Zobrazovací metody
Prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D.
Zobrazovací metody První jednoduché lékařské přístroje zlepšovaly smyslové vnímání Zvětšovací sklo - (13.st.), Teploměr - (17.st.), Stetoskop - (19.st.), Endoskop - (19.st.) Zásadní - přístroje zviditelňující jevy lidským smyslům skryté EKG - (20.st.), Měření krevního tlaku (19.st.) zobrazovací metody - objev RTG paprsků (1895), Rentgenka s rotační anodou - (1914), Kontrastní látky - (1922), Teoretické základy CT - (1963), konstrukce CT - (1972), vznik spirálního CT (1987–1989) objev radioaktivity (1896), ϒ paprsky - (1900), Umělá radioaktivita (1934), PET - (1976 – po objevu FDG, poprvé v historii syntetizoval chemik prof. RNDr. Josef Pacák, DrSc., na př. f. UK v roce 1968, v praxi 90. léta), zařízení spojující PET a CT do jednoho přístroje - začátek 21 století 1976 – první počítač Apple 1
Zobrazovací metody Ionizující záření Alfa Beta mínus Beta plus Gama RTG záření
(2p, 2n) malý dolet, medicína (-) elektron, dolet mm, radioterapie pozitron, dolet mm, PET foton, dolet cm, scintigrafie, SPECT skiaskopie, skiagrafie, CT
Neionizující záření NMR Endoskopie Ultrazvuk
rezonanční chování některých atomových jader díky totálnímu odrazu světla obraz tělních dutin odraz na rozhraní tkání, změna frekvence při pohybu
Zobrazovací metody •
•
• • •
Diagnostika užívající pozitrony a gama záření je založena na rozdílném metabolizmu různých tkání, poskytuje především údaje o funkčním stavu sledované tkáně Diagnostika užívající RTG záření – založena na různé absorpci RTG záření tkáněmi, poskytuje především morfologickou (anatomickou) informaci o sledované tkáni NMR je diagnostika užívající magnetické vlastnosti jader některých prvků (tkáně s vysokým obsahem vodíku) Endoskopie je založena na přenosu obrazu svazkem optických vláken Ultrasonografie je založena na odrazu mechanických vln na rozhraní dvou různých prostředí, nebo na změně frekvence vyslaného a odraženého UZ
Zobrazovací metody Nukleární medicína – záření gama a pozitrony • • •
Diagnostika pomocí otevřených radioaktivních zářičů, aplikovaných do organizmu – tzv. emisní metody Podstata - radioaktivní izotopy reagují chemicky stejně jako stabilní izotopy téhož prvku – tzv. indikátorový (stopovací) princip Radioaktivní izotopy se spoji s vhodnou chemickou látkou a takové sloučeniny (označené radionuklidem) lze sledovat a jejich množství měřit detektory záření gama
PET, PET/CT, GAMA KAMERA, SPECT, SPECT/CT (základ u všech detektorů – scintilační detektor)
Zobrazovací metody
krystal
fotonásobič
Zobrazovací metody
Zobrazovací metody Beta plus - PET První přístroj PET byl v ČR instalován v r. 1999
Zobrazovací metody Hybridní systém PET/CT V r. 2003 byla v ČR instalována první hybridní aparatura PET/CT Spojení umožňuje akvizici funkčních (PET) a anatomických (CT) dat během jednoho vyšetření – poskytuje obrazy tkání získané současně z obou modalit. Nejprve je pořízen topogram, který slouží k vymezení vyšetřované oblasti . CT vyšetření a lůžko s pacientem se přesune Poté následuje vlastní do polohy, v níž proběhne PET scan
V poslední fázi jsou obrazy CT a PET položeny na sebe a prezentovány na společném displeji
Zobrazovací metody Hybridní systém PET/CT
Schéma PET/CT
RTG prochází pacientem – útlum záření závisí na hustotě tkání – anatomická data
Pořízení topogramu
Vznik anihilačního záření pacientem – množství záření závisí na funkčním stavu
Zobrazovací metody Hybridní systém PET/CT Zhoubný nádor esovitého tračníku diagnostikovaný PET (a), CT (c) a zobrazený počítačovou fúzí obou zobrazení (b) Peroperačně potvrzený nález dokumentuje další obrázek
a
b
c
Zobrazovací metody Gama kamera
Zobrazovací metody Scintigrafický snímek skeletu
Zobrazovací metody Systém SPECT/CT zahrnuje v jedné aparatuře vedle kamery SPECT rovněž vícedetektorový počítačový tomograf (CT). Je tak možné pořídit záznam výsledku funkčního a anatomického zobrazení jedním systémem v těsném sledu za sebou.
Zobrazovací metody Radiologie – rentgenové záření • • • •
•
Diagnostika pomocí elektromagnetických vln, vznikajících v rentgence – tzv. transmisní metody Radiologie se dělí do subkategorií podle anatomické polohy a podle metody (intervenční radiologie) Podstata – RTG záření prochází pacientem, dochází k útlumu v jednotlivých tkáních a orgánech Teleradiologie - přenos z jednoho místa do druhého. Snímky jsou často posílány i do jiných časových pásem, kde mají radiologové zrovna den a jsou uprostřed pracovní doby. Používá se také ke konzultaci s odborníky nebo na daný případ. K použití je zapotřebí vysílací stanice, vysokorychlostní internetové připojení a vysoce kvalitní přijímací stanice. Snímky z CT mohou být poslány přímo, protože jsou v digitálním formátu. Počítač na přijímací stanici musí mít vysoce kvalitní obrazovku, která musí projít testem a která musí být připravená ke klinickým účelům.
Zobrazovací metody RTG záření
Zobrazovací metody Skiagrafie je technika zobrazení lidských tkání, využívající rozdílnou hodnotu pohlcení procházejícího svazku rentgenového záření v různých tkáních
Skiaskopie a angiografie umožňuje vyšetřování dynamických dějů a aplikaci kontrastních látek
Zobrazovací metody
Zobrazovací metody CT – výpočetní tomografie Princip: Výpočetní tomograf je v podstatě přístroj pro měření útlumu RTG záření v jednotlivých voxelech (objemových analogiích pixelů) v tenkých plátcích tkání Metoda měření: Svazek rentgenového záření prochází tělem a je měřen obloukem detektorů. Toto se opakuje pod různými úhly tak dlouho, dokud se nezíská dostatek informace pro výpočet koeficientů útlumu ve voxelech odpovídajícího řezu tělem pacienta. Vypočte se „mapa“ útlumu v příčném řezu tomogram.
Zobrazovací metody •Základem CT je mnoho „klasických“ sumačních RTG snímků určité roviny, ze kterých je matematicky rekonstruován výsledný řez •Soustava rentgenky a detektorů se otáčí kolem pacienta a zaznamenává určitý počet snímků v průběhu 360°. Moderní CT odstup snímků 1° či méně, což představuje 360 či více sumačních snímků pro každý řez •Jednotlivé snímky jsou složitými matematickými postupy rekonstruovány do výsledné matice •Se zvětšováním matice prudce narůstá výpočetní náročnost a také čas nutný k získání dat a tím i radiační zátěž •Výsledkem je hodnota pro každý voxel, která představuje průměrnou úroveň absorpce v objemu reprezentovaném tímto voxelem. Tato denzitní jednotka (Hounsfieldovo číslo, CT číslo) vyjadřuje absorpci záření vztaženou k absorpci vody
Zobrazovací metody CT – výpočetní tomografie Výhody CT oproti projekčnímu RTG zobrazení • Mnohem vyšší kontrast • 0,5% rozdíly v útlumu mohou být rozlišeny, protože je téměř úplně eliminován vliv rozptylu, měření RTG záření probíhá pod mnoha různými úhly • Z toho plyne, že můžeme vidět a vyšetřovat různé měkké tkáně • Anatomické struktury se vzájemně nepřekrývají • Díky měření z mnoha stran dochází k menšímu zkreslení
Zobrazovací metody CT – výpočetní tomografie Z hlediska konstrukce systému zdroj záření-systém detektorů je možné rozdělit přístroje do několika generací. První generace - využívá rotačně translační pohyb, RTG záření bylo kolimováno do tenkého svazku a po průchodu pacientem snímáno jedním detektorem umístěným naproti rentgence. Po otočení o malý úhel se rentgenka i detektor lineárně posunuly. Dlouhá expoziční doba Druhá generace - také rotačně translační pohyb, zmenšil se úhel mezi jednotlivými snímky, svazek záření byl kolimován do vějíře a po průchodu pacientem detekován větším počtem detektorů, umístěných v jedné řadě naproti rentgence, klesly expoziční časy
Zobrazovací metody CT – výpočetní tomografie Třetí generace - využívá izocentrický rotační pohyb systému rentgenka-sektor detektorů. Snímkování je prováděno po 1° až 0,5°. Detektory jsou umístěny na kruhové výseči rotující spolu s rentgenkou kolem pacienta v plném kruhu Čtvrtá generace - využívá rotačně stacionární systém. Detektory jsou umístěny po celém obvodu gantry. Kolem pacienta rotuje pouze rentgenka, velmi krátká akvizice dat
Zobrazovací metody
Zobrazovací metody CT – výpočetní tomografie • Helikální CT je pokračováním CT přístrojů 3. gen., připojení snímačů se neprovádí pomocí kabelů, ale pomocí po sobě klouzajících kroužků Zavedení kontinuální rotace umožnilo plynulý posun stolu s pacientem, došlo k urychlení získání snímků, je mírně nepřesné, protože data se sbírají šikmo Dále existují odvozené generace, které vycházejí z předchozích: MDCT (multi-row detector CT, multi-slice CT) - multidetektorové CT EBCT (electron beam CT) - CT s elektronovým svazkem DSCT (dual source CT) - CT se dvěma rentgenkami DECT (dual energy CT) - skenování dvojí energií
Zobrazovací metody
Zobrazovací metody CT – výpočetní tomografie MDCT technologie 1) souvislá akvizice dat - možnost rekonstrukce v libovolné z-pozici 2) schopnost vyšetřit dlouhé úseky v krátkém času při zachování izotropního zobrazení •zvýšení počtu a uspořádání detektorů •zrychlení rotace gantry •adaptace rychlosti posunu stolu •algoritmy získávání dat (datová interpolace) •vývoj rekonstrukčních algoritmů •prostorové rozlišení
Zobrazovací metody CT – výpočetní tomografie - co se změnilo? šíře a počet datových stop rychlost rotace a posunu stolu datová interpolace simultánní akvizice rekonstrukční algoritmy proudová modulace objemové rekonstrukce
prostorové rozlišení izotropní zobrazení časové rozlišení rozsah a rychlost akvizice kontrast a šum radiační zátěž přehledná zobrazení
objem získaných dat … a nezměnilo příprava pacienta volba protokolu správné hodnocení získaných dat
Zobrazovací metody Průměrná roční dávka z přírodního pozadí je v ČR 3 - 3,5 mSv Průměrná roční dávka z medicínských indikací je v ČR 1 mSv
Zobrazovací metody Epidemický nárůst zobrazovacích metod v USA
V červnu 2012 byla publikována studie, ve které je popisován významný nárůst používání zobrazovacích metod typu CT, PET, NMR a USG Srovnání let 1996 a 2010 v počtech vyšetření CT: zvýšil se 3x (z 52 na 149/1000 dospělých/rok) PET: zvýšil se 12x (z 0,24 na 3/1000 dospělých/rok) NMR: zvýšil se 4x (ze 17 na 65/1000 dospělých/rok) USG: zvýšil se 2x (ze 134 na 230/1000 dospělých/rok) V absolutních číslech se počet CT vyšetření v USA zvýšil z 3 miliónů ročně v roce 1980 na 80 miliónů v roce 2010
Zobrazovací metody Epidemický nárůst zobrazovacích metod v USA Radiační zátěž, vyjádřena průměrnou efektivní dávkou vzrostla na hlavu z 1,2 mSv v r. 1996 na 2,3 mSv v r. 2010 Odhaduje se, že nárůst aplikace ionizujícího záření z výše uvedených zobrazovacích metod (pochopitelně mimo USG a MR) bude mít na svědomí asi 2 % ze všech onkologických onemocnění CT odpovídá za 60 % veškeré radiační zátěže v medicíně, podíl se zvyšuje Předpokládá se, že počet medicínsky neodůvodněných CT vyšetření se pohybuje mezi 20 - 40 %
Zobrazovací metody Expozice (U a I) ovlivňují kvalitu obrazu - kontrast a šum a abs. dávku, (nižší hodnoty U – nižší penetrace, větší rozdíl mezi absorpcí jednotlivých materiálů, vyšší kontrast, nižší hodnoty I – pokud nevadí šum a chceme snížit dávku)
Kolimace ovlivňuje prostorové rozlišení a rychlost vyšetření Faktor stoupání (pitch) – posun stolu jedné úplné otáčky – čím nižší, tím kvalitnější datové pole, ale větší radiační zátěž, vyšší při rychlých vyšetřeních, méně pohybových artefaktů, menší při přesných vyšetřeních Perioda rotace – nižší hodnota zrychluje vyšetření, snižuje dávku, ale také kvalitu Shrnutí – všechny uvedené faktory spolu souvisí, je třeba zvážit jakou potřebujeme kvalitu, rychlost a radiační zátěž
1. Nižší rad. zátěž: ↓kV a mAs,↑kolimace ↑pitch ↓perioda rotace 2. Kvalitnější obraz: ↑ mAs,↓ kolimace, ↓ pitch ↑ perioda rotace 3. Zrychlení vyšetření: ↑kolimace ↑pitch ↓periody rotace
Zobrazovací metody Nesmíme zapomenout i na rozvoj pokročilých zobrazovacích technik, jdoucí až na hranice současných technických možností v zobrazování molekul, buněk a tkání. • jsou to zejména techniky elektronové mikroskopie • Jaký je princip transmisního elektronového mikroskopu? Zrychlený, usměrněný proud elektronů emitovaný zdrojem je veden vakuem a probíhá tenkým mikroskopovaným vzorkem - zde se využívá toho, že se část elektronů odráží od atomů a molekul tvořících hmotu vzorku. Jejich opětovným soustředěním pomocí magnetové čočky se vytváří „stínový obraz“ mikroskopovaného vzorku. K jeho zviditelnění se u zdokonalených typů elektronových mikroskopů využívá stejného principu, na jehož základě vzniká obraz na monitoru počítače
Zobrazovací metody Transmisní elektronový mikroskop se skládá ze čtyř hlavních částí: 1. tubusu s elektronovou optikou, 2. vakuového systému 3. nezbytné elektroniky 4. zdroje vysokého napětí pro zdroj elektronů.
Zobrazovací metody Rastrovací neboli skenovací elektronový mikroskop je přístroj určený k pozorování povrchů. Jedná je o určitou obdobu světelného mikroskopu, kde světelné paprsky nahrazuje elektronový svazek a obraz je tvořen sekundárními nebo odraženými elektrony. Výhodou této metody je dále generování dalších signálů, při interakci primárního svazku se vzorkem, jako např, rtg. záření, Augerovy elektrony, katodoluminiscence, které nesou mnoho dalších informací. Při jejich detekci je možné určit např. prvkové složení preparátu v dané oblasti a při porovnání s vhodným standardem určit i kvantitativní zastoupení jednotlivých prvků. Zjednodušené schéma skenovacího elektronového mikroskopu je na (obr. 10). Zdrojem elektronů je ve špičce tubusu je přímo žhavené wolframové vlákno. Vzhledem k tomu, že v SEM je požadován větší emisní proud, je třeba po každém zapnutí mikroskopu zkontrolovat vystředění katody a žhavit ji přesně do nasyceného stavu. Rozlišovací schopnost u SEM do značné míry závisí na průměru zfokusovaného svazku primárních elektronů dopadajících na povrch preparátu a hodnota tohoto průměru je zase výrazně ovlivněna průměrem katody. Proto rozlišovací schopnost přístrojů s wolframovou přímo žhavenou katodou se pohybuje mezi 10 až 15 nm.[4]
Zobrazovací metody
Děkuji za pozornost
Zobrazovací metody
Zobrazovací metody
Zobrazovací metody
