Zobrazovací metody - Spolupráce 21. století

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