Физические основы интроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: «Физические основы интроскопии»

Контрольные вопросы:

1. Понятие медицинской интроскопии; Ангиография; Компьютерная томография; Магнитно-резонансная томография; Флюорография; Позитронно-эмиссионная томография; Ультразвуковые методы исследования; Доплерография.

Медицинская интроскопия (медицинская визуализация) - раздел медицинской диагностики, занимающийся неинвазивным исследованием организма человека при помощи физических методов с целью получения изображения внутренних структур. В частности, могут использоваться звуковые волны (главным образом ультразвук), электромагнитное излучение различных диапазонов, постоянное и переменное электромагнитное поле, элементарные частицы, излучаемые радиоактивными изотопами (радиофармпрепаратами).

Все методы медицинской интроскопии можно разделить на 5 основных групп:

· Рентгенологические;

· Магнитно-резонансные;

· Оптические;

· Радионуклидные;

· Ультразвуковые.

Рентгенологические методы визуализации.

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10?14 до 10?8 м. Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов - эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения - рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах возбуждения атомных ядер.

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом испускаются рентгеновские лучи, то есть тормозное излучение, и в то же время выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий. В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Бронхограмма: в норме (для сравнения) и при мешотчатых бронхоэктазах.

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое: I=I0e-kd, где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Zілі, Z - атомный номер элемента, л - длина волны. Откуда видно, что в слоях, состоящих из химических элементов с более высокими порядковыми номерами, рентгеновское излучение будет поглощаться больше. Так, к примеру, при рентгенограмме костей, содержащих очень много соединений кальция (Z=20), именно кости «засвечиваются» по отношению к другим тканям, состоящим в основном из элементов с порядковыми номерами меньше, чем у кальция. В результате чего на рентгеновском снимке получается отчетливое изображение кости (как эффект поглощения рентгеновского излучения).

Ангиография. Метод контрастного рентгенологического исследования кровеносных сосудов. Ангиография изучает функциональное состояние сосудов, окольного кровотока и протяженность патологического процесса. Исследование проводится путем пункции (прокола) сосуда с последующей катетеризацией (введением в сосуд специального катетера, через который затем будет вводиться контрастное вещество, как правило, препарат йода[Z=53]). Чаще всего проводят катетеризацию бедренной артерии. Все действия внутри сосуда осуществляются под контролем рентгенотелевидения (на экране наблюдается циркуляция рентгенконтрастного вещества по сосудам). По окончании исследования на область пункции на сутки накладывают повязку.

Перед ангиографией необходимо исключить наличие противопоказаний: аллергия на йод и анестезию, почечная недостаточность, нарушения системы гемостаза, дисфункция щитовидной железы, венерические заболевания.

Рис.2. Ангиограмма сосудов головного мозга

интроскопия медицинский томография допплерография

За две недели до исследования желательно исключить спиртное. Для защиты почек от большого количества йода иногда перед исследованием проводится гидратация (насыщение организма жидкостью), что позволяет разбавить рентгеноконтрастное вещество и облегчить его выведение из организма. Для снижения риска развития аллергической реакции перед процедурой ангиографии назначаются противоаллергические препараты. За четыре часа до ангиографии нельзя принимать пищу и воду. За 30 минут до исследования проводится премедикация: введение антигистаминных препаратов (профилактика аллергических реакций), транквилизаторов, анальгетиков. В области прокола бреют волосы. Перед исследованием необходимо снять все украшения и металлические предметы, так как они могут мешать прохождению рентгеновских лучей. После проведения ангиографии необходимо пить большое количество жидкости, чтобы ускорить выведение йода из организма.

Компьютерная томография (КТ). Метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, предложенный в 1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями.

Получение рентгеновского изображения основано на различной плотности органов и тканей. При обычной рентгенографии снимок является отражением исследуемого органа или его части. При этом мелкие патологические образования могут быть плохо видны или вовсе не визуализироваться вследствие суперпозиции тканей (наложения одного слоя на другой). Для устранения этих помех в практику была введена методика КТ. Метод дает возможность получения изолированного изображения поперечного слоя тканей. Это достигается с помощью вращения рентгеновской трубки с узким пучком рентгеновских лучей вокруг пациента, а затем реконструкции изображения с помощью специальных компьютерных программ. Изображение в поперечной плоскости, недоступное в обычной рентгенодиагностике, часто является оптимальным для диагностики, так как дает четкое представление о соотношении органов.

Казалось бы, отличие от обычной рентгенографии не такое уж большое - ведь и простой рентгеновский снимок можно обработать на компьютере. Но на самом деле это не так. На рентгеновском снимке видны лишь накладывающиеся друг на друга "тени" всех органов, через которые прошел рентгеновский луч. А компьютерный томограф позволяет получить четкое изображение определенного среза тела. Сделав же "фотографии" нескольких таких срезов с шагом, скажем, в 1 миллиметр, получается очень качественное объемное, трехмерное изображение, которое позволяет увидеть в подробностях топографию органов пациента, локализацию, протяженность и характер очагов заболеваний, их взаимосвязь с окружающими тканями. Кроме того, чувствительность компьютерных томографов на порядок выше, чем обычных рентгеновских аппаратов: на рентгеновском снимке можно достаточно четко различить ткани, отличающиеся по степени поглощения рентгеновских лучей на 10-20%, а у современных компьютерных томографов этот показатель составляет 1-2%.

Получение компьютерной томограммы можно схематически разбить на несколько этапов:

1. Сканирование. Узкий пучок излучения сканирует тело, двигаясь вокруг него по окружности. На противоположной стороне установлена круговая система датчиков излучения, преобразующих излучение в электрические сигналы.

2. Усиление записи сигнала. Сигнал от датчиков усиливается и преобразуется в цифровой код, поступающий в память компьютера. Процесс этот дискретен, т.е. после снятия одной элементарной томограммы компьютер дает сигнал сканирующему устройству повернуться на заданный угол и снять следующую томограмму. К концу вращения излучателя в памяти компьютера оказываются зафиксированными сигналы от всех датчиков. Время сканирования всего слоя - не более 3 секунд.

3. Синтез и анализ изображения. Компьютер воссоздает внутреннюю структуру объекта. Используя цифровые компьютерные технологии можно легко масштабировать полученную картинку, что помогает детальнее рассмотреть интересующий участок слоя, определить размеры органа, число, размеры и характер патологических образований.

Прогресс КТ томографов напрямую связан с увеличением количества детекторов, т.е. с увеличением числа одновременно собираемых проекций. В первом поколении КТ томографов количество детекторов равнялось 2, во втором - 30-50, в третьем - 300-500, в четвертом - 1000-5000. Во втором поколении была впервые применена веерная форма пучка рентгеновского излучения. Каждое последующее поколение КТ томографов имело существенно меньшее время реконструкции КТ-изображений и большую скорость вращения рентгеновской трубки, что позволило ускорить и расширить сферы диагностического применения КТ-исследований.

Магнитно-резонансные методы визуализации.

Магнитно-резонансная томография (МРТ). Томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса. Метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Метод магнитно-ядерного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в мощном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте.

На КТ контрастность тканей связана с единственным параметром, характеризующим каждую ткань - ее рентгеновской плотностью, т.е. способностью слоя вещества поглощать рентгеновское излучение. Можно сказать, что КТ отражает поверхностное строение атомов вещества. Чем ярче выглядит ткань на КТ, тем она плотнее. МРТ же строится по переизлучению радиоволн ядрами водорода (протонами), содержащимися в тканях тела, сразу же после получения ими энергии от радиоволнового сигнала, которым облучают пациента. Таким образом, контрастность тканей отражает особенности «внутренних», ядерных структур вещества, и она зависит от ряда таких факторов, как строение вещества, взаимодействие между молекулами, молекулярное движение (диффузия, кровоток), что позволяет не только дифференцировать на изображении патологические и здоровые ткани, но и дает возможность наблюдать отражение функциональной деятельности отдельных структур. Выбирая форму облучающего радиоволнового сигнала или импульсной последовательности, можно выделить влияние на тканевую контрастность одного какого-нибудь параметра, и одна и та же ткань на одной МРТ может получиться светлой, а на другой - темной.

Прежде всего, пациента помещают внутрь большого магнита, где имеется довольно сильное постоянное (статическое) магнитное поле, ориентированное в большинстве аппаратов вдоль тела пациента. Под воздействием этого поля ядра атомов водорода в теле пациента, которые представляют собой маленькие магнитики, каждый со своим слабым магнитным полем, ориентируются определенным образом относительно сильного поля магнита. Добавляя слабое переменное магнитное поле к статическому магнитному полю, выбирают область, изображение которое надо получить. Затем пациента облучают радиоволнами, причем частоту радиоволн подстраивают таким образом, чтобы протоны в теле пациента могли поглотить часть энергии радиоволн и изменить ориентацию своих магнитных полей относительно направления статического магнитного поля. Сразу же после прекращения облучения пациента радиоволнами протоны станут возвращаться в свои первоначальные состояния, излучая полученную энергию, и это переизлучение будет вызывать появление электрического тока в приемных катушках томографа.

Зарегистрированные токи являются МР сигналами, которые преобразуются компьютером и используются для построения (реконструкции) МРТ.

Соответственно этапам исследования основными компонентами любого МР томографа являются: магнит, создающий постоянное (статическое), так называемое внешнее, магнитное поле, в которое помещают пациента; градиентные катушки, создающие слабое переменное магнитное поле в центральной части основного магнита, называемое градиентным, которое позволяет выбрать область исследования тела пациента; радиочастотные катушки - передающие, используемые для создания возбуждения в теле пациента, и приемные - для регистрации ответа возбужденных участков; компьютер, который управляет работой градиентной и радиочастотной катушек, регистрирующий измеренные сигналы, обрабатывающий их, записывающий в свою память и использующийся для реконструкции МРТ.

Оптические методы визуализации.

Флюорография. Рентгенологическое исследование, заключающееся в фотографировании флуоресцентного экрана, на который спроецировано рентгенологическое изображение. Флюорография даёт уменьшенное изображение объекта при меньшей дозе облучения, в то время как рентгенография дает действительное изображение, но при более высоких дозах облучения. Флюорографию применяют главным образом для исследования органов грудной клетки, молочных желёз, костной системы. Наиболее распространённым диагностическим методом, использующим принцип флюорографии, является флюорография органов грудной клетки, которая применяется, прежде всего, для скрининга туберкулеза и злокачественных новообразований лёгких, которые легко различимы даже при уменьшенном масштабе.

Радионуклидные методы визуализации.

Рис.3. ПЭТ снимок

Позитронно-эмиссионная томография - радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов. Основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов. Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида (изотопа), входящего в состав радиофармпрепарата (РФП), который вводится в организм перед исследованием. Наиболее часто используемым изотопом является 2-дезокси-2-[фтор-18]-фторо-D-глюкоза (18-ФДГ), аналог глюкозы, в котором гидроксильная группа замещена фтором-18. Период полураспада фтора-18 равен 110 минутам, что значительно больше, нежели у других изотопов, использующихся при ПЭТ. Так же могут использоваться изотопы: кислород-15 (период полураспада 2 минуты), азот-13 (период полураспада 10 минут) и углерод-11 (период полураспада 20 минут).

Из-за избытка протонов в ядре, во время радиоактивного распада эти изотопы излучают позитроны (положительно заряженные электроны), являющиеся формой антиматерии. Позитроны быстро соединяются с электронами, и их масса переходит в энергию. При каждом таком событии (соединение позитрона и электрона) масса переходит в энергию в виде 2 мощных гамма-лучей или фотонов аннигиляции с энергией 511 кэВ, которые распространяются на 180° друг от друга. Современные ПЭТ-системы способны мгновенно распознавать и фиксировать такие пары фотонов аннигиляции, что и легло в основу концепции так называемого «электрического фазирования».

Эндоскопия

Эндоскопия (греч. endф внутри + skopeф рассматривать, исследовать) - метод визуального исследования полых органов и полостей организма с помощью оптических приборов (эндоскопов), снабженных осветительным устройством. При необходимости эндоскопия сочетается с прицельной биопсией и последующим морфологическим исследованием полученного материала, а также с рентгенологическим и ультразвуковым исследованиями.

От назначения различают смотровые, биопсийные, операционные и специальные эндоскопы, эндоскопы, предназначенные для взрослых и для детей. В зависимости от конструкции рабочей части эндоскопы разделяют на жесткие, которые сохраняют свою форму при проведении исследования, и гибкие, рабочая часть которых может плавно изгибаться в анатомическом канале.

Получили распространение эндоскопы малого (менее 6 мм) диаметра для исследования тонких анатомических каналов и труднодоступных органов, например уретерореноскоп, бронхоскоп. Развивается видеоэндоскопия, вместо оптического канала с волоконным жгутиком используется система с видеокамерой. Благодаря этому изображение передается по тонкому кабелю на монитор.

Широкое применение получили гибкие двухканальные операционные эндоскопы. Наличие двух инструментальных каналов дает возможность одновременно использовать различный эндоскопический инструментарий (для захвата образования и его биопсии или коагуляции), что значительно облегчает проведение оперативных вмешательств.

Неврология: вентрикулоскопия, миелоскопия.

Гинекология: гистероскопия, кальпоскопия

Травматология: артроскопия.

Кардиология: ангиоскопия, полостей сердца - кардиоскопия и др.

Гастроэнтерология: эзофагоскопия, гастроскопия, дуоденоскопия, интестиноскопия, колоноскопия, ректороманоскопия, холедохоскопия, лапароскопия, фистулоскопия.

Пульмонология: ларингоскопия, бронхоскопия, торакоскопия, медиастиноскопия.

Урология: нефроскопия, цистоскопия, уретроскопия.

Рис.4. Операционный цистоскоп: вверху - трубка с оптической системой; посередине - ствол цистоскопа с введенным обтуратором; внизу - гибкий инструмент; сбоку - кран-тройник, применяемый для интенсивного промывания мочевого пузыря; 1 - окулярная часть оптической трубки; 2 - обтуратор (проксимальный конец) в стволе цистоскопа; 3 - краны для подачи и отведения промывной жидкости; 4 - ствол цистоскопа; 5 - дистальный конец обтуратора; 6 - подъемник механизма Альбаррана; 7 - стволовая часть оптической трубки; 8 - тяги, управляющие подъемником; 9 - маховички для управления тягами подъемника; 10 - патрубки для введения катетеров и гибких инструментов.

Рис.5. Цистоскопическая картина в норме: слизистая оболочка передней стенки мочевого пузыря с пузырьком воздуха, который служит ориентиром при проведении цистоскопии

Техника проведения эндоскопии определяется анатомо-топографическими особенностями исследуемого органа или полости, моделью используемого эндоскопа (жесткого или гибкого), состоянием больного и целями исследования. Эндоскопы вводят обычно через естественные отверстия. При проведении таких эндоскопических исследований, как торакоскопия, медиастиноскопия, лапаронеоскопия, холедохоскопия, отверстие для введения эндоскопа создают специальными троакарами, которые вводят через толщу тканей.

Ультразвуковые методы визуализации.

Физическая основа УЗИ - пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды - прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания - временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой - числом колебаний в единицу времени; длиной - расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.

Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс».

Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая - отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.

В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Доплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Доплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

Размещено на Allbest.ru