Inżynieria medyczna łączy dziedziny szczególnie szybko rozwijające się jak biologia, medycyna i technika. Jej istotą jest stosowanie środków technicznych w specyficznych warunkach kontaktu materiałów i urządzeń z żywym organizmem, w celach diagnostycznych, terapeutycznych i do wspomagania lub zastępowania funkcji narządów. Zajmuje się także modelowaniem procesów fizjologicznych, planowaniem procedur diagnostycznych, zabiegów chirurgicznych oraz naświetlania promieniowaniem jonizującym i niejonizującym
Siemens Biograph – łączy w sobie zalety techniki PET i CT. Badanie pacjenta biographem polega na wykonaniu skanu CT, po którym bezpośrednio, w trakcie tej samej sesji wykonywany jest skan PET, dając w rezultacie obraz, na którym zarejestrowano zarówno obraz anatomiczny, jak i molekularny badanych tkanek i organów
Medycyna nuklearna jest prężnie rozwijającą się dziedziną nauki. Jedną z jej gałęzi jest diagnostyka z wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych. Osiągnięcia w jej zakresie dają możliwość przeprowadzania szeroko rozumianych badań diagnostycznych, zarówno ilościowych i jakościowych, jak również czynnościowych. Bazując na wiedzy z wielu innych dziedzin nauki, diagnostyka ta stale poszerza swe możliwości, dając wielkie nadzieje na przyszłość. Diagnostyka radioizotopowa ma głównie charakter czynnościowy – służy ona badaniu różnych funkcji organizmu poprzez pomiary przepływu, przenikania, wchłaniania, wychwytywania, gromadzenia, wydzielania i wydalania różnych substancji promieniotwórczych. Metody radioizotopowe charakteryzują się niezwykłą czułością, pozwalającą wykryć już kilka pojedynczych atomów, są także metodami nisko inwazyjnymi – pomiar promieniowania może zachodzić poza układem biologicznym bez jego uszkodzenia. Dodatkowo czas analizy jest stosunkowo krótki.
Postępy w dziedzinie diagnostyki obrazowej są ściśle związane z osiągnięciami techniki. Nic więc dziwnego, że dwa najbardziej dynamicznie rozwijające się obszary nauki: elektronika i biotechnologia mają największy wpływ na poziom ultrasonografii, rentgenodiagnostyki, tomografii rezonansu magnetycznego i medycyny nuklearnej.
Diagnostyka obrazowa z wykorzystaniem izotopów pojawiła się jako eksperymentalna technologia w latach 50-tych ubiegłego wieku. Systemy umożliwiające wdrożenie tej technologii do praktyki medycznej znalazły się na rynku urządzeń medycznych w następnym dziesięcioleciu jako urządzenie pod nazwą kamery scyntylacyjnej (w Polsce funkcjonowała nazwa „scyntygraf”). Współczesne urządzenia diagnostyki nuklearnej nazywane są gamma kamerami. Umożliwiają uzyskiwanie obrazów statycznych i dynamicznych, konkurencyjnych lub uzupełniających w stosunku do innych technologii diagnostyki obrazowej. Gamma kamery pozwalają na tworzenie obrazów dwuwymiarowych lub trójwymiarowych, łącznie z możliwością obrazowanie przekrojów.
Gamma kamery, podobnie jak i inne urządzenia diagnostyki obrazowej nie są wolne od wad. Zasadniczym problemem jest uzyskanie liniowości obrazu. Drobne różnice w czułości fotodetektorów mogą powodować geometryczne zniekształcenia obrazu. Szczególnym problemem jest uzyskanie liniowości na obrzeżach badanego obszaru, gdyż efekt kaskady jest tu zakłócany bliskością obudowy głowicy. Najprostsze rozwiązania tego problemu idą w kierunku pewnego pomniejszenia pola „widzenia” głowicy. Także brak wysokiej jednorodność struktury kryształu głowicy wpływa na wierność obrazu. Oddzielnym zagadnieniem, wpływającym na wartość diagnostyczną uzyskiwanego w czasie badania obrazu jest odpowiedni dobór kolimatora. Do tej samej kategorii problemów technicznych zaliczyć trzeba efektywność fotopowielaczy (możliwość zarejestrowania przez fotopowielacz kolejnych rozbłysków występujących po sobie w krótkim czasie).
Czas eksploatacji gamma kamery uzależniony jest nie tylko od trwałości elementów składowych (przede wszystkim kryształów głowicy i fotopowielaczy), ale także od możliwości przetwarzania danych. Gamma kamera jest urządzeniem drogim. Koszt zakupu systemu należy szacować na około 2 500 000 zł, a roczne koszty eksploatacji (łącznie z utrzymaniem pracowni izotopowej) mogą zbliżać się do tej kwoty. Zapewne z tego powodu, popularność gamma kamer (ich liczba) jako systemów diagnostyki obrazowej jest w Polsce dość ograniczona.
Zmiany konstrukcyjne kolejnych generacji gamma kamer idą przede wszystkim w kierunku całkowitej eliminacji sygnału analogowego, jako łatwo podatnego na zniekształcenia. Podejmowane są także próby zasadniczej modyfikacji struktury głowicy gamma kamery. Zamiast kryształów i współpracujących z nimi fotopowielaczy, głowica zawierać będzie elementy półprzewodnikowe, generujące sygnał elektryczny w wyniku uderzenia w nie fotonu.
Gamma kamery znajdują się ciągle w fazie rozwoju pod względem możliwych zastosowań oraz pod względem konstrukcji. Intensywne prace rozwojowe koncentrują się na rozszerzeniu możliwości diagnostyki kardiologicznej, onkologicznej i neurologicznej. W fazie prób klinicznych znajduje się scynty-mammografia z użyciem Tc99m, przydatna w diagnostyce sutka o dużej gęstości tkanki. Technologia ta pozwala na łatwiejszą niż standardowa mammografia diagnostykę nowotworów złośliwych. Duże możliwości diagnostyczne stwarza wykorzystanie nowych radiofarmaceutyków. Możliwości stosowania gamma kamer poszerzane są poprzez nakładanie obrazów diagnostycznych uzyskanych z gamma kamery na obrazy wykonane techniką CT lub MR.
W zależności od konstrukcji, gamma kamery dzielą się na jednogłowicowe i wielogłowicowe. Technika obrazowania wykorzystująca ruch głowicy nazwana została SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography). Systemy SPECT zbierają dane obrazowe po ustawieniu się głowicy w kolejnych położeniach, różniących się od siebie o kilka stopni, aż do uzyskania pełnego obrotu wokół pacjenta, zwykle powtarzanego kilkakrotnie. Czas akwizycji danych może być skrócony o połowę dzięki zastosowaniu gamma kamery dwugłowicowej. Na rynku dostępne są już także systemy trójgłowicowe, a nawet wielogłowicowe, z detektorami umieszczonymi na obwodzie pierścienia (gantry).
Do diagnostyki obrazowej z użyciem gamma kamery najczęściej stosowane są izotopy technetu lub jodu. Dawka promieniowania jonizującego pochłonięta w czasie standardowego badania obrazowego z użyciem gamma kamery porównywalna jest z dawką pochłoniętą podczas badania radiologicznego.
Innym urządzeniem do diagnostyki obrazowej z obszaru medycyny nuklearnej – o dużym podobieństwie w zasadzie działania, a także konstrukcji do systemów SPECT i wizualnym podobieństwie do systemów CT – są systemy tomografii emisji pozytronu. Tomografia emisji pozytonowej (Positron Emission Tomography – PET) jest technologią o bardzo niskim rozpowszechnieniu mimo szerokich możliwości diagnostycznych, w zasadzie niedostępnych dla innych technologii obrazowania. Na świecie stosowany jest od lat 80. ubiegłego wieku.
System PET składa się z modułu diagnostycznego (gantry), w który wbudowany jest zespół detektorów, stołu pacjenta i konsoli operatora zawierającej komputer. Celem badania prowadzonego z użyciem systemu PET jest uzyskanie diagnostycznego obrazu badanego organu. Obraz tworzony jest na drodze komputerowej rekonstrukcji danych uzyskanych z detektorów, które wykrywają zjawiska anihilacji (zjawisko anihilacji występuje na przykład wtedy, gdy dwie cząstki o przeciwnym ładunku elektrycznym znikają po spotkaniu) zachodzące w organizmie pacjenta po podaniu mu preparatu radiofarmaceutycznego. W substancjach tych powstają pary fotonów rozchodzące się w przeciwnych kierunkach i podlegające rejestracji za pomocą obróconych w stosunku do siebie o 180 stopni dwóch detektorów. Detektory stosowane w systemach PET zbudowane są w formie pierścieni otaczających pacjenta. Liczba takich pierścieni wynosi – w zależności od systemu – od 6 do 16, a każdy pierścień zawiera od 220 do 512 kryształów tlenku bizmutowo – germanowego, aktywowanego talu, fluorku baru lub cezu.
Systemy PET umożliwiają pomiary biochemicznej i fizjologicznej aktywności komórek badanego organu. Takie badanie funkcjonalne pozwala na ocenę procesów metabolicznych i przepływu krwi. Zmiana poziomu aktywności biochemicznej komórek, obserwowana na obrazie w postaci zmian kolorystycznych, może wskazywać na występowanie zmian chorobowych. Dzięki temu, możliwe jest wykrycie takich zmian istotnie wcześniej, w porównaniu z innymi technikami obrazowania, ukierunkowanymi na wykrywanie zmian anatomicznych wywołanych chorobą. Systemy PET znajdują zastosowanie w kardiologii (ocena pracy serca), neurologii (badanie funkcjonalne mózgu) i onkologii (wykrywanie zmian nowotworowych).
Problemem technicznym jest eliminacja przypadkowych fotonów, które mogłyby zakłócić obraz uzyskiwany w czasie badania. Rozwiązanie tego problemu wykorzystuje naturę promieniowania powstającego w czasie anihilacji. Jeżeli dwa, odpowiadające sobie geometrycznie kryształy, umieszczone po przeciwnych stronach pierścienia, nie zostaną kolejno wzbudzone przez powstającą w czasie anihilacji parę fotonów w określonym przedziale czasu, to pojedynczy rozbłysk uznany zostaje przez system za zjawisko przypadkowe. Jednak nawet w takich warunkach mogą wystąpić zjawiska, które dają „szum”. Redukcja szumów możliwa jest poprzez odseparowanie od siebie kolejnych pierścieni detektora i dokładne dostrojenie progu energii wykrywanych fotonów.
Kryteriami jakości diagnostycznej systemu PET są między innymi czas rekonstrukcji obrazu, rozdzielczość przestrzenna oraz wymiary geometryczne otworu gantry i zakres ruchu stołu pacjenta. Oddzielnym zagadnieniem jest zaopatrzenie systemów PET w radiofarmaceutyki. Krótki czas połowicznego rozpadu stosowanych izotopów wymaga instalacji w najbliższym sąsiedztwie systemu PET cyklotronu, w którym izotopy te są wytwarzane. Oznacza to praktycznie przymus funkcjonowania systemu PET w bezpośrednim sąsiedztwie samowystarczalnej pracowni medycyny nuklearnej. Zasadniczą różnicą pomiędzy badaniem PET a obrazowaniem z użyciem gamma kamery jest właśnie „wiązanie” się izotopów stosowanych w PET z substancjami znajdującymi się normalnie w organizmie. Ponadto, izotopy stosowane w PET mają bardzo krótki czas połowicznego rozpadu (od 75 sekund do 110 minut), co w zasadniczym stopniu zmniejsza dawkę promieniowania pochłanianego.
Metody takie jak rtg, USG, CT czy MRI dają informacje jedynie o charakterze morfologicznym. Często jednak powiększenie narządów nie jest równoważne z zajęciem ich przez dany proces chorobowy i odwrotnie, ustępowanie zmian widocznych w badaniach obrazowych nie wyklucza istnienia czynnych ognisk chorobowych. Pozytonowa tomografia emisyjna jest metodą będącą w stanie zobrazować szeroką różnorodność procesów metabolicznych w stosunkowo wysokiej rozdzielczości. W takich przypadkach diagnostyka radioizotopowa ma znaczenie decydujące.
Ponieważ wyniki badań za pomocą PET nie zawsze pozwalają precyzyjnie umiejscowić ognisko chorobowe, detektor w postaci gammakamery rotacyjnej sprzężono z tomografią komputerową. Odpowiedni program komputerowy integruje badanie topograficzne (TK) z badaniem czynnościowym (PET) tak, że można dokładnie określić, gdzie występuje wzrost lub obniżenie gromadzenia podanego radiofarmaceutyku. Połączony system skanowania typu PET i CT został wprowadzony na rynek w 2001 roku. Ten system połączonego obrazowania obecnie gwałtownie wypiera tomografię typu PET i reprezentuje najszybciej rozwijającą się metodę obrazowania we współczesnym świecie. System ten pozwala na zastosowanie obrazu PET i CT w czasie jednego badania, bez potrzeby przemieszczania pacjenta. Wyniki badania przedstawiane są w postaci przekrojowego obrazu komputerowego. Na sukces tego systemu złożyło się kilka przyczyn. Wykrycie zmian chorobowych oraz zlokalizowanie raka w czasie jednego badania są kluczowymi informacjami w zdiagnozowaniu fazy rozwoju nowotworu. PET potrzebuje jednak dodatkowego skanowania (tzw. attenuation scan), które może zostać zastąpione przez znacznie szybsze CT. W rezultacie metoda PET-CT jest w przybliżeniu 25% szybsza niż standardowa metoda PET, a znacznie większy obszar ciała może być poddany badaniu w czasie krótszym niż 30 minut. Szybsze tempo skanowania prowadzi do wydajniejszego użycia farmaceutyków, co jest ważne z uwagi na ich maksymalnie 110 minutowy okres połowicznego rozpadu. Podsumowując, znacznie droższe skanery PET-CT są znacznie tańsze w eksploatacji, zwłaszcza przy dużej ilości pacjentów. Uważa się, że tego typu jednoczasowe badania morfologiczne i czynnościowe z równoczesnym zastosowaniem metod obrazowych i czynnościowych będą dominować w XXI wieku i znajdą zastosowanie w rozpoznawaniu wielu chorób oraz w monitorowaniu ich leczenia.
Niezwykle przydatnymi metodami są także metody oparte na oznaczeniach radioimmunologicznych (RIA, Radioimmunoassays). Są to unikalne metody, w których wiedzę z zakresu znaczników radioizotopowych przeniesiono na grunt dokonań immunologii. Wykorzystuje się w nich specyficzną reakcję przeciwciał z antygenem, otrzymując zarówno jakościowe, jak i ilościowe dane o obecności tego antygenu w badanej próbce. Standardowym zastosowaniem technik radioimmunologicznych jest oznaczanie stężeń takich antygenów, jak np. hormony białkowe, hormony sterydowe, witaminy czy leki. Techniki RIA, wykorzystywane także w badaniach toksykologicznych oraz diagnozie chorób autoimmunologicznych, są technikami niezwykle czułymi i specyficznymi.
Postępy w dziedzinie elektroniki i cyfrowej techniki obliczeniowej umożliwiły przyspieszenie i udoskonalenie procesu rozpoznawczego, ale również przyczyniły się do rozszerzenia zastosowań klinicznych metod obrazowych. Komputer gromadzi zatem olbrzymią ilość precyzyjnych informacji o stanie poszczególnych narządów. Zasadniczym celem stosowanych algorytmów obrazowania jest przyspieszenie i udoskonalenie procesu rozpoznawczego. Wśród najczęściej wykorzystywanych współcześnie programów można wymienić przedstawienie badanej struktury w dowolnej płaszczyźnie, w tym prezentację trójwymiarową, prezentację naczyń bez towarzyszącego im tła kości i części miękkich (program MIP), przestrzenną prezentację kości, części miękkich i naczyń (program Volumen Rendering) kodowanych kolorem; obrazy te odpowiadają jakościowo barwnym obrazom atlasu anatomicznego.
W ciągu następnych kilku lat muszą zostać rozwiązane następujące kwestie: należy jasno określić, kiedy może być przeprowadzane badanie PET-CT bez pełnego badania CT lub też, czy skrócone badanie CT w czasie badania PET-CT są wystarczające. Ponadto istnieje jeszcze wiele innych, interesujących radiofarmaceutyków, których zastosowanie nie zostało jeszcze zbadane. Najbardziej obiecujące są pochodne choliny używane do wykrywania raka prostaty; znakowana tymidyna używana jako znacznik rozrostu oraz niedotlenienia narządów i tkanek w zabiegach obrazowania, celem planowania radioterapii. Ponadto PET odgrywa również ważną rolę w obrazowaniu zapaleń i infekcji. Podsumowując, PET i PET-CT dopiero zaczynają podbijać polski rynek, a my możemy spodziewać się szybkiego rozwoju różnorodnego zastosowania metody PET na przestrzeni następnej dekady.
Doświadczenie uczy, że w niektórych procedurach diagnostycznych medycyna nuklearna obniża koszty leczenia chorego, zmienia sposób postępowania, zmniejsza ilość powikłań. Do tego dodać należy jeszcze skuteczność i wygodną dla pacjenta formę badań. Wszystkie te aspekty sprawiają, że już dziś diagnostyka z wykorzystaniem radioizotopów znajduje szerokie zastosowanie zarówno w badaniach czynnościowych, jakościowych, jak i ilościowych. Wszystko wskazuje również na to, że zakres stosowania oraz jakość tej formy diagnozy, podlegać będą ciągłemu rozwojowi.
Jedynym problemem, ograniczającym szybkość rozwoju medycyny nuklearnej w Polsce, jest niedofinansowanie szpitali i pracowni diagnostycznych, a aparatura używana obecnie bardzo często ledwo mieści się w granicach przepisów zezwalających na jej eksploatację…
Autor: TEKST: ANDRZEJ CZERWIEC
