Obrazowanie medyczne
1806 Philipp Bozzini opracowuje w Moguncji endoskop, publikując przy okazji "Der Lichtleiter" - podręcznik do badania zakamarków ludzkiego organizmu. Pierwszym, który użył tego urządzenia w udanej operacji, był Francuz Antonin Jean Desormeaux. Przed wynalezieniem elektryczności, do badania pęcherza moczowego, macicy i jelita grubego, a także jam nosowych używano zewnętrznych źródeł światła.
1896 Wilhelm Röntgen odkrywa promieniowanie rentgenowskie i jego zdolność przenikania ciał stałych. Pierwszymi specjalistami, którym pokazał swoje "radiogramy", nie byli lekarze, lecz koledzy Röntgena - fizycy (1). Potencjał kliniczny tego wynalazku rozpoznano kilka tygodni później, gdy w czasopiśmie medycznym ukazał się radiogram przedstawiający odłamek szkła w palcu czterolatka. W ciągu kolejnych kilku lat komercjalizacja i masowa produkcja lamp rentgenowskich rozpowszechniła nową technologię na całym świecie.
1900 Pierwsze prześwietlenie RTG klatki piersiowej. Szerokie zastosowanie obrazów rentgenowskich klatki piersiowej spowodowało, że możliwe stało się wczesne wykrywanie gruźlicy, która była wówczas jedną najczęstszych przyczyn zgonu.
1906-1912 Pierwsze próby stosowania środków kontrastowych w celu lepszego badania narządów i naczyń.
1913 Pojawia się właściwa lampa rentgenowska, zwana lampą próżniową z gorącą katodą, wykorzystująca dzięki zjawisku termoemisji efektywne, sterowalne źródło elektronów. Otworzyła nową erę w radiologicznej praktyce medycznej i przemysłowej. Jej twórcą był amerykański wynalazca William D. Coolidge (2), zwany popularnie "ojcem lampy rentgenowskiej". Wraz z ruchomą siatką, stworzoną przez chicagowskiego radiologa Hollisa Pottera, lampa Coolidge’a uczyniła radiografię bezcennym narzędziem lekarzy podczas I wojny światowej.
1916 Nie wszystkie radiogramy były łatwe do odczytania - czasami tkanki lub przedmioty przesłaniały to, co chciano zbadać. Francuski dermatolog André Bocage opracował więc metodę emitowania promieni rentgenowskich pod różnymi kątami, co eliminowało podobne trudności. Jego metodę nazwano tomografią.
1919 Pojawia się pneumoencefalografia, czyli inwazyjny zabieg diagnostyczny ośrodkowego układu nerwowego. Polegał na zastąpieniu części płynu mózgowo-rdzeniowego powietrzem, tlenem albo helem wprowadzonym przez nakłucie do kanału rdzenia kręgowego i na wykonaniu zdjęcia rentgenowskiego głowy. Gazy kontrastują dobrze układ komorowy mózgowia, co pozwalało uzyskać obraz komór. Metodę stosowano szeroko w połowie XX wieku, zarzucono ją jednak niemal całkowicie w latach 80. Przeprowadzenie badania było niezmiernie bolesne dla pacjenta i obarczone poważnym ryzykiem powikłań.
lata 30. i 40. W medycynie fizycznej i rehabilitacji zaczyna być stosowana na szeroką skalę energia fal ultradźwiękowych. Rosjanin Sergiej Sokołow eksperymentuje z wykorzystywaniem ultradźwięków w poszukiwaniu defektów metali. W 1939 r. używa częstotliwości 3 GHz, która jednak nie daje zadowalającej rozdzielczości obrazu. W 1940 r. Heinrich Gohr i Thomas Wedekind z Uniwersytetu Medycznego w Kolonii, w Niemczech, prezentują w swoim artykule "Der Ultraschall in der Medizin" możliwość diagnostyki ultradźwiękowej w oparciu o metody echo-refleksyjne, podobne do tych stosowanych w wykrywaniu wad metalowych.
Autorzy sugerowali, że metoda ta będzie w stanie wykryć guzy, wysięki lub ropnie. Nie byli jednak w stanie opublikować przekonujących wyników swoich eksperymentów. Znane są też ultrasonograficzne eksperymenty medyczne Austriaka Karla T. Dussika, neurologa na Uniwersytecie Wiedeńskim w Austrii, rozpoczęte pod koniec lat 30.
1937 Polski matematyk Stefan Kaczmarz formułuje w swojej pracy "Algebraiczna Technika Rekonstrukcji" teoretyczne podstawy metody algebraicznej rekonstrukcji, którą potem zastosowano w tomografii komputerowej i cyfrowym przetwarzaniu sygnałów.
lata 40. Wprowadzenie obrazowania tomograficznego z wykorzystaniem lampy rentgenowskiej obracanej wokół ciała lub poszczególnych organów pacjenta. Pozwoliło to oglądać szczegóły anatomii i zmiany patologiczne w przekrojach.
1946 Amerykańscy fizycy Edward Purcell i Felix Bloch niezależnie od siebie wynajdują jądrowy rezonans magnetyczny NMR (3). Za "opracowanie nowych metod precyzyjnych pomiarów i związanych z nimi odkryć w dziedzinie magnetyzmu jądrowego" otrzymują Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
1950 Powstaje skaner prostoliniowy, opracowany przez Benedykta Cassena. Urządzenie w tej wersji było używane do początku lat 70., z różnymi farmaceutykami opartymi na radioaktywnych izotopach, służących do wizualizacji narządów w całym organizmie.
1953 Gordon Brownell z Massachusetts Institute of Technology konstruuje urządzenie będące prekursorem dzisiejszego aparatu PET. Za jego pomocą, wraz z neurochirurgiem Williamem H. Sweetem, udaje mu się diagnozować guzy mózgu.
1955 Powstają dynamiczne wzmacniacze obrazu rentgenowskiego, co umożliwiło obrazowanie RTG ruchomych obrazów tkanek i narządów. Owe rentgenowskie filmy dostarczały nowych informacji na temat organizmu w jego czynnościach, np. bijącego serca i układu naczyń krwionośnych.
1955-1958 Szkocki lekarz Ian Donald zaczyna na szeroką skalę wykorzystywać badania ultradźwiękowe do diagnostyki medycznej. Skupia się na ginekologii. Jego artykuł "Investigation of Abdominal Masses by Pulsed Ultrasound", opublikowany 7 czerwca 1958 r. w czasopiśmie medycznym "The Lancet", definiował użycie technologii z zastosowaniem ultradźwięków i stanowił podwaliny diagnostyki prenatalnej (4).
1957 Powstaje pierwszy endoskop światłowodowy - gastroenterolog Bazyli Hirschowitz wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu Michigan patentuje światłowodowy, pół-elastyczny gastroskop.
1958 Hal Oscar Anger na dorocznym spotkaniu amerykańskiego Towarzystwa Medycyny Nuklearnej prezentuje kamerę scyntylacyjną, która pozwala na dynamiczne obrazowanie narządów ludzkich. Urządzenie wchodzi na rynek dekadę później.
1963 Świeżo upieczony lekarz David Kuhl, wraz z przyjacielem, inżynierem Royem Edwardsem, przedstawiają światu pierwsze wspólne dzieło, efekt kilku lat przygotowań: pierwszy na świecie aparat do tzw. tomografii emisyjnej, któremu nadają nazwę Mark II. W kolejnych latach powstają dokładniejsze teorie i modele matematyczne, przeprowadzane są liczne badania i budowane coraz to doskonalsze maszyny. W końcu, w roku 1976, korzystając z doświadczeń Kuhla i Edwardsa, John Keyes tworzy pierwszy aparat do badań SPECT - tomografii emisyjnej pojedynczych fotonów.
1967-1971 Korzystając z algebraicznej metody Stefana Kaczmarza, angielski inżynier elektryk Godfrey Hounsfield tworzy teoretyczne podstawy tomografii komputerowej. W kolejnych latach konstruuje pierwszy działający tomograf komputerowy EMI scanner (5), na którym w 1971 r., w Atkinson Morley Hospital w Wimbledonie, odbywa się inauguracyjne badanie człowieka. W 1973 r. urządzenie wchodzi do produkcji. W 1979 r. Hounsfield wraz z amerykańskim fizykiem Allanem M. Cormackiem otrzymuje Nagrodę Nobla za wkład w rozwój tomografii komputerowej.
1973 Amerykański chemik Paul Lauterbur (6) odkrywa, że poprzez wprowadzanie gradientów pola magnetycznego przechodzącego przez daną substancję można analizować emitowane fale radiowe i poznać skład tejże substancji. Naukowiec używa tej techniki, aby stworzyć zdjęcie, które różnicowało wodę zwykłą i ciężką. Na podstawie jego pracy angielski fizyk Peter Mansfield buduje własną teorię i pokazuje, jak przeprowadzić szybkie i precyzyjne zobrazowanie struktury wewnętrznej.
Wynikiem pracy obu naukowców było nieinwazyjne badanie lekarskie, znane jako obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego lub MRI. W 1977 r. maszyna do MRI - opracowana przez amerykańskich lekarzy Raymonda Damadiana, Larry’ego Minkoffa i Michaela Goldsmitha - po raz pierwszy została użyta do zbadania człowieka. Lauterbur i Mansfield otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla za rok 2003 w dziedzinie fizjologii i medycyny.
1974 Amerykanin Michael Phelps konstruuje kamerę do pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Pierwszy komercyjny skaner PET powstał dzięki pracy Phelpsa oraz Michela Ter-Pogossiana, która doprowadziła do budowy systemu przez firmę EG&G ORTEC. Skaner zamontowano na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles w 1974 r. Ponieważ komórki nowotworowe metabolizują glukozę w dziesięciokrotnie szybszym tempie niż komórki normalne, podczas skanowania PET nowotwory złośliwe pojawiają się w postaci jasnych plamek (7).
1976 Chirurg Andreas Gruentzig wprowadza w Szpitalu Uniwersyteckim w Zurychu, w Szwajcarii, angioplastykę wieńcową. Technika ta wykorzystuje fluoroskopię rentgenowską do operowania zwężeń naczyń krwionośnych.
1978 Powstaje radiografia cyfrowa. Po raz pierwszy obraz z systemu rentgenowskiego jest konwertowany na plik cyfrowy, który można następnie obrabiać, w celu uzyskania bardziej przejrzystej diagnozy, i zapisać cyfrowo na potrzeby przyszłych badań i analiz.
lata 80. Douglas Boyd wprowadza technikę tomografii wiązką elektronów. Skanery do takiej tomografii (EBT) wykorzystywały sterowaną magnetycznie wiązkę elektronów do wywołania pierścienia promieni rentgenowskich.
1984 Pojawia się pierwsze trójwymiarowe przetwarzanie obrazów z wykorzystaniem komputerów cyfrowych i danych CT lub MR - w efekcie powstają obrazy 3D kości i organów.
1989 Do użytku wchodzi spiralna tomografia komputerowa (spiral CT, helical CT). Jest to badanie polegające na połączeniu ciągłego ruchu obrotowego układu lampa-detektor i przesuwu stołu wzdłuż powierzchni badanej (8). Ważną zaletę spiralnej tomografii stanowi skrócenie czasu badania (pozwala na uzyskanie obrazu kilkudziesięciu warstw w czasie jednego kilkunastosekundowego skanu), zebranie odczytu z całej objętości, łącznie z warstwami narządu, które w tradycyjnej CT znajdowały się między skanami, a także optymalne przekształcenie skanu, dzięki nowemu oprogramowaniu. Pionierem nowej metody był dyrektor ds. badań i rozwoju firmy Siemens, dr Willi A. Kalender. Wkrótce inni producenci poszli w ślady Siemensa.
1993 Opracowanie techniki obrazowania echoplanarnego (EPI), które umożliwia systemom rezonansu magnetycznego wczesne wykrywanie ostrego udaru mózgu. EPI zapewnia również funkcjonalne obrazowanie, np. aktywności mózgu, pozwalając lekarzom na badanie funkcji różnych ośrodków mózgu.
1998 Pojawia się technika tzw. multimodalnych badań PET razem z tomografią komputerową. Dokonał tego dr David W. Townsend na Uniwersytecie w Pittsburghu, razem z Ronem Nuttem, specjalistą w dziedzinie systemów PET. Otworzyło to szerokie możliwości obrazowania metabolicznego i anatomicznego pacjentów chorych na raka. Pierwszy prototyp skanera PET/CT, zaprojektowany i zbudowany przez CTI PET Systems w Knoxville, w stanie Tennessee, rozpoczął działalność w 1998 r.
2018 Firma MARS Bioimaging prezentuje technikę kolorowego i trójwymiarowego obrazowania medycznego (9), które zamiast czarno-białych zdjęć wnętrza ciała proponuje zupełnie nową jakość w medycynie - obrazy barwne.
Skaner nowego typu wykorzystuje technologię Medipix - opracowaną po raz pierwszy na potrzeby naukowców z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) do śledzenia cząsteczek w Wielkim Zderzaczu Hadronów i wykorzystującą algorytmy komputerowe. Zamiast rejestrować promieniowanie rentgenowskie przy przechodzeniu przez tkanki oraz poziom jego pochłaniania, skaner określa dokładny poziom energii promieniowania rentgenowskiego w momencie uderzenia w różne części ciała. Następnie transponuje wyniki na różne barwy, odpowiadające kościom, mięśniom i innym tkankom.
Klasyfikacja obrazowania medycznego
1. Rentgenografia (RTG) to prześwietlanie ciała promieniowaniem X rzutowanym na kliszę lub detektor. Tkanki miękkie obrazowane są po podaniu kontrastu. Metoda, stosowana głównie w diagnostyce układu kostnego, cechuje się małą dokładnością i niskim kontrastem. W dodatku negatywnym efektem jest napromieniowanie – 99% dawki pochłania organizm badanego.
2. Tomografia (gr. tomé - przekrój) - zbiorcza nazwa metod diagnostycznych polegających na uzyskaniu obrazu przekroju przez ciało lub jego część. Techniki tomograficzne dzielą się na kilka grup:
- ultrasonografia (USG) - nieinwazyjna metoda wykorzystująca zjawiska falowe dźwięku na granicach różnych ośrodków. Stosuje się w niej ultradźwięki (2-5 MHz) i przetworniki piezoelektryczne. Obraz jest ruchomy, w czasie rzeczywistym;
- tomografia komputerowa (CT) - wykorzystuje komputerowo kontrolowane promieniowanie X do kreowania obrazów ciała. Zastosowanie promieniowania X zbliża CT do prześwietlenia rentgenowskiego, jednak zdjęcie rentgenowskie i skany CT pozwalają pozyskać odmienne informacje. Co prawda doświadczony radiolog potrafi również ze zdjęcia rentgenowskiego wywnioskować o trójwymiarowej lokacji np. guza, ale prześwietlenia rentgenowskie – w przeciwieństwie do CT - są z natury dwuwymiarowe;
- tomografia rezonansu magnetycznego (MRT) - tomografia tego rodzaju wykorzystuje fale radiowe do badania pacjentów umieszczonych w silnym polu magnetycznym. Uzyskany obraz powstaje w oparciu o fale radiowe wyemitowane przez badane tkanki, które generują mniej lub bardziej intensywne sygnały w zależności od chemicznego otoczenia. Obraz ciała pacjenta może zostać zapisany w postaci danych komputerowych. Obrazowanie rezonansem magnetycznym, podobnie jak CT, dostarcza obrazów dwu- i trójwymiarowych, czasem stanowi jednak o wiele czulszą metodę, szczególnie w rozróżnianiu tkanek miękkich;
- pozytonowa tomografia emisyjna (PET) - rejestracja komputerowych obrazów zmian metabolizmu cukrów, jakie mają miejsce w tkankach. Pacjent otrzymuje zastrzyk substancji, będącej połączeniem cukru oraz cukru znaczonego izotopowo. Ten drugi pozwala na zlokalizowanie nowotworu, ponieważ komórki nowotworowe pochłaniają cząsteczki cukru efektywniej niż inne tkanki organizmu. Po otrzymaniu cukru znaczonego izotopowo pacjent leży przez ok.
- 60 min, podczas gdy znaczony cukier krąży w jego ciele. Jeśli w organizmie występuje guz, cukier powinien efektywnie się w nim zakumulować. Następnie pacjent, umieszczony na stole, stopniowo wprowadzany jest do skanera PET - 6-7 razy w ciągu 45-60 min. Skaner PET używany jest do określenia rozmieszczenia cukru w tkankach ciała. Dzięki analizie skanów CT i PET można osiągnąć lepszą zdolność opisu ewen - tualnie występującego nowotworu. Obraz obrobiony komputerowo analizowany jest przez radiologa. PET może wykryć niepra - widłowości nawet wtedy, gdy inne techniki wskazują na normalny charakter tkanki. Pozwala także na diagnostykę wznowień nowotworowych i określenie efektywności leczenia - gdy guz zmniejsza się, jego komórki metabolizują coraz mniej cukru;
- tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT) - tomograficzna technika z dziedziny medycyny nuklearnej. Za pomocą promieniowania gamma umożliwia tworzenie obrazu przestrzennego aktywności biologicznej dowolnego obszaru ciała pacjenta. Metoda ta pozwala na wizualizację przepływu krwi i metabolizmu danej okolicy. Wykorzystuje się w niej radiofarmaceutyki. Są to związki chemiczne składające się z dwóch elementów - ze znacznika, który jest radioaktywnym izotopem, i z nośnika zdolnego do osadzania się w tkankach i narządach oraz pokonywania bariery krew-mózg. Nośniki często mają właściwość selektywnego wiązania się z przeciwciałami komórek nowotworowych. Osadzają się w ilościach proporcjonalnych do metabolizmu;
- optyczna tomografia koherencyjna (OCT) - nowa metoda przypominająca USG, z tym że pacjenta sonduje się wiązką światła (interferometr). Stosowana do badań oka w dermatologii, stomatologii. Światło rozproszone wstecz mówi o położeniu miejsc znajdujących się na drodze wiązki światła tam, gdzie zmienia się współczynnik załamania.
3. Scyntygrafia - otrzymujemy tu obraz narządów, a przede wszystkim ich czynności, przy pomocy niewielkich dawek izotopów promieniotwórczych (radioznaczników). Podstawą tej techniki jest zachowanie się niektórych farmaceutyków w organizmie. Pełnią one rolę środka transportowego dla użytego izotopu. Znakowany farmaceutyk gromadzi się w narządzie, który ma zostać zbadany. Radioizotop emituje promieniowanie jonizujące (najczęściej gamma), przenikające na zewnątrz ciała, gdzie zostaje rejestrowane przez tzw. gammakamerę.
Mirosław Usidus
