Klasyczne zdjęcia rentgenowskie

Śródoperacyjny cholangiogram uwidaczniający drogi żółciowe w trakcie laparoskopowej cholecystektomii

Obrazy otrzymuje się poprzez wykorzystanie wiązki promieniowania X przepuszczoną przez organizm badanego i rzutowaną na błonę filmową, która jest wrażliwa na promienie rentgenowskie. Tak otrzymane obrazy charakteryzują się cieniami, które pojawiają się z powodu pochłaniania części promieniowania przez tkanki. Konwencjonalna diagnostyka rentgenowska pozwala na badanie m.in. złamanych kości czy chorób płuc. Jest to najstarsza metoda obrazowania posiadająca pewne wady. Nadmierne oświetlanie promieniami X może być szkodliwe dla organizmu, a wizualizacje otrzymane z użyciem tego sposobu mogą być niewystarczająco dokładne do wystawienia poprawnej diagnozy. Dlatego obecnie zaczyna stosować się bardziej zaawansowane odmiany tej metody.

Mammografia

Obraz mammograficzny: normalny (po lewej) i z nowotworem (po prawej)

Metoda diagnozowania nowotworów piersi u kobiet wykorzystująca promienie rentgenowskie, które są różnie pochłaniane przez poszczególne tkanki organizmu. Zmiany nowotworowe na zdjęcia widziane są jako białe plamy – spowodowane jest to tworzeniem mikrozwapnień w miejscach rozwoju nowotworu.

Badanie to jak każde inne nie jest doskonałe. Cały czas trwają badania nad rozwojem innych technik obrazowania piersi (min. palpacyjne badanie piersi MRI), mających wyeliminować niedoskonałości stosowania mammografii. Główne powody, przez które inne badania nie zyskują popularności:

• mniejszej czułości,
• większa szkodliwość,
• znacząco większe koszty.

Tomografia komputerowa

Schemat działania tomografów IV generacji.

Tomografia jest techniką umożliwiającą wykonywanie zdjęć warstwowych. Dzieli się ona na tomografię transmisyjną (dzieli się na m.in. badania dynamiczne i spiralne) oraz tomografię magnetycznego rezonansu jądrowego. Pierwszy rodzaj wykorzystuje promieniowanie X, drugi natomiast wykorzystuje oddziaływanie fal radiowych na protony umieszczone w silnym polu magnetycznym. Tomografia komputerowa jako pierwsze umożliwiała analizę danej warstwy organizmu. Uzyskanie obrazu danego przekroju wiąże się z wykonaniem serii naświetleń z różnych kierunków. Wiąże się to z poruszaniem się lamp naświetlających oraz detektorów wokół pacjenta. W pierwszych CT były to ruchy translacyjne i rotacyjne, stwarzały one pewne problemy. Aparatura rentgenowska była duża przez co przesuwanie jej trwało stosunkowo długo w celu zapewnienia dobrej jakości obrazu. Obecna (czwarta) generacja tomografów rozwiązała ten problem poprzez miniaturyzację lamp generujących promieniowanie X oraz inną budowę CT. W niej detektory są trwale umieszczone wokół pacjenta, a ruch obrotowy wykonuje jedynie aparatura RTG.

Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu

Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu jest rozwinięciem scyntygrafii, w którym analizie poddaje się wiązkę promieniowania gamma emitowana przez radioizotop. Podobnie jak w klasycznej radiografii obraz pacjenta uzyskuje się za pomocą tzw. gamma-kamery i jest on rzutem trójwymiarowego organizmu na płaszczyznę. Metoda SPECT (ang. single photon emission tomography) jest metodą diagnostyki wykorzystującą do rekonstruowania wyglądu ciała dwie lub trzy-gamma kamery, które dokonują obrotu wokół pacjenta. Z tą techniką wiąże się PET (ang. positron emission tomography), który korzysta z promieniowania beta+ zamiast wiązki fotonów.

Pozytonowa tomografia komputerowa (PET)

Pacjent otrzymuje dawkę izotopu promieniotwórczego o krótkim czasie połowicznego rozpadu. Badanie polega na rejestracji promieniowania wytwarzanego podczas anihilacji pozytonów powstałych wskutek rozpadu β+. W odróżnieniu zatem od tomografii komputerowej wykorzystuje się promieniowanie, którego źródło znajduje się bezpośrednio w badanym organizmie.

Badanie to jest nieinwazyjne, a dawka, która otrzymuje osoba badana, jest akceptowalna dla technik diagnostycznych – od czasu jej stosowania nie stwierdzono żadnych efektów ubocznych będących jej następstwem.

PET + MRI

Pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa jako badanie nie może istnieć samodzielnie. W czasie badania rozpadu musi być wykonywane równocześnie drugie badanie, które pozwala na połączenie wyniku badań PET i mapy ciała pacjenta. Jedynym badaniem łączonym z PET do niedawna była tomografia komputerowa. Niestety technika ta nie nadaje się do obrazowania niektórych organów np. mózgu. Rozwiązaniem tego problemu jest połączenie badania PET z MRI – metoda ta pozwala na rozróżnienie tkanek na podstawie reakcji na promieniowanie.

Jednoczesne obrazowanie w wielu modalnościach

Metoda ta wykorzystuje kilka metod obrazowania w celu zwiększenia dokładności odczytów.

Obrazowanie funkcjonalne

Technika ta ma na celu zbadanie funkcjonowania organizmu zamiast jego stanu statycznego (budowy anatomicznej).

Mikroskopia

Mikroskopia wykorzystuje do diagnostyki organizmu różnego rodzaju mikroskopy: konwencjonalne (optyczne), elektronowe, fazowo-kontrastowe czy konfokalne.

Obrazowanie fotoakustyczne

Technika ta używa pulsujące z odpowiednią częstotliwością wiązki lasera oraz specjalnych sensorów wychwytujących fale dźwiękowe powstałe w wyniku oddziaływania promieni lasera na organizm.

Rozdzielczość

Jest to zdolność układu do zobrazowania dwóch źródeł światła będących w określonej odległości od siebie. Im jest większa tym lepsza dokładność wizualizacji otrzymanej za pomocą aparatury diagnostycznej.

Częstości przestrzenne

Wielkość mierząca liczbę cykli zjawiska okresowego na jednostce długości. Można za jej pomocą definiować jasność obiektu.

Kontrast

Różnica w natężeniu danej cechy obiektu, a natężeniem tej cechy w innych obiektach.

Optymalizacja

Dawka śmiertelna przyjętego promieniowania zasadniczo zależy od stopnia skomplikowania budowy organizmu – im mniej skomplikowany tym dawka może być większa^[4].

Ryzyko niebezpieczeństwa ze strony promieniowania dla człowieka pojawia się w przypadku znaczącego przekroczenia maksymalnych dawek. Głównie zwiększa się zachorowalność na białaczkę oraz inne choroby nowotworowe, a także problemy z narządem wzroku (zaćma) oraz zmiany skórne (nawet prowadzące do martwicy).

W przypadku konieczności wykonania większej liczby zdjęć istnieją różne metody ograniczania ekspozycji. Polegają one głównie na ograniczaniu powierzchni narażonego obszaru, obrazowaniu tylko najistotniejszych struktur, osłanianiu istotnych narządów znajdujących się w sąsiedztwie badanego obszaru, np. osłanianie narządów rodnych w czasie RTG kręgosłupa.

Optymalizacja ochrony przed promieniowaniem nie polega na ograniczaniu otrzymywanej dawki do minimum wszelkim kosztem. Zgodnie z zasadą ALARA (ang. As Low As Reasonably Achievable) polega na takiej organizacji, aby otrzymywane dawki były na tyle małe, jak jest to osiągalne w rozsądny sposób.

Główne metody ograniczania dawki:

• stosowanie najnowszych urządzeń które rozwijane są cały czas,
• dbanie o odpowiedni stan techniczny urządzeń diagnozujących,
• wykwalifikowana obsługa dbająca o odpowiedni dobór parametrów urządzeń,
• ograniczanie geometrycznego powiększania obrazu,
• używanie kolimatora,
• osłona niepotrzebnie narażonych narządów pacjenta,
• osłona personelu,
• doświadczony, wypoczęty personel obsługujący urządzenia.

Zgodnie z nieobowiązującym już Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 18 stycznia 2005 r. w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego ustanowiono następujące wartości limitu:

^[*] 100 [mSv] na 5 lat

Systemy detekcji promieniowania i detekcji obrazu

Współcześnie można wyróżnić dwa systemy obrazowania: analogowy oraz cyfrowy. Konwencjonalny obraz na błonie halogenosrebrowej jest zbudowany z dużej liczby mikroskopijnych punktów. Ich ilość ulega zmniejszeniu w sposób ciągły zależnie od stopnia osłabienia promieniowania X po przejściu przez organizm, co wpływa na różnice w zaczernieniu poszczególnych obszarów błony. W diagnostyce obrazowej istnieje wiele rozwiązań mających na celu zapisanie obrazu w formie cyfrowej, jednak najpopularniejszymi z nich są skanery przenoszące dane z błony rentgenowskiej do pamięci komputera oraz cyfrowe płyty pamięciowe zawierające związki selenu i fosforu. Obraz zapisany na nich może zostać odczytany za pomocą specjalnego urządzenia laserowego.

Rentgenodiagnostyka cyfrowa

Cyfrowe obrazowanie rentgenowskie jest odmianą konwencjonalnej diagnostyki rentgenowskiej, w której błonę filmową zastąpiono detektorami promieniowania X. Zaletami tego sposobu obrazowania jest większa czułość, łatwiejsza archiwizacja danych oraz możliwość edytowania otrzymanych za jej pomocą obrazów. Cyfrowe obrazowanie rentgenowskie dzieli się na dwa podtypy. Pierwszy to radiografia półcyfrowa (ang. computer radiography, CR), w niej korzysta się z kaset filmowych, w których taśma światłoczuła jest pokryta warstwą fosforu. Po zakończeniu badania można usunąć obraz za pomocą lasera. Dzięki temu kaseta może być wykorzystana wielokrotnie. Drugą odmianą jest radiologia cyfrowa (ang. digital radiography, DR). Pozwala ona na cyfrowy zapis obrazu bez wykonywania kroków pośrednich. Jest to możliwe dzięki specjalnym detektorom. Występują one w wielu odmianach, ale najpopularniejsza wersja wykorzystuje amorficzny krzem do obrazowania.

Jeszcze nie tak dawno temu nawet obrazy cyfrowe były przenoszone na błony filmowe. Istotnym przełomem było wprowadzenie radiografii cyfrowej (DR, ang. digital radiology), tj. zastosowania w pełni cyfrowej linii diagnostycznej (obejmującej akwizycję obrazu, jego przetwarzanie i archiwizację, ang. PACS). Teraz jednak powszechnie stosuje się archiwizację cyfrową, która zakłada digitalizację lub skanowanie obrazów otrzymanych analogowo. W tym celu wykorzystuje się PACS (Picture Archiving and Communication System).

DICOM

Norma DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) jest standardem wymiany informacji w diagnostyce medycznej. Oprogramowanie pracujące w tym standardzie umożliwia pełne obrazowanie wszystkich typów badań z zakresu klasycznej diagnostyki: RTG, USG, CT, MRI. Standard DICOM został opracowany przez American College of Radiology (ACR) oraz National Electrical Manufacturers Association (NEMA) przy współpracy z wieloma organizacjami międzynarodowymi i firmami komercyjnymi. Norma DICOM jest powszechnie stosowana w systemach obrazowania w zastosowaniu medycznym.

Podstawowe cele standardu DICOM:

1. Promocja wymiany obrazów medycznych i informacji powiązanych niezależnie od producenta.
2. Umożliwienie rozwoju systemów archiwizacji i wymiany danych przez sieć oraz możliwość współpracy z innymi systemami szpitalnymi.
3. Umożliwienie stworzenia diagnostycznych baz danych, które mogą podlegać wymianie w celu podniesienia poziomu efektywności diagnostycznej.

Komputerowe wspomaganie diagnostyki obrazowej

Komputerowo wspomagana diagnostyka medyczna CAD (ang. computer aided diagnosis) to zestaw specjalistycznych technik służących do badania oraz interpretacji wskazanych cech obrazowych, by na ich podstawie dokonać diagnozy różnicującej. Dzięki nim lekarz zostaje odciążony przez co może skupić się na interpretowaniu przetworzonych danych. Służą do tego podstawowe operacje na obrazie jakie zapewnia mu system CAD. W ich skład wchodzą różne metody przetwarzania obrazów, które mają na celu:

• poprawę jakości obrazu poprzez modyfikację kontrastu, redukcję szumów i artefaktów
• poprawę percepcji dzięki uwzględnieniu poprzez uwzględnienie właściwości ludzkiego systemu widzenia
• uwydatnienie cech obrazu kluczowych w dalszej analizie
• służenie innym, bardziej szczegółowym celom.

Wśród operacji dokonywanych na obrazie lub jego fragmencie najważniejszymi są:

• przetwarzanie punktowe – regulacja jasności i kontrastu, korekcja gamma, korekcja histogramu obrazów, steganografia
• filtracja uśredniająca – wykrycie i podkreślenie krawędzi transformacji obrazu
• kompresja – określenie efektywnego sposobu przechowywania wizualizacji
• przekształcenia geometryczne
• interpolacja i aproksymacja.

Przykład mammografii i radiografii płuc wykazuje, że wzrost znaczenia systemów CAD przyczynił się do poprawy wykrywalności zmian patologicznych. Jedną z metod poprawy skuteczności komputerowego wspomagania diagnostyki jest standaryzacja mammogramów. W tym celu opracowano SMF (ang. standard mammogram form), które dzięki modelowaniu procesu akwizycji i wydzieleniu tkanki gruczołowej pozwala uzyskać mammogram niezależny od parametrów procesu akwizycji. Przez to można dokonać standaryzacji procesów detekcji i zapewnić im wysoką wydajność w różnych badaniach.

Rynek polski

Według raportu PMR „Rynek diagnostyki obrazowej w Polsce 2012. Prognozy rozwoju na lata 2012-2014” rynek diagnostyki obrazowej w 2012r. szacunkowo osiągnął wartość 882 mln zł, a w latach 2012-2014 ten segment sprzedaży wzrośnie średniorocznie o 14%. Stymulatorem tak szybkiego rozwoju są fundusze unijne oraz zmiana polityki zdrowotnej państwa. Zgodnie z prognozami w 2013r. rynek diagnostyki obrazowej przekroczy 1mld zł.

Rynki zagraniczne

Do 2010 roku przeprowadzono na cały świecie ok. 5 mld badań obrazowania diagnostycznym. Przeszło 50% całkowitej ekspozycji na promieniowanie jonizujące w Stanach Zjednoczonych to promieniowanie z obrazowania medycznego.