Středa, Prosinec 12

Výpočetní tomografie neboli CT: jak fungují zobrazovací metody v medicíně

Ukázka z experimentu snímání modelu pacienta na CT.
Ukázka z experimentu snímání modelu pacienta na CT.

Úvod

Zobrazování v medicíně je staré skoro jako medicína sama. Už v dobách Sokratových uvažovali učenci a léčitelé, jak by bylo možné nahlédnout do těla pacienta. V těchto dobách to však bez újmy na těle pacienta příliš nešlo. Od pravěku jsou sice dokumentovány úspěšně (i neúspěšně) prováděné trepanace lebky, ale ty jsou považovány spíše za postup léčebný než examinační.

Od primitivních metod pouštění žilou, zkoumání výměšků a podobně, kdy se nejednalo o přímé pozorování, se velkým skokem posunuly zobrazovací metody v medicíně na konci 19. století, kdy Wilhelm Konrad Roentgen zkoumal a popsal paprsky X. Tento bezesporu veledůležitý krok se stal základem neinvazivních zobrazovacích metod v celé medicíně. Další rozvoj těchto technologií se dá rozdělit na zdokonalování a zavádění nových zařízení, zlepšování metod zobrazování (kvality a způsobů získávání obrazu) a optimalizace. V současnosti jsou tak k dispozici moderní rentgenové přístroje pořizující klasické 2D snímky, CT (výpočetní tomografie, z anglického Computing Tomography) umožňující zobrazení libovolné roviny pacienta a zároveň rekonstrukci 3D obrazu a skiaskopické přístroje umožňující chirurgům orientaci při operacích. Ačkoli se dnes již také používají zobrazovací modality jako nukleární magnetická rezonance a ultrasonografie, které nepoužívají ionizující záření, jsou moderní rentgenové přístroje a CT nepostradatelnou součástí diagnostické medicíny. V článku níže bude blíže přiblíženo CT.

Historie aneb jak to vlastně bylo se smrtícími paprsky X

CT přístroj využívá stejné rentgenové záření jako rentgeny. Proto je vhodné na tomto místě připomenout jeho objev a něco málo z historie. Objev paprsků X respektive rentgenového záření nebyl úplná náhoda, jak se dost často traduje.

Prof. Wilhelm Conrad Röntgen ve své laboratoři na fyzikálním institutu bavorské Univerzity ve Würzburgu zkoumal vlastnosti katodového záření1. Katodovým zářením se mimo jiné zabýval i Nicola Tesla, Heinrich Hertz a další. Stejně jako jeho kolegové, i Röntgen doufal, že se mu podaří najít ještě jiné jevy způsobené katodovými paprsky. Původně studoval na stínítku z kartonu pokrytém kyanidem platinobarnatým fluorescenci způsobenou katodovými paprsky. Ty byly produkovány v Crookesově trubici, kterou obalil černým papírovým obalem, aby nebyl při pozorování rušen světlem z trubice. V zatemněné místnosti si všiml jasně fluoreskujících krystalků, které zářily jen tehdy, když trubicí procházel proud. Původcem fluorescence se ukázalo být stínítko připravené k pokusu, které leželo opodál. Tento překvapivý jev2 Röntgena zaujal a provedl několik pokusů: zvětšil vzdálenost mezi stínítkem a Crooksovou trubicí, pozoroval stínítko i v pozici, kdy byla fluorescenční emulze směrem od trubice. Ukázalo se však, že, kdykoli byla katodová trubice pod napětím, stínítko světélkovalo. Röntgen si brzy uvědomil, že tato fluorescence není vyvolávána katodovým zářením. Vše poukazovalo na přítomnost dalšího záření sekundárně vyvolaného katodovými paprsky. Pro ujištění se přiložil k obalu Crooksovy trubice fotografickou desku. Jakmile se ukázalo, že po vyvolání zčernala, byl už si Röntgen jistý, že skutečně objevil nový druh záření. Chování nového tajemného záření budilo experimentátorovu zvědavost, a proto Röntgen zkoušel, které další látky propouštějí toto záření (používal různé materiály a fotografické desky).

V důsledku těchto experimentů pak vznikl první skutečný rentgenový snímek ruky s prstenem Röntgenovy ženy. Ten provedl sám Röntgen již měsíc po svém objevu 22. prosince roku 1895. Toto datum se pokládá za den zrození nového lékařského oboru – radiologie. Podstata vzniku objeveného záření nebyla po fyzikální stránce hned vysvětlena, to bylo učiněno postupně až ve 20 a 30 letech 20. století v souvislosti se zjišťováním vlastností elektronových obalů atomového jádra. Proto Röntgen označil toto neznámé záření jako ,,paprsky X“3.

Proč je tedy u nás i v mnoha zemích běžné označení rentgenové záření? Koncem roku 1895 seznámil Röntgen vědeckou veřejnost se svým objevem a měsíc poté provedl na zasedání vědecké společnosti demonstraci na ruce jednoho člena vědecké společnosti. Následně bylo vyvoláno hlasování o tom, aby se paprsky X nazývaly Röntgenovým jménem, tzn. Rentgenové paprsky.

Prof. Wilhelm Conrad Röntgen se stal prvním nositelem Nobelovy ceny za fyziku. Díky tomu, že si Röntgen nedal svůj objev patentovat, byl k dispozici pro celý svět. Možná tušil, možná netušil, k jak obrovského rozmachu dojde v lékařství i v technologii díky jeho objevu a šlechetnosti.

1Katodové paprsky jsou jen proud elektronů urychlených působením vysokého elektrického napětí mezi elektrodami umístěnými na koncích uzavřené skleněné trubice, z níž byl odčerpán téměř všechen vzduch. Katodové paprsky nejsou nijak zvlášť pronikavé, snadno je zarazí pár centimetrů vzduchu.

2Katodové paprsky byly podle experimentů pohlcovány už v tenké vrstvě kovu (v uspořádání trubice tedy v anodě).

3X se běžně používá k označení neznámé, proto X-rays – „paprsky X“ je termín běžně používaný v anglické literatuře.

Vznik rentgenového záření

Popis principu vzniku rentgenového záření mohl být podán až při pochopení interakcí ionizujícího záření (v tomto případě elektronů) s látkou. Katodové paprsky, které původně Röentgen zkoumal, jsou jen urychlené elektrony, které při dopadu na kovovou anodu interagují s kovem. Elektrony emitované katodou se urychlují vysokým napětím řádu kilovolt, při dopadu interagují s anodou – dochází hlavně k zahřívání materiálu (proto je nutné anodu důkladně chladit) a v malé míře vzniká rentgenové záření. Účinnost konverze urychlených elektronů na rentgenové záření je zhruba 1%.

Vývoj a zdokonalování rentgenových trubic, které umožnilo jejich delší chod, pak pokračoval ve zdokonalování při jejich použití ve složitějších přístrojích. Princip fungování však zůstal stejný. Na obrázku je zjednodušené schéma modernější verze rentgenky.

Obr. 1 Schéma složitější verze rentgenky s rotační anodou
Schéma složitější verze rentgenky s rotační anodou

Rentgenové záření vznikající na anodě je elektromagnetické vlnění, které má dvě složky spektra. Spojitá část spektra je brzdné záření (zpomalování elektronů interakcemi s jádry a obaly atomů anody) a čárové spektrum charakteristického záření1. Rentgenové záření se šíří prostředím po přímce rychlostí světla.

Vzhledem k vysoké energii (v diagnostice 25 keV – 150 keV2) má velmi krátkou vlnovou délku 10-9-10-12 m (tj. více než tisíckrát kratší než vlnová délka viditelného světla). Na rozdíl od světla, rentgenové paprsky mají schopnost pronikat materiálem, nelze je odklonit nebo nasměrovat zrcadly či skleněnými čočkami. Díky své vysoké energii procházejí látkami, které jsou pro ostatní druhy elektromagnetického záření nepropustné. Pohlcování rentgenového záření závisí na hustotě, prvkovém složení prozařovaného předmětu a na frekvenci záření (tím i na jeho energii). Podle energie můžeme rentgenové záření rozdělit na tvrdé a měkké, tedy pronikavější a méně pronikavé. Podle aplikace se obvykle volí i energie použitého záření.

Své uplatnění našlo rentgenové záření nejen v medicíně, ale i v řadě technických oborů jako například defektoskopie, rentgen-fluerescenční analýza a další. Zde bude zmíněno ale hlavně uplatnění v moderní medicíně.

Vznik obrazu

Jak je to tedy s rentgenovým snímkem? Rentgenové paprsky zčásti pronikají lidským tělem, zčásti s ním interagují. Při průchodu dochází k zeslabování svazku záření v důsledku interakcí a k částečnému pohlcení energie záření v těle prostřednictvím ionizací a excitací molekul tvořících tkáně. Záření, které projde, aniž by interagovalo v těle pacienta je následně zachycováno na vhodném detektoru a přispívá ke vzniku obrazu. Záření, které v těle interagovalo a bylo pohlceno, také v kladném smyslu umožňuje vznik obrazu. Na základě poměru prošlého a pohlceného záření je pak výsledný obraz (na radiografickém filmu po vyvolání) buď bílý – pohlcuje se velká část záření, nebo černý – pohlcuje se jen málo záření. V objektu ozářeném primárním zářením však může dojít jen ke změně směru (rozptylu) či vzniku sekundárního záření, což negativně ovlivní vzniklý obraz v podobě šumu.

Každý materiál – i každá lidská tkán různě absorbují rentgenové záření. Na základě rozdílné absorpce je pak možné získat výsledný rentgenový snímek. Problém je, že na klasickém snímku je vidět pouhá projekce 3D objektu do 2D snímku. Detaily méně kontrastních tkání nejsou dobře patrné a snímek nemusí poskytnout optimální informace o zobrazované oblasti. To se dá zčásti obejít pořízením normálního snímku z více směrů, není to však všelék a větší část 3D informací zůstane skryta. Vědci se proto začali zabývat myšlenkou, jak by mohl být na základě detekce prošlého záření zrekonstruován příčný řez tělem pacienta.

1Podrobný popis viz zde:

2keV, čti kilo-elektron-volt je odvozenou jednotkou energie. Používá se v částicové a radiační fyzice. 1eV ≈ 1,622.10-19 J

Druhou část, popisující vlastní výpočetní tomografii, dodáme v nejbližší době, chybí nám jeden obrázek.

Část II – výpočetní tomografie (CT)

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.