Diagnostické metody lékařské fyziky

Lékařská definice organismu Organizmus představuje polootevřený systém, který komunikuje prostřednictvím vnitřního prostředí s prostředím zevním. Tato komunikace spočívá v transportu a příjmu kyslíku, živin, minerálů a dalších nezbytných látek, ve výdeji energie, CO2, H2O a dalších odpadních produktů. Vnitřní prostředí umožňuje migraci buněk. Od zevního prostředí je odděleno kůží, sliznicemi a alveolární výstelkou. Vnitřní prostředí má spoluúčast na zajištění stability objemu a průtoku tělesných tekutin, stability osmolality a iontového složení, stability aktivity H+ a stability teploty. Sledování změn vnitřního prostředí má význam pro včasnou diagnostiku chorobných stavů, sledování kritických stavů, posuzování vhodnosti terapeutických postupů.

Účel Možnost nahlédnout do živého organismu bez jeho (co nejmenšího) narušení a následné stanovení diagnózy

Požadavky Co nejmenší zatížení pro organismus Co největší počet opakování Co nejnižší cena a vysoká dostupnost Co nejlepší rozlišení Bezbolestnost někdy na méně ostrém obrazu může být obsaženo více diagnosticky cenné informace než na obrazu ostrém

Princip Vyšetření struktury tkáně probíhá tak, že se sleduje, jak tkáň reaguje na různé uměle vytvořené fyzikální děje nebo se zkoumají fyzikální procesy, která sama vyvolává (EEG, EKG, ťukot srdce, …) většinou jde o empirickou vědu, která se na základě zkušenosti snaží spojit interakci orgánu s jeho strukturou a změnách v ní

Možnosti Rentgen CT – počítačová tomografie PET - pozitronová emisní tomografie (f)MRI - (funkční) magnetická rezonance Ultrazvuk

MRI Pacient je vložen do velmi silného a homogenního magnetického pole, do jeho těla je vyslán krátký rádiofrekvenční impulz a po jeho skončení se snímá slabý signál, který vytváří pacientovo tělo, a který se následně použije na rekonstrukci samotného obrazu.

Základní údaje (MRI) vyšetření trvá průměrně 30 minut Zjednodušeně řečeno: jde o magnetizaci pacienta a sledování demagnetizace organismu první funkční prototyp – 1980 pole musí být velmi homogenní síla mag. pole – 0,1 – 3T

Princip (MRI) Proton v jádře atomu neustále rotuje kolem své osy, pohyb náboje je vlastně elektrickým proudem, který kolem sebe vyvolává magnetické pole Za normálních okolností jsou protony v jádře uspořádány chaoticky, vložíme-li je do silného vnějšího magnetického pole, uspořádají se podobně jako střelky kompasu, tj.: směr jejich drobného magnetického momentu se stane rovnoběžný se směrem působení pole vnějšího Mimo rotace vykonávají protony v jádře precesi rychlost, s jakou tento pohyb vykonávají se označuje jako frekvence precese. Je to vlastně počet „otáček“ protonu za jednu sekundu. Matematicky ji vyjadřuje tzv. Larmorova rovnica: W0 = gB0, W0 je frekvence precese (v MHz), g je tzv. gyromagnetická konstanta (MHz/T), B0 je síla vnějšího magnetického pole. Z rovnice vyplývá, že frekvence precese je přímo úměrná síle vnějšího magnetického pole - čím je silnější, tím je vyšší. Gyromagnetická konstanta má odlišnou hodnotu pro různé látky – pro atomy vodíku je to 42,5 MHz/T.

Princip – 2 (MRI) člověk anebo jeho část, na kterou působí silné homogenní magnetické pole (je vsunutý do „tunelu“ MR přístroje), se sám stane magnetem a začne produkovat svoje vlastní magnetické pole, které je rovnoběžné se směrem působení vnějšího magnetického pole - označujeme ho proto pojmem longitudinálna magnetizace. Oproti síle vnějšího magnetického pole je velmi slabá, je zdrojem signálu, který umožní vidět do vnitra lidského těla Do pacienta v MR přístroji se vysílají krátké elektromagnetické pulsy, jejichž frekvence se pohybuje v oblasti rádiových vln. Jejich účelem je dodat protonům určité množství energie (cílem je ovlivnit poměr paralelně a antiparalelně směrovaných protonů) a změnit charakter jejich precese

Rezonance (MRI) Aby mohlo dojít k přenosu energie, musí mít RF pulsy frekvenci stejnou s frekvencí precese protonů, kterou udává Larmorova rovnica - musí být v rezonanci (odtud název „magnetická rezonance“). Po ukončení přísunu energie z vnějšího prostředí se postupně antiparalelně postavené protony zbavují nadbytečné energie a vracejí se do paralelního - energeticky méně náročného - stavu. Dochází k výměně tepelné energie. Výsledkem je postupný vzrůst longitudinální magnetizace v čase.

Rentgen Podstatou rentgenové diagnostiky je interpretace stínového obrazu vznikajícího díky odlišné schopnosti různých částí lidského těla absorbovat rentgenové paprsky. Ke zviditelnění tohoto jevu byla použita fotografická deska. Paprsky na ní vyvolávají latentní obraz, který je po vyvolání tmavší na místech, kam dopadlo méně zeslabené záření. Nejvíce kosti, méně v játrech, ledvinách a nejméně v tukových vrstvách a v plicích

Vznik rentgenového záření Zdrojem X-záření speciální vakuová elektronka (rentgenka) Dioda žhavená napětím 20-200kV Žhavená katoda emituje elektrony, které jsou přitahovány k anodě a urychlovány silným elektrickým polem na energii 20-200 keV Po kontaktu elektronů s hmotu anody – dochází k brždění elektronů a vyzáření části kinetické energie. Takto vzniklé záření obsahuje celé elektromagnetické spektrum – většinu tvoří infračervené záření (tepelná energie spotřebovaná k rozžhavení anody) Menší podíl – rentgenova záření emituje z anody do prostoru

Dva základní nedostatky (RTG) Při velkém průměru zdroje záření (plošky anody, která emituje paprsky) je obraz neostrý. Rozostření se zmenší, když objekt umístíme co nejdál od zdroje a co nejblíže k fotografické desce. Současné rentgenky pro lékařskou diagnostiku jsou konstruovány tak, aby měly rozměry optického ohniska v rozmezí od (0,3 x 0,3) mm2 do (2,0 x 2,0) mm2. Optickým ohniskem se rozumí průmět zářící plošky povrchu do roviny kolmé k ose svazku paprsků šířících se z rentgenky k prozařovanému objektu. Relativně dlouhá doba expozice rentgenového snímku vede k vysokému radiačnímu zatížení vyšetřovaných pacientů. Daný nedostatek lze minimalizovat tzv. zesilovacími fóliemi, vrstvami fluorescenční látky na fóliích přiložených těsně k fotografické emulzi, na níž dopadají paprsky prošlé zkoumaným biologickým objektem. Vyvolané fluorescenční záření z oblasti viditelného spektra pak působí na fotografickou emulzi zároveň s rentgenovými paprsky.

Vývoj metody (RTG) Rentgenky (60 - 420) kV, prakticky bezezměny Snaha omezit radiaci působící na pacienta Princip centrální projekce dovoluje získat jen integrální stínový obraz celého prozářeného objemu. Zobrazení struktury v určité hloubce pod povrchem umožnila teprve lineární tomografie založená na principu rozostření obrazu všech částí zkoumaného objektu ležících nad zvolenou vrstvou, anebo pod ní. Ostře se zobrazí jen struktury obsažené v rovině středu otáčení, tj. v rovině obsahující při synchronizovaném protiběžném pohybu zdroje záření a kazety s filmem zdánlivý střed otáčení rentgenového svazku. Změnou polohy této roviny se může volit různá hloubka ostré vrstvy.

Kontrastní látky. Substrakční radiograf. Rentgenové zobrazení měkkých tkání: malé rozdíly v absorpci X-záření → nízký kontrast zobrazení, nemožnost rozlišení některých struktur Zvyšování kontrastu aplikací vhodných kontrastních látek do zkoumaných míst (zažívací trakt, žlučové či močových cest, cév, …): Látky obsahující atomy těžkých kovů – baryum, jód Zvýšení absorpce X-záření odhalí případné defekty či anomálie

CT – počítačová tomografie Počítačová tomografie kombinuje klasické rentgenové vyšetření s počítačovým systémem, který informace zpracovává. Snímek se tedy jednoduše neexponuje na rentgenový film (jako u obyčejného RTG vyšetření), ale je matematicky spočítán a zobrazen do nejmenších detailů.

Princip (CT)

Princip 2 (CT) Podélným lineárním posunem pacienta můžeme vytvořit řadu příčných řezů Umístěním vedle sebe vzniká 3D tomografický obraz Oproti klasickému rtg. zobrazení vyšší citlivost a rozsah dynamiky obrazu daná elektronickým snímáním, filtrací a nastavitelností modulace obrazu (jas, kontrast) 1. tomografický řez lidským mozkem – 160 x 160 obrazových bodů, 9 dnů získávání dat a 2,5 hodiny k počítačové rekonstrukci. Moderní spirální tomografy – nesrovnatelně lepší kvalita, pouze několik milisekund

Detektory X-záření (CT) Úkolem zachytit fotony X-záření procházející vyšetřovanou tkání a jejich přeměna na elektrický signál Scintilační detektory – nejčastější použití – obsahují scintilační krystaly NaI(Tl), CsI(Tl) Bi4Ge3O12 (vysoká detekční účinnost při malých rozměrech Ionizační komory plněné stlačeným plynným xenonem - ojedinělé použití)

Scintilační detektory