Ιατρικές απεικονίσεις

Από την ακτινογραφία ως το σπινθηρογράφημα και από την υπερηχογραφία ως τη μαγνητική τομογραφία, οι γιατροί αξιοποιούν τις εξελίξεις της Φυσικής για να βλέπουν το εσωτερικό του σώματός μας «χωρίς να ανοίξει ρουθούνι»

ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ στο ΒΗΜΑ: 08/09/2013 05:45

Συσκευή ακτινογραφίας του 1896

Παραδοσιακά, από την Αρχαιότητα ως τα τέλη του 19ου αιώνα, οι γιατροί καλούνταν να διαγνώσουν την πάθηση ενός ασθενούς με βάση τα συμπτώματά του και την εξωτερική όψη του. Η κατάσταση αυτή άλλαξε το 1895, όταν ο Βίλχελμ Ρέντγκεν (Wilhelm Röntgen) ανακάλυψε τις ακτίνες Χ και διεπίστωσε την ιδιότητά τους να απεικονίζουν τα οστά. Από τότε οι μέθοδοι ιατρικής απεικόνισης έχουν εξελιχθεί σε καταπληκτικό βαθμό, έτσι ώστε σήμερα οι γιατροί μπορούν να έχουν στη διάθεσή τους μια πλήρη εικόνα των οργάνων και των οστών ενός ανθρώπου χωρίς την ανάγκη κάποιας επέμβασης. Το επίτευγμα αυτό βασίστηκε στις επιτυχημένες τεχνολογικές εφαρμογές κυμάτων και στοιχειωδών σωματιδίων, οι οποίες στηρίζονται σε βασικούς νόμους της Φυσικής.

Ακτινογραφία

Αν θέλουμε να παρατηρήσουμε το εσωτερικό του σώματός μας χωρίς να ανοίξουμε τομές, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε κάποιου είδους κύματα που διαπερνούν το δέρμα. Το πρώτο είδος κυμάτων που διαπιστώθηκε ότι έχει αυτή την ιδιότητα ήταν οι ακτίνες Χ. Η ιδιότητα των ακτίνων Χ να απεικονίζουν το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος οφείλεται στο ότι αυτές διαπερνούν σχεδόν ανεπηρέαστες τους μαλακούς ιστούς αλλά όχι τα οστά. Ετσι αν «φωτίσουμε» μια περιοχή του σώματός μας από τη μία πλευρά με ακτίνες Χ και τοποθετήσουμε ένα φωτογραφικό φιλμ προστατευμένο από το φως, από την άλλη, στο φιλμ θα αποτυπωθούν οι σκιές των οστών. Αυτή είναι η αρχή της ακτινογραφίας που ανακάλυψε ο Ρέντγκεν και για την οποία τιμήθηκε με το πρώτο βραβείο Νομπέλ Ιατρικής του 1901. Η ακτινογραφία, που ήταν σχεδόν το μοναδικό είδος ιατρικής απεικόνισης για περισσότερο από 80 χρόνια, απετέλεσε μια επανάσταση στην Ιατρική, είχε όμως και ορισμένα μειονεκτήματα. Το κυριότερο είναι ότι δίνει δισδιάστατες εικόνες, χωρίς «βάθος». Ετσι, όταν βλέπουμε τις σκιές δύο οστών σε μια ακτινογραφία, δεν μπορούμε να διακρίνουμε ποιο από τα δύο οστά βρίσκεται «μπροστά» από το άλλο. Το μειονέκτημα αυτό αντιμετωπίζεται εν μέρει με τη λήψη ακτινογραφιών της ίδιας περιοχής του σώματος υπό διαφορετικές γωνίες, π.χ. σε δύο διευθύνσεις που σχηματίζουν γωνία 90 μοιρών (ανφάς και προφίλ), αλλά σίγουρα δεν εξαλείφεται. Ετσι έπρεπε να περιμένουμε τη ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών για την επόμενη επανάσταση στην ιατρική απεικόνιση, που ήταν η αξονική τομογραφία. Αυτό το είδος απεικόνισης εφευρέθηκε από τον άγγλο ηλεκτρολόγο μηχανικό Γκόντφρεϊ Χάουνσφιλντ (Godfrey Hounsfield) το 1971.

Αξονική τομογραφία

Η τομογραφία, όπως το λέει και η λέξη, είναι η λήψη εικόνων διαδοχικών τομών ενός στερεού και η ανασύνθεση, από αυτές τις τομές, της τρισδιάστατης εικόνας του. Η τομογραφία ακτίνων Χ είχε εμφανιστεί σε εμβρυακή μορφή ήδη από τα τέλη της δεκαετίας του 1930, στηριγμένη στη διαδοχική λήψη ακτινογραφιών ενός μέρους του σώματος με ταυτόχρονη αντιπαράλληλη κίνηση της λυχνίας ακτίνων Χ και του φιλμ. Με τον τρόπο αυτόν απεικονίζονταν καθαρά μόνο τα σημεία του επιπέδου που παρέμεναν σταθερά στο μέσον της διαδρομής των ακτίνων, ενώ όλα τα υπόλοιπα σημεία εμφανίζονταν «θολά». Σαράντα χρόνια αργότερα ο Γκόντφρεϊ Χάουνσφιλντ χρησιμοποίησε μια κάπως διαφορετική διάταξη. Τοποθέτησε τη λυχνία των ακτίνων Χ και τον αντίστοιχο αισθητήρα των ακτίνων σε αντιδιαμετρικές θέσεις στην περιφέρεια ενός κύκλου, στο κέντρο του οποίου βρίσκεται το μέρος του σώματος που πρόκειται να απεικονισθεί. Ο αισθητήρας δεν είναι φωτογραφικό φιλμ αλλά κάποια ηλεκτρονική συσκευή η οποία καταγράφει τα φωτόνια των ακτίνων Χ λίγο – πολύ όπως λειτουργούν οι αισθητήρες των σύγχρονων ηλεκτρονικών φωτογραφικών μηχανών. Στη συνέχεια οι ηλεκτρονικά καταγεγραμμένες διαδοχικές εικόνες εισάγονται ως δεδομένα σε έναν κατάλληλα προγραμματισμένο ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος ανασυνθέτει την τρισδιάστατη δομή τής υπό απεικόνιση περιοχής. Για την εφεύρεσή του αυτή ο Γκόντφρεϊ Χάουνσφιλντ τιμήθηκε με το βραβείο Νομπέλ Ιατρικής του 1979.

Μαγνητική τομογραφία

Σύγχρονος μαγνητικός τομογράφος. Ο τεράστιος κύλινδρος είναι ο ηλεκτρομαγνήτης στον οποίο τοποθετείται το προς απεικόνιση μέρος του σώματος

Η αξονική τομογραφία, παρ’ όλη τη δεύτερη επανάσταση που έφερε στην ιατρική απεικόνιση, έχει και αυτή τα μειονεκτήματά της. Το κυριότερο είναι ότι δεν δίνει καλές εικόνες των μαλακών ιστών του σώματος, όπως είναι οι μύες και τα διάφορα όργανα (πνεύμονες, καρδιά, νεφροί κ.λπ.). Αυτό το μειονέκτημα αντιμετωπίζεται εν μέρει με τη χορήγηση στους εξεταζόμενους σκιαστικών ουσιών, οι οποίες απορροφώνται από το όργανο που θέλουμε να απεικονίσουμε και δημιουργούν μια σκιά του οργάνου. Σύντομα όμως βρέθηκε ένα άλλο είδος απεικόνισης, που «ειδικεύεται» στους μαλακούς ιστούς, η μαγνητική τομογραφία. Σε αυτό το είδος απεικόνισης εκμεταλλευόμαστε το φαινόμενο του μαγνητικού συντονισμού μεταξύ ατόμων του υδρογόνου, που βρίσκονται σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο, και ενός ραδιοκύματος. Επειδή κάθε μόριο νερού αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου, η μέθοδος αυτή είναι ιδανική για την απεικόνιση των μαλακών ιστών του σώματος, οι οποίοι αποτελούνται κατά μεγάλο ποσοστό από νερό. Ο εξεταζόμενος τοποθετείται μέσα σε έναν ηλεκτρομαγνήτη με ισχυρό μαγνητικό πεδίο και «ακτινοβολείται» διαδοχικά με ραδιοκύματα διαφορετικών συχνοτήτων. Τα άτομα του υδρογόνου που βρίσκονται σε διάφορους ιστούς απορροφούν ραδιοκύματα ελαφρά διαφορετικών συχνοτήτων, τα οποία επανεκπέμπουν όταν σταματήσει η ακτινοβόλησή τους. Τα επανεκπεμπόμενα ραδιοκύματα καταγράφονται από αισθητήρες και χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την ανασύνθεση μιας τρισδιάστατης εικόνας της απεικονιζόμενης περιοχής.

Σπινθηρογραφήματα

Μια εντελώς διαφορετική μέθοδος ιατρικής απεικόνισης είναι το σπινθηρογράφημα, δηλαδή η καταγραφή των ακτίνων γ που εκπέμπουν διάφορα ραδιενεργά υλικά, τα οποία χορηγούνται στον εξεταζόμενο και συγκεντρώνονται στο όργανο που θέλουμε να απεικονίσουμε. Για παράδειγμα, το ραδιενεργό θάλλιο συγκεντρώνεται στην καρδιά, το ιώδιο στον θυρεοειδή αδένα κ.λπ. Η καταγραφή της ακτινοβολίας γ γίνεται από έναν ανιχνευτή, ο οποίος μπορεί να είναι ακίνητος ή και να περιφέρεται γύρω από τον εξεταζόμενο. Στη δεύτερη περίπτωση μπορούμε να πάρουμε τρισδιάστατες εικόνες με επεξεργασία των καταγραφών από ηλεκτρονικό υπολογιστή, ανάλογες με αυτές της αξονικής και μαγνητικής τομογραφίας. Μια ειδική περίπτωση σπινθηρογραφήματος μεγάλης διακριτικής ικανότητας είναι η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (positron emission tomography, PET), κατά την οποία εκμεταλλευόμαστε την εκπομπή ποζιτρονίων από ραδιενεργά υλικά που έχουν χορηγηθεί στον εξεταζόμενο. Από τη Φυσική γνωρίζουμε ότι τα ποζιτρόνια εξαϋλώνονται όταν συναντήσουν ένα ηλεκτρόνιο, παράγοντας δύο ακτίνες γ σε ακριβώς αντιδιαμετρικές κατευθύνσεις. Δύο ανιχνευτές ακτίνων γ περιστρέφονται γύρω από την περιοχή που θέλουμε να απεικονίσουμε, καταγράφοντας μόνο φωτόνια ακτίνων γ που ακολουθούν αντίθετες διαδρομές. Η επεξεργασία της καταγραφής αυτών των φωτονίων δίνει τρισδιάστατες εικόνες πολύ καλύτερης διακριτικής ικανότητας από αυτήν ενός απλού σπινθηρογραφήματος.

Υπερηχογράφημα

Ολες οι παραπάνω μέθοδοι ιατρικής απεικόνισης βασίζονται στην καταγραφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, είτε αυτή είναι ραδιοκύματα είτε ακτίνες Χ είτε ακτίνες γ. Στην ιατρική απεικόνιση όμως χρησιμοποιούνται και κύματα υπερήχων, δηλαδή ήχων μεγάλης συχνότητας, πολύ μεγαλύτερης από αυτήν που μπορούμε να ακούσουμε. Τα κύματα αυτά ανακλώνται από τα διάφορα όργανα στο εσωτερικό του σώματός μας, οι ανακλάσεις ανιχνεύονται από ένα ευαίσθητο ακουστικό και στη συνέχεια προβάλλονται σε μια οθόνη. Οι εικόνες που λαμβάνουμε έτσι δεν έχουν μεγάλη ευκρίνεια, αλλά η μέθοδος είναι απλή, γρήγορη και ακίνδυνη και, το κυριότερο, καταγράφει τις κινήσεις των οργάνων καθώς και την ταχύτητά τους. Ετσι όχι μόνο μπορούμε να διαπιστώσουμε την ύπαρξη οποιασδήποτε ανωμαλίας, αλλά μπορούμε ακόμη και να εξετάσουμε την κινητική λειτουργία ενός οργάνου, π.χ. της καρδιάς, μετρώντας ταυτόχρονα και το ποσό αίματος που εξωθεί σε κάθε παλμό της.

Ο Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.