Promieniowanie synchrotronowe a diagnostyka obrazowa

Autor: Piotr Wawrzyńczyk

Kategoria: Diagnostyka obrazowa Artykuł opublikowano w CX News nr 4/38/2011

Grupa badawcza Alessandro Olivo z University College London, zaprezentowała metodę obrazowania za pomocą analizy odchylenia promieni X na skutek przejścia przez badany obiekt. Jest ona oparta na metodzie kontrastu fazowego, wykorzystywanego w synchrotronach od ponad 15 lat.


Promieniowanie synchrotronowe
Energie fotonów wykorzystywanych w różnych dziedzinach radiologii medycznej mieszczą się w zakresie 10 – 400 keV. Dla fotonów o energii mniejszej niż 10 keV ludzkie ciało jest barierą nie do przebycia. Fotony o energii ponad 120 keV wykorzystywane są w radioterapii.


Promieniowanie wytwarzane przez mocną lampę rentgenowską charakteryzuje się intensywnością ok. 1012 fotonów/s · 4π2. Natomiast lampa z anodą rotacyjną charakteryzuje się jasnością promieniowania linii (wyrażoną w jednostkach stosowanych do charakteryzacji jasności skolimowanego promieniowania synchrotronowego) nie przekraczającą 1010 fotonów/s ·mrad2·mm2·0,1%BW.


Dla wiązki wzbudzanej w synchrotronie jasność promieniowania wynosi od 1011 do 1020 fotonów/s ·mrad2·mm2·0,1%BW, zależnie od typu i parametrów pracy źródła. Promieniowanie synchrotronowe wytwarzane jest w akceleratorach kołowych zwanych synchrotronami. Fotony promieniowania synchrotronowego wykorzystywane w medycynie, niosą ze sobą energię w zakresie od 10 do 150 keV. Dla diagnostyki i radioterapii istotniejszym parametrem niż energia jest natężenie promieniowania oraz możliwie największy zakres energii fotonów wytwarzanych przez jedno polichromatyczne źródło. Do takich celów najlepsze są wiązki wytwarzane w magnesach stałych lub tzw. wigglerach, na synchrotronach pracujących przy energii wiązki elektronów co najmniej 2 - 2,4 GeV. Aby uzyskać większe natężenie promieniowania, jako źródła instaluje się wigglery o silnym polu magnetycznym.


Kontrast absorpcyjny
Formowanie kontrastu absorpcyjnego jest związane z efektywnymi liczbami atomowymi i z gęstościami elektronowymi materiałów. Liniowe współczynniki absorpcji są funkcjami tych wielkości i zależą od energii fotonów. W przypadku klasycznego promieniowania, lampy rentgenowskie wytwarzają promieniowanie charakterystyczne oraz promieniowanie hamowania o ciągłym rozkładzie widma. Nawet z filtrami absorpcyjny-mi, zmniejszającymi wkład promieniowania ciągłego w emitowanej wiązce, kontrast i rozdzielczość obrazu jest obniżona na skutek szeregu efektów, związanych z wielkością ogniska, brakiem spójności źródła oraz względnie dużymi szumami. Zastosowanie synchrotronowego źródła promieniowania poprawia kontrast i rozdzielczość metod absorpcyjnych, m.in. poprzez dobrą kolimację wiązki, niewielki kątowy rozmiar źródła, częściową koherencję i łatwą optymalizację długości fali. Poprawę kontrastu absorpcyjnego w synchrotronowych metodach obrazowania można uzyskać poprzez zasto-sowanie monochromatycznej wiązki promieniowania o długości fali dobranej odpowiednio do rodzaju środka cieniującego. Jedną z najwcześniej wprowadzonych metod diagnostyki synchrotronowej była angiografia.


Kontrast fazowy
Kontrast fazowy formuje się poprzez przesunięcia fazowe, powstałe w wyniku przechodzenia przez obiekt koherentnej wiązki rentgenowskiej. Kontrast fazowy w zakresie energii fotonów 15-25 keV jest ponad tysiąc razy bardziej czuły na niewielkie różnice struktur i składu tkanek miękkich w porównaniu do metod absorpcyjnych. Dzięki takiemu rozwiązaniu możemy obserwować efekty fazowe nawet przy małym poziomie absorpcji. Na dodatek obraz można zarejestrować przy niższej dawce promieniowania i ma on wyższą rozdzielczość. W diagnostyce radiologicznej, w której promienie X wzbudzane są synchrotronowo, stosuje się kilka różnych technik wykorzystujących kontrast fazowy (PC – Phase Control), zależnie od długości fali, właściwości źródła i badanego obiektu. Najważniejsze z nich to radiografia kontrastu fazowego, obrazowanie wzmocnione, dyfrakcyjne oraz interferometria rentgenowska. Metody kontrastu fazowego stosuje się do obrazowania tkanki piersiowej, podczas którego do ciała pacjentki dociera dawka o 30-40% mniejsza w stosunku do metody absorpcyjnej (klasyczne badanie mammograficzne).


Analiza niewielkiego odchylenia kierunku ruchu promieni X
Naukowcy z UCL pod kierownictwem Alessandro Olivo umieścili w aparacie z konwencjonalnym źródłem promie-niowania dwie siatki wykonane ze złota, każda o grubości 100 μm. Jedna z nich ulokowana została przed badanym obiektem, druga za. Siatki te nie są identyczne – otwory zostały w nich umieszczone „na przemian” i nie pokrywają się. Promieniowanie przechodzące przez obiekt, czy też biegnące po linii prostej, jest tłumione na drugiej siatce.

Dzięki takiemu rozwiązaniu szum tła ulega znacznej redukcji. Do detektora docierają jedynie te fotony, które uległy odchyleniu na badanym obiekcie. Rezultatem badania było uzyskanie 10-krotnie lepszego kontrastu niż w przypadku dzisiejszego, klasycznego obrazowania. Swoje wyniki Alessandro Olivo opublikował w Applied Optics, w którym stwierdza, iż „wszystkie szczegóły widać wyraźniej, można też dostrzec detale uważane dotychczas za niezwykle trudne do wykrycia”. Kolejnym celem badaczy jest stworzenie nowego wzoru siatek, który pozwoli na zwiększenie czułości metody. Według Davida Bradleya z University of Manchester metoda ta udoskonali obrazowanie medyczne, ponieważ „dzięki takiemu rozwiązaniu będzie można otrzymać obrazy rentgenowskie w ciągu sekund – o wiele szybciej niż przy innych metodach kontrastu fazowego, które ze względu na stosunkowo małą moc promieniowania wymagają kilkuminutowego naświetlania”.


W dzisiejszych czasach możemy zaobserwować ciągły rozwój metod obrazowania diagnostycznego. Naukowcy w swoich badaniach dążą do uzyskania obrazów najwyższej jakości (poprzez zwiększenie rozdzielczości oraz redukcję szumów) przy jednoczesnym obniżeniu dawki docierającej zarówno do pacjenta (badanie RTG, tomografia), jak do lekarza (angiografia, koronografia). Dzięki takim innowacjom, lekarze dostają coraz potężniejszą broń do walki z chorobami, które wcześniej nie mogły zostać wykryte w odpowiednim momencie, ponieważ zdolność rozdzielcza aparatów RTG była niewystarczająca.

 

Piśmiennictwo:

1. "Promieniowanie synchrotronowe w biologii i medycynie" J.B. Pałka

2. "Świat Nauki - Scientific American" nr 10/2011 (242)

 



Ostatnio opublikowane artykuły w kategorii Diagnostyka obrazowa:

„Ferrari” w GMM

General Medical Merate (GMM) jest na rynku medycznym już ponad 65 lat, czyli od roku 1953. Ze względu na wiek, plasuje się zatem między Lamborghini a Ferrari...

Elektroniczna dokumentacja medyczna czyli jak ugryźć ucyfrowienie RTG – nowości Rayence

Postęp, zmiany i innowacje to nieodłączne cechy intensywnie rozwijających się dziedzin nauki, technologii i medycyny. Inwestycje w nowe technologie są naturalną drogą zwiększenia przychodu i polepszenia jakości usług. Pomimo wynalezienia na początku lat 60-tych pierwszego detektora, umożliwiającego przechwycenie promieniowania w formie cyfrowej, wiele placówek w Polsce – ze względów finansowych – nadal korzysta z systemów analogowych.

Bezpieczeństwo pacjenta podczas zabiegów radioterapii

Choroby nowotworowe obok chorób układu krążenia są główną przyczyną zgonów na świecie. Z roku na rok zwiększa się zachorowalność na nowotwory, a w związku z postępem medycyny i jej możliwości diagnostycznych wzrasta także ich wykrywalność. Jest to powodem bardzo dużego wzrostu liczby pacjentów objętych leczeniem onkologicznym. Ważnym elementem procesu leczenia onkologicznego jest radioterapia wykonywana w seriach zabiegów, które wcześniej zostają szczegółowo zaplanowane tak, aby działania niepożądane i ewentualne uszkodzenia okolicznych dla guza tkanek były jak najmniejsze. 

Leczenie zaburzeń pracy serca - gwarancja bezpieczeństwa z systemem Epoch

Będąc dystrybutorem firmy Stereotaxis na Polskę bardzo nam miło jest przedstawić wyniki badań udostępnione przez Uniwersytet Medyczny Paracelcus na temat korzyści płynących ze stosowania systemu Niobe.