Zastosowanie promieniowania X

Pytanie z czego składa się ciało człowieka i w jaki sposób funkcjonuje zawsze fascynowało lekarzy i uczonych. Pierwszych ważnych informacji dostarczyły sekcje przeprowadzone na ciałach zmarłych. Poszukiwano (i nadal poszukuje się) technik bezkontaktowych i nieinwazyjnych. Dla pionierów medycyny sama myśl o zajrzeniu w głąb organizmu człowieka bez interwencji chirurgicznej zakrawałaby na czary. Rewolucją stało się odkrycie promieni rentgena (1895), dzięki którym prześwietlić było można żywego człowieka. To zdarzenie zapoczątkowało znaczący udział techniki w medycynie.

Obecnie lekarze i dentyści dość często posługują się prześwietleniami rentgenowskimi. Promienie rentgenowskie są to fale elektromagnetyczne, podobne do fal radiowych lub świetlnych. Przenikają one przez szkło, przez czarny papier i przez wiele ciał, które są nieprzeźroczyste dla światła, a także przez miękkie substancje, a więc skóra i mięsnie nie stanowią dla nich przeszkody. Twarde substancje, jak kość czy metal, zatrzymują je i dzięki temu są widoczne na zdjęciu rentgenowskim w postaci cienia (kości są jaśniejsze niż inne części ciała). Aparat wykonuje zdjęcie na kliszy fotograficznej.

Promienie rentgenowskie mają szerokie zastosowanie: naukowcy korzystają z nich, badając np. strukturę cząsteczkową takich materiałów jak plastyk, inżynierowie prześwietlają kadłub samolotu w poszukiwaniu pęknięć, które mogłyby spowodować wypadek. Co może być ciekawostką, Słońce, gwiazdy i inne obiekty w przestrzeni kosmicznej (np. czarne dziury) są naturalnymi źródłami promieni rentgenowskich. Z kolei wokół Ziemi krążą satelity wyposażone w teleskopy do wykrywania promieniowania x wysyłanego przez nie. Satelity wysyłają obrazy rentgenowskie na Ziemię. Dzięki nim astronomowie pogłębiają swoją wiedzę o przestrzeni kosmicznej.

To nie koniec możliwości zastosowań promieni X. Lotniska są wyposażone w aparaturę rentgenowską służącą do prześwietlania bagażu. Ruchoma taśma przesuwa bagaże przed źródłem promieni X. Po prześwietleniu walizki promienie X są wychwytywane przez detektory. Wykorzystując te promienie, komputer wyświetla na ekranie obraz zawartości walizki, który obserwują pracownicy lotniska. Dzięki temu zawczasu można przechwycić przemyt, np. broni lub zorientować się, czy na pokład samolotu nie zostanie wniesiona bomba.

Promienie X znalazły również zastosowanie w defektoskopii i w budownictwie. Defektoskopia rentgenowska polega na nieniszczących badaniach metali, które mają na celu wykrycie wewnętrznych wad materiału (pęknięć, pęcherzy, zanieczyszczeń itp.). I tak promieniowanie stosuje się przy spawaniu rurociągów a zwłaszcza przy budowie konstrukcji stalowych gdzie istotna jest wytrzymałość. Prześwietlenie konstrukcji pozwala zaobserwować, czy jest rura szczelna i jednorodna. Polega to na tym, że rurę na spojeniu owija się kliszą fotograficzną, a w środku umieszcza się promiennik. Tam, gdzie jest za cienka warstwa spawu lub miejsce jest nieszczelne uzyskujemy inny odcień (ciemniejszy) na kliszy i już wiadomo, gdzie trzeba poprawić spaw. Na tej samej zasadzie bada się łączenia w konstrukcjach budowlanych, zwłaszcza w mostach, gdzie występują obciążenia dynamiczne.

Wraz z rozwojem techniki otwiera się wiele nowych możliwości na zastosowanie promieniowania X. Udoskonalane są również same tomografy rentgenowskie.

Po skonstruowaniu tomografu rentgenowskiego uzyskano trójwymiarowy obraz wnętrza ciała. Jak już wspomniałam, promienie rentgena nie nadają się do obrazowania tkanek miękkich, ponieważ przez nie przenikają. Dlatego kolejnym wielkim osiągnięciem stało się zastosowanie jądrowego rezonansu magnetycznego, dzięki któremu otrzymuje się obrazy tkanek miękkich. Obecnie promienie Roentgena służą nie tylko do oglądania kości, ale też wykorzystywane są do oglądania i leczenia serca, nerek, płuc, wątroby i innych narządów...


Chciałabym się szczegółowiej zająć zastosowaniem promieni X w medycynie.

Współczesna radiografia ukazuje nam wnętrze ludzkiego ciała z dokładnością zbliżoną do atlasów anatomicznych. Tomografia komputerowa umożliwia neurochirurgom precyzyjne planowanie zabiegów operacyjnych.

Diagnostyka obrazowa wykorzystuje różne rodzaje fal do uwidaczniania wnętrza ciała ludzkiego. Promienie rentgenowskie czy fale ultradźwiękowe umożliwiają ocenę wielkości, kształtu, struktury wewnętrznej i czynności różnych narządów, co znacznie rozszerza możliwości rozpoznawania i różnicowania skutków urazów i wielu chorób. Do najczęściej wykonywanych badań należą zdjęcia rentgenowskie narządów klatki piersiowej i układu kostnego. Zetknął się z nimi bezpośrednio prawie każdy z nas.
Podstawą wniosków rozpoznawczych są różnice pochłaniania promieni X przez elementy szkieletu, wypełnione powietrzem płuca i części miękkie, jak mięśnie czy narządy miąższowe. Emulsja fotograficzna błony ulega silnemu zaczernieniu w miejscach, gdzie dotarło więcej promieni (płuca), natomiast jaśniejsze obszary odpowiadają tym częściom ciała, które pochłonęły większość promieni lub je rozproszyły, np. kości. Tkanki miękkie widać w różnych odcieniach szarości. Uzyskany na błonie rentgenowskiej obraz nazywamy analogowym.
Konwencjonalny, analogowy zapis obrazu radiologicznego ma wiele zalet, wśród nich najważniejsze wydają się niski koszt badania oraz duża zdolność rozdzielcza, dzięki której można rozpoznawać niewielkie ogniska patologiczne, nawet o średnicy około 3 mm. Zasadnicze wady przedstawionego systemu to: brak możliwości różnicowania tkanek miękkich, np. tkanki tłuszczowej czy mięśniowej oraz wykrywania nieprawidłowych zbiorników płynu (obrzęki, torbiele, ropnie), a ponadto zużywanie dużych ilości srebra do produkcji emulsji światłoczułych, jak również zagrożenie środowiska w związku z procesami wywoływania i utrwalania błon rentgenowskich. Pewną trudność sprawia też szybkie przekazywanie wyników badań na odległość oraz rezerwowanie dużych powierzchni na archiwa. Właśnie dlatego w drugiej połowie lat sześćdziesiątych, wykorzystując postępy w dziedzinie elektroniki, informatyki i cyfrowej techniki obliczeniowej zaczęto poszukiwać innych, bardziej efektywnych systemów rejestracji obrazu radiologicznego.
W odróżnieniu od klasycznego układu, jaki stanowi lampa rentgenowska emitująca promienie X -
badany obiekt-błona rentgenowska, w radiografii cyfrowej zmiany natężenia promieniowania po przejściu przez ciało pacjenta rejestrowane są przez układ detektorów. Uzyskane dane zostają zapisane w postaci cyfrowej w matrycy układu pamięciowego komputera, która jest płytą podzieloną na wiele małych kwadratów zwanych pikselami. Zapis cyfrowy może być wtórnie przedstawiony na błonie rentgenowskiej, jeśli wartości liczbowej każdego piksela przypiszemy odpowiedni stopień szarości. Okazało się, że przedstawione rozwiązanie nie tylko znacznie rozszerzyło możliwości rozpoznawcze, ale również usprawniło działalność zakładów radiologii. Radiografia cyfrowa z możliwością przetwarzania obrazu stała się między innymi podstawą rozwoju tomografii komputerowej i cyfrowej angiografii subtrakcyjnej.
Idea tomografii komputerowej (CT) zrodziła się w dwóch odległych od medycyny dyscyplinach naukowych - astronomii i matematyce. Twórcy urządzenia Godfrey Haunsfield i Allen Cormack otrzymali Nagrodę Nobla, a w uzasadnieniu jej przyznania Komitet Naukowy stwierdził, że żadna inna metoda w diagnostyce medycznej nie przyniosła tak wydatnego postępu w tak krótkim czasie.
Dziś tomografia komputerowa należy do podstawowych metod badania radiologicznego. W nowoczesnych urządzeniach do tomografii komputerowej lampa rentgenowska porusza się ciągłym ruchem okrężnym wokół długiej osi pacjenta, a zmiany natężenia promieniowania w określonej warstwie ciała rejestrowane są przez detektory umieszczone na obwodzie okola, w którym znajduje się pacjent. Następnym etapem jest przetworzenie uzyskanych danych pomiarowych i rekonstrukcja obrazu badanego przekroju ciała
Wprowadzenie do praktyki klinicznej tomografii komputerowej umożliwiło przedstawienie poprzecznych przekrojów ciała ludzkiego z dokładnością zbliżoną do atlasów anatomicznych.
Najnowszym osiągnięciem radiografii jest spiralna tomografia komputerowa. Dzięki odpowiednim rozwiązaniom konstrukcyjnym umożliwia ona uzyskiwanie w stosunkowo krótkim czasie wielu częściowo nakładających się na siebie warstw. Efekt nakładania bierze się stąd, że w stałym ruchu jest nie tylko lampa rentgenowska, ale także stół, na którym leży pacjent. Jeśli wykonamy 30 warstw o grubości 10 mm przy prędkości przesuwu stołu 10 mm/s, uzyskamy możliwość rekonstrukcji przekrojów ciała co 10 mm lub mniej, np. co 5 mm. Cienkie warstwy wskazane są, np. przy badaniu płuc, gdy chodzi o rozpoznanie niewielkich guzków miąższowych. Grubsze umożliwiają badania dłuższych odcinków ciała i rutynowo stosowane są do badania narządów jamy brzusznej.
Spiralna tomografia komputerowa znalazła szczególne zastosowanie w badaniach układu naczyniowego. Po dożylnym podaniu środków cieniujących wzrasta współczynnik pochłaniania promieni X przez krew. Jeśli komputer będzie rejestrował wyłącznie wartości charakteryzujące się odpowiednio wysokim współczynnikiem pochłaniania, wówczas możemy otrzymać obraz naczyń krwionośnych bez towarzyszącego im tła innych elementów anatomicznych, np. otaczających tkanek miękkich oraz kości. Technika ta ma istotne znaczenie w rozpoznawaniu miażdżycy i w ocenie stopnia zwężenia naczynia. Najczęściej bada się tętnice szyjne, aortę piersiową i brzuszną, tętnice płucne, trzewne i nerkowe, a także układ wrotny. Podejmuje się też próby badania naczyń w kończynach dolnych.
Po przetworzeniu danych możemy przedstawić badany obraz anatomiczny w postaci trójwymiarowej. Przestrzenna prezentacja wnętrza ciała ludzkiego ułatwia umiejscowienie i ocenę rozległości procesu chorobowego oraz ułatwia planowanie zabiegu operacyjnego, szczególnie w dziedzinie neurochirurgii, ortopedii i chirurgii naczyniowej. Wkrótce prawdopodobnie będzie możliwa kolorowa prezentacja szczegółów anatomicznych, która znajduje się obecnie w fazie doświadczalnej.
Przedstawiona technika ze względu na wysoką zdolność rozdzielczą kontrastową, czyli możliwość rejestrowania minimalnych różnic w pochłanianiu promieniowania po podaniu środka cieniującego, pozwala zmniejszyć inwazyjność badań naczyniowych. Zabiegi polegające na nakłuciu naczynia, cewnikowaniu tętnic i podaniu kontrastu są bezpieczniejsze i lepiej znoszone przez pacjentów. Wyniki badań natomiast okazują się bardziej dokładne, gdyż technika cyfrowa umożliwia obiektywne pomiary stopnia i długości zwężenia naczynia.
Obecna radiografia cyfrowa znajduje coraz szersze zastosowanie w rutynowych badaniach radiologicznych, np. układu kostnego i narządów klatki piersiowej. Błonę rentgenowską zastąpiono selenową folią pamięciową. W zależności od natężenia promieni rentgenowskich padających na folię dochodzi do przemian energetycznych w powłoce elektronowej pierwiastków, z jakich jest ona zbudowana. Powstaje w ten sposób - podobnie jak w emulsji światłoczułej błony fotograficznej - obraz utajony, którego odczyt możliwy jest za pomocą urządzeń laserowych. Impulsy powstające w czytniku laserowym, wprowadzane są do pamięci komputera. Podobnie jak w cyfrowej angiografii subtrakcyjnej i tomografii komputerowej, obraz może być następnie prezentowany na ekranie monitora lub na błonie rentgenowskiej.
Radiografia cyfrowa ma wiele zalet, przede wszystkim pacjent otrzymuje o 40-50% promieniowania jonizującego mniej. Wielokierunkowe przetwarzanie obrazu otwiera nowe możliwości praktyczne i poznawcze.
Trójwymiarowa prezentacja ciała ludzkiego pozwala dokładniej odwzorować budowę narządów, natomiast bardziej precyzyjne umiejscowienie ognisk patologicznych oraz dokładniejsza ocena ich rozległości ułatwiają planowanie leczenia operacyjnego. Powtarzalne pomiary struktur anatomicznych, a także zjawisk czynnościowych przyczyniają
Radiografia cyfrowa ma również swoje wady. Dotychczas, pomimo znacznego postępu w tej dziedzinie, jej zdolność rozdzielcza przestrzenna nie dorównuje obrazom rejestrowanym bezpośrednio na błonie rentgenowskiej. Elektroniczne urządzenia stosowane do rejestracji, przetwarzania, archiwizacji i przesyłania obrazów cyfrowych są w dalszym ciągu stosunkowo drogie. Niemniej przewiduje się, że przy końcu pierwszego dziesięciolecia XXI wieku większość pracowni i zakładów radiologicznych w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej, Japonii i w Europie posługiwać się będzie wyłącznie cyfrowymi systemami radiografii.

Na zakończenie chciałabym zaznaczyć, iż duże dawki promieniowania rentgenowskiego są szkodliwe dla zdrowia. Promienie X powodują przede wszystkim uszkodzenie szpiku kostnego, co prowadzi do niedokrwistości (anemii). Jednak przy współczesnym, nieustannym rozwoju techniki, skutki uboczne wykorzystania promieniowania w medycynie są stale redukowane. Dlatego pozwolę sobie na następujący wniosek: odkrycie promieni X to kolejny duży krok do przodu w historii ludzkości, który z pewnością pociągnął za sobą więcej dobrego niż złego.