Kako pogledati v človeško telo, ne da bi ga razrezali?

    Od časa do časa se zgodi, da mora zdravnik pogledati tudi v človeško telo, da bi uspešno postavil diagnozo in se odločil za pravilno terapijo. Najbrž se vsi strinjamo, da je zelo nepraktično in boleče, da bi ob vsaki taki potrebi zdravnik rezal po človeškem telesu. Zato zdravniku na pomoč priskočimo fiziki.

    Naša zgodba se je začela pred več kot 100 leti …

    Najbolj znana metoda gledanja v notranjost človeškega telesa je gotovo rentgensko slikanje. Wilhem Conrad Roentgen je 8. novembra 1895 med preučevanjem katodnih žarkov odkril novo vrsto sevanja. Poimenoval ga je žarki X, kasneje pa so jih njemu v čast poimenovali Roentgenski žarki (v anglo-ameriškem svetu pa jih še dandanes imenujejo žarki X). To je gotovo tudi ena od bazičnih raziskav, ki je povsem nepričakovano in predvsem zelo hitro pripeljala do uporabne aplikacije. Že 8. februarja 1886 (le 3 mesece po odkritju!) so v bolnišnici v ZDA naredili prvi klinični posnetek [1, 2]. Leta 1901 pa je W. C. Roentgen za svoje odkritje prejel prvo Nobelovo nagrado za fiziko v zgodovini.

    rentgen1.jpg (18331 bytes)Rentgenska slika cvetice.

    Najpreprostejši način rentgenskega slikanja je dobro poznan vsakemu, ki si je že kdaj zvil kakšen sklep ali zlomil kakšno kost. Pod del telesa, ki ga želi zdravnik pregledati, položijo film, nato pa z rentgensko svetlobo presvetlijo pacienta. Rentgenski žarki so precej prodorni in kar nekaj jih preide skozi tkivo, nato zadenejo film in ga počrnijo na mestu zadetka. Ker pa so različna tkiva različno prepustna za sevanje, bo tudi film bolj počrnel na mestu, kjer je tkivo dobro prepustno (npr. mišica) kot na mestu, kjer je slabo prepustno (npr. kost).

    … in je do današnjih časov že močno napredovala.

    Pri opisanem načinu slikanja dobimo le pogled v eni smeri (temu učeno rečemo projekcija), pa tudi tkiva se prekrivajo. To vidimo tudi na sliki cvetice [1], ki mimogrede kaže tudi na to, da fizika lahko doprinese tudi k umetnosti.

    Že naši predniki so vedeli povedati, da ima vsaka medalja dve plati. Tako se tudi pri rentgenskem slikanju izkaže, da je koristno pogledati pacienta z več strani. Na tej filozofiji sloni metoda računalniške tomografije (CT – computed tomography po angleško) [3, 4]. Preiskovani del telesa slikamo z več strani – pravzaprav rentgenski žarek potuje okrog in okrog telesa, na drugi strani pa merimo prepustnost telesa za rentgenske žarke. Iz teh meritev znamo z metodo dekonvolucije izračunati, kakšna je notranjost telesa. Slike, ki jih dobimo na ta način, res še najbolj spominjajo na tehniko, pri kateri bi človeško telo narezali na tanke rezine in si jih ogledali. Saj beseda tomografija pomeni prav to: tomo (grška beseda za “rezina”) in graphos (slika) [3]. Primer slike, ki jo posnamemo z rentgensko tomografijo, sem si sposodil pri U.S. National Library of Medicine (NLM) [5, 6]. Slike so del projekta Visible Human Body, kjer so slikali truplo na smrt obsojenega kaznjenca z rentgensko tomografijo, jedrsko magnentno resonanco (NMR ali MRI – o tej tehniki bo še govora), nato pa so ga še zamrznili in razrezali na 1 mm tanke rezine. Vidimo, da posnetki res verno ponazarjajo notranjost telesa.

    rentgen2a.jpg (12703 bytes) rentgen2b.jpg (24911 bytes) rentgen2c.jpg (12030 bytes)

    Fotografija razrezanega telesa. Rentgenski CT. Jedrska magnetna resonanca.

    Ker je potrebno pacienta osvetliti z rentgensko svetlobo z vseh strani, je jasno, da je doza pri rentgenskem CTju velika. Pri preiskavi glave pacient prejme dozo, ki ustreza 10 mesecem naravnega sevanja, pri preiskavi trupa pa doza ustreza štirim letom naravnega sevanja [4]. Zato se za tako preiskavo zdravniki odločijo le v primerih, ko je zares potrebna (npr. diagnosticiranje raka).

    Besedica “računalniška” pa nam pove, da je izračun zelo zahteven in so ga pravzaprav omogočili šele zmogljivi računalniki. V novejšem času pa za tak izračun uporabljajo že posebej izdelana in prirejena integrirana vezja. Na tem mestu velja še omeniti, da metodo računalniške tomografije uporabljajo tudi pri drugih preiskovalnih tehnikah. Poleg rentgenskih žarkov lahko uporabimo namreč tudi druga sevanja in nato pacienta pregledamo iz vseh smeri. V nadaljevanju bom na kratko omenil še dve tomografski metodi.

    Nekateri so se odločili za podoben pristop …

    Razen z rentgenskimi žarki, fiziki lahko pogledamo v notranjost telesa tudi z uporabo drugačnega sevanja. Pri pozitronski emisijski tomografiji (Positron Emission Tomography) v pacienta vnesemo radioaktivni izvor, ki razpada z beta pozitivnim razpadom. To pomeni, da radioaktivno jedro izseva pozitron – to je antidelec elektrona. Ko pozitron reagira z elektronom (teh pa je v snovi zelo veliko), se z njim anihilira in produkt reakcije sta v veliki večini primerov dva visokoenergijska fotona – žarka gama. Pri PETu izkoriščamo dejstvo, da morata zaradi ohranitve energije in gibalne količine imeti oba elektrona enako energijo (ki je enaka mirovni masi elektrona – 0.5 MeV) in se gibati v nasprotno smer. Ko v detektorju hkrati zaznamo dva 0.5 MeV fotona, lahko potegnemo premico in z gotovostjo trdimo, da sta fotona nastala nekje vzdolž te premice. Pacienta ponovno preiščemo z vseh strani in iz meritev izračunamo porazdelitev radioaktivnega izvora – podobno kot pri CT [3].

    Radioaktivni atom lahko sorazmeroma lahko vgradimo v biološke molekule (pogosto uporabljena snov je sladkor, kjer enega od ogljikovih atomov nadomestimo z radioaktivnim fluorom). Zato lahko s primerno izbiro molekule dosežemo, da se bo radioaktivna snov zbrala v tkivu, ki ga želimo preiskati. Lahko bi rekli, da pri PETu lahko aktivno izbiramo, katero tkivo si bomo ogledali, pri CTju pa le pasivno opazujemo tkiva, ki se med seboj razlikujejo kot pač se (deloma lahko tudi pri CTju povečamo kontrast izbranemu tkivu). Prav tako lahko pri PETu opazujemo časovni potek zbiranja radioaktivne snovi v tkivu in se iz tega naučimo kaj novega o metabolizmu ali funkciji organa. S primerjanjem PET slike možganov človeka, ki ima najprej zaprte oči, nato pa jih odpre so ugotovili, da se po tem, ko je odprl oči, koncentracija sladkorja povečala v predelu zatilja, kjer je v možganih center za vid. Po drugi strani pa je CT metoda, ki nam daje mnogo ostrejši posnetek kot druge metode.

    Tudi PET je metoda, ki je dosti idej dobila iz bazičnih raziskav. Detektorji sevanja, ki ga zaznavajo, so bili večinoma razviti za eksperimente v fiziki osnovnih delcev. Najpogosteje so uporabljeni anorganski scintilacijski števci. Skupina raziskovalcev z Instituta Jožef Stefan, Univerze v Ljubljani, Onkološkega instituta in Oddelka za nuklearno medicino Kliničnega centra, pa se je odločila za drugačen pristop [7]. Za detekcijo fotonov so uporabili večžične proporcionalne komore, ki so eden od najpogosteje uporabljenih detektorjev v fiziki osnovnih delcev (izumitelj je prejel Nobelovo nagrado za fiziko leta 1992). Rabljeno PET aparaturo so nadgradili z detektorji in elektroniko, s katero zajemajo podatke. Napisali so tudi celotno programsko opremo za zajemaje podatkov in rekonstrukcijo slike in poskusno slikali testne objekte in morskega prašička. Ta sistem je trenutno edini PET sistem v Sloveniji.

    … drugi pa za drugačen.

    Pri do sedaj opisanih metodah izkoriščamo ionizirajoče sevanje. To sevanje je v splošnem človeku nekoliko škodljivo. Oglejmo si še dve metodi, pri katerih ionizirajočega sevanja ne potrebujemo in sta po do sedaj znanih podatkih popolnoma zdravju neškodljivi.

    Prva od njih je jedrska magnetna resonanca (NMR – Nuclear Magnetic Ressonance ali MRI – Magnetic Resonance Imaging). Pri tej metodi izkoristimo dejstvo, da se atomska jedra v določenem pogledu obnašajo kot magnetna igla – magentnica. Tako, kot se magnetna igla v magnetnem polju postavi v smer polja (v zemeljskem magnetnem polju se postavi v smeri sever-jug), se tudi atomi v zelo močnem magnetnem polju uredijo. Pacient leže v odprtino, v kateri je močno magnetno polje. Atomi v človeškem telesu se zato lepo uredijo – kot bi se množica magnetnih igel postavila vzporedno. Take magnetnice lahko z ustrezno motnjo prisilimo v neke vrste kroženje. Vrteli bi se podobno kot vrtavka, pri tem pa bi bila hitrost vrtenja sorazmerna z močjo magnetnega polja. Vsaka vrteča magnetnica pa inducira električno napetost (podobno kot generator v elektrarni; seveda je ta napetost zelo majhna). Z občutljivimi instrumenti lahko izmerimo, kakšna je inducirana napetost in iz tega izračunamo, kakšna je porazdelitev teh atomov po tkivu [3].

    Tudi jedrska magnetna resonanca načeloma izhaja iz bazičnih raziskav v fiziki. Dandanes so NMR in njene različice zelo razširjena tehnika za preučevanje lastnosti snovi.

    Zadnja, vendar ne najmanj pomembna metoda, katero bom omenil, je ultrazvok. Pri ultrazvočni preiskavi uporabljamo zvok z visoko frekvenco. Zvok namreč ni nič drugega, kot valovanje, ki se širi po snovi. Z oddajnikom torej “kričimo” v pacienta in “poslušamo” kako odmeva. Iz časa zakasnitve odmeva lahko sklepamo na sestavo določenega dela telesa ali organa, na meje med tkivi in podobno. Frekvenca valovanja se spremeni, če se valovanje odbije na premikajoči oviri – Doplejev pojav. Ta pojav uporabljajo med drugim tudi policisti, ki merijo hitrost avtomobilov. Isti pojav izkoriščamo tudi pri ultrazvočnih preiskavah. Na ta način lahko merimo hitrost pretoka krvi skozi žile. To je precej pogosta preiskava v pozni nosečnosti, s katero zdravniki preverijo, ali je plod zadovoljivo preskrbljen s shrano in kisikom.

    Kaj torej izbrati?

    Teh nekaj metod, ki sem jih opisal, še zdaleč niso vse, kar jih uporabljajo v medicini. Ali bi lahko rekli, da na “tržišču gledanja v telo” obstaja popolna konkurenca? Zakaj potem sploh uporabljamo ionizirajoče sevanje in paciente izpostavljamo visokim dozam?

    Odgovor je preprost – metode so med seboj komplementarne, vsaka je nekako “specializirana” za svoje delo, vsaka nam odkrije nekaj drugega. Z jedrsko magnetno resonanco dobro vidimo porazdelitev vode po telesu, klasično rentgensko slikanje dobro loči med kostmi in mehkim tkivom, CT sorazmeroma dobro loči tudi med mehkimi tkivi in ponuja dobro prostorsko ločljivost, pri PETu pa lahko opazujemo tudi dinamiko procesov, ultrazvok pa je zelo dober za preiskave mehkih tkiv. Omeniti še velja, da so doze, ki jih prejmemo pri preiskavah z ionizirajočim sevanjem majhne. Pri slikanju zlomljene noge pacient prejme dozo, ki ustreza enemu dnevu naravnega sevanja, pri slikanju zob pa dozo, ki ustreza trem dnem naravnega sevanja. Rentgenski pregled pljuč, ki ga vsakdo opravi pred svojo prvo zaposlitvijo pa nam prinese dozo, ki ustreza enemu tednu naravnega sevanja. Izjema je CT, kjer je izpostavljenost sevanju res zelo velika – deset mesecev do štiri leta naravnega sevanja. Zavedati pa se moramo, da take preiskave delajo res samo pri težkih bolnikih, kjer koristnost take preiskave močno presega škodljivost.

    Izbiro bomo torej prepustili svojemu zdravniku. Upam, da smo se ob branju tega sestavka naučili, da za naše zdravje skrbi cela ekipa ljudi. Ekonomisti, ki skrbijo za zdravstveno zavarovanje, zdravniki, ki nas zdravijo ter fiziki in programerji, ki pomagajo zdravnikom postaviti diagnozo in še množica ljudi, ki sem jih pri pisanju nehote ali nevede izpustil.

    Viri:

    Tadej Mali, kvarkadabra.net – številka 3 (februar 2000)

    Deli