Az elmúlt évtizedben paradigmaváltás zajlott le az orvosi képalkotásban. Új szemléletmód fejlődött ki, amely a funkcionális képalkotás szerepét hangsúlyozza az anatómiai struktúra puszta ábrázolásával szemben. Az élettani folyamatok megjelenítését célzó törekvések mára már több, elterjedten használt diagnosztikus képalkotási módszer kidolgozásához vezettek, mint például a pozitronemissziós tomográfia (PET), a fotonemissziós számított tomográfia (SPECT) vagy a funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (fMRI). Meglepő módon, a radiológia legrégebbi és még mindmáig leggyakrabban használt módszere, a röntgenképalkotás, Conrad Röntgen óta az anatómiai pillanatképek varázsában él. Az alapvetően mozgó és élő szervezetet röntgen-pillanatfelvételek alapján próbálja megérteni és morfológiai elváltozásait detektálni.

Az elmúlt években a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében egy új röntgenképalkotó módszert fejlesztettünk ki, amely alapvetően más szemlélettel igyekszik új utakat nyitni a funkcionális képalkotásban. A szabadalmaztatás alatt álló eljárás a jelenleg is használt képalkotó rendszerek módosításával képes az élő szervezetek élettani folyamatairól árulkodó belső mozgásokat megjeleníteni.

A röntgenradiográfia röntgensugarakat használ a rejtett anatómiai részletek megjelenítéséhez. A kép készítéséhez a pácienst röntgensugarakkal világítják át, és a páciens testén átmenő sugarak által kirajzolt árnyékképet rögzítik. Az árnyékkép megmutatja, miként oszlik meg a páciensen belül a röntgenelnyelő-képesség, más néven röntgendenzitás, kirajzolva az anatómiai részleteket. A kép felvétele közben történő mozgások a képen elmosódást eredményeznek, amelyet mozgási műterméknek neveztek el. A Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében kifejlesztett technika alapgondolata az, hogy a „mozgási műtermék” valójában nem egy nem kívánt zavar, hanem olyan jel, amely hasznos információt tartalmaz a páciensen belüli mozgásokról, amelyet érdemes kinyerni és a diagnózis szolgálatába állítani.

A röntgenkép rögzítéséhez fotografikus filmet vagy elektronikus röntgendetektort exponálnak a helyes expozícióhoz szükséges ideig. Az elektronikus detektorok lehetővé teszik a képek digitális tárolását és számítógépes feldolgozását, ezért egyre inkább kiszorítják a fotografikus film használatát.

A röntgenképalkotás nagy kihívása, hogy a páciens egészségének minél kisebb kockáztatásával – vagyis minél kisebb röntgendózis mellett – tudjunk jó minőségű, kontrasztos diagnosztikus képeket készíteni. A lágy szövetek közötti alacsony kontraszt erősítése érdekében gyakran szükségessé válik kontrasztanyagok használata. Ezek olyan anyagok, amelyek a szervezetbe juttatva a környezetüktől eltérő röntgenelnyeléssel lehetővé teszik eddig nem felismerhető anatómiai részletek vizualizációját. A kontrasztanyagként használt kemikáliák azonban károsíthatják a vesét és a májat, valamint nem kívánt élettani folyamatokat indíthatnak el (például allergiás reakció), ezáltal növelve a vizsgálat kockázatát.

Bizonyos helyzetekben a mozgásból adódó műtermék csökkentésére és a szív, illetve a tüdő mozgásának ábrázolására a röntgen-minta-vételezést az EKG-vel vagy a légzéssel szinkronizálják. Ily módon egy állóképekből álló moziszerű sorozatot lehet nyerni arról a mozgásról, amellyel a mintavételezést szinkronizálták. A méréssel nem szinkronizált mozgások mozgási műtermékként jelentkeznek a képben, rontva a kép minőségét. A módszer hátránya, hogy a képsorozat elkészítése lényegesen megnövekedett röntgendózist igényel. A Semmelweis Egyetemen kifejlesztett új vizsgálati módszer – a kapuzott szív- és légzési felvételektől eltérően – a gyors és aperiodikus mozgások érzékelésére is alkalmazható, és a kapuzásos módszernél lényegesen kisebb röntgendózissal és ebből eredően kisebb kockázattal jár.

A Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében kidolgozott technika alkalmazását a digitális detektorok egyre nagyobb mértékű elterjedése teszi lehetővé. Az eljárás lényege, hogy egyetlen helyesen exponált kép felvétele helyett sok erősen alulexponált képet készítünk. Az alulexponált képek összes expozíciója épp ugyanannyi, mint egy helyesen exponált képé. Ez azt jelenti, hogy a sok alulexponált kép felvételéhez épp akkora röntgendózis szükséges, mint egyébként egy hagyományos röntgenkép készítéséhez. Az alulexponált képek egyenként használhatatlanok, de a sok képet együttesen statisztikus módszerekkel kiértékelve értékes információt nyerhetünk.

Az alulexponált képsorozat minden egyes képpontra kirajzolja a detektált röntgenfotonszámok eloszlását. Ez az eloszlás a detektorzajnak, a sugárzási részecske természetéből adódó Poisson-zajnak és a mozgások következtében előálló röntgendenzitás-változások egymásra tevődéséből adódik. A mért fotonszámeloszlás lehetővé teszi, hogy információt kapjunk a röntgendenzitás páciensbeli változásainak eloszlásáról, amiből mi egyszerre négy képet számolunk ki.

Az előállított képek közül a legérdekesebb az új – általunk dinamikusnak hívott – kép, amely a lokális mozgásokat ábrázolja a vizsgált testben. Az újfajta

képpel a funkcióról árulkodó olyan információ jut a diagnózist végző orvos birtokába, ami eddig nem volt elérhető. A dinamikus kép és a hagyományos kép kontrasztviszonyai gyökeresen eltérnek. A kép mozgásalapú kontrasztja lehetővé teszi a mozgó szervek és szövetek (például vér, szív, tüdő) kontrasztanyag nélküli vizsgálatát.

A második kép, amelyet az eljárás segítségével megkapunk, az úgynevezett statikus kép, amely az álló struktúrákat ábrázolja hasonlóan a már jól ismert hagyományos képhez. Ez a kép azonban a hagyományos módszerrel készült kép javított változata, amelyet a páciensen belüli mozgások kevésbé zavarnak.

A további két kép az eddig említett képek mérési hibájára ad a jelenleg elérhető módszereknél tökéletesebb becslést. A hagyományosan használt becslések a detektált röntgenfotonszámok eloszlására tett előzetes feltevésekből indulnak ki. Az általunk kidolgozott új módszer a mérés hibáját a mért képsokaságból minden előfeltevés nélkül számolja ki. A jobb hibabecslés pontosabb zajszűrést és hatékonyabb digitális képfeldolgozást enged meg, ami jobb képminőséget és a pácienst érő röntgendózis eredményesebb optimalizációját teszi lehetővé.

Az 1. ábra egy elemes ébresztőóra belső szerkezetét mutatja az új technikával készült röntgenfelvételen. Az 1a. ábra a statikus képet ábrázolja. A hagyományos röntgenképhez hasonló felvételen jól láthatóak az óra elektromos áramkörei és a mutatókat mozgató mechanika. Az 1b. ábra a dinamikus képet tárja elénk. Ezen eltűnnek a statikus részek, és a gyorsabban vagy lassabban mozgó részek eltérő kontraszttal ábrázolódnak. A legélénkebben látszó kis kör a másodpercmutatót mozgató tengely. A dinamikus kép egy részletét kinagyítottuk, és újraablakoztuk (1c. ábra). Jól felismerhetően kiábrázolódnak a percmutatót és az óramutatót mozgató fogaskerekek is, ami a módszer nagy dinamikus tartományát érzékelteti: a másodpercmutatót mozgató tengely 3600-szor gyorsabban forog, mint az óramutatót mozgató fogaskerék.

A 2. ábra egy afrikai karmosbékáról (Xenopus laevis) készült az új képalkotási módszert alkalmazva. A 2a. ábra a statikus kép, amelyen a béka fejének, vállának és gerincének csontjai látszanak. A többi szerv nem ismerhető fel a béka igen rossz lágyszöveti kontrasztja miatt. A 2b. ábra a dinamikus képet mutatja. Ezen jól megfigyelhetőek a tüdő léghólyagocskái, a szívbillentyűk, az aorta, valamint a nyelv hátsó része, ami szintén mozog a légzés során. A mozgásra érzékeny kontraszt elegendő a különböző mozgó szervek ábrázolására, nincs szükség kontrasztanyagok alkalmazására.

Az elmúlt évtizedben a diagnosztikai képalkotó módszerek fejlesztésének egyik fő célja a vizsgált páciens kockázatának jelentős csökkentése és a hatékonyabb diagnosztikai eszközök kidolgozása volt. A röntgensugárzáson alapuló módszerek nagy hátránya a páciensben elnyelődő ionizáló sugárzással járó kockázat. További problémát jelent a képalkotásban használt kontrasztanyagoknak a vesére és májra gyakorolt esetleges károsító hatása. A Semmelweis Egyetemen kifejlesztett módszer ezeket a negatív hatásokat segíthet kiküszöbölni.

A technika egyaránt felhasználható a fentebb mutatott 2D-alkalmazásokban és a tomográfiás 3D-eljárásokban. A klinikai felhasználáson túl az új technológiát hasznosítani lehet minden olyan képalkotó eljárásban is, ahol átvilágító sugárzást használunk képalkotásra. A találmány alkalmas motorok, forgó alkatrészek, áramlások feltérképezésére és működés közbeni vizsgálatára. Ugyancsak használható repülőtéri biztonsági kapukban, vagy a szállítmányokkal együtt utazó nem kívánatos kártevők detektálására a tengeri vagy szárazföldi határállomásokon.

A fejlesztés eddig elsődlegesen az orvosi alkalmazásokra koncentrált. A mindennapi orvosi gyakorlatba ültetésig azonban természetesen még szükséges az új módszer és az általa adott újfajta képi információ diagnosztikai hatékonyságának bizonyítása a különböző klinikai szakterületeken. Az új módszer hasznosulását várva derűlátóak lehetünk, mert az orvoslás története azt mutatja, hogy az orvosok a lehető legrövidebb időn belül igyekeznek minden új eszközt az eredményes gyógyítás érdekében felhasználni. Remélhetőleg a közeli jövőben sikerül az eddig kidolgozott technológiai alapokra olyan rutineljárásokat építeni, amelyek a betegségek hatékonyabb diagnosztizálását segítik. Bízunk benne, hogy a kifejlesztett módszer széles körű elterjedése jelentősen javítja majd a röntgenalapú diagnosztikai eljárások hatékonyságát és biztonságosságát.
 

Kulcsszavak: számítógépes tomográfia, multimodális képalkotás, biológiai mikromozgások
 

IRODALOM

Osváth Szabolcs – Szigeti Krisztián: New Dynamic Imaging Modality Using Penetrating Radiations. Patent ID: WO 2012/001496 Year of submission: 2011. Reference number of submission: PCT/IB/2011/ 001522. Publication year: 2012 Submitted to: Switzerland