A 15 Bazele Fizice Ale Imagisticii Medicale MG
-
Upload
negrut-gilda-elena -
Category
Documents
-
view
204 -
download
5
Transcript of A 15 Bazele Fizice Ale Imagisticii Medicale MG
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 1 din 16
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE Introducere
Obţinerea unor date cât mai precise privind modificările de structură şi/sau funcţie a
organelor interne este esenţială pentru stabilirea diagnosticului, dar şi a tratamentului
adecvat. Metodele de vizualizare îşi propun obţinerea unor astfel de informaţii. Pentru
obţinerea informaţiilor, un factor fizic trebuie să interacţioneze cu organul investigat,
modificându-şi caracteristicile. Inevitabil, aceasta afectează organul investigat. Este de
dorit ca efectele asupra organismului să fie cât mai mici (metoda să fie cât mai puţin
invazivă). Pentru a se obţine acest lucru trebuie utilizaţi factori fizici cu energie cât mai mică (de exemplu este de preferat utilizarea radiaţiilor neionizante faţă de cele ionizante)
şi în doză cât mai mică, precum şi a unor detectoare cât mai sensibile.
Oricum, aceste metode nu trebuie să fie folosite excesiv dacă nu este strict
necesar. În acelaşi timp este obligatoriu ca informaţiile să se refere la regiuni cât mai mici
şi mai bine delimitate ale organismului (rezoluţia spaţială să fie cât mai bună). De
asemenea, factorii fizici trebuie să interacţioneze cât mai specific cu ţesuturile pentru ca
informaţiile să fie cât mai diferenţiate. Se poate mări specificitatea interacţiunilor prin
utilizarea substanţelor de contrast.
Dintre factorii fizici frecvent utilizaţi în imagistica medicală se pot menţiona:
câmpurile electromagnetice (X şi radioundele), radiaţiile ionizante emise de radioizotopi,
ultrasunetele. Un loc aparte îl ocupă termografia prin care sunt detectate radiaţiile infraroşii
emise de corpul uman, fără a aplica factori fizici din exteriorul acestuia.
Imaginile tomografice sunt imagini care pot fi obţinute cu oricare dintre factorii
fizici menţionaţi anterior. Caracteristica tehnicilor tomografice constă în posibilitatea de a
obţine imagini pe secţiuni (tomi – secţiune) ale corpului. Odată aleasă secţiunea de
investigat, aceasta este împărţită în elemente de volum, numite voxeli (volume elements).
De la fiecare voxel se obţine un semnal care reprezintă răspunsul la factorul fizic utilizat.
Semnalul provenit de la un voxel este detectat de către un dispozitiv specific (traductor) şi
prin intermediul unui convertor analogo-digital este introdus într-un calculator unde se
reconstruieşte imaginea pe baza semnalelor primite de la toţi voxelii. Fiecărui voxel îi
corespunde un element de imagine digitală numit pixel (picture element). Elementele de
imagine sunt ordonate într-o matrice, în general pătratică, cu n linii şi n coloane, astfel
încât numărul total de pixeli va fi n2. Fiecărui element (punct al imagimii) i se asociază
convenţional o anumită culoare sau nuanţă de gri şi un grad de luminozitate.
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 2 din 16
Metode ce utilizează ultrasunete Ultrasunetele sunt unde mecanice longitudinale cu frecvenţe de peste 20 kHz. În
practică fenomenul utilizat pentru obţinerea informaţiei este reflexia sunetelor pe
suprafeţele ce separă diferitele ţesuturi, metoda numindu-se ecografie. Ultrasunetele sunt
radiaţii neionizante, deci energiile implicate sunt mici şi riscurile pentru organism practic nu
există. Dezavantajul utilizării ultrasunetelor este dat de rezoluţia relativ mică.
În cazul folosirii pentru investigaţii a fenomenelor ondulatorii (reflexie, refracţie,
absorbţie etc.) limitarea rezoluţiei este dată de fenomenul de difracţie. Difracţia constă în
ocolirea aparentă a obstacolelor atunci când dimensiunea acestora este comparabilă cu
lungimea de undă a radiaţiei. Atunci când apare difracţia obiectul nici nu reflectă nici nu
absoarbe radiaţia devenind „invizibil” pentru aceasta. În cazul ultrasunetelor cu frecvenţa
ν= 2 MHz ce se propagă în ţesuturi moi (viteza fiind v ≈ 1.500 sm ) lungimea de undă
(ν
λ v= ) este de circa 0,75 mm. O astfel de rezoluţie pare suficientă, dar aceasta este
rezoluţia maximă teoretic posibilă, în practică intervenind şi alte cauze ale limitării ei.
Soluţia poate părea creşterea frecvenţei ultrasunetelor utilizate dar aceasta implică atât
dificultăţi tehnice cât şi creşterea energiei ultrasunetelor cu mărirea efectelor asupra
organismului.
Ecografia Reprezintă o clasă de metode de investigaţie din care fac parte ecografiile de tip
2D, 3D, 4D (3D în timp real) şi Doppler. Toate aceste metode se bazează pe reflexia
ultrasunetelor pe suprafeţele de separaţie dintre diferitele regiuni din corpul uman. Un
generator (de obicei piezoelectric) de ultrasunete emite un puls foarte scurt şi
unidirecţional de ultrasunete (cu frecvenţă fixă, de obicei între 2 şi 20 MHz). Pentru a
micşora reflexia ultrasunetelor pe suprafaţa pielii, fenomen care ar duce la pierderea în
cea mai mare parte a energiei undei pătrunse în corp, se aplică pe corp o substanţă
(parafină, de exemplu) care asigură, practic, pătrunderea ultrasunetelor în corp fără reflexii
(adaptarea de impedanţă) Undele sunt reflectate de diferitele suprafeţe interne (ecou) şi
recepţionate de un detector (în general cristalul care emite ultrasunetele este şi detector).
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 3 din 16
Schema de principiu a ecografului
Se măsoară timpii scurşi între emiterea pulsului de ultrasunete şi recepţionarea
ecourilor, iar un calculator, cunoscând viteza de propagare a ultrasunetelor (în ţesuturile
moi de circa 1.500 sm ), va calcula distanţele până la punctele în care au avut loc reflexiile.
Apoi se emite un puls pe o altă direcţie la un mic unghi faţă de prima. În final se baleiază
un arc de cerc, iar calculatorul, pe baza distanţelor calculate, generează o imagine.
Dacă se folosesc simultan mai multe sonde de ultrasunete plasate convenabil,
imaginile plane (2D) pot fi asamblate de calculator şi transformate în imagini
tridimensionale, iar dacă dispunem de un calculator puternic şi de programele adecvate,
imaginile tridimensionale pot fi obţinute practic instantaneu (ecografie 4D sau 3D real-
time). Evident în ecografia 4D se obţin mult mai multe informaţii decât în cea 2D.
Ecografia Doppler Utilizează modificarea frecvenţei undelor la reflexia pe obiecte aflate în mişcare
pentru a determina viteza de deplasare a acestora ştiindu-se că frecvenţa undei reflectate
pe ele depinde de viteza lor.
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 4 din 16
Dacă reflexia are loc pe hematii se poate determina viteza de curgere a sângelui
în inimă sau vase sanguine, regimul de curgere (laminar sau turbulent), volumul care
curge în unitatea de timp etc. Înregistrările pot fi făcute utilizând pulsuri de ultrasunete
(PWD- Pulsed Wave Doppler) caz în care emiţătorul şi detectorul pot fi acelaşi cristal sau
în regim de emisie şi recepţie continuă (CWD- Continuu Wave Doppler) caz în care
emiţătorul şi detectorul vor fi cristale diferite. CWD este utilizată mai ales pentru
investigarea cordului (regiunea investigată este bine delimitată dar determinarea vitezelor
nu este foarte precisă) iar PWD este utilizată atât în investigarea inimii cât şi a vaselor
sanguine (regiunea investigată este mai puţin bine delimitată în schimb vitezele sunt
determinate cu acurateţe).
Principiul ecografiei Doppler
Metode care folosesc radiaţii electromagnetice
Aceste metode se bazează pe absorbţia emisia şi, eventual, re-emisia diferenţiată
de către diferitele ţesuturi a anumitor tipuri de radiaţii electromagnetice. În practică
radiaţiile utilizate sunt radiaţiile infraroşii în termografie, X (Roentgen) în radiografie,
radioscopie şi tomografia (tehnică de obţinere a imaginilor de secţiuni) computerizată (CT),
şi radioundele în tehnicile RMN (în acest din urmă caz corpul trebuie plasat într-un câmp
magnetic variabil de intensitate mare). Radiaţiile X sunt radiaţii ionizante, deci la doze mari
ele ar putea fi periculoase pentru organism. În aparatele moderne se folosesc însă
detectori de mare sensibilitate, iar fasciculele de radiaţii sunt bine colimate (direcţionate)
ceea ce reduce spre zero riscurile atât pentru pacient cât şi pentru personalul de deservire
(care nici nu stă în camera în care are loc investigaţia). Oricum, dat fiind faptul că efectele
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 5 din 16
radiaţiilor ionizante sunt cumulative în timp, astfel de investigaţii nu trebuie repetate la
intervale mici de timp dacă nu este strict necesar.
Radioundele sunt radiaţii neionizante, deci practic ele nu sunt periculoase, dar
rămân insuficient cunoscute efectele câmpurilor magnetice intense şi variabile. Acestea nu
pot avea totuşi efecte specifice mari asupra unor structuri deoarece câmpul magnetic nu
poate transfera direct energie particulelor.
Termografia
Reprezintă o tehnică de înregistrare a radiaţiilor infraroşii emise de suprafaţa
corpului uman (practic o fotografie în infraroşu). Emisia de radiaţii infraroşii este
dependentă de temperatură astfel încât înregistrarea emisiei în infraroşu permite
determinarea cu mare precizie a temperaturii (se pot determina diferenţe mai mici de
0,1 ˚C, şi de aceea este necesar ca, înainte de termografie, pacientul dezbrăcat să stea
nemişcat 20 de minute la o temperatură de circa 21ºC şi în absenţa curenţilor de aer,
pentru ca datele obţinute să aibă semnificaţie diagnostică). La rândul ei, temperatura este
determinată de activitatea locală (metabolică, circulatorie etc.). Determinarea diferenţelor
de temperatură între diferite regiuni ca şi a modificărilor de temperatură, în timp, în acelaşi
loc permite semnalarea modificărilor de structură şi/sau funcţie a diverselor organe chiar şi
înainte de declanşarea bolii. Aceasta permite diagnosticarea unei multitudini de boli
(cancere, infecţii, afecţiuni tiroidiene etc.). De remarcat că metoda este total neinvazivă iar
costurile sunt mici.
Sindromul Raynaud – atacuri vasospastice care determina vasoconstricţia capilarelor
de la extremităţi
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 6 din 16
Radiografia şi radioscopia. Radiaţiile X Radiaţiile X pot fi privite din două puncte de vedere: ondulatoriu şi corpuscular. Din
punct de vedere ondulatoriu, ele sunt unde electromagnetice cu lungimea de undă
cuprinsă aproximativ în intervalul 0,1 – 100 Å (1Å = 10-10 m). Din punct de vedere
corpuscular, ele sunt fotoni cu energii de circa 0,1 – 100 keV (1 eV = 1,6·10-19 J). Cele
două moduri de a privi radiaţiile X, deşi aparent contradictorii, sunt de fapt complementare
aşa cum rezultă din teoria dualismului undă – corpuscul. Dat fiind faptul că energia
radiaţiilor X este superioară energiei de ionizare (de circa 10 eV), ele fac parte din
categoria radiaţiilor ionizante ca şi radiaţiile nucleare, putând avea aceleaşi efecte ca şi
acestea.
Radiaţiile X pot fi produse în două moduri:
1. prin frânarea bruscă a electronilor puternic acceleraţi (deci având energii cinetice mari)
caz în care se numesc radiaţii X de frânare şi au un spectru continuu (conţin toate
lungimile de undă dintr-un anumit domeniu)
2. prin dezexcitarea electronilor pe un nivel interior al unui atom greu caz în care radiaţiile
se numesc radiaţii X caracteristice şi au un spectru discret (sunt prezente doar radiaţii
cu anumite lungimi de undă bine precizate)
În practică se folosesc mai ales radiaţiile X de frânare. Obţinerea lor presupune
două etape, prima constând în obţinerea unui fascicul de electroni de energie mare, iar a
doua, frânarea bruscă a acestora pe ţinte metalice cu generarea de radiaţii X. În radiologie
ambele procese se petrec într-un tub Coolidge, obţinându-se radiaţii X de energie nu
foarte mare. Atunci când este nevoie de radiaţii X de energie mare (de exemplu în tratarea
cancerelor profunde), electronii de energii mari sunt produşi în acceleratoare liniare de
particule (betatroane).
Tubul Coolidge este un tub de sticlă vidat (vidul trebuie să fie destul de înaintat) şi
conţine un catod dintr-un material greu fuzibil (poate fi wolfram), încălzit prin trecerea unui
curent electric şi un anod (tot dintr-un material greu fuzibil (wolfram, molibden, reniu). Prin
încălzire catodul emite electroni (efect termoelectronic) iar electronii sunt puternic
acceleraţi de câmpul electric dintre catod şi anod (tensiunea poate depăşi 100 kV).
Tubul generator de radiaţii X trebuie plasat într-o incintă de plumb pentru a preveni
iradierea persoanelor care deservesc instalaţia. În această incintă este perforat un orificiu
îngust care permite ieşirea unui fascicul îngust şi bine colimat de radiaţii X.
În betatroane accelerarea electronilor se face tot de către câmpul electric, dar
lungimea mai mare permite obţinerea de energii mai mari.
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 7 din 16
Schema tubului Coolidge
Radiografia şi radioscopia permit obţinerea de imagini pe film fotografic sau pe un
ecran ce conţine o substanţă luminescentă (emite lumină sub acţiunea radiaţiilor X
contrastul putând fi mărit prin intermediul unui intensificator de imagine bazat pe efect
fotoelectric).
Dezavantajul metodei constă în faptul că imaginea tuturor ţesuturilor întâlnite de o
rază X vor fi suprapuse pe imagine ceea ce duce la micşorarea rezoluţiei. De asemenea,
ţesuturile cu densităţi apropiate nu sunt bine diferenţiate pe imagine. În acest caz, se
folosesc substanţe de contrast care se administrează pe cale orală sau prin injectare
pacientului, înainte de investigare. Acestea sunt substanţe ce conţin iod sau bariu
(elemente cu greutate atomică mare) şi au proprietatea de a mări absorbţia radiaţiilor X,
contrastul imaginii devenind mai bun. Astfel pot fi vizualizate, de exemplu, cavităţile
abdominale.
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 8 din 16
Schema obţinerii unei radiografii (radioscopii)
Tomografia computerizată (CT) Permite obţinerea imaginii oricărei secţiuni prin corpul uman, imaginea finală,
rezultată în urma prelucrării digitale, având o foarte mare precizie. Dacă se fac imagini ale
secţiunilor succesive acestea pot fi asamblate în imagini tridimensionale ale organelor
interne.
Emiţătorul de radiaţii X emite un flux îngust de radiaţii X pe o direcţie din
secţiunea a cărei imagine vrem să o obţinem. Radiaţiile emergente sunt detectate
(detectoarele sunt , de obicei, cu scintilaţie), iar computerul calculează absorbţia pe
direcţia investigată. Apoi emiţătorul îşi schimbă poziţia înregistrându-se absorbţia pe altă
direcţie. La o rotire completă a sursei în jurul corpului pacientului se realizează câteva sute
de mii de înregistrări care permit obţinerea câtorva sute de imagini, fiecare imagine fiind
reprezentată în calculator de către o matrice cu un număr de pixeli ce depinde de gradul
de rezoluţie dorit. Fiecare înregistrare conţine informaţii privind coeficientul de atenuare pe
câte o direcţie spaţială în cadrul secţiunii, deci atenuarea totală depinde de atenuările produse de toţi voxelii din ţesut aflat pe direcţia razei. Reprezentarea digitală a
fiecărei imagini este stocată în memoria calculatorului, unde, prin prelucrarea imaginilor
individuale se construieşte imaginea finală. Pentru a putea individualiza contribuţia unui
voxel se folosesc algoritmi care stabilesc intersecţia razelor ce străbat elementul de volum
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 9 din 16
respectiv. Pentru prelucrarea digitală a imaginii, fiecărui voxel i se asociază un număr
tomografic, iar luminozitatea punctului (pixelului) corespunzător din imagine va fi
proporţional cu acel număr (numărul tomografic se calculează pe baza coeficienţilor de
atenuare). Numărul tomografic al apei este, prin definiţie, egal cu 0; ţesuturile care au un
coeficient de atenuare mai mic decât al apei au un număr tomografic negativ, iar cele cu
un coeficient de atenuare mai mare decât al apei au un număr tomografic pozitiv. Calitatea imaginii tomografice depinde de o serie de factori care ţin atât de parametrii tehnici ai înregistrării cât şi de modul de prelucrare digitală. Prin
înregistrările realizate în planul unei secţiuni se obţine o imagine bidimensională. Pentru
realizarea unei imagini tridimensionale, pacientul poate fi translatat, astfel încât, în final să
fie asamblate datele obţinute pentru fiecare secţiune. Actualmente se folosesc, de
asemenea, instalaţii în care înregistrarea se face în spirală, fie prin deplasarea pacientului
în mod continuu, simultan cu iradierea, fie sursa de radiaţii X şi reţeaua de detectoare se
rotesc solidar în jurul corpului pacientului pe o traiectorie elicoidală. În acest caz se
folosesc algoritmi de prelucrare de alt tip decât în cazul înregistrării pe secţiuni distincte.
Pentru mărirea contrastului pe ţesuturi mai puţin dense se folosesc substanţe de
contrast ce conţin iod (care absoarbe radiaţiile X) administrate intravenos sau pe cale
orală.
Schema de principiu a tomografului computerizat
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 10 din 16
Tomografia RMN (rezonanţă magnetică nucleară în engleză NMR sau MRI)
Se bazează pe proprietatea unor nuclee (numite paramagnetice) de a absorbi
radiounde atunci când sunt plasate într-un câmp magnetic adecvat. Printre nucleele care
au această proprietate se numără protonul (nucleul de hidrogen H1), P31, Na21, Fl19.
Aceste nuclee se comportă ca nişte mici magneţi care, plasaţi într-un câmp magnetic
extern puternic, se vor orienta faţă de acesta paralel (starea excitată) sau antiparalel
(starea fundamentală), executând o mişcare de precesie în jurul unei axe orientate pe
direcţia câmpului magnetic.
Mişcarea de precesie în jurul unei axe orientate pe direcţia câmpului magnetic
Frecvenţa mişcării de precesie depinde de inducţia magnetică a câmpului şi se
află în domeniul de radiofrecvenţe, adică este de ordinul MHz. Pentru un câmp de 0.25
Tesla (2500 Gauss), la temperatura de 250C, este suficientă o diferenţă de 1 la 1 milion
între cele două populaţii (orientare paralelă şi antiparalelă) pentru a da naştere unei
magnetizări nete. Această magnetizare corespunde energiei nivelului fundamental
(orientarea paralelă) al protonului în câmp magnetic.
Pentru a trece într-o stare excitată (orientare antiparalelă), protonul trebuie să
primească din exterior o energie proporţională cu frecvenţa mişcării de precesie. Această
frecvenţă se numeşte frecvenţă de rezonanţă. Dacă asupra nucleelor aflate în câmp
magnetic se trimite un puls de radiaţie electromagnetică din domeniul de radiofrecvenţă
(radiounde), având frecvenţa egală cu cea a mişcării de precesie, nucleele respective
absorb energia prin rezonanţă şi trec pe un nivel excitat (nivel permis din punct de vedere
cuantic). În acest fel se modifică orientarea momentelor magnetice nucleare în raport cu
câmpul magnetic static.
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 11 din 16
Absorbţia pulsului de radiaţie electromagnetic având frecvenţă de rezonanţă egală cu cea a mişcării de
precesie a nucleului în jurul câmpului magnetic exterior
La întreruperea pulsului de radiofrecvenţă, nucleele excitate se dezexcită şi emit
un semnal cu aceeaşi frecvenţă ca şi cea absorbită (ecou), revenind la poziţia de aliniere
în câmp. Nucleele nu se dezexcită simultan, ci treptat, conform unei variaţii exponenţiale
în timp (relaxare exponenţială). Relaxarea este caracterizată prin timpii de relaxare
longitudinală (timpul după care magnetizarea pe direcţia paralelă cu câmpul revine la 0,63
din valoarea iniţială) şi transversală (timpul după care magnetizarea pe direcţia
perpendiculară pe câmp scade la 0,37 din valoarea de după excitare), timpi care diferă de
la un tip de nucleu la altul şi chiar la acelaşi tip în funcţie de substanţa chimică căreia îi
aparţine. Nu numai timpii de relaxare, ci şi frecvenţele de rezonanţă pentru diferite nuclee
sau izotopi ale acestora diferă. De exemplu, pentru un câmp de 0,1 T (1000 Gauss)
frecvenţa de rezonanţă a protonilor este 4,2 MHz, iar a fosforului 1,7 MHz. Această
specificitate permite explorarea selectivă a diferitelor specii de nuclee, prin utilizarea unor
frecvenţe adecvate ale pulsurilor de radiofrecvenţă. În materialele biologice există o serie
de nuclee cu proprietăţi magnetice (1H, 13C, 23Na, 31P, 39K). Cel mai abundent, însă, este
protonul (nucleul de hidrogen) datorită conţinutului mare în apă al organismului. De aceea,
metoda RMN este una dintre metodele neinvazive de elecţie pentru studiul apei în
sistemele biologice. De asemenea, metoda RMN este intens folosită pentru studiul
modificării în timp a concentraţiei unor molecule ce conţin fosfor (ATP, fosfatul anorganic
din muşchi).
În practică, un puls foarte scurt de radiounde aduce nucleele în starea excitată iar
detectoarele înregistrează radioundele (de aceeaşi frecvenţă cu cele care au produs
excitaţia) re-emise de nuclee la dezexcitare. Absorbţia radioundelor (de frecvenţă fixă) nu
poate avea loc decât la o valoare bine precizată a câmpului magnetic. Punctul în care are
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 12 din 16
loc absorbţia poate fi ales prin crearea unui gradient de câmp magnetic cu ajutorul unor
bobine în interiorul cărora sunt plasate şi dispozitivele care generează radioundele.
Tomografia RMN permite obţinerii imaginilor distribuţiei oricăruia din aceste nuclee precum
şi monitorizarea proceselor la care acestea iau parte.
Schema tomografului RMN este aceeaşi cu a tomografului de raze X, doar că
pacientul trebuie plasat în interiorul unui electromagnet ce creează un câmp magnetic
foarte intens (0,05 – 3 T aproximativ de 20.000 de ori câmpul magnetic terestru). Foarte
importante sunt însă şi metodele (din păcate, puţin utilizate în România) care permit
urmărirea proceselor metabolice în care sunt implicate diverse nuclee paramagnetice.
Urmărirea proceselor metabolice poate fi suprapusă peste imaginea anatomică.
Schema de principiu a unui tomograf RMN
În general, contrastul imaginilor este foarte bun şi fără utilizarea substanţelor de
contrast dar în cazuri speciale pot fi folosite şi astfel de substanţe (de exemplu substanţe
pe bază de Gadolin care reduc timpul de re-emisie a radioundelor de către protoni făcând
ca imaginea să fie mai luminoasă).
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 13 din 16
Metode bazate pe radioizotopi Aceste metode presupun introducerea în organism a nucleelor radioactive
(emiţătoare de radiaţii nucleare). Evident aceasta presupune riscuri pentru organism şi de
aceea se impun unele restricţii în utilizarea lor (de exemplu în cazul femeilor gravide, a
copiilor etc.). Izotopii radioactivi nu sunt introduşi ca atare în organism, ci sunt inseraţi în
substanţe (substanţe marcate) implicate în funcţionarea unor organe.
Scintigrafia (SPET- single photon emission tomography)
Presupune introducerea în organism a substanţelor, specifice funcţionării
organului de investigat, marcate cu izotopi radioactivi emiţători de radiaţii γ, de energie
mică. Introducerea substanţei marcate (numit trasor radioactiv, acesta trebuie să prezinte
specificitate pentru un anumit tip de ţesut şi să aibă un timp de înjumătăţire efectivă cât
mai mic, astfel încât să se evite iradierea îndelungată a organismului) sub forma unor
compuşi usor disociabili poate fi făcută prin injectare, inhalare sau pe cale orală. După un
timp, necesar substanţei marcate pentru a ajunge în organul de investigat, cu ajutorul unui
detector de radiaţii (de obicei cu scintilaţii) ce se mişcă lent într-un plan perpendicular pe
axa centrală a corpului se înregistrează radiaţiile emise de izotopii radioactivi. Mărimea
înregistrată este activitatea radioactivă care este direct proporţională cu concentraţia
izotopului în ţesut. Pentru a obţine o imagine bidimensională a distribuţiei izotopului în
zona investigată, aceasta va fi scanată punct cu punct de către un detector de radiaţii. Cu
ajutorul unui calculator datele înregistrate privind emisia de radiaţii γ sunt transformate într-
o imagine pe monitor.
Schema de principiu a unui scintigraf
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 14 din 16
Într-o instalaţie scintigrafică modernă detectorul de radiaţii este camera gamma
(sau cameră de scintilaţie). Elementele principale ale camerei gamma sunt: colimatorul,
cristalele de scintilaţie, reţeaua de fotomultiplicatoare, analizorul de impulsuri şi monitorul.
Colimatorul are rolul de a proiecta pe cristalele scintilatoare radiaţiile provenite de la zona
investigată astfel încât să se asigure claritatea imaginii şi o cât mai bună rezoluţie.
Colimatorul este o placă groasă confecţionată dintr-un material care absoarbe puternic
radiaţiile γ, tungsten sau plumb, străbătută de o reţea de canale cilindrice înguste (sute
sau chiar mii), foarte apropiate unele de celelalte. Canalele sunt separate prin septuri a
căror grosime depinde de energia radiaţei γ folosite (de la zecimi de mm pentru radiaţii de
MeV până la câţiva mm pentru MeV). Orientarea canalelor poate fi paralelă, divergentă
sau convergentă şi determină dimensiunile imaginii. Colimatorul permite trecerea numai a
radiaţiilor γ care sosesc pe direcţia canalelor, fotonii γ care intră oblic fiind absorbiţi de
către septurile de plumb sau tungsten. Pentru a preîntâmpina riscul ca unii fotoni să
traverseze septurile, cu cât energia pe care o au este mai mare, cu atât grosimea
septurilor trebuie să fie mai mare. Există şi colimatoare cu un singur orificiu (pin-hole), prin
care se obţine o imagine răsturnată a sursei. De obicei, o instalaţie scintigrafică este
prevăzută cu mai multe colimatoare permiţând astfel alegerea celui mai adecvat unei
investigaţii date.
Cristalele scintilatoare primesc radiaţiile care au trecut prin colimator şi au rolul de a
transforma energia fotonilor γ în energie luminoasă. În ele se produc scintilaţii al căror
număr este proporţional cu numărul fotonilor absorbiţi şi a căror strălucire este
proporţională cu energia fotonilor absorbiţi. Reţeaua de fotomultiplicatoare dispuse într-o
structură hexagonală, plasată în spatele cristalelor scintilatoare, are rolul de a transforma
semnalul luminos în semnal electric prin efect fotoelectric. Semnalele fotoelectrice au
amplitudinea proporţională cu strălucirea scintilaţiilor. Fotomultiplicatoarele emit, de
asemenea, o pereche de semnale electrice (respectiv pentru poziţiile pe orizontală şi
verticală) care permit identificarea poziţiei fotonului incident. În acest fel, fascicolele de
electroni ce provin de la fotomultiplicator vor fi direcţionate în tubul catodic al monitorului
spre un anumit punct de pe ecranul fluorescent, pe care formează imaginea scintigrafică.
Analizorul de impulsuri, situat între fotomultiplicatoare şi monitor, permit trecerea
numai a semnalelor provenite de la zona investigată, pe baza unei analize spectrale a
energiei fotonilor γ incidenţi, astfel încât să poată fi decelate şi înlăturate semnalele
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 15 din 16
parazite. Aceste semnale parazite apar fie datorită fotonilor γ proveniţi din fondul natural
de radiaţii, fie în urma interacţiei fotonilor γ cu materialul străbătut.
Cu toate că prezintă unele riscuri pentru pacient scintigrafia oferă informaţii
morfologice şi funcţionale care o fac indispensabilă în unele cazuri.
Tomografia prin emisie de pozitroni (PET- positrons emission tomography)
Este o metodă asemănătoare scintigrafiei, doar că în organism se introduc trasori
metabolici activi, adică molecule cu semnificaţie biologică, marcate cu un izotop radioactiv
emiţător de pozitroni (radiaţii β+), de exemplu: 11C, 13N, 15O, 18F. Radiaţia β+ are aceeaşi
masă cu electronul şi sarcină egală cu el dar pozitivă fiind antiparticula electronului.
Nucleele acestor izotopi sunt instabile şi au tendinţa de a trece într-o formă
stabilă prin dezintegrarea unui proton într-un neutron şi un pozitron. În câteva minute de la
injectare, substanţa marcată se acumulează în organele ţintă, respectiv în zonele pentru
care aceasta are cea mai mare afinitate. De exemplu, glucoza marcată cu 11C (timp de
înjumătăţire 20 min.) se acumulează în creier, locul în care glucoza este utilizată ca sursă
primară de energie. Nucleele radioactive se dezintegrează apoi, emiţând pozitroni care se
ciocnesc cu electronii liberi din apropiere. Se produce reacţia de anihilare din care rezultă
2 fotoni γ, având fiecare o energie de 0,514 MeV, care se îndepărtează unul de celălalt în
direcţii diametral opuse. Fotonii γ sunt detectaţi de către o pereche de detectoare situate la
1800 unul faţă de celălalt , care se rotesc solidar.
Prin intermediul unui circuit de coincidenţă, se iau în consideraţie numai fotonii
detectaţi simultan. După detectarea unui număr foarte mare (sute de mii) de reacţii de
anihilare, se calculează distribuţia emiţătorilor de pozitroni prin procedee de reconstrucţie
BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE MG 2009
Pagina 16 din 16
tomografică. Se poate reconstitui în acest mod o imagine bidimensională a distribuţiei
izotopului în ţesutul investigat. Se pot realiza reconstrucţii nu numai pentru secţiuni
transversale, ci şi pentru secţiuni înclinate şi, de aemenea, se pot realiza reconstrucţii
tridimensionale.
Schema unui detector PET- scan
Metoda este foarte sensibilă, permiţând observarea unor fenomene fiziologice
cum ar fi metabolismul glucozei, transportul oxigenului, sinteza proteinelor etc.. Ea permite
chiar diagnosticarea tendinţelor de îmbolnăvire de exemplu în cazul cancerelor sau a bolii
Alzheimer prin identificarea modificărilor de metabolism (de exemplu în cazul celulelor
canceroase are loc o metabolizare mai rapidă a glucozei). Diagnosticarea înainte de
declanşarea bolii (în cazul bolii Alzheimer chiar cu ani înainte) permite terapii care să
prevină sau măcar să încetinească evoluţia bolii.