Bazele fizice ale imagisticii medicale

Bazele fizice ale imagisticii medicale

1. Introducere

2. Tehnici bazate pe utilizarea radiatiilor X

Radioscopia cu raze X

Tomografia computerizata cu raze X

3. Tomografia computerizata RMN

4. Tehnici bazate pe utilizarea izotopilor radioactivi

Tomografia prin emisie de pozitroni

Scintigrafia

5. Ecografia

6. Termografia

Introducere

Imagistica medicala permite obtinerea unor informatii privind starea organismului, pe baza interpretarii unor imagini ale corpului omenesc obtinute in urma interactiunii acestuia cu anumiti factori fizici sau in urma emisiei unor radiatii de catre acesta. In urma unei asemenea interactiuni, un parametru al factorului fizic considerat va fi modificat. Prin convertirea in ultima instanta a valorilor parametrului fizic in diferite grade de luminozitate, in culori sau tonuri de gri asociate conventional, se obtine o imagine a zonei investigate.

Dintre factorii fizici frecvent utilizati in imagistica medicala se pot mentiona: radiatiile X, campurile electromagnetice, radiatiile ionizante emise de radioizotopi, ultrasunetele. Un loc aparte il ocupa termografia prin care sunt detectate radiatiile infrarosii emise de corpul uman, fara a aplica factori fizici din exteriorul acestuia.

Imaginile tomografice sunt imagini care pot fi obtinute cu oricare dintre factorii fizici mentionati anterior. Caracteristica tehnicilor tomografice consta in posibilitatea de a obtine imagini pe sectiuni (tomi - sectiune) ale corpului. Odata aleasa sectiunea de investigat, aceasta este impartita in elemente de volum, numite voxeli (volume elements). De la fiecare voxel se obtine un semnal care reprezinta raspunsul la factorul fizic utilizat. Semnalul provenit de la un voxel este detectat de catre un dispozitiv specific (traductor) si prin intermediul unui convertor analogo-digital este introdus intr-un calculator unde se reconstruieste imaginea pe baza semnalelor primite de la toti voxelii. Fiecarui voxel ii corespunde un element de imagine digitala numit pixel (picture element). Elementele de imagine sunt ordonate intr-o matrice, in general patratica, cu n linii si n coloane, astfel incat numarul total de pixeli va fi n². Fiecarui element (punct al imagimii) i se asociaza conventional o anumita culoare sau nuanta de gri si un grad de luminozitate.

Tehnicile imagistice pot furniza informatii anatomice (topografice) sau functionale in functie de factorul fizic utilizat, timpul de achizitie a datelor si mecanismele de interactiune cu tesutul respectiv.

Tehnici bazate pe utilizarea radiatiilor X (Roentgen)

Radiatiile X apartin radiatiilor electromagnetice ionizante, deci celor care au energii mai mari de 12,4 eV si lungimi de unda mai mici de 100 nm. Radiatiile X pot fi produse prin bombardarea unui material cu greutate atomica mare cu un fascicol de electroni accelerati. In urma impactului cu atomii acestuia este posibila generarea a doua tipuri de radiatii X, radiatiile X de franare si radiatiile X caracteristice.

Radiatiile X de franare apar in urma franarii electronilor in campurile coulombiene ale atomilor ciocniti si spectrul lor energetic este un spectru continuu. Radiatia X caracteristica este rezultatul unor tranzitii energetice ale electronilor paturilor electronice ale atomilor si se produce astfel: electronii accelerati, de mare energie, pot smulge electroni din paturile interioare ale atomilor; locurile ramase libere vor fi ocupate de catre electroni de pe nivelele superioare, cu eliberarea diferentei de energie sub forma de radiatii X. Spectrul radiatiilor X caracteristice este un spectru discret (discontinuu).

Radioscopia cu radiatii X

In tehnicile imagistice se folosesc cu precadere radiatiile X de franare. Acestea pot fi obtinute in tuburi de raze X de tip Coolidge. Un tub Coolidge consta dintr-o incinta vidata, din sticla, in interiorul careia se gasesc doi electrozi, catodul emitator de electroni si anodul (numit uneori si anticatod) care accelereaza electronii (figura). Catodul emite electroni prin efect termoelectronic si acestia sunt accelerati de catre anod la o diferenta de potential de zeci pana la sute de kV (in functie de energia dorita a radiatiilor X). Pe anod este depus un strat de metal cu greutate atomica mare si temperatura de topire inalta (ex. tungsten sau molibden). Energia cinetica a electronilor franati de anticatod se transforma in energia X a radiatiilor emise (cu alte cuvinte aceasta depinde de tensiunea de accelerare a electronilor). Radiatiile X au o mare putere de patrundere, astfele incat ele nu pot fi complet oprite de catre un corp, ci doar atenuate (absorbite partial). Daca un corp prezinta regiuni care absorb radiatiile in mod diferit, intensitatea fascicolului emergent de radiatii va diferi in functie de zona strabatuta. Prin proiectarea pe un ecran fluorescent, zonele mai dense vor aparea mai intunecate, iar cele mai putin dense luminoase.

 In cazul unui examen radiologic, absorbtia radiatiilor X depinde de tipul de tesut pe care acestea il intalnesc. De exemplu, oasele absorb mai puternic decat tesuturile moi (figura). Daca se doreste sa se faca o distinctie intre vasele de sange si tesuturile inconjuratoare cu compozitii foarte apropiate, este necesara marirea contrastului imaginii. In acest scop se administreaza pacientului, pe cale orala sau prin injectare, substante care contin elemente cu greutatea atomica mare (de ex. bariu sau iod) inaintea expunerii la radiatii X. Se poate apoi urmari miscarea agentului de contrast (baritat sau iodat) prin vasele de sange prin inregistrarea unei succesiuni de radiografii.

Tomografia computerizata cu radiatii X

Tomografia computerizata a fost introdusa in jurul anului 1970 si a fost considerata unul dintre progresele majore ale stiintelor medicale. Tomografia in raze X furnizeaza informatii anatomice privind pozitia tesuturilor moi si oaselor.

Partile principale ale unui tomograf cu r.X. sunt: sursa de radiatii, detectoarele si instalatia de prelucrarea computerizata a datelor pentru obtinerea imaginii finale. Sursa de radiatii X este mobila, fiind plasata pe o sina circulara pe care se poate roti in jurul corpului pacientului (figura, b)(Exista si instalatii in care detectorii se rotesc solidar cu sursa - figura, a). Sursa emite un fasciol colimat, sub forma de evantai, care poate iradia corpul din mai multe directii. Radiatiile X care au traversat sectiunea investigata cad pe o retea de detectoare care inconjoara corpul pacientului. Detectoarele sunt, in general, cristale scintilatoare care transforma radiatia X in radiatii luminoase. La randul lor, radiatiile luminoase sunt traduse in semnal electric prin intermediul unor fotodiode sau fotomultiplicatoare. Semnalul electric generat de detector va fi proportional cu energia fascicolului de r.X. transmis. La o rotire completa a sursei in jurul corpului pacientului se realizeaza cateva sute de mii de inregistrari care permit obtinerea catorva sute de imagini, fiecare imagine fiind reprezentata in calculator de catre o matrice cu un numar de pixeli ce depinde de gradul de rezolutie dorit (figura). Fiecare inregistrare contine informatii privind coeficientul de atenuare pe cate o directie spatiala in cadrul sectiunii, deci atenuarea totala depinde de atenuarile produse de toti voxelii din tesut aflat pe directia razei. Reprezentarea digitala a fiecarei imagini este stocata in memoria calculatorului, unde, prin prelucrarea imaginilor individuale se construieste imaginea finala. Pentru a putea individualiza contributia unui voxel se folosesc algoritmi care stabilesc intersectia razelor ce strabat elementul de volum respectiv. Pentru prelucrarea digitala a imaginii, fiecarui voxel i se asociaza un numar tomografic, iar luminozitatea punctului (pixelului) corespunzator din imagine va fi proportional cu acel numar (numarul tomografic se calculeaza pe baza coeficientilor de atenuare). Numarul tomografic al apei este, prin definitie, egal cu 0; tesuturile care au un coeficient de atenuare mai mic decat al apei au un numar tomografic negativ, iar cele cu un coeficient de atenuare mai mare decat al apei au un numar tomografic pozitiv. Calitatea imaginii tomografice depinde de o serie de factori care tin atat de parametrii tehnici ai inregistrarii cat si de modul de prelucrare digitala. Prin inregistrarile realizate in planul unei sectiuni se obtine o imagine bidimensionala. Pentru realizarea unei imagini tridimensionale, pacientul poate fi translatat, astfel incat, in final sa fie asamblate datele obtinute pentru fiecare sectiune. Actualmente se folosesc, de asemenea, instalatii in care inregistrarea se face in spirala, fie prin deplasarea pacientului in mod continuu, simultan cu iradierea, fie sursa de radiatii X si reteaua de detectoare se rotesc solidar in jurul corpului pacientului pe o traiectorie elicoidala (figura). In acest caz se folosesc algoritmi de prelucrare de alt tip decat in cazul inregistrarii pe sectiuni distincte.

Tomografia computerizata RMN

Tehnica RMN (rezonanta magnetica nucleara) a devenit una dintre cele mai puternice tehnici neinvazive, atat in diagnosticul clinic cat si in explorarea biomedicala.

Anumite nuclee atomice au proprietati magnetice datorita faptului ca sunt incarcate electric si ca au o miscare de rotatie in jurul propriei axe (poseda un moment magnetic de spin). Magnetii nucleari sunt orientati haotic si au o miscare de agitatie termica. Plasati intr-un camp magnetic static, magnetii nucleari interactioneaza cu acesta si o parte din ei se aliniaza pe directia campului exterior, executand o miscare de precesie in jurul acestei directii. (Asupra magnetilor nucleari plasati in camp magnetic se exercita un cuplu de forte care le imprima o miscare de precesie in jurul unei axe orientate pe directia campului magnetic (figura). Frecventa miscarii de precesie depinde de inductia magnetica a campului si se afla in domeniul de radiofrecvente, adica este de ordinul MHz). Unul dintre nucleele care au proprietati magnetice este nucleul atomului de hidrogen (protonul). Intr-un camp magnetic exterior o parte dintre magnetii nucleari se orienteaza pe directia campului si in acelasi sens cu acesta (orientare paralela), iar cealalta parte se orienteaza pe directia campului, in sens opus (orientare antiparalela). Pentru un camp de 0.25 Tesla (2500 Gauss), la temperatura de 25⁰C, este suficienta o diferenta de 1 la 1 milion intre cele doua populatii pentru a da nastere unei magnetizari nete. In fapt, aceasta magnetizare corespunde energiei nivelului fundamental (este vorba de orientarea paralela) al protonului in camp magnetic. Pentru a trece intr-o stare excitata (orientare antiparalela) protonul trebuie sa primeasca din exterior o energie proportionala cu frecventa miscarii de precesie. Aceasta frecventa se numeste frecventa de rezonanta. Daca asupra nucleelor aflate in camp magnetic se trimite un puls de radiatie electromagnetica din domeniul de radiofrecventa, avand frecventa egala cu cea a miscarii de precesie, nucleele respective absorb energia prin rezonanta si trec pe un nivel excitat (nivel permis din punct de vedere cuantic). In acest fel se modifica orientarea momentelor magnetice nucleare in raport cu campul magnetic static. La intreruperea pulsului de radiofrecventa, nucleele excitate se dezexcita si emit un semnal cu aceeasi frecventa ca si cea absorbita (ecou), revenind la pozitia de aliniere in camp. Nucleele nu se dezexcita simultan, ci treptat, conform unei variatii exponentiale in timp (relaxare exponentiala). Relaxarea este caracterizata prin timpii de relaxare longitudinala (timpul dupa care magnetizarea pe directia paralela cu campul revine la 0,63 din valoarea initiala) si transversala (timpul dupa care magnetizarea pe directia perpendiculara pe camp scade la 0,37 din valoarea de dupa excitare), timpi care difera de la un tip de nucleu la altul si chiar la acelasi tip in functie de substanta chimica careia ii apartine. Nu numai timpii de relaxare, ci si frecventele de rezonanta pentru diferite nuclee sau izotopi ale acestora difera. De exemplu, pentru un camp de 0,1 T (1000 Gauss) frecventa de rezonanta a protonilor este 4,2 MHz, iar a fosforului 1,7 MHz. Aceasta specificitate permite explorarea selectiva a diferitelor specii de nuclee, prin utilizarea unor frecvente adecvate ale pulsurilor de radiofrecventa. In materialele biologice exista o serie de nuclee cu proprietati magnetice (¹H, ¹³C, ²³Na, ³¹P, ³⁹K). Cel mai abundent, insa, este protonul (nucleul de hidrogen) datorita continutului mare in apa al organismului. De aceea, metoda RMN este una dintre metodele neinvazive de electie pentru studilu apei in sistemele biologice. De asemenea, metoda RMN este intens folosita pentru studiul modificarii in timp a concentratiei unor molecule ce contin fosfor(ATP, CP, fosfatul anorganic din muschi).

In tomografia computerizata RMN, pacientul este introdus intr-o incinta in care se realizeaza un camp magnetic uniform si constant, creat de o bobina supraconductoare racita sub temperatura critica (figura)(figura). Asupra regiunii corpului care trebuie investigata se trimite o succesiune de impulsuri de radiofrecventa. Semnalele ecou emise dupa fiecare puls sunt inregistrate de catre un detector (figura) ca functii de timp. Semnalele sunt apoi analizate prin intermediul unei transformari Fourier, obtinandu-se astfel un spectru al acestora. Apoi semnalelor analizate li se atribuie valori valori numerice pentru a obtine pixelii viitoarei imagini tomografice digitale.

Tehnici bazate pe utilizarea izotopilor radioactivi

Tomografia prin emisie de pozitroni (TEP)

Tomografia prin emisie de pozitroni este, de peste 20 de ani, unul dintre instrumentele cele mai sensibile de diagnostic medical, de studiu dinamic al metabolismului organismului uman si al activitatii cerebrale.

In cazul utilizarii acestei metode in diagnosticul medical, o prima etapa consta in injectarea in corpul pacientului a unui trasor metabolic activ, respectiv o molecula cu semnificatie biologica, marcata cu un izotop radioactiv emitator de pozitroni (de exemplu: ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁸F). Nucleele acestor izotopi sunt instabile si au tendinta de a trece intr-o forma stabila prin dezintegrarea unui proton intr-un neutron si un pozitron. In cateva minute de la injectare, substanta marcata se acumuleaza in organele tinta, respectiv in zonele pentru care aceasta are cea mai mare afinitate. De exemplu, glucoza marcata cu ¹¹C (timp de injumatatire 20 min.) se acumuleaza in creier, locul in care glucoza este utilizata ca sursa primara de energie. Nucleele radioactive se dezintegreaza apoi, emitand pozitroni care se ciocnesc cu electronii liberi din apropiere. Se produce reactia de anihilare (figura) din care rezulta 2 fotoni g, avand fiecare o energie de 0,514 MeV, care se indeparteaza unul de celalalt in directii diametral opuse. Fotonii g sunt detectati de catre o pereche de detectoare situate la 180⁰ unul fata de celalalt , care se rotesc solidar (figura). Prin intermediul unui circuit de coincidenta, se iau in consideratie numai fotonii detectati simultan. Dupa detectarea unui numar foarte mare (sute de mii) de reactii de anihilare, se calculeaza distributia emitatorilor de pozitroni prin procedee de reconstructie tomografica. Se poate reconstitui in acest mod o imagine bidimensionala a distributiei izotopului in tesutul investigat. Se pot realiza reconstructii nu numai pentru sectiuni transversale, ci si pentru sectiuni inclinate si, de aemenea, se pot realiza reconstructii tridimensionale.

Aplicatiile clinice majore ale TEP sunt legate in special de detectia tumorilor cerebrale, mamare, ale plamanului, inimii si colonului. De asemenea, aceasta metoda permite urmarirea activitatii receptorilor unor neurotransmitatori, cum ar fi receptorii de dopamina, serotonina sau noradrenalina, datorita rezolutiei in domeniul de concentratii nanomolare, domeniu caracteristic celor mai multe proteine receptoare din organism.

Scintigrafia

Prin tehnica scintigrafica se poate evidentia modul in care o substanta radioactiva se incorporeaza intr-un tesut, incorporare care depinde de caracteristicile fiziologice ale acestui tesut si de eventualele modificari patologice pe care le prezinta. Substanta radioactiva aleasa (trasorul radioactiv) trebuie sa prezinte specificitate pentru un anumit tip de tesut si sa aiba un timp de injumatatire efectiva cat mai mic, astfel incat sa se evite iradierea indelungata a organismului. Sunt preferati in scintigrafie radionuclizi care emit radiatii g de mica energie. Substanta radioactiva este administrata pacientului sub forma unor compusi simpli, usor disociabili, inaintea inregistrarii scintigrafice. Marimea inregistrata este activitatea radioactiva care este direct proportionala cu concentratia izotopului in tesut. Pentru a obtine o imagine bidimensionala a distributiei izotopului in zona investigata, aceasta va fi scanata punct cu punct de catre un detector de radiatii.

Intr-o instalatie scintigrafica moderna detectorul de radiatii este camera gamma (sau camera de scintilatie) (figura). Elementele principale ale camerei gamma sunt: colimatorul, cristalele de scintilatie, reteaua de fotomultiplicatoare, analizorul de impulsuri si monitorul. Colimatorul are rolul de a proiecta pe cristalele scintilatoare radiatiile provenite de la zona investigata astfel incat sa se asigure claritatea imaginii si o cat mai buna rezolutie. Colimatorul este o placa groasa confectionata dintr-un material care absoarbe puternic radiatiile g, tungsten sau plumb, strabatuta de o retea de canale cilindrice inguste (sute sau chiar mii), foarte apropiate unele de celelalte. Canalele sunt separate prin septuri a caror grosime depinde de energia radiatei g folosite (de la zecimi de mm pentru radiatii de MeV pana la cativa mm pentru MeV). Orientarea canalelor poate fi paralela (figura, a), divergenta sau convergenta si determina dimensiunile imaginii. Colimatorul permite trecerea numai a radiatiilor g care sosesc pe directia canalelor, fotonii g care intra oblic fiind absorbiti de catre septurile de plumb sau tungsten. Pentru a preintampina riscul ca unii fotoni sa traverseze septurile, cu cat energia pe care o au este mai mare, cu atat grosimea septurilor trebuie sa fie mai mare. Exista si colimatoare cu un singur orificiu (pin-hole), prin care se obtine o imagine rasturnata a sursei (figura, b). De obicei, o instalatie scintigrafica este prevazuta cu mai multe colimatoare permitand astfel alegerea celui mai adecvat unei investigatii date.

Cristalele scintilatoare primesc radiatiile care au trecut prin colimator si au rolul de a transforma energia fotonilor g in energie luminoasa. In ele se produc scintilatii al caror numar este proportional cu numarul fotonilor absorbiti si a caror stralucire este proportionala cu energia fotonilor absorbiti. Reteaua de fotomultiplicatoare dispuse intr-o structura hexagonala, plasata in spatele cristalelor scintilatoare, are rolul de a transforma semnalul luminos in semnal electric prin efect fotoelectric. Semnalele fotoelectrice au amplitudinea proportionala cu stralucirea scintilatiilor. Fotomultiplicatoarele emit, de asemenea, o pereche de semnale electrice (respectiv pentru pozitiile pe orizontala si verticala) care permit identificarea pozitiei fotonului incident. In acest fel, fascicolele de electroni ce provin de la fotomultiplicator vor fi directionate in tubul catodic al monitorului spre un anumit punct de pe ecranul fluorescent, pe care formeaza imaginea scintigrafica (figura, figura).

Analizorul de impulsuri, situat intre fotomultiplicatoare si monitor, permit trecerea numai a semnalelor provenite de la zona investigata, pe baza unei analize spectrale a energiei fotonilor g incidenti, astfel incat sa poata fi decelate si inlaturate semnalele parazite. Aceste semnale parazite apar fie datorita fotonilor g proveniti din fondul natural de radiatii, fie in urma interactiei fotonilor g cu materialul strabatut.

Ecografia (Imagistica cu ultrasunete)

Ecografia (figura) este o metoda imagistica in timp real. Ea este utilizata in scopul localizarii unor suprafete (figura) din interiorul tesuturilor pe baza masurarii intervalului de timp dintre emisia unui puls ultrasonor si detectia ecoului sau produs prin reflexia pulsului pe suprafetele respective. Prin masurarea intervalului de timp dintre pulsul emis si cel detectat, se poate calcula distanta dintre sursa si obiectul studiat. Pulsurile ultrasonore sunt emise si detectate cu ajutorul unui cristal piezoelectric. Aplicand un curent electric alternativ pe cele doua fete ale cristalului (taiate dupa anumite unghiuri) se obtin unde ultrasonore. Undele reflectate determina in cristal vibratii, in urma carora intre cele doua fete ale cristalului apare o tensiune alternativa. Un acelasi cristal este folosit atat pentru producerea cat si pentru receptionarea ultrasunetelor.

Ultrasonografia Doppler. Daca structura studiata este in repaus, frecventa undei reflectate va fi identica cu aceea a undei emise. Daca, insa, structura este in miscare (ex. hematiile), frecventa undei reflectate este mai mare sau mai mica decat cea a undei emise, in functie de faptul ca obiectul se indeparteaza sau se apropie de sursa. Modificarea frecventei este functie de viteza de deplasare a obiectelor.

Termografia

Temperatura masurata la suprafata corpului variaza de la un punct la altul, in special datorita afluxului diferit de sange in diferitele zone ale tesutului cutanat si subcutanat.

Termografia este o tehnica prin care se obtin imagini ale distributiei valorilor de temperatura la suprafata corpului si care se bazeaza pe captarea radiatiei infrarosii emise de corp.

Termograful medical prezentat in figura este destinat sa capteze radiatia infrarosie emisa la un moment dat de o suprafata limitata a corpului, vizata cu ajutorul unui sistem de oglinzi, ce poate fi orientat astfel incat sa exploreze punct cu punct (sa baleieze sau sa scaneze) intreaga suprafata a corpului.

Radiatia  captata este focalizata pe un detector, dupa ce traverseaza in prealabil un filtru optic transparent numai pentru radiatii infrarosii. Detectorul (care este mentinut la temperatura azotului lichid) produce semnale electrice avand amplitudini proportionale cu temperatura pielii din zona de unde este emisa radiatia captata. Aceste semnale sunt amplificate si inregistrate pe ecranul fluorescent al unui monitor.

Intensitatea fasciculului  electronic din tubul catodic al monitorului este modulata de amplitudinea semnalelor electrice sosite, astfel incat pe ecran apar  spoturi cu atat mai luminoase (sau mai diferit colorate) cu cat temperatura zonelor explorate ale pielii este mai mare.

Dispozitivul electromecanic care asigura baleiajul suprafetei corpului de catre detector trimite spre monitor si semnalele necesare pentru a preciza coordonatele zonei de piele vizate si a asigura astfel proiectarea spotului pe ecranul monitorului intr-un punct avand aceleasi coordonate.

Deoarece termograful detecteaza diferente de temperatura de ordinul a 0,1ºC, este necesar ca, inainte de termografie, pacientul dezbracat sa stea nemiscat 20 de minute la o temperatura de circa 21ºC si in absenta curentilor de aer, pentru ca datele obtinute sa aiba semnificatie diagnostica.