/TMI.1986.4307775.
2. https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/computed-tomography-ct
3. https://www.nist.gov/how-do-you-measure-it/how-does-mri-machine-work
4. https://www.hopkinsmedicine.org/health/treatment-tests-and-therapies/magnetic-resonance-imaging-mri
5. https://www.radiologyinfo.org/en/info/pet

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!