едицинская визуализация

W 1896 r. Wilhelm Roentgen odkrył zdjęcia rentgenowskie, a w 1900 r. pierwsze zdjęcie rentgenowskie klatki piersiowej. Potem przychodzi lampa rentgenowska. A jak to wygląda dzisiaj. Dowiesz się w poniższym artykule.

1806 Philippe Bozzini opracowuje endoskop w Moguncji, publikując z tej okazji „Der Lichtleiter” – podręcznik do badania zakamarków ludzkiego ciała. Pierwszym, który użył tego urządzenia w udanej operacji, był Francuz Antonin Jean Desormeaux. Przed wynalezieniem elektryczności do badania pęcherza moczowego, macicy i okrężnicy oraz jamy nosowej używano zewnętrznych źródeł światła.

1. Pierwsze zdjęcie rentgenowskie - ręka żony Roentgena

1896 Wilhelm Roentgen odkrywa promienie rentgenowskie i ich zdolność do przenikania ciał stałych. Pierwszymi specjalistami, którym pokazał swoje „rentgenogramy”, nie byli lekarze, ale koledzy Roentgena – fizycy (1). Potencjał kliniczny tego wynalazku został doceniony kilka tygodni później, kiedy w czasopiśmie medycznym opublikowano zdjęcie rentgenowskie odłamka szkła w palcu czteroletniego dziecka. W ciągu następnych kilku lat komercjalizacja i masowa produkcja lamp rentgenowskich rozpowszechniły nową technologię na całym świecie.

1900 Pierwsze prześwietlenie klatki piersiowej. Powszechne stosowanie prześwietleń klatki piersiowej umożliwiło wykrycie we wczesnym stadium gruźlicy, która w tamtych czasach była jedną z najczęstszych przyczyn zgonów.

1906-1912 Pierwsze próby zastosowania środków kontrastowych do lepszego badania narządów i naczyń.

1913 Powstaje prawdziwa lampa rentgenowska, zwana lampą próżniową z gorącą katodą, która wykorzystuje wydajne kontrolowane źródło elektronów ze względu na zjawisko emisji termicznej. Otworzył nową erę w medycznej i przemysłowej praktyce radiologicznej. Jej twórcą był amerykański wynalazca William D. Coolidge (2), popularnie nazywany „ojcem lampy rentgenowskiej”. Wraz z ruchomą siatką stworzoną przez chicagowskiego radiologa Hollisa Pottera lampa Coolidge sprawiła, że ​​radiografia stała się nieocenionym narzędziem dla lekarzy podczas I wojny światowej.

1916 Nie wszystkie radiogramy były łatwe do odczytania - czasami tkanki lub przedmioty zasłaniały to, co było badane. Dlatego francuski dermatolog André Bocage opracował metodę emitowania promieni rentgenowskich pod różnymi kątami, która eliminowała takie trudności. Jego .

1919 Pojawia się pneumoencefalografia, która jest inwazyjną procedurą diagnostyczną ośrodkowego układu nerwowego. Polegała ona na zastąpieniu części płynu mózgowo-rdzeniowego powietrzem, tlenem lub helem, wprowadzonym przez nakłucie do kanału kręgowego i wykonaniu prześwietlenia głowy. Gazy były dobrze skontrastowane z układem komorowym mózgu, co umożliwiło uzyskanie obrazu komór. Metoda była szeroko stosowana w połowie XX wieku, ale została prawie całkowicie zarzucona w latach 80., ponieważ badanie było niezwykle bolesne dla pacjenta i wiązało się z poważnym ryzykiem powikłań.

30 i 40 W medycynie fizykalnej i rehabilitacji energia fal ultradźwiękowych zaczyna być szeroko wykorzystywana. Rosjanin Sergey Sokolov eksperymentuje z wykorzystaniem ultradźwięków, aby znaleźć defekty metalu. W 1939 używał częstotliwości 3 GHz, co jednak nie zapewnia zadowalającej rozdzielczości obrazu. W 1940 roku Heinrich Gohr i Thomas Wedekind z Uniwersytetu Medycznego w Kolonii w Niemczech przedstawili w swoim artykule „Der Ultraschall in der Medizin” możliwość diagnostyki ultrasonograficznej opartej na technikach echo-odruchowych podobnych do tych stosowanych w wykrywaniu wad metalu. .

Autorzy postawili hipotezę, że ta metoda pozwoliłaby na wykrycie guzów, wysięków lub ropni. Nie mogli jednak opublikować przekonujących wyników swoich eksperymentów. Znane są również ultradźwiękowe eksperymenty medyczne Austriaka Karla T. Dussika, neurologa z Uniwersytetu Wiedeńskiego w Austrii, rozpoczęte pod koniec lat 30-tych.

1937 Polski matematyk Stefan Kaczmarz formułuje w swojej pracy „Technika rekonstrukcji algebraicznej” teoretyczne podstawy metody rekonstrukcji algebraicznej, która została następnie zastosowana w tomografii komputerowej i przetwarzaniu sygnałów cyfrowych.

40. Wprowadzenie obrazu tomograficznego za pomocą lampy rentgenowskiej obracanej wokół ciała pacjenta lub poszczególnych narządów. Umożliwiło to zobaczenie szczegółów anatomii i zmian patologicznych w przekrojach.

1946 Amerykańscy fizycy Edward Purcell i Felix Bloch niezależnie wynaleźli magnetyczny rezonans jądrowy NMR (3). Otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za „opracowanie nowych metod precyzyjnych pomiarów i związanych z nimi odkryć w dziedzinie magnetyzmu jądrowego”.

3. Zestaw sprzętu NMR

1950 wznosi się skaner prostoliniowy, opracowany przez Benedicta Cassina. Urządzenie w tej wersji było używane do wczesnych lat 70. z różnymi farmaceutykami na bazie radioaktywnych izotopów do obrazowania narządów w całym ciele.

1953 Gordon Brownell z Massachusetts Institute of Technology tworzy urządzenie będące prekursorem nowoczesnej kamery PET. Z jej pomocą wraz z neurochirurgiem Williamem H. Sweetem udaje mu się zdiagnozować guzy mózgu.

1955 Opracowywane są dynamiczne wzmacniacze obrazu rentgenowskiego, które umożliwiają uzyskanie obrazów rentgenowskich ruchomych obrazów tkanek i narządów. Te zdjęcia rentgenowskie dostarczyły nowych informacji na temat funkcji organizmu, takich jak bijące serce i układ krążenia.

1955-1958 Szkocki lekarz Ian Donald zaczyna szeroko wykorzystywać badania ultrasonograficzne do diagnostyki medycznej. Jest ginekologiem. Jego artykuł „Investigation of Abdominal Mass with Pulsed Ultrasound”, opublikowany 7 czerwca 1958 w czasopiśmie medycznym The Lancet, określił zastosowanie technologii ultradźwiękowej i położył podwaliny pod diagnostykę prenatalną (4).

1957 Powstaje pierwszy endoskop światłowodowy - gastroenterolog Basili Hirshowitz i jego koledzy z University of Michigan opatentowali światłowód, półelastyczny gastroskop.

1958 Hal Oscar Anger prezentuje na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Medycyny Nuklearnej komorę scyntylacyjną, która pozwala na dynamiczną obrazowanie narządów ludzkich. Urządzenie wchodzi na rynek po dekadzie.

1963 Świeżo wybity dr David Kuhl wraz ze swoim przyjacielem inżynierem Royem Edwardsem prezentują światu pierwszą wspólną pracę, efekt kilkuletnich przygotowań: pierwszą na świecie aparaturę do tzw. tomografia emisyjnaktórą nazywają Mark II. W kolejnych latach powstawały dokładniejsze teorie i modele matematyczne, prowadzono liczne badania i budowano coraz bardziej zaawansowane maszyny. Wreszcie, w 1976 roku, John Keyes tworzy pierwszą maszynę SPECT – tomografię emisyjną pojedynczych fotonów – opartą na doświadczeniach Coola i Edwardsa.

1967-1971 Wykorzystując metodę algebraiczną Stefana Kaczmarza, angielski inżynier elektryk Godfrey Hounsfield tworzy teoretyczne podstawy tomografii komputerowej. W kolejnych latach konstruuje pierwszy działający skaner EMI CT (5), na którym w 1971 roku w Atkinson Morley Hospital w Wimbledonie przeprowadza się pierwsze badanie osoby. Urządzenie zostało wprowadzone do produkcji w 1973 roku. W 1979 roku Hounsfield wraz z amerykańskim fizykiem Allanem M. Cormackiem otrzymali Nagrodę Nobla za wkład w rozwój tomografii komputerowej.

5. Skaner EMI

1973 Amerykański chemik Paul Lauterbur (6) odkrył, że wprowadzając gradienty pola magnetycznego przechodzącego przez daną substancję, można przeanalizować i poznać skład tej substancji. Naukowiec wykorzystuje tę technikę do stworzenia obrazu, który rozróżnia wodę normalną i ciężką. Na podstawie swojej pracy angielski fizyk Peter Mansfield buduje własną teorię i pokazuje, jak szybko i dokładnie wykonać obraz wewnętrznej struktury.

Efektem pracy obu naukowców było nieinwazyjne badanie medyczne, znane jako rezonans magnetyczny lub MRI. W 1977 roku urządzenie do rezonansu magnetycznego, opracowane przez amerykańskich lekarzy Raymonda Damadiana, Larry'ego Minkoffa i Michaela Goldsmitha, zostało użyte po raz pierwszy w badaniach na ludziach. Lauterbur i Mansfield otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w 2003 roku w dziedzinie fizjologii lub medycyny.

1974 Amerykanin Michael Phelps opracowuje aparat do pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Pierwszy komercyjny skaner PET powstał dzięki pracy Phelpsa i Michela Ter-Poghosyana, którzy kierowali rozwojem systemu w EG&G ORTEC. Skaner został zainstalowany na UCLA w 1974 roku. Ponieważ komórki rakowe metabolizują glukozę dziesięć razy szybciej niż normalne komórki, nowotwory złośliwe pojawiają się jako jasne plamy na skanie PET (7).

1976 Chirurg Andreas Grünzig prezentuje angioplastykę naczyń wieńcowych w Szpitalu Uniwersyteckim w Zurychu w Szwajcarii. Ta metoda wykorzystuje fluoroskopię do leczenia zwężenia naczyń krwionośnych.

1978 wznosi się radiografia cyfrowa. Po raz pierwszy obraz z systemu rentgenowskiego jest konwertowany na plik cyfrowy, który można następnie przetworzyć w celu uzyskania dokładniejszej diagnozy i zapisać cyfrowo do przyszłych badań i analiz.

80. Douglas Boyd przedstawia metodę tomografii wiązką elektronów. Skanery EBT wykorzystywały sterowaną magnetycznie wiązkę elektronów do stworzenia pierścienia promieni rentgenowskich.

1984 Pojawia się pierwsze obrazowanie 3D z wykorzystaniem komputerów cyfrowych i danych CT lub MRI, w wyniku czego powstają trójwymiarowe obrazy kości i narządów.

1989 Wchodzi do użycia spiralna tomografia komputerowa (spiralna tomografia komputerowa). Jest to test, który łączy ciągły ruch obrotowy układu lampy-detektora i ruch stołu po badanej powierzchni (8). Istotną zaletą tomografii spiralnej jest skrócenie czasu badania (pozwala na uzyskanie obrazu kilkudziesięciu warstw w jednym skanie trwającym kilka sekund), zbieranie odczytów z całego tomu, łącznie z warstwami narządu, co pomiędzy skanami z tradycyjnym tomografem komputerowym, a także optymalną transformacją skanu dzięki nowemu oprogramowaniu. Pionierem nowej metody był dyrektor ds. badań i rozwoju firmy Siemens dr Willy A. Kalender. Inni producenci wkrótce poszli w ślady Siemensa.

8. Schemat spiralnej tomografii komputerowej

1993 Opracuj technikę obrazowania echoplanarnego (EPI), która umożliwi systemom MRI wykrywanie ostrego udaru we wczesnym stadium. EPI zapewnia również funkcjonalne obrazowanie, na przykład, aktywności mózgu, umożliwiając klinicystom badanie funkcji różnych części mózgu.

1998 tzw. badania multimodalne PET wraz z tomografią komputerową. Dokonał tego dr David W. Townsend z Uniwersytetu w Pittsburghu wraz z Ronem Nuttem, specjalistą od systemów PET. Stworzyło to ogromne możliwości obrazowania metabolicznego i anatomicznego pacjentów z rakiem. Pierwszy prototyp skanera PET/CT, zaprojektowany i zbudowany przez CTI PET Systems w Knoxville w stanie Tennessee, został uruchomiony w 1998 roku.

2018 MARS Bioimaging wprowadza technikę color i Obrazowanie medyczne XNUMXD (9), który zamiast czarno-białych fotografii wnętrza ciała oferuje zupełnie nową jakość w medycynie - kolorowe obrazy.

Nowy typ skanera wykorzystuje technologię Medipix, opracowaną po raz pierwszy dla naukowców z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), do śledzenia cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów za pomocą algorytmów komputerowych. Zamiast rejestrować promienie rentgenowskie, gdy przechodzą przez tkanki i jak są wchłaniane, skaner określa dokładny poziom energii promieni rentgenowskich, gdy uderzają one w różne części ciała. Następnie konwertuje wyniki na różne kolory, aby dopasować je do kości, mięśni i innych tkanek.

9. Kolorowy odcinek nadgarstka wykonany w technologii MARS Bioimaging.

Klasyfikacja obrazowania medycznego

1. Rentgen (prześwietlenie) jest to zdjęcie rentgenowskie ciała z projekcją promieni rentgenowskich na kliszę lub detektor. Tkanki miękkie są wizualizowane po wstrzyknięciu kontrastu. Metoda stosowana głównie w diagnostyce układu kostnego charakteryzuje się małą dokładnością i małym kontrastem. Ponadto promieniowanie ma negatywny wpływ - 99% dawki jest wchłaniane przez organizm testowy.

2. tomografia (gr. – przekrój) – zbiorcza nazwa metod diagnostycznych, polegających na uzyskaniu obrazu przekroju ciała lub jego części. Metody tomograficzne dzielą się na kilka grup:

• UZI (UZI) to nieinwazyjna metoda wykorzystująca falowe zjawiska dźwięku na granicach różnych ośrodków. Wykorzystuje przetworniki ultradźwiękowe (2-5 MHz) i piezoelektryczne. Obraz porusza się w czasie rzeczywistym;
• tomografia komputerowa (CT) używa sterowanych komputerowo promieni rentgenowskich do tworzenia obrazów ciała. Zastosowanie promieni rentgenowskich zbliża tomografię komputerową do promieni rentgenowskich, ale prześwietlenia rentgenowskie i tomografia komputerowa dostarczają innych informacji. Prawdą jest, że doświadczony radiolog może również wywnioskować trójwymiarową lokalizację, na przykład, guza na podstawie zdjęcia rentgenowskiego, ale promienie rentgenowskie, w przeciwieństwie do tomografii komputerowej, są z natury dwuwymiarowe;
• rezonans magnetyczny (MRI) - ten rodzaj tomografii wykorzystuje fale radiowe do badania pacjentów umieszczonych w silnym polu magnetycznym. Powstały obraz bazuje na falach radiowych emitowanych przez badane tkanki, które w zależności od środowiska chemicznego generują mniej lub bardziej intensywne sygnały. Obraz ciała pacjenta można zapisać jako dane komputerowe. MRI, podobnie jak tomografia komputerowa, daje obrazy XNUMXD i XNUMXD, ale czasami jest znacznie bardziej czułą metodą, szczególnie do rozróżniania tkanek miękkich;
• pozytonowa tomografia emisyjna (PET) - rejestracja obrazów komputerowych zmian metabolizmu cukrów zachodzących w tkankach. Pacjentowi wstrzykuje się substancję będącą połączeniem cukru i cukru znakowanego izotopowo. Ta ostatnia umożliwia zlokalizowanie nowotworu, ponieważ komórki nowotworowe pochłaniają cząsteczki cukru wydajniej niż inne tkanki w organizmie. Po spożyciu radioaktywnie znakowanego cukru pacjent kładzie się na ok.
• 60 minut, podczas gdy oznaczony cukier krąży w jego organizmie. Jeśli w organizmie jest guz, cukier musi się w nim sprawnie gromadzić. Następnie pacjent ułożony na stole jest stopniowo wprowadzany do skanera PET - 6-7 razy w ciągu 45-60 minut. Skaner PET służy do określenia rozmieszczenia cukru w ​​tkankach organizmu. Dzięki analizie tomografii komputerowej i PET można lepiej opisać ewentualny nowotwór. Przetworzony komputerowo obraz jest analizowany przez radiologa. PET może wykryć nieprawidłowości nawet wtedy, gdy inne metody wskazują na normalny charakter tkanki. Pozwala także diagnozować nawroty raka i określać skuteczność leczenia – w miarę zmniejszania się guza jego komórki metabolizują coraz mniej cukru;
• Tomografia emisyjna pojedynczych fotonów (SPECT) – technika tomograficzna z zakresu medycyny nuklearnej. Za pomocą promieniowania gamma pozwala na stworzenie przestrzennego obrazu aktywności biologicznej dowolnej części ciała pacjenta. Metoda ta pozwala na wizualizację przepływu krwi i metabolizmu w danym obszarze. Wykorzystuje radiofarmaceutyki. Są to związki chemiczne składające się z dwóch pierwiastków – znacznika, który jest izotopem promieniotwórczym oraz nośnika, który może osadzać się w tkankach i narządach oraz pokonywać barierę krew-mózg. Nośniki często mają właściwość selektywnego wiązania się z przeciwciałami komórek nowotworowych. Osadzają się w ilościach proporcjonalnych do metabolizmu; 
• optyczna tomografia koherentna (OCT) - nowa metoda podobna do ultradźwięków, ale pacjent jest sondowany wiązką światła (interferometrem). Stosowany do badań okulistycznych w dermatologii i stomatologii. Światło rozproszone wstecz wskazuje położenie miejsc na drodze wiązki światła, w których zmienia się współczynnik załamania światła.

3. Scyntygrafia - uzyskujemy tu obraz organów, a przede wszystkim ich działania, przy użyciu niewielkich dawek izotopów promieniotwórczych (radiofarmaceutyków). Technika ta opiera się na zachowaniu się pewnych farmaceutyków w organizmie. Pełnią funkcję nośnika stosowanego izotopu. Znakowany lek gromadzi się w badanym narządzie. Radioizotop emituje promieniowanie jonizujące (najczęściej promieniowanie gamma), przenikające na zewnątrz ciała, gdzie rejestrowana jest tzw. kamera gamma.