Tomasz Zyss

AUTORZY

Piotr Augustyniak

Marta Baewicz

Krzysztof Boryczko

Jarosaw Buka

Kvtoslava Burda

Jan Chopek

Katarzyna Chmurzyska

Wiesaw Chwaa

Klaudia Czopek

Zbigniew Damijan

Marzena de Odrow Piramowicz

Henryk Figiel

Barbara Fusiska

Janusz Gajda

Magorzata Gajda

Joanna Grabska-Chrzstowska

Jerzy Haduch

Agnieszka Haas

Magdalena Igras

Andrzej Izworski

Joanna Jaworek

Eliasz Katoch

Cezary Kasprzak

Maciej Kaczyski

Joanna Koleszyska

Andrzej Kononowicz

Przemysaw Korohoda

Marcin Kurdziel

Pawe Maciejasz

Dorota Marszalik

Stanisaw Mazurkiewicz

Jerzy A. Moczko

Adam Mysiak

Lidia Ogiela

Marek R. Ogiela

Aleksandra Orzechowska

Tomasz Orzechowski

Mieczysaw Pasowicz

Roman Paniczek

Jacek A. Pietrzyk

Jacek J. Pietrzyk

Tomasz Piciak

Monika Piwowar

Piotr Radkowski

Jakub Radliski

Dariusz Radomski

Irena Roterman

Andrzej Samek

Magorzata Siuta

Magdalena Smole

Ryszard Tadeusiewicz

Magdalena Tkacz

Barbara Tomaka

Waldemar Tomalak

Marcin Vogelsinger

Wiesaw Wajs

Tomasz Waller

Marta Wasilewska-Radwaska

Magorzata Wodarczyk

Ireneusz Wochlik

Pawe Wooszyn

Wiesaw Wszoek

Damian Zapart

Mirosawa Zazulak

Tomasz Zieliski

Mariusz Ziko

Spis treci

Ryszard Tadeusiewicz0.0.A. Wstp ..................................................................................................................................... 11

Mirosawa Zazulak, Klaudia Czopek, Joanna Jaworek oraz pozostali czonkowieKoa Naukowego Bioinynierii IMPANT0.0.B. Od koncepcji do realizacji, czyli jak powstawaa niniejsza ksika................................ 17

CZ 1DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

Ryszard Tadeusiewicz1.0.A. Wprowadzenie: Zgadnij kotku, co mam w rodku ................................................... 21

Mirosawa Zazulak1.0.B. Tam sigaj, gdzie wzrok nie siga............................................................................................ 24

Ryszard Tadeusiewicz, Marek R. Ogiela1.1.A. Radiodiagnostyka............................................................................................................................... CD

Mirosawa Zazulak1.1.B. Promienie X w diagnostyce medycznej .................................................................................. CD

Ryszard Tadeusiewicz, Marek R. Ogiela1.2.A. Tomografia komputerowa ................................................................................................... 26

Klaudia Czopek, Mirosawa Zazulak1.2.B. Tomografia komputerowa ...................................................................................................... CD

Henryk Figiel, Jerzy Haduch, Mieczysaw Pasowicz1.3.A. Obrazowanie magnetyczno-reznansowe ................................................................................ CD

Magorzata Wodarczyk1.3.B. Rezonans magnetyczny ........................................................................................................ 31

Marta Wasilewska-Radwaska1.4.A. Obrazowanie radioizotopowe medycyna nuklearna ...................................................... 37

Klaudia Czopek, Mirosawa Zazulak1.4.B. Obrazowanie radioizotopowe ................................................................................................. CD

Joanna Grabska-Chrzstowska1.5.A. PET pozytonowa tomografia emisyjna ............................................................................ 43

Magorzata Wodarczyk1.5.B. PET to nie zwierztko, tylko metoda obrazowania ........................................................... 46

Przemysaw Korohoda, Jacek A. Pietrzyk1.6.A. Termografia w zastosowaniach medycznych ......................................................................... CD

Mirosawa Zazulak1.6.B. Termografia .......................................................................................................................... 51

5

Ryszard Tadeusiewicz, Marek R. Ogiela1.7.A. Ultrasonografia ....................................................................................................................... CD

Mirosawa Zazulak1.7.B. Ultrasonografia ....................................................................................................................... CD

Marek R. Ogiela, Ryszard Tadeusiewicz1.8.A. Rozpoznawanie i komputerowe rozumienie obrazw medycznych....................................... CD

CZ 2DIAGNOSTYKA ELEKTRONICZNA:JAK Z POMOC MASZYNY LEDZI PROCESY YCIOWE

Ryszard Tadeusiewicz2.0.A. Organizm ludzki jako rdo sygnaw .............................................................................. 57

Piotr Augustyniak2.1.A. Elektrokardiografia................................................................................................................. CD

Tomasz Piciak2.1.B. Elektrokardiografia ................................................................................................................. CD

Zbigniew Damijan, Cezary Kasprzak, Tomasz Zyss2.2.A. Elektroencefalografia ............................................................................................................. CD

Magdalena Smole2.2.B. Elektroencefalografia ........................................................................................................... 59

Joanna Grabska-Chrzstowska2.3.A. Inne elektrografie.................................................................................................................... CD

Magdalena Smole2.3.B. Inne elektrografie.................................................................................................................... CD

Jarosaw Buka, Ireneusz Wochlik, Andrzej Izworski2.4.A. Potencjay wywoane w mzgu (ABR) ................................................................................ 63

Wiesaw Wszoek2.5.A. Analiza dwikw mowy dla celw medycznych.................................................................. CD

Klaudia Czopek2.5.B. Rodzaje wytwarzania gosu .................................................................................................... CD

Andrzej Izworski, Jarosaw Buka, Ireneusz Wochlik2.6.A. Techniczne wsparcie diagnostyki systemu suchowego......................................................... CD

Katarzyna Chmurzyska, Tomasz Orzechowski, Piotr Radkowski2.7.A. Analiza drenia ....................................................................................................................... CD

Janusz Gajda2.8.A. Metrologia w systemach biomedycznych ........................................................................... 68

Barbara Tomaka2.8.B. Metrologia w systemach biomedycznych............................................................................... CD

Waldemar Tomalak, Jakub Radliski2.9.A. Pomiary waciwoci ukadu oddechowego ........................................................................ 77

6

SPIS TRECI

Tomasz Zieliski2.10.A. Podstawy analizy i przetwarzania sygnaw biomedycznych ............................................. 84

Jerzy A. Moczko2.11.A. Wykorzystanie instrumentacji wirtualnej w medycynie ...................................................... CD

CZ 3TECHNIKA W SUBIE TERAPII ORAZ SZTUCZNE NARZDY:MASZYNA W CIELE CZOWIEKA

Ryszard Tadeusiewicz3.0.A. Od piguki do maszyny......................................................................................................... 97

Andrzej Izworski3.1.A. Terapia narzdu suchu ....................................................................................................... 99

Marta Wasilewska-Radwaska3.2.A. Terapia radioizotopowa, radiochirurgia ................................................................................. CD

Pawe Wooszyn3.3.A. Interfejs dla osb niepenosprawnych ................................................................................ 102

Stanisaw Mazurkiewicz3.4.A. Bioprotezy .............................................................................................................................. CD

Magdalena Igras3.4.B. Protezy biomechaniczne ....................................................................................................... 109

Joanna Grabska-Chrzstowska3.5.A. Rozruszniki serca.................................................................................................................. 113

Jacek A. Pietrzyk, Przemysaw Korohoda3.6.A. Sztuczna nerka........................................................................................................................ CD

Klaudia Czopek, Dorota Marszalik3.6.B. Sztuczna nerka ........................................................................................................................ CD

Zbigniew Damijan, Magorzata Gajda3.7.A. Fizykoterapia .......................................................................................................................... CD

Roman Paniczek3.8.A. Neuroprotezy stosowane w przypadkach uszkodze orodkowego ukadu nerwowego ........ CD

CZ 4BIOMATERIAY: TO CO PODPOWIADA NATURA...

Jan Chopek4.0.A. Biomateriay: naladowanie budowy i odtwarzanie funkcji naturalnych

struktur biologicznych ......................................................................................................... 121

Marta Baewicz4.1.A. Kiedy ywy organizm toleruje obcy materia czyli kilka sw na temat biozgodnoci ...... CD

Marta Baewicz4.2.A. Biomateriay do sterowanej regeneracji tkanek...................................................................... CD

7

SPIS TRECI

Eliasz Katoch4.2.B. Endoprotezy............................................................................................................................ CD

Wiesaw Chwaa, Pawe Maciejasz4.3.A. Wizualizacja ruchu systemy rejestracji ruchu i ich zastosowanie ................................ 132

Wiesaw Wszoek, Maciej Kaczyski4.4.A. Mechanika wytwarzania gosu ............................................................................................... CD

Andrzej Samek4.5.A. Czym jest i do czego dy bionika? ....................................................................................... CD

CZ 5BIOINFORMATYKA: ZROZUMIE I ODTWORZY W KOMPUTERZE WIAT OYWIONY

Magdalena Tkacz5.0.A. Bioinformatyka c to za hybryda? ................................................................................. 143

Marcin Vogelsinger5.0.B. Bioinformatyka czym si tu mona zaj? .......................................................................... CD

Monika Piwowar, Irena Roterman5.1.A. Projekt Sekwencjonowania Ludzkiego Genomu.................................................................... CD

Mirosawa Zazulak5.1.B. Korzyci pynce z zastosowania wiedzy o genomach przykady .................................. 147

Magdalena Tkacz5.2.A. Technologia mikromacierzy ................................................................................................ 150

Tomasz Waller5.2.B1. Technologia mikromacierzy analiza niskiego poziomu .................................................... CD

Damian Zapart5.2.B2. Technologia mikromacierzy analiza wysokiego poziomu................................................. CD

Magdalena Tkacz5.3.A. Przechowywanie danych i bioinformatyczne bazy danych .................................................... CD

Adam Mysiak5.3.B. Formaty przechowywania danych i bioinformatyczne bazy danych ...................................... CD

Magdalena Tkacz5.4.A. Jak wygldaj bioczsteczki w trzech wymiarach i dlaczego jest to istotne? ............. 157

CZ 6INFORMATYKA MEDYCZNA: LUDZKIE DANE W CZELUCIACH MASZYN

Ryszard Tadeusiewicz6.0.A. Bez komputerw ani rusz! .................................................................................................. 165

Tomasz Piciak6.0.B. Informatyka medyczna moc obliczeniowa ycia ................................................................. CD

Andrzej Kononowicz, Irena Roterman6.1.A. Szpitalny System Obsugi Pacjenta ..................................................................................... 166

8

SPIS TRECI

Magorzata Siuta, Tomasz Piciak6.1.B. Szpitalny System Obsugi Pacjenta ........................................................................................ CD

Wiesaw Wajs, Jacek J. Pietrzyk6.2.A. Specjalizowane archiwa medyczne, bazy danych .................................................................. CD

Tomasz Piciak6.2.B. Specjalizowane archiwa medyczne, bazy danych ................................................................. CD

Joanna Jaworek6.3.B. Podstawy telemedycyny ......................................................................................................... CD

Ryszard Tadeusiewicz6.4.A. Sieci neuronowe i inne systemy sztucznej inteligencji dla medycyny .............................. 178

Joanna Jaworek6.4.B. Sieci neuronowe i inne systemy sztucznej inteligencji dla medycyny ................................... CD

Marcin Kurdziel, Krzysztof Boryczko6.5.A. Metody klasteryzacji wizualizacyjnej w zastosowaniu do rozpoznawania wzorcw

w danych biomedycznych ...................................................................................................... CD

Lidia Ogiela6.6.A. Techniki sztucznej inteligencji w systemach informacyjnych korzystajcych

z kognitywnej analizy danych ................................................................................................ CD

CZ 7BIOCYBERNETYKA: IMITACJA YCIA W MASZYNIE

Ryszard Tadeusiewicz7.0.A. Modele systemw biologicznych i ich zastosowania .......................................................... 191

Joanna Koleszyska7.0.B. Bionika, biomimika i bioinspiracja ..................................................................................... 193

Kvtoslava Burda7.1.A. Modelowanie organizmw ywych........................................................................................ CD

Krzysztof Boryczko7.2.A. Modelowanie przepywu krwi w naczyniach wosowatych ............................................... 198

Joanna Koleszyska7.2.B. Modelowanie zjadania cukierkw ................................................................................... 207

Waldemar Tomalak7.3.A. Modelowanie systemu oddechowego ..................................................................................... CD

Barbara Fusiska7.4.A. Algorytmy komputerowe inspirowane natur ........................................................................ CD

Joanna Jaworek7.4.B. Algorytmy komputerowe inspirowane natur ........................................................................ CD

9

SPIS TRECI

Dariusz Radomski7.5.A. Prokreacja widziana okiem biocybernetyka ........................................................................... CD

Mariusz Ziko, Jacek A. Pietrzyk, Przemysaw Korohoda7.6.A. Modelowanie hemodializy, terapii nerkozastpczej .......................................................... 214

Klaudia Czopek7.6.B. Modelowanie hemodializy, terapii nerkozastpczej .......................................................... 222

Magdalena Tkacz7.7.A. Czy dziaam jak automat skoczony? .................................................................................... CD

Kvtoslava Burda7.8.A. Fotosynteza lekiem na wszystko? ....................................................................................... CD

Agnieszka Haas, Marzena de Odrow Piramowicz, Aleksandra Orzechowska7.8.B. Dlaczego warto podglda fotosyntez? ............................................................................. 225

AFILIACJE AUTORW.................................................................................................................... 231

SPIS TRECI

11

0.0.A. Wstp

Inynieria biomedyczna jest now dyscyplin naukow, ktrej zakres tematyczny, waciwo-ci oraz perspektywy nie s jeszcze powszechnie znane. Dlatego studenci rozpoczynajcystudia na kierunku inynieria biomedyczna niezupenie wiedz co ich czeka (zarwno na stu-diach, jak i po ich ukoczeniu), za maturzyci zastanawiajcy si, jaki kierunek studiwwybra, te maj liczne wtpliwoci i zwizane z nimi rozterki.

Wychodzc naprzeciw potrzebom wskazanych grup, a take wszystkich aktualnych i po-tencjalnych sympatykw inynierii biomedycznej, podjlimy prb napisania ksiki, ktrabdzie dawaa ogln i przegldow orientacj w problematyce tej dziedziny nie wchodzcoczywicie na taki poziom szczegowoci, ktry by spowodowa, e ta jedna ksikazastpiaby wszystkie podrczniki do rnych przedmiotw wchodzcych w skad inynieriibiomedycznej.

Ksika jest napisana przez dwie wzajemnie uzupeniajce si zbiorowoci autorw.Z jednej strony kade z poruszonych w ksice zagadnie jest opisane przez wysokiej klasyspecjalist, badacza i nauczyciela akademickiego, ktry o podejmowanym zagadnieniu wieniemal wszystko, co wiedzie mona, ale nie zawsze chce i moe przedstawi je w sposblekki, atwy i przyjemny tak, eby Czytelnikw nie tylko poinformowa i nauczy, ale do-datkowo zafascynowa opisywanym problemem. Dlatego w zamierzeniach dylimy dotego, eby w uzupenieniu do kadego tekstu naukowca dodany zosta rozdzia przygotowa-ny na ten sam temat przez studenta entuzjast. Ten tekst nie musia by ju tak bardzo cisy(chocia kady gwny autor rozdziau osobicie zadba o to, eby te studenckie harce nie za-wieray bdw!), ale za to musia by ciekawy i zabawny. O tym, co jest czym informujnumery poszczeglnych rozdziaw: numery zawierajce na kocu liter A dotycz tychrozdziaw, ktre s dzieem uczonych, numery zawierajce liter B wyrniaj rozdziaystudenckie. Koncepcji dwuaspektowego opisania kadego poruszanego zagadnienia nieudao si w tym wydaniu w peni zrealizowa. Z rnych wzgldw w tej wersji ksiki sjeszcze porcje wiedzy przedstawiane przez naukowcw jako opracowania A, niestety chwi-lowo bez tego wesoego i ciekawego studenckiego kontrapunktu B. Ale i tak prezentowanacao jest pod wieloma wzgldami jedyna w swoim rodzaju. Dziki fragmentom opracowa-nym przez uczonych mamy tu zagwarantowan wysok jako merytoryczn twardych i su-chych porcji rzetelnej naukowej informacji. Dziki entuzjazmowi i talentom studentw(ktrym zreszt z naturalnych powodw jest bliej do ich rwienikw i nieco modszychKolegw, do ktrych ksika jest adresowana) unikamy nudy i monotonii czysto akademi-ckiego wykadu, ktry moe nawet by najlepszy merytorycznie, ale nie speni swego zadania,jeli nie dotrze do Czytelnikw i ich nie zainteresuje.

Koncepcja ksiki przypomina wic tort znany jako pischinger (piszinger?), w ktrym naprzemian uoone s suche i twarde andruty i sodka, gadka, mikka masa czekoladowa. Tesuche andruty to eseje A opracowane przez uczonych mdre, pene treci, ale nie doprzeknicia w duej porcji. Ta mikka, zdobica i wabica masa czekoladowa to swo-bodne impresje studentw na ten sam temat oznaczane B smakowite i przyjemne w maejiloci, ale powodujce nudnoci, gdy wystpuj w nadmiarze.

12

Poczenie tych dwch stylw narracji o tym samym w gruncie rzeczy przedmiocie po-winno prowadzi do tego, e Czytelnik zalenie od swych preferencji bdzie mg skupiasw uwag albo na zabawnie (ale kompetentnie!) podanych ciekawostkach, odczytujc po-tem (lub nie) solidne wiadomoci naukowe, albo bdzie mg szybko przyswaja sobiekolejne kwanty wiedzy zwarcie i sucho opisane przez uczonych, pomijajc lub tylko po-wierzchownie przegldajc studenckie impresje i facecje na ten sam temat. Najwicej sko-rzystaj naturalnie ci Czytelnicy, ktrzy przeczytaj oba zaproponowane opisy problemu.

Ta dwoista natura sposobu przedstawiania omawianych w ksice treci znalaza swojeodbicie take w tytuach jej siedmiu gwnych czci. Kady tytu jest dwuczonowy, przyczym pierwszy czon nazywa (maksymalnie skrtowo) naukowy wtek poruszany w danejczsci, za drugi czon tytuu, bdcy jego rozwiniciem, zmierza do tego, eby moliwieprosto i ludzkim jzykiem zasygnalizowa Czytelnikowi, o czym jest mowa w tej wanieczci. Poniewa w konsekwencji takiego, a nie innego sposobu pisania ksiki oraz tytu-owania czci Czytelnik poszukujcy konkretnych informacji na zadany temat moe siczu odrobin zdezorientowany i zagubiony na pocztku kadej czci jest rozdzia wpro-wadzajcy, ktry moe by taktowany jako element merytorycznego przewodnika po tre-ciach zawartych w poszczeglnych rozdziaach oraz w caej ksice.

Jak wida, ksika, ktr Ci oddajemy do rk, jest niezwyka. Jeszcze bardziej niezwykejest to, e jest ona tylko wierzchokiem gry lodowej. W postaci wydrukowanej na papierzei oprawionej w kolorow okadk przekazujemy Ci bowiem wycznie wybrane teksty, sta-nowice w sumie mniej ni 20% tych treci, ktre udao si nam zgromadzi w ambitnymdeniu do tego, by przedstawi inynieri biomedyczn moliwie caociowo i moliwiedokadnie i w dodatku na dwa wyej omwione sposoby. Po zebraniu wszystkich artykuwnapisanych przez uczonych i wszystkich dywagacji przygotowanych przez studentwokazao si bowiem, e objto ksiki, ktra by powstaa przy zaoeniu, e to wszystkowydrukujemy, przekraczaaby 1500 stronic

Taka gruba ksiga zdecydowanie nie speniaby swojej roli jako co, co przedstawiainynieri biomedyczn w sposb lekki, atwy i przyjemny! Aby wic pokaza Czytelni-kom chocia cz urokw tej dziedziny wiedzy, ale jednoczenie nie zanudzi nadmiaremnaukowych szczegw, autorzy zdecydowali si wybra niektre fragmenty i te wanieumieci w ksice, natomiast cao tekstu umieszczono na dysku CD, znajdujcym si nakocu ksiki.

Spis treci pokazuje cao zawartoci ksiki (oraz jej ogln koncepcj). Jednak tylkote rozdziay, ktrych tytuy wytuszczono w spisie treci, s umieszczone w ksice. To jestta widoczna cz gry lodowej. Natomiast na CD znajduje si caa reszta. To jest ta pod-wodna cz gry lodowej. Wystarczy jednak woy CD do dowolnego komputera a gralodowa wyoni si w caym swoim ogromie i piknie

Pragn z naciskiem podkreli, e podzia na cz drukowan i cz oferowan wy-cznie w postaci dysku CD nie przebiega wedug linii oddzielajcej opracowania lepszei gorsze. Z ca odpowiedzialnoci zapewniam, e w czci oferowanej wycznie na dyskuCD (podwodna cz gry lodowej) znajduj si liczne bardzo wartociowe opracowania,ktrych przeczytanie nie tylko wzbogaci Czytelnika intelektualnie, ale dodatkowo takesprawi w wielu przypadkach spor przyjemno ze wzgldu na ciekawy i inspirujcy sposb,w jaki podane s te wanie czci inynieryjno-biomedycznej wiedzy.

13

Dlatego gorco zachcam do tego, by siga zarwno do tych artykuw, ktre s wydruk-owane na papierze, jak i do tych, ktre s na dysku, bowiem jedynym kryterium podziaubya atrakcyjna i zwarta forma prezentacji. Te wydrukowane na papierze rozdziay byypo prostu krtsze, zabawniejsze oraz adniej ilustrowane. Natomiast wartociow wiedzmona znale w obu czciach ksiki, wic obie zdecydowanie warto przeczyta.

Tre ksiki podzielono na siedem czci. Dlaczego siedem? Bo ta wanie liczba byauwaana za wit przez Babiloczykw, bo tyle jest dni w tygodniu, bo bo po prostu taksi nam ta wiedza o inynierii biomedycznej samopoukadaa. W kadej czci jest od kilkudo kilkunastu rozdziaw opisujcych rne zagadnienia, ktre wprawdzie nie wyczerpujwszystkich kwestii, ale stanowi cakiem udany zbir szkicw, ktre wzite razem skadajsi w sumie na portret nowej i piknej dziedziny, jak jest inynieria biomedyczna.

Dziedziny nowej, bo rne opisywane w ksice maszyny wspomagaj prac lekarzy odniedawna; poprzednio medyk zdany by gwnie na wasne rce i wasn gow. Dziedzinypiknej, bo c moe by pikniejszego od dziea ratujcego zdrowie i ycie czowieka? Odsiebie dodam, e dziedziny naprawd fascynujcej. Mam nadziej, e po przeczytaniuksiki przyznasz mi racj!

A oto, co w niej znajdziesz:

Pierwsza cz ksiki opisuje metody, z pomoc ktrych wspczesny lekarz moe doswobodnie zajrze w gb ciaa czowieka i obejrze chory narzd, widzc nie tylko jego roz-miar i ksztat (ewentualnie zmieniony chorob), ale take podgldajc jego funkcje czasemprawidowe, a czasem ujawniajce chorob. T cz zatytuowalimy: Diagnostyka obrazo-wa, dodajc do tego uzupenienie: Jak maszyny widz ludzi. Czytajc ten rozdzia zrozu-miesz, e przed wspczesn technik biomedyczn nic si nie ukryje!

Druga cz traktuje o tym, jak z pomoc elektroniki mona ledzi to, co niewidoczne dlaoka, a dla medyka niezwykle wane: procesy toczce si w poszczeglnych narzdach. Dla-tego cz ta ma podstawowy (powany i dostojny) tytu: Diagnostyka elektroniczna, alez nieco frywolnym rozszerzeniem: Jak z pomoc maszyny ledzi procesy yciowe. Po prze-czytaniu tej czci bdziesz wiedzia, co znacz tajemnicze linie krelone na papierze lub wy-wietlane na ekranach nowoczesnej aparatury diagnostycznej, a take dowiesz si, jak kom-putery pomagaj nam w rozumieniu tego, co z tych wszystkich wykresw wynika.

Trzecia cz ksiki przechodzi od diagnostyki do terapii. Okazuje si, e mdre ma-szyny budowane przez mdrych ludzi (oczywicie ci najmdrzejsi to inynierowie zajmujcysi technik biomedyczn) potrafi coraz skuteczniej leczy. Ju nie piguka, ale maszynapomaga odzyska utracone zdrowie, za tam, gdzie leczenie jest ju niemoliwe technikazastpuje utracony narzd jego technicznym alter ego (rozrusznik serca, sztuczna nerka, neu-roprotezy itp.). Std uzupenienie tytuu tej czci ksiki: Maszyna w ciele czowieka. Niebjmy si jej!

Rwnie budulec biologiczny, czyli tkanki, z ktrych zbudowane s czci naszego ciaa,mona zastpowa tworami techniki. Ju w ciaach mumii egipskich znale mona sztucznezby z koci soniowej, ale wspczesna inynieria materiaowa posza znacznie dalej i po-trafi dzi wytworzy absolutnie dowolne sztuczne substancje, ktre nigdy wczeniej nie ist-niay w Naturze, a ktre w razie potrzeby zastpi albo wzmocni ko, pozwol wymienizerwane cigno, zastpi skr poparzonemu czowiekowi lub uzupeni uszkodzon y.

14

Materiay takie trzeba jednak wytwarza w taki sposb, by ywy organizm je zaakceptowa,przyj jak swoje dlatego twrcy biomateriaw bardzo uwanie wsuchuj si w to co pod-powiada natura i tak wanie zatytuowalimy czwart cz naszej ksiki.

Nie wystarczy diagnozowa chorb, gdy ju zaistniej, oraz leczy ludzi, gdy ju tym cho-robom ulegli. Trzeba prbowa zapobiega problemom medycznym z wyprzedzeniem.W tym celu trzeba jednak najpierw zrozumie, czym jest ycie i jaka jest jego natura. Moe-my pomc samym sobie, a zwaszcza moemy ustrzec przed problemami medycznymi na-stpne pokolenia, dociekajc najgbszych przyczyn tych problemw i ledzc najbardziejfundamentalne procesy, skadajce si na fenomen ycia. ycie jest bowiem fenomenem, kt-rego nie wyjani anatom badajcy budow ciaa, ani fizjolog ledzcy funkcjonowanie jegoskadnikw. aden atom budujcy nasze ciao sam z siebie ywy nie jest natomiast odpo-wiednie nagromadzenie i poczenie tych atomw sprawia, e materia zyskuje nowy atrybut staje si ywym organizmem.

Klucz do zrozumienia tych procesw ukryty zosta bardzo gboko w strukturze molekubudujcych ywe organizmy, a zwaszcza w tajemniczym wiecie genw. Dzi wiemyo strukturze genomu czowieka bardzo duo, prawie wszystko, ale okazao si, e ten najg-biej ukryty kod ycia, zaszyty w podwjnej spirali DNA i manifestujcy si skomplikowa-nymi przestrzennymi strukturami moleku biaka, jest niesychanie skomplikowany. Dlategonie moemy liczy na to, e potrafimy porusza si wrd tych tajemnic, posugujc siwycznie nasz pamici, zbyt ma jak na te potrzeby i naszymi moliwociami mylowejanalizy skomplikowanych zalenoci, zbyt ubogimi w porwnaniu ze zoonoci rozwizy-wanych zada.

Na szczcie w tym samym czasie, gdy biochemikom udao si rozszyfrowa kod yciazawarty w genomie czowieka, informatykom udao si wytworzy narzdzia, o wiele pot-niejsze od umysu czowieka, z pomoc ktrych wszystkie te biochemiczne fakty monazgromadzi razem i sprawnie z nich korzysta przy rozwizywaniu konkretnych problemw.T najciekawsz chyba intelektualn przygod Ludzkoci opisujemy w pitej czci, zatytu-owanej: Bioinformatyka: Zrozumie i odtworzy w komputerze wiat oywiony.

Komputery pomog nam w zrozumieniu istoty ycia, przyczyn chorb, sposobw ich le-czenia, a take otworz nam w co wierzymy drog do skutecznej profilaktyki, czyli zapo-biegania chorobom, zanim si pojawi. To wszystko bdzie jednak dopiero jutro, bo dzisiajbiedz si dopiero nad tym liczne zastpy uczonych, mozolnie wydzierajcych Przyrodzie jejpilnie strzeone tajemnice. Ale komputery mog nam pomc w medycynie take dzi, oferu-jc doskonalsze metody obsugi pacjentw w szpitalach, gromadzenia informacji medycz-nych w bazach danych i analizowania ich z wykorzystaniem bardzo zaawansowanych tech-nik tak zwanej sztucznej inteligencji. Zajmuje si tym informatyka medyczna opisana w czciszstej, zatytuowanej dodatkowo: Ludzkie dane w czeluciach maszyn.

Komputery potrafi rejestrowa rne informacje i takie jest ich przeznaczenie naprzykad w szpitalach, ale potrafi rwnie wytwarza nowe informacje, modelujc alboimitujc rne twory rzeczywiste. Badanie rzeczywistoci przetworzonej do formy modelukomputerowego jest wygodniejsze, tasze, szybsze i mniej bolesne, ni badania tych sa-mych procesw czy zjawisk w rzeczywistoci. Potwierdzia si skuteczno symulacji kom-puterowej do zastosowa w technice (obecnie nikt nie buduje nowego samolotu, dopki nie

sprawdzi jego waciwoci za pomoc komputerowego modelu), ekonomii (gdzie modelekomputerowe pozwalaj przewidywa przysze wydarzenia), ekologii Najwyszy czas,eby pomoga nam take w biologii i medycynie. Dlatego w ostatniej sidmej czci ksikiopisalimy, jak buduje si cybernetyczne modele zoonych systemw biomedycznych. Za-tytuowalimy t cz: Biocybernetyka: Imitacja ycia w maszynie. Czy nie kusi Ci, ebyzosta Stwrc cybernetycznych bytw?

Przystpujc do pisania tej ksiki chcielimy zaprosi Czytelnika do wsplnej zabawy,dbajc jednoczenie, eby bawic si zdoby On jak najwicej maksymalnie uytecznychinformacji. Nie wiemy, czy (oraz w jakim stopniu) zamierzenie to udao si zrealizowa, dla-tego prosimy Czytelnikw o zgaszanie wszelkich uwag, sugestii i propozycji na tematksiki na stronie internetowej o adresie http://www.biomed.agh.edu.pl/. Postaramy si jeuwzgldni w nastpnym wydaniu!

Redaktor naukowy ksiki

Prof. dr hab. in. Ryszard Tadeusiewicz

http://www.agh.edu.pl/uczelnia/tad/

17

0.0.B. Od koncepcji do realizacji,czyli jak powstawaa niniejsza ksika

Jak kada rzecz na wiecie, rwnie dzieo, ktre w tym momencie trzymasz, ma swoj mahistori. Dla nas historia ta zacza si od niewinnego pomysu rzuconego przypadkiem przezAsi Koleszysk na spotkaniu naszego Koa Naukowego. Ponowne podjcie tematu miaomiejsce podczas spotkania Dziekana Midzywydziaowej Szkoy Inynierii Biomedycznej,prof. Piotra Augustyniaka ze starostami oraz przedstawicielami K Naukowych. Tematksiki spotka si wwczas z ogromnym zainteresowaniem ze strony Profesora, ktry na-tychmiast postanowi go dry i motywowa studentw do rozpoczcia realizacji. Przywspudziale prof. Augustyniaka oraz Opiekuna Koa Naukowego Bioinynierii IMPLANT dr. Andrzeja Izworskiego, czonkowie Koa rozpoczli wsplnie prac nad stworzeniemwstpnej wersji spisu rozdziaw ksiki Inynieria biomedyczna. Ksiga wspczesnej wie-dzy tajemnej w wersji przystpnej i przyjemnej. Z takim pierwotnym spisem, wybralimy sido prof. Ryszarda Tadeusiewicza z prob o pomoc w realizacji naszego zamierzenia. Ku na-szej wielkiej radoci, Profesor zaaprobowa nasz pomys, dajc nam wicej, ni to wyraaynasze najmielsze oczekiwania zgodzi si zosta Redaktorem niniejszej ksiki!

Po wprowadzeniu przez Profesora Tadeusiewicza poprawek w proponowanym spisie roz-dziaw, a take zmianie koncepcji ksiki, w ktrej my studenci mielimy sta si nie tylkopomysodawcami, ale wspautorami podrcznika (co w pierwszej chwili nie lada nas zasko-czyo i wrcz przerazio, bowiem nigdy wczeniej nie pisalimy adnych powaniejszychartykuw, a co dopiero ksiek), powdrowalimy do Naukowcw, ktrych nazwiska zna-lazy si w naszym planie, z prob o wczenie si do wsptworzenia ksigi Inynieria bio-medyczna (...). Bardzo miym zaskoczeniem byy dla nas reakcje przyszych Wspautorw,ktrzy przyjmowali nas z otwartymi rkami i chtnie przystali na nasz propozycj.

Stopniowo zaczynay napywa pierwsze teksty Naukowcw. Po nich pierwsi studenci na-pisali swoje kremy i w ten sposb rozpocz si okres cikiej pracy redaktorskiej dla prof.Tadeusiewicza. Spis rozdziaw, jeszcze wielokrotnie modyfikowany, osign wreszciestan kocowy. I tak po roku pracy dostalimy do rki gotow ksik, ktr z wielk radocii dum oddajemy Tobie Czytelniku z nadziej, e pozwoli Ci poszerzy wiedz o inynieriibiomedycznej, ktra stanie si jednym z Twoich zainteresowa.

W tym miejscu chcielibymy podzikowa wszystkim osobom, dziki ktrym byo moli-we stworzenie tak niezwykego dziea. Nie sposb byoby ich wszystkich tutaj wymieni,dlatego ograniczymy si tylko do osb, ktrzy zapocztkowali jego tworzenie. Dzikujemyprofesorowi Ryszardowi Tadeusiewiczowi za poparcie naszej inicjatywy i stworzenie z niejdziea godnego ujrzenia wiata dziennego, profesorowi Piotrowi Augustyniakowi za pod-chwycenie pomysu i zmotywowanie nas do dziaania, doktorowi Andrzejowi Izworskiemuza wspieranie nas i pomoc w przygotowaniu pierwotnego spisu rozdziaw i wreszcie wszystkim Wspautorom, a przede wszystkim Naukowcom, ktrzy cierpliwie wnosili po-prawki do studenckich tekstw, bo bez ich zgody i pracy nie byaby moliwa realizacja na-szego wsplnego celu.

Mirosawa Zazulak, Klaudia Czopek, Joanna Jaworekoraz pozostali Czonkowie Koa Naukowego Bioinynierii IMPLANT

CZ 1

DIAGNOSTYKA OBRAZOWA:Jak maszyny widz ludzi

1.0.A. Wprowadzenie:Zgadnij kotku, co mam w rodku

Ryszard Tadeusiewicz

Tytu tego rozdziau zosta zapoyczony z banalneji bahej (na pozr!) pioseneczki, rozpoczynajcej bardzopowany i bardzo mdry film Ryszarda BugajskiegoPrzesuchanie z genialn rol Krystyny Jandy. Kto niewidzia niech si wstydzi!

Tak jak tamta pioseneczka staa si kanw dla przed-stawienia dramatu czowieka postawionego w sytuacjipozornie bez wyjcia, ktry nie tylko nie ugi si przedterrorem, ale zdoa sam siebie uksztatowa w sposbbudzcy podziw oprawcw, tak ten tytu mojego wpro-wadzenia sygnalizuje wielowiekowy dramat medycyny,ktry zamieni si w jeden z najwikszych tryumfw in-ynierii biomedycznej.

Przez wiele stuleci, a do koca XIX wieku, medy-cyna rozwijaa si i doskonalia na rne sposoby (naprzykad odkrywaa i systematyzowaa choroby i ichprzyczyny, znajdowaa kolejne skuteczne leki, rozwi-jaa techniki chirurgiczne itp.), ale w sferze diagnostykikontakt lekarza z organizmem pacjenta koczy si napowierzchni skry. Nie byo adnego sposobu, ebyzajrze do rodka i zobaczy, jak funkcjonuj po-szczeglne narzdy, jak zostay zdeformowane przezchorob, gdzie znajduje si na przykad niebezpiecznyguz wymagajcy chirurgicznego usunicia i z czym simusi liczy chirurg, przystpujc do operacji.

21

Rys. 1. Obrazowanie wntrza ciaa czowieka przez dawnych anatomw: w XIII wieku (a) i na pocztku XIX wieku (b)rdo: [3, 4]

a) b)

Oglna wiedza na temat budowy wewntrznychnarzdw czowieka (anatomia) powstaa wprawdziewczeniej, gdy dni wiedzy naukowcy i lekarze pro-wadzili tysice sekcji zwok w celu zbadania, jak wy-glda i jak funkcjonuje ten niewiarygodnie wspaniaymechanizm, jakim jest ciao czowieka.

Rysunek 1 przedstawia zaczerpnite z Wikipediiobrazy anatomiczne pochodzce odpowiednio z XIII(rys. 1a) i z pocztku XIX wieku (rys. 1b).

Anatomia zajmuje si prawidow budow wntrzaciaa czowieka, ale na podstawie setek sekcji zwok osbchorych, ludzie dowiedzieli si take, jak wyglda obrazznieksztace, jakim podlegaj narzdy wewntrznew wyniku choroby. Powstaa dziedzina wiedzy nosi naz-w patomorfologii i jest bardzo uyteczna do dzisiaj.

Anatomia i patomorfologia pozwalay odpowiedzie,jak wyglda okrelony narzd (na przykad typowe sercezdrowego czowieka), a take jak to serce moe by zde-formowane w wyniku choroby lub wad rozwojowych.Jednak obrazy anatomiczne i patomorfologiczne uzys-kiwane byy poprzez sekcj zwok, czyli pokazyway,jak narzd wyglda u ludzi, ktrzy ju nie yj. Nato-miast lekarza stawiajcego diagnoz interesuje, jak danynarzd wyglda u tego wanie w tej chwili badanegoczowieka. Takiej wiedzy lekarze przez cae wieki niemieli, a ich moliwoci percepcji, ograniczone wzroko-wo do powierzchni skry, poszerzane byy przez bada-nia dotykowe, w ktrych rozmiary, przybliony ksztati twardo narzdw wewntrznych usiowano ustalaza pomoc dotyku. Dlatego w XIX wieku sensacj nau-kow by przypadek lzaczki o nazwisku CatharinaSerafin (rys. 2), u ktrej wida byo pracujce serce,poniewa w nastpstwie choroby nowotworowej jej le-karz, Hugo von Ziemssen, zmuszony by usun sporyfragment ciany klatki piersiowej, pozostawiajc cienki przezroczyst powok skrn, przez ktr mona byoobserwowa wntrze klatki piersiowej, a w szczeglno-ci ywe, pracujce serce.

Lekarze nie ustawali jednak w wysikach, eby obej-rze pacjenta od rodka. Do wntrza niektrych frag-mentw ciaa (zwaszcza do przeyku, odbytu i pochwy)ju w XIX wieku mona byo zajrze z uyciem rnychendoskopw. Niestety w porwnaniu z dzisiaj stoso-wanymi urzdzeniami tego typu, opartymi na wiato-wodach i mechanice precyzyjnej, byy to mechanizmybardzo niedoskonae. Pierwsze endoskopy byy zoonez rur i przegubw, przypominay peryskop, byy due, nie-wygodne dla lekarza i bolesne dla pacjenta, a ich uycieczsto prowadzio do uszkodzenia badanych narzdw.

W tamtych czasach mona wic byo tylko zgady-wa, co si kryje w rodku ciaa pacjenta. Jak w tytuletego podrozdziau Tak wyglday moliwoci badaw-cze medykw w czasach poprzedzajcych prawdziwfal odkry w zakresie obrazowania medycznego.

Odkrycia te formalnie rozpoczy si w 1895 roku.Wtedy to Wilhelm C. Roentgen dostrzeg moliwocipenetrowania wntrza ciaa ywego czowieka za pomo-c promieni X. Potem bya caa seria dalszych odkry,ktre pozwoliy widzie wntrze ciaa czowieka corazdokadniej, coraz wygodniej i bezpieczniej. Odkrytych nie bdziemy tu streszcza, poniewa bd oneomwione w kolejnych podrozdziaach, skadajcychsi w sumie na ten oto wanie rozdzia prezentowanejksiki.

Wystarczy powiedzie, e dzisiaj inynieria biome-dyczna oferuje lekarzom cay szereg sposobw obrazo-wania narzdw wewntrznych czowieka, przy czymw wielu wypadkach obok bada ujawniajcych ksztatnarzdw i ich rozmiary dostpne s take technikiujawniajce aktywno badanego narzdu wraz z mo-liwoci wykrywania nieprawidowoci w tej aktywno-ci. Nowoczesna inynieria biomedyczna wniosa bowiemdo medycyny bardzo wiele rnych wartociowychi oryginalnych narzdzi, jednak bezspornie najwikszypostp dokona si wanie w dziedzinie obrazowaniamedycznego.

Tak doszo do swojego rodzaju odwrcenia sytuacjilekarza diagnosty. To co kiedy byo najtrudniejsze obecnie stao si (paradoksalnie!) najatwiejsze do uzys-kania. Rne inne (tradycyjne i nowe) skadniki badanialekarskiego, zarwno w jego czci podmiotowej, jak

22

Ryszard TadeusiewiczWprowadzenie: Zgadnij kotku, co mam w rodku

Rys. 2. Przypadek kobiety z otworem w klatce piersiowejumoliwiajcym midzy innymi ogldanie pracujcego serca

rdo: [5]

i w czci przedmiotowej byy i s trudne i skompliko-wane, a wyciganie wnioskw na temat istoty chorobydrczcej pacjenta oraz na temat sposobu przywrceniamu zdrowia wcale nie jest dzisiaj wiele atwiejsze, niprzed stu lub dwustu laty. Natomiast zajrze do wntrzaciaa pacjenta mona w kadej chwili i to na wiele r-nych sposobw.

W tej czci poznasz najpopularniejsze, ale takenajbardziej nowoczesne metody, za pomoc ktrychmaszyny widz ludzi i to w dodatku od rodka! Naj-pierw pokazane bd techniki oparte na wykorzystaniupromieni X, nazywane rwnie rentgenowskimi. Obokzwykej metody obrazowania rentgenowskiego, przed-stawionej w rozdziale 1.1, omwiona bdzie take(rozdz. 1.2) jej udoskonalona wersja, nazywana tomo-grafi komputerow.

W metodach rentgenowskich interesujcy nas obraznarzdw wewntrznych mona uzyska na skutektego, e ciao czowieka owietla si promieniami X,ktre s w stanie wnikn do jego wntrza i pokazacienie badanych narzdw wewntrznych. Inne mo-liwoci badawcze otrzymujemy, gdy zmusimy badanenarzdy czowieka eby same wieciy1. Mona tozrobi za pomoc magnetycznego rezonansu jdrowe-go, omwionego w rozdziale 1.3. Nawiasem mwic,metoda ta obok prawidowej nazwy magnetycznego re-zonansu jdrowego (w skrcie MRJ albo NMR od an-gielskiej nazwy Nuclear Magnetic Resonance) ma jesz-cze nazw obrazowanie magnetyczne (MRI MagneticResonance Imaging), stosowan z tego powodu, e wieluludziom wszystko co jdrowe kojarzy si z pojciemniebezpieczne podczas gdy ta metoda obrazowaniajest w istocie znacznie bardziej nieszkodliwa ni typo-we badanie rentgenowskie. W metodzie tej silne ze-wntrzne pole magnetyczne poczone z odpowiednimielektromagnetycznymi impulsami pobudzajcymi zmu-sza molekuy wewntrz ciaa czowieka, eby si sameodezway, wysyajc take sygna elektromagnetycz-ny ujawniajcy, jak s rozmieszczone. Zebranie i odpo-wiednie przedstawienie tych sygnaw elektromagne-tycznego odzewu pozwala na wizualizacj tkanek, w kt-rych skad te gadatliwe molekuy wchodz i w efekciecaej wewntrznej struktury badanych narzdw.

Narzdy wewntrzne czowieka mona te zmusido wiecenia w inny sposb. Istniej bowiem izotopypromieniotwrcze, ktre mog by przyswajane przezokrelone czci okrelonych narzdw ciaa czowiekaw wyniku normalnych procesw metabolicznych, jakiew nich zachodz. Podaje si wic pacjentowi radioakty-wny preparat, a odpowiednio czua aparatura pozwala

stwierdzi, gdzie si ten promieniotwrczy preparatulokowa w jego ciele. Metody takie pozwalaj na obser-wacj zarwno ksztatu narzdw, jak i (zwaszcza!) ichfunkcjonowania, bo mona ledzi, jak badany narzdpromieniotwrcz substancj przyswaja, wykorzystujei usuwa. Odpowiednie metody radioizotopowego obra-zowania s omwione w rozdziale 1.4, za ich specjalnaodmiana, nazywana PET (Positron Emission Tomogra-phy), uywajca bardzo krtko yjcych izotopw pro-mieniotwrczych i pozwalajca ledzi szybko zacho-dzce procesy na przykad majce miejsce w rnychfazach pracy mzgu opisana bdzie w rozdziale 1.5.

Opisane wyej techniki obrazowania wywoywaywiecenie1 wntrza ciaa czowieka w sposb sztucz-ny, natomiast istnieje rodzaj promieniowania, ktre or-ganizm czowiek produkuje ustawicznie sam z siebie.Chodzi o promieniowanie podczerwone, czyli o pro-mieniowanie cieplne. W tkankach i narzdach ywegociaa przebiegaj nieprzerwanie procesy, w ktrych wy-niku powstaje ciepo. Czasem jest go za duo i wtedymwimy o gorczce, ktr od dawna nauczono si wy-korzystywa jako jeden z symptomw uatwiajcychwykrycie choroby. Jednak pomiar ciepoty caego ciaanie jest jedyn moliwoci wykorzystania tego natural-nego promieniowania. Nowoczesna aparatura, opisanaw rozdziale 1.6, pozwala na powierzchni ciaa pacjentawykry miejsca, ktre s szczeglnie ciepe, a taketakie, ktre s szczeglnie chodne. Odpowiednia in-terpretacja tych obrazw, nazywanych termowizyjny-mi, moe dostarcza wielu bardzo cennych informacjidiagnostycznych.

No i na koniec tej czci, zostawilimy omwienieaparatury ultradwikowej. Ultrasonografia (USG),opisana w rozdziale 1.7, jest technik obrazowaniamedycznego pod wieloma wzgldami odmienn odwszystkich wczeniej omawianych, a przez to bardzocenn, bo dostarczajc innych informacji ni na przy-kad tomograf albo NMR. W ultrasonografii wntrzeciaa czowieka penetrowane jest przez inny czynnikfizyczny, a mianowicie przez wizki ultradwikw.Ultradwiki podobnie jak spokrewnione z nimi zwykefale dwikowe mog wywoywa zjawisko echa. Wie-dz o tym bardzo dobrze nietoperze, ktre podczas lotui polowania na owady wszystkie informacje o otoczeniupozyskuj, wanie wysyajc ultradwiki i odbierajcpowracajce echo.

Czemu uywaj ultradwikw, a nie zwykych faldwikowych? Poniewa chc dostrzega mae przed-mioty. Fala dwikowa moe si odbi od przeszkodyi da wyrane echo, gdy przeszkoda jest duo wiksza

23

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

1 Pojcie wiecenia naley tu traktowa troch umownie w omawianych metodach narzdy ciaa czowieka rzeczywiciewysyaj okrelone promieniowanie, ale nie jest ono widoczne dla naszych oczu, wic wiatem w cisym znaczeniu niejest. Ale waciwoci dowolnego promieniowania s zawsze takie same, a nasza aparatura biomedyczna moe to wiecenieskutecznie rejestrowa, wic bdziemy dla prostoty mwili po prostu wanie tak, jak to pokazano w treci tego wprowadzenia.

od dugoci fali. Jeli dwik o czstotliwoci 100 Hzjest fal, ktrej dugo (w powietrzu) wynosi okoo3 m, to jest oczywiste, e moe si on odbi (dajc echo)od grskiego zbocza albo od ciany lasu ale nie odmuchy. Tymczasem nietoperza interesuj muchy (bo jezjada), a nie obchodzi go odlege grskie zbocze musiwic posuy si zawoaniem, ktremu bdzie to-warzyszya fala o dugoci uamka milimetra czyli naprzykad sygnaem o czstotliwoci 100 000 Hz (falao dugoci 0,3 mm). To s wanie ultradwiki nie-syszalne dla naszego ucha, ale rozchodzce si w po-wietrzu albo we wntrzu ciaa czowieka, odbijajce siod przeszkd (na przykad narzdw wewntrz ciaa)i dajce wyraziste echo nawet po napotkaniu bardzomaej struktury, od ktrej sygna moe si odbi.

W technice USG analizuje si te echa pochodzce ododbijania si ultradwikw od rnych struktur znaj-dujcych si wewntrz naszego ciaa, dziki czemumona pokaza na ekranie ksztaty obiektw, odktrych si te ultradwiki odbiy, a take ich ruch na-wet jeli jest to bardzo subtelny ruch krwi przepywa-jcej przez naczynia krwionone.

Na koniec opowiemy Ci w rozdziale 1.8 o moliwo-ciach, jakie daje wspczesna sztuczna inteligencjaprzy automatycznej analizie, rozpoznawaniu, a nawetrozumieniu obrazw medycznych. Takie systemy,w ktrych komputer pomaga lekarzowi w interpretacji

obrazw wntrza ciaa czowieka, s tym bardziejpotrzebne, im wicej rnych form zobrazowania na-rzdw wewntrznych potrafimy nowoczesn technikuzyska.

Podsumowujc cz ta pokae Ci, na jak wieleciekawych sposobw maszyny mog widzie ludzi,przy czym odpowiednio mdra maszyna, patrzc naczowieka, widzi nie tylko to, co na powierzchni ciaa,ale take to, co jest w rodku. Zachcam Ci do prze-studiowania tego rozdziau, bo tego naprawd warto sidowiedzie!

Literatura

[1] Tadeusiewicz R., Korohoda P., Komputerowa ana-liza i przetwarzanie obrazw,http://winntbg.bg.agh. edu.pl/skrypty2/0098/

[2] Tadeusiewicz R., Flasiski M., Rozpoznawanieobrazwhttp://winntbg.bg.agh.edu.pl/skrypty/0005/

[3] http://pl.wikipedia.org/wiki/Grafika:13th_century_anatomical_illustration.jpg

[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Grafika:John-bell-II-B-6.jpg)

[5] http://impaedcard.com/issue/issue27/aquilinao2/AquilinaO.htm

24

Mirosawa ZazulakTam sigaj, gdzie wzrok nie siga...

1.0.B. Tam sigaj, gdzie wzrok nie siga...Mirosawa Zazulak

To wezwanie wieszcza Adama Mickiewicza, zawartew Odzie do modoci, zdaje si niemal dosownie re-alizowane przez wspczesn inynieri biomedyczn,a dokadniej, przez jej konkretn dziedzin diagno-styk obrazow. Dynamicznie rozwijajce si technikiobrazowania stosowane w medycynie umoliwiaj bo-wiem coraz dokadniejszy wgld w tajniki ludzkiego or-ganizmu, badanie jego struktury, dotarcie do najtrudniejdostpnych tkanek i narzdw. A wszystko po to, abylepiej zrozumie procesy yciowe czowieka, aby mc

coraz lepiej leczy najrnorodniejsze choroby oraz za-pobiega wszelkim patologiom strukturalnym i funk-cjonalnym ywego stworzenia.

Ludzi od wiekw intrygowao wntrze ich ciaa, jed-nak przez dugi czas mogli je oglda tylko na osobni-kach post mortem, dlatego te cigle doskonalili tech-niki konserwacji zwok. Kulminacj tych zabiegwstaa si kontrowersyjna wystawa Body Worlds pre-zentujca swoiste rzeby stworzone z ludzkich ciaw wyniku plastynacji2 (rys. 1).

2 Plastynacja to technika preparacji zwok opracowana przez niemieckiego anatoma Guenthera von Hagensa, polegajca na za-trzymaniu procesu rozkadu ciaa poprzez usunicie z tkanek wody oraz tuszczw i nasycenie ich odpowiednimi polimerami.

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

Na szczcie rwnolegle rozwijaj si technikipodgldania wntrza czowieka in vivo, co stao sipodstaw wspczesnej diagnostyki medycznej. Bo ktmgby sobie dzisiaj wyobrazi leczenie zamania rkibez wczeniejszego wykonania pogldowego zdjciaRTG? Jak ledzi przebieg ciy, nie wykonujc pod-stawowego badania USG? Na te i wiele podobnych py-ta obecnie odpowied byaby tylko jedna: nie da siprowadzi dokadnej diagnostyki bez zastosowaniatechnik obrazowych.

Wikszo obecnych metod obrazowania w medy-cynie opiera si na wykorzystaniu rnego rodzaju pro-mieniowania: jonizujcego w przypadku rentgenodiag-nostyki (klasyczne RTG, tomografia komputerowa)oraz niejonizujcego, czego przykadem jest tomografiamagnetycznego rezonansu jdrowego (MRI) oraz ultra-sonografia czy termografia. Rnice pomidzy nimiwynikaj ze sposobu uzyskiwania promieniowania, kt-re moe by generowane przez zewntrzne rdo, np.lamp rentgenowsk w RTG i w TK lub gowic ultra-dwikow w USG. Ale moe te by emitowane przezciao pacjenta. Naturalnie czowiek emituje promienio-wanie podczerwone, ktre jest rejestrowane w termo-grafii, ale moe te si sta emiterem promieniowaniajonizujcego (zacz wieci) w wyniku wprowadze-nia do jego ciaa radiofarmaceutyku, co jest wykorzysty-wane w metodach medycyny nuklearnej.

Wspczesna diagnostyka medyczna polega czstona wykorzystaniu kilku uzupeniajcych si technik ob-razowania, jak na przykad badanie MRI moe by po-przedzone badaniem TK, czy te stosowanie termowizjijako metody uzupeniajcej do innych metod obrazowych.

Czsto bowiem zastosowanie tylko jednej wybranej me-tody nie daje oczekiwanego rezultatu. Na przykad ul-trasonograficzne badanie staww jest metod bardzosubiektywn, zalen od wielu czynnikw, takich jak naprzykad sposb uoenia gowicy wzgldem badanejstruktury. Wpyw na wynik badania ma rwnie dowiad-czenie lekarza diagnosty. Jednak pomimo swoich wad,jest to metoda uzupeniajca do klasycznego badaniaRTG, bowiem w przeciwiestwie do niego, ukazuje rw-nie zmiany w tkance mikkiej. Jeszcze lepsze udosko-nalenie pojedynczych metod obrazowania stanowitechniki fuzyjne, polegajce na poczeniu kilku metod(najczciej dwch) w jedn, jak na przykad fuzjaPET-CT (rys. 2), dajca rwnoczenie uwidocznienieprocesw yciowych (PET) na tle obrazw anatomicznych(CT Computed Tomography), dziki czemu moliwajest wczesna identyfikacja zmian nowotworowych orazchorb ukadu nerwowego i sercowo-naczyniowego.

Aby lepiej pozna, na czym polegaj wspomnianemetody, zachcam do zapoznania si z zawartocitego rozdziau zarwno t, ktra jest wydrukowanaw ksice, jak i t, ktra zostaa udostpniona w postaciplikw na zaczonym dysku CD.

Literatura

[1] Nacz M., Biocybernetyka i inynieria biomedycz-na, tom 8, Obrazowanie medyczne, AkademickaOficyna Wydawnicza Exit, Warszawa, 2003.

[2] http://www.guardian.co.uk/pictures/image/0,8543,-10404376686,00.html

[3] http://medicalphysics.duke.edu/intro.html

Rys. 1. Przykadowe zdjcie z wystawy Body worldsrdo: [2]

Rys. 2. Porwnanie zdj otrzymanych technik CT (po lewej),PET (w rodku) oraz PET-CT (po prawej). Wida, e dzikipoczeniu tych dwch metod uzyskany obraz nowotworu w-troby i jego przerzutw pozwala na dokadne umiejscowienie

zmianyrdo: [3]

1.1.A. RadiodiagnostykaRyszard Tadeusiewicz, Marek R. Ogiela

W 1895 roku niemiecki fizyk Wilhelm Roentgen(rys. 1a) zauway, e lampa katodowa powoduje na od-lego nawietlanie papieru pokrytego zwizkiembaru. Lampa wysyaa nieznane wwczas promieniowa-nie, ktre byo przyczyn nawietlania klisz. Roentgennazwa je promieniami X. Jego odkrycie, za ktre zostawyrniony w 1901 roku Nagrod Nobla (rys. 1b i c),zrewolucjonizowao medycyn, umoliwiajc po razpierwszy w dziejach spojrzenie do wntrza ludzkiegociaa bez naruszania jego integralnoci, a wic w spo-sb, ktry obecnie nazywa si bezinwazyjnym.

Technika ta zostaa potem udoskonalona przezkonstruktorw aparatw oferowanych do setek ga-binetw radiologicznych. Skal tych ulepsze monaoceni porwnujc historyczny obraz pierwszego wdziejach przewietlenia ciaa czowieka (obraz rkiony Wilhelma Roentgena rys. 2a) z analogicznymzdjciem uzyskanym za pomoc wspczesnego aparatuRTG rys. 2b).

Metoda przewietlania promieniami X, mimo swo-ich wad (promieniowanie X jako jonizujce jest szkod-liwe dla zdrowia), staa si technik diagnostyczn wy-korzystywan szeroko do dnia dzisiejszego. Dlategoomawiajc w tej ksice rne techniki obrazowaniamedycznego musielimy zacz od techniki rentgenow-skiej i jej wanie powicony jest ten pierwszy mery-toryczny rozdzia pierwszej czci ksiki.

Rys. 1. Wilhelm C. Roentgen i kopia jego dyplomu Nagrody Nobla z 1901 roku

rdo: http://www.star.le.ac.uk/~sav2/blackholes/xrays/roentgen.jpg, http://www.roentgen-museum.de/

Rys. 2. Historyczne zdjcie rki ony Roentgena (a)oraz wspczesna fotografia rentgenowska doni (b)

rdo: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/6/6e/Anna_Berthe_Roentgen.gif oraz http://science.hq.nasa.gov/kids/

imagers/ems/hand.gif

a)

b)

Promienie X wytwarzane s w specjalnej lampie(rys. 3), w ktrej rozpdzona wysokim napiciem wiz-ka elektronw uderza w metalow tarcz i tracc swenergi kinetyczn na skutek gwatownego hamowaniawypromieniowuje t energi w postaci kwantw pro-mieniowania X, ktrych zdolno penetracji wewntrzludzkiego ciaa jest tym wiksza, im wiksze byo na-picie przyspieszajce elektrony w lampie. Tarcza,w ktr uderzaj elektrony, mocno si od tego roz-grzewa, wic albo musi by od rodka chodzona (zwy-kle wod), albo wiruje, eby elektrony uderzay stalew inne miejsce, podczas gdy punkt wczeniejszegouderzenia moe stygn.

Promieniowanie rentgenowskie jako fale elektroma-gnetyczne charakteryzuj si tym, e pewna ich czprzenikajc przez tkanki ulega osabieniu. Osabienie tojest skutkiem wzajemnego oddziaywania promieniz tkankami, a jego wielko jest zalena od rodzajutkanki, przez ktr przenikaj. Natenie promieniowa-nia rentgenowskiego zalene jest take od odlegocii zmniejsza si wraz z kwadratem odlegoci.

Oddziaywanie promieniowania rentgenowskiegoz materi podzieli mona na trzy rodzaje:

1) Efekt Comptona polega on na pochoniciu przezelektron lecy na torze wizki czci energii foto-nu wchodzcego w skad wizki i zmian kierunkulotu tego fotonu. W jego wyniku foton zmienia kie-runek ruchu a jego energia maleje (rys. 4a).

2) Rozpraszanie Rayleigha to elastyczne (tj. bez stratenergii) rozpraszanie fotonw na atomach niepochaniajcych energii. W odrnieniu od efektuComptona fotony wizki nie trac energii, a jedyniezmieniaj kierunek (rys. 4 b).

3) Zjawisko fotoelektryczne polega na wybiciuelektronu walencyjnego przez foton wizki. Fotonzostaje zaabsorbowany przez atom (rys. 4c).

W procesie osabienia wizki dominujc rol od-grywa efekt Comptona.

Wszystkie trzy powysze zjawiska mona opisazbiorczo za pomoc nastpujcego rwnania absorpcji(w przypadku orodka jednorodnego):

I I e x 0 ,

gdzie I0 jest pocztkowym nateniem promieniowania,x gruboci warstwy przez ktr przechodzi wizka, wspczynnikiem absorpcji charakterystycznym dla da-nej substancji. Wspczynnik jest zaleny od rodzajusubstancji, przez ktr promieniowanie przenika. Opi-suje to dokadniej tak zwana skala Hounsfielda, przed-stawiona na rysunku 5. Na skali tej przyjmuje si, ejako punkt odniesienia (zaznaczony z wartoci 0) wy-stpuje stopie pochaniania promieni X przez wod(ktra jest gwn substancj wchodzc w skad wszy-stkich tkanek i narzdw ywego organizmu). Substan-cje pochaniajce promieniowanie X sabiej ni woda(na przykad powietrze wypeniajce puca) maj war-toci Hounsfielda wyraajce si liczbami ujemnymi a do wartoci 1000 jednostek Hounsfielda przypisa-nej do lekkich gazw. Natomiast substancje pocha-niajce promieniowanie rentgenowskie silniej ni woda(na przykad koci) maj wartoci dodatnie, a do war-toci +1000, przypisanej do bardzo twardej i zbitej koci.

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

Rys. 3. Widok oraz schemat lampy wytwarzajcej promienie Roentgena

rdo: http://www.antonine-education.co.uk/Physics_A2/Options/Module_6/Topic_7/X-ray_Tube.gif (fragment)

Rys. 4. Zjawiska fizyczne towarzyszce przechodzeniupromieniowania X przez materi (ciao pacjenta)

Opis w tekcie

a) b) c)

Promieniowanie X wywouje jonizacj materii orazzjawisko luminescencji, a take oddziauje na emulsjfotograficzn i pprzewodnikowe detektory promie-niowania, ktre s wspczenie stosowane przy rejes-tracji i obrazowaniu opartym na promieniach X. Nie-stety promieniowania to oddziaywuje take jonizujcona tkank biologiczn, co powoduje jej uszkodzeniaoraz moe sta si powodem wielu gronych chorb.Dlatego mimo korzyci diagnostycznych uzyskiwanychprzy pozyskaniu kadego kolejnego obrazu RTG zale-cane jest ograniczenie liczby przewietle do niezbdne-go minimum w celu ochrony organizmu pacjenta przedskutkami ekspozycji na to szkodliwe promieniowanie.

Jak mona zauway na rysunku 5, tkanki budujcerne narzdy ludzkiego ciaa charakteryzuj si na tylezrnicowanymi wartociami wspczynnika , e pod-czas przechodzenia promieniowania X przez ciao dofilmu pokrytego odpowiedni emulsj fotoczu lub de-tektora promieniowania X ulokowanego po drugiejstronie ciaa badanego pacjenta dociera rna iloenergii w zalenoci od tego, jakie narzdy i jakie tkankileay na drodze od rda promieniowania do miejscarejestracji. Jest to podstawowe zjawisko wykorzysty-wane w tym typie obrazowania, bo w miejscach, w kt-rych promieniowanie przechodzio przez tkanki cha-rakteryzujce si ma wartoci w skali Hounsfieldanastpuje silne zaciemnienie filmu lub silne pobudzeniedetektora CCD, a miejsce odpowiadajce na przykad

elementom szkieletu energia promieniowania jest sabai na filmie pozostaj jasne plamy, za elektroniczne de-tektory daj saby sygna (rys. 6).

Jak z tego wynika, na powstajcy zobrazowaniu me-dycznym widoczne s swoiste cienie narzdw, przezktre przenikao promieniowanie, przy czym im narzdjest bardziej spoisty i gsty tym jego zobrazowaniejest janiejsze (por. rys. 6). Mwi si niekiedy, e obrazrentgenowski jest negatywem obrazu badanych narz-dw, jednak mimo atwoci odwrcenia skali szarocii uzyskania we wspczesnej radiologii cyfrowej obrazupozytywowego nikt nie stosuje takiego zabiegu, bo tra-dycyjne metody interpretacji obrazw rentgenowskichstosowane od lat przez lekarzy nawizuj wszystkie doobrazw w postaci negatywu.

W praktycznej diagnostyce medycznej zobrazowa-nia RTG wykonywane s za pomoc aparatw rentge-nowskich (rys. 7), bdcych udoskonalon wersj histo-rycznego aparatu Roentgena, ale dziaajcych stale natej samej zasadzie.

Ryszard Tadeusiewicz, Marek R. OgielaRadiodiagnostyka

Rys. 5. Skala Hounsfielda wykorzystywana w diagnostycerentgenowskiej

rdo: M.R. Ogiela, R. Tadeusiewicz, Modern Computational Intelli-gence Methods for the Interpretation of Medical Images, Springer-Verlag,

Berlin Heidelberg, 2008

Rys. 6. Zasada obrazowania rnych tkanek w diagnostycerentgenowskiej

rdo: http://www.opat.pl/images/rtg2.jpg

Rys. 7. Przykadowy wygld aparatu rentgenowskiego

Zbudowane s one z przynajmniej jednej lampy rent-genowskiej, generatora wysokiego napicia zasilajce-go lamp oraz urzdze sucych do rejestrowania na-tenia promieniowania ktre przenikno przez ciaopacjenta. W tanich aparatach natenie promieniowaniarejestrowane jest przez specjalny zestaw elektronicz-nych detektorw CCD lub (w starszych rozwizaniach)na specjalnej kliszy fotograficznej. Obecnie zamiastbezporedniej rejestracji promieniowania dokonuje sipomiaru natenia promieniowania i ich zobrazowania.Pozwala to uwidoczni na obrazie wicej szczegw(rys. 8).

Wspczesne aparaty RTG sterowane s komputero-wo, co pozwala automatycznie dobra parametry bada-nia dla danego pacjenta. Mog one wykonywa zdjciarentgenowskie oraz przewietlenia na bieco ocenianeprzez lekarzy. Wystpuj take aparaty do bada spe-cjalistycznych, takich jak:

mammografia (rys. 9), zdjcia stomatologiczne (rys. 10) diagnostyka klatki piersiowej i serca (rys. 11), diagnostyki ukadu kostnego.Obraz radiologiczny mona rejestrowa i prezen-

towa na wiele sposobw. W uyciu s midzy innyminastpujce sposoby rejestracji tych obrazw:

klasyczne zdjcia rentgenowskie uzyskiwane z uy-ciem tradycyjnych klisz fotograficznych

komputerowa radiologia cyfrowa systemy umoliwiajce rejestracj czynnoci

narzdu. tomografia komputerowa (opisana w dalszej czci

rozdziau).

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

Rys. 8. Obraz wykonany z pomoc nowoczesnych metodpomiaru natenia promieniowania X i obrazowania z pomo-c komputera (po lewej) w porwnaniu z obrazem tego samegonarzdu (piersi kobiecej) zarejestrowanym na tradycyjnej kliszy

Rys. 9. Specjalistyczne badanie rentgenowskie mammografiardo: http://www.gaer.pt/uplImages/Mamografia.jpg

Rys. 10. Rentgenografia stomatologicznardo: http://www.rentgen.cc/web_images/pantograf.jpg

Doskonalenie techniki rentgenowskiej spowodowa-o midzy innymi nastpujcy problem. Ot pomiarnatenia promieniowania rentgenowskiego nowoczes-nymi detektorami jest takk dokadny, e umoliwia ob-razowanie rnic stopnia pochaniania promieniowaniana poziomie pojedynczych jednostek skali Hounsfielda,a nawet ich uamkw. Oznacza to, e cyfrowy obrazrentgenowski, wytwarzany w pamici komputera, ska-da si z pikseli reprezentowanych przez 12 do 16 bitw,czyli jasno takich punktw moe przyjmowa 4096albo nawet 65 536 rozrnialnych poziomw. Obraztaki wywietlany jest jednak przy pomocy urzdze po-zwalajcych rnicowa jasno (albo szaro) obrazumaksymalnie na 256 poziomach, za lekarz interpre-tujcy obraz potrafi rozrni wzrokiem maksymalnieokoo 60 poziomw szaroci. Oznacza to, e pomidzyinformacj, jak pozyskano za pomoc zobrazowaniarentgenowskiego, a t informacj, ktr bdzie w staniewykorzysta lekarz, jest relacja rzdu 1:1000 na nieko-rzy moliwoci percepcyjnych czowieka. Jest to je-den z istotnych argumentw przemawiajcych za szero-kim stosowaniem komputerowej analizy obrazw me-dycznych, wspomagajcej lekarza w procesie interpre-

tacji tych zobrazowa, jednak z samym problememwskiego przedziau percepcyjnego oka czowieka tetrzeba sobie jako poradzi.

Najczciej rozwizuje si ten problem wprowadza-jc funkcj okna, pozwalajc wybra i przedstawiczowiekowi tylko ten fragment przedziau zmiennociwartoci jasnoci wyraonych w skali Hounsfielda, o kt-rym sdzimy, e niesie uyteczn informacj w kon-tekcie zadania diagnostycznego, jakie jest w danymmomencie rozwaane. Jeli mamy powody sdzi, eistotne dla nas narzdy i tkanki s reprezentowane przezwartoci pikseli z przedziau [W1, W2] wyodrbnionegoz penej skali Hounsfielda, to moemy komputerowoten wanie przedzia wyci, a nastpnie prze-skalowa go do 256 odcieni szaroci. Decyzja o tym, ja-kie przyj wartoci progw W1, W2 zaley od ba-dajcego, gdy ich wybr determinuje, ktre fragmentypoddawanego badaniu ciaa zostan wychwycone.Przyjo si okrela W1, W2 za pomoc wielkoci L i W,gdzie L to pozycji rodka przedziau a W to szerokookna. Przykadowe wartoci L i W stosowane w ba-daniach to: szeroko okna W = 300600 HU dla tkanekmikkich i 8001600 HU dla puc, oraz centrum oknaL = 030 HU lub 3060 HU dla tkanek mikkichi 500700 HU dla puc. Na rysunku 12 pokazano, jakwyglda ten sam obraz rentgenowski przy wyborze r-nych wartoci L i W.

Ryszard Tadeusiewicz, Marek R. OgielaRadiodiagnostyka

Rys. 11. Badania rentgenowskie puc i sercardo: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bf/Thorax_pa_peripheres_Bronchialcarcinom_li_OF_mar-kiert.jpg/250px-Thorax_pa_peripheres_Bronchialcarci-

nom_li_OF_markiert.jpg)

Rys. 12. Ten sam obraz rentgenowski przy wyborze rnychwartoci L i W: a) L = 700 HU, W = 1000 HU; b) L = 350 HU,

W = 2000 HU

a)

b)

Obraz rentgenowski tych samych czci ciaa moewyglda rne w zalenoci od tego, jak twarde byowytworzone promieniowanie. Twardo czyli przenikli-wo promieni X reguluje si dobierajc warto napi-cia przyspieszajcego elektrony w lampie (por. rys. 3).Poniewa najczciej wykonywane badania z wykorzy-staniem takiej techniki to zdjcia szkieletu, wic naj-czciej stosowane napicie to okoo 70 kV, bo przy ta-kiej energii kwanty promieniowania X pozwalaj nanajlepsze zobrazowanie poszczeglnych czci ukadukostnego, Podobny zakres napi stosuje si uzyskujczobrazowania stomatologiczne zbw, natomiast do ba-dania narzdw klatki piersiowej uywane s napicianisze okoo 50 kV. Przy przewietleniach tkanek mik-kich (na przykad w mammografii) stosowany jest ni-szy zakres napi 15 do 18 KV.

W niektrych przypadkach dla uzyskania odpowied-nich informacji o morfologii lub strukturze narzdu po-daje si pacjentowi rodek kontrastujcy. rodek taki musimie stopie pochaniania promieniowania X wyranieodmienny od otaczajcych tkanek. Wypenia on odpo-wiednie jamy ciaa i pozwala je dokadniej obejrze.

Ciekawe moliwoci daje wykonanie zobrazowaniarentgenowskiego tego samego narzdu w tej samej po-zycji przed i po podaniu rodka kontrastujcego. Jelitakie dwa obrazy odejmie si od siebie to powstaje obraz,na ktrym wida gwnie struktury anatomiczne wype-nione kontrastem. Wszystkie inne szczegy anatomicz-ne, ktre byy takie same na obu zdjciach, w wynikuodejmowania zostaj niemal cakowicie usunite (nie-

mal, a nie cakowicie, bo jednak nigdy nie udaje siuzyska dokadnie takiego samego pooenia i takichsamych warunkw ekspozycji narzdu przed i po poda-niu kontrastu). Omwiona tu technika badania najcz-ciej suy do obrazowania rnych naczy (na przykadkrwiononych), dlatego nazywa si angiografi. Z koleiponiewa podstaw tej metody ujawniania strukturanatomicznych jest operacja matematyczna odejmowa-nia, metoda nosi przydomek substrakcyjna.

Literatura

[1] Begg J.D., Radiologia jamy brzusznej atwe spo-soby interpretacji, Czelej, 2000.

[2] Boone R.J., Pozycjonowanie w radiografii klasycz-nej, Czelej, 2001.

[3] Pruszyski B., Radiologia. Diagnostyka obrazowa.Rtg, KT, USG, MR i medycyna nuklearna, PZWL,Warszawa, 2005.

[4] Radiologia podrcznik dla studentw medycynypod redakcj Szczsnego Leszka Zgliczyskiego,PZWL, Warszawa, 1983.

[5] Zieliski K., Strzelecki M., Leniewski-Kmak K.,Jdrzejewski J., Karnicki F., Wasna metoda ilocio-wa oceny radiostruktury koci oraz jej zastosowa-nie w praktyce, Materiay X Konferencji NaukowejBiocybernetyka i Inynieria Biomedyczna, War-szawa 1997, pp. 611615.

[6] Zieliski K., Strzelecki M., Komputerowa analizaobrazw biomedycznych, PWN 2002.

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

1.1.B. Promienie X w diagnostyce medycznejMirosawa Zazulak

1. PROMIENIOWANIE XZAPOCZTKOWUJERADIODIAGNOSTYK

W listopadzie 1895 roku fizyk Wilhelm Roentgen przy-padkowo odkry nowy rodzaj promieniowania. Nazwaje tak, jak okrela si niewiadom w rwnaniu pro-mieniowaniem X (ang. X-rays). Zafascynowany swoimodkryciem, zacz nawietla rne przedmioty, czniez rk swojej ony, i z zapartym tchem oglda, jak nie-widzialne promienie sprawiaj, i nawietlane ksztatypozostawiaj swj zarys na kliszy umieszczonej tu zanimi. Niezwocznie podzieli si swoim odkryciemz przyjacimi, a take, jak na badacza przystao, opisaje w publikacjach naukowych, i tak wiedza o promie-niowaniu X (w Polsce zwanym rwnie prom. rentgen-owskim lub jeszcze krcej rtg) rozesza si wsrduczonych i wywoaa wielk fal bada i dowiadczew wielu orodkach naukowych na wiecie. Ludziewprost oszaleli na punkcie nowego odkrycia kadychcia mie swoje zdjcie odbite na kliszy, niektrzy po-suwali si nawet do tego, e nawietlajc si nowo od-krytym promieniowaniem tworzyli swoje pamitkilubne. Poniewa promieniowanie X ma zdolno prze-chodzenia przez ciao czowieka i umoliwia podgldjego wntrza, wkrtce znalazo ono zastosowanie w dia-gnostyce medycznej i tak rozpocza swoj karier ra-diodiagnostyka. W Polsce pierwszego rozpoznania(zwichnicia stawu okciowego rys. 1) na podstawiezdjcia rentgenowskiego dokonano ju w lutym 1896roku. Pierwsze zdjcia RTG wykonywano na kliszachszklanych. Czas ekspozycji wynosi od kilkudziesiciuminut do 2 godzin.

2. PROMIENIOWANIE JONIZUJCESZKODLIWE DLA ZDROWIA!

Wkrtce po odkryciu promieniowania X zaobserwo-wano negatywne skutki stosowania nowej metody dia-gnostycznej. Ju z pocztkiem roku 1896 zanotowanouszkodzenia skry rk i ng u ludzi wystawionych nadziaanie promieni. Lekarze stosujcy now technikdiagnostyczn zaczli wic nosi specjalne stroje ochron-ne. W 1962 roku ukaza si raport Komitetu ONZ o ba-daniu skutkw promieniowania atomowego (UNSCEAR).Zwrcono w nim szczegln uwag na obcienie ludziskutkami promieniowania jonizujcego pochodzcegoze rde medycznych.

Podczas analizy danych okazao si, e diagnostykarentgenowska ma dziesiciokrotnie wikszy udziaw naraaniu ludnoci na promieniowanie jonizujce niopad radioaktywny po wybuchach jdrowych! Byo tooszaamiajce odkrycie, ktre przyczynio si do zwik-szenia wysikw majcych na celu zmniejszenie dawkipromieniowania X pochodzcej z rentgenodiagnostyki.W konsekwencji tych dziaa nastpi ogromny postpw jakoci aparatury diagnostycznej.

Obecnie w rentgenodiagnostyce stosowane jest sze-roko rozwinite pojcie ochrony radiologicznej pacjen-ta i personelu medycznego, a take wprowadzono ry-gorystyczn kontrol jakoci stosowanych urzdze.

Rys. 1. U gry: pierwszy polski aparat rtg. Na dole: pierwszepolskie zdjcie rtg zrobione w celach diagnostycznych

Poniej, w bardzo uproszczony sposb, przedstawiamelementy aparaturowe, majce na celu zabezpieczeniepacjenta przed szkodliwym wpywem promieniowania.

3. OCHRONA RADIOLOGICZNAPACJENTA

W celu ochrony pacjenta przed nadmiernym napromie-nieniem stosuje si przesony gbinowe, filtry orazkratki przeciwrozproszeniowe. Pierwszy z wymienio-nych elementw ma gwnie za zadanie ograniczywizk promieniowania uytecznego do realnie po-trzebnego rozmiaru oraz zmniejszy ilo promienio-wania rozproszonego, take atakujcego organizm pa-cjenta. Przesony gbinowe (kolimator) skadaj siz czterech szczk oowiowych, ktre mona zsuwa lubrozsuwa i w ten sposb okrelona zostaje wielkopola promieniowania oraz promie rodkowy wizki.Dziki specjalnemu owietleniu i narysowanym na oso-nie, przez ktr przechodzi wiato, (od strony pacjen-ta), specjalnym skrzyowanym liniom, moliwe jest do-pasowanie pola napromieniowania dokadnie do roz-miarw badanej czci ciaa pacjenta.

Filtry z kolei chroni pacjenta w inny sposb, po-chaniaj fotony, ktre nie miayby wpywu na powsta-wanie obrazu rentgenowskiego, poniewa maj zbytma energi, eby wnikn w gb ciaa i zostayby za-absorbowane przez skr pacjenta (ze szkod dla tejostatniej).

Natomiast kratka przeciwrozproszeniowa, znajduj-ca si tu nad kaset1 z bon rtg, suy do zwalczaniapromieniowania rozproszonego. Jest zbudowana z cien-kich listewek oowianych, pomidzy ktrymi znajdujesi materia dobrze przepuszczalny dla promieni X.Elementy kratki przepuszczaj promieniowanie od lam-py do bony (to, ktre przeszo przez ciao pacjenta i wy-tworzy obraz), natomiast pochaniaj one wikszopromieniowania rozproszonego, pojawiajcego si po-midzy pacjentem a klisz rentgenowsk po odbiciuczci promieniowania od tej ostatniej.

Kaseta to odporny na dziaanie wiata pojemnikprzeznaczony do ochrony i transportu filmu rtg, przedi po nawietleniu. Wikszo uywanych obecnie kasetposiada wewntrz dwa ekrany wzmacniajce. Obecniecoraz czciej w miejsce tradycyjnej kasety z filmemwykorzystuje si pprzewodnikowe elektroniczne de-tektory promieniowania, ktre zapewniaj znacznielepsz jako obrazu, s moliwe do wielokrotnegouycia oraz otwieraj moliwoci komputerowej anal-izy i przetwarzania obrazu rentgenowskiego przed jegoprzedstawieniem lekarzowi do oceny.

4. DIAGNOSTYCZNA RADIOLOGIAPEDIATRYCZNA

Postpowanie diagnostyczne z uyciem promieni Xu noworodkw i dzieci znacznie rni si od metod sto-

sowanych podczas badania dorosej osoby. W radiolo-gii pediatrycznej bardzo istotn rol odgrywa znajo-mo anatomii radiologicznej, ze szczeglnym uwz-gldnieniem zmian anatomicznych i fizjologicznych za-chodzcych w obrazach poszczeglnych narzdww czasie ich rozwoju od okresu podowego do osig-nicia dojrzaoci. Organizm dziecka z wielu powodwjest znacznie bardziej wraliwy na promieniowanie jo-nizujce, a przez to bardziej naraony na wystpienienegatywnych skutkw napromienienia. Dlatego te bar-dzo istotne jest przeprowadzenie szczegowego wy-wiadu i dokadnego badania klinicznego przed wybo-rem waciwej metody obrazowania. Chocia ze wzgl-du na wysoki stopie bezpieczestwa, metoda ultraso-nograficznego badania bardzo zyskaa na znaczeniuw diagnostyce pediatrycznej, to jednak w dalszym ciguklasyczna radiologia pozostaje najszerzej wykorzysty-wan technik obrazowania take w pediatrii, a to zmu-sza do stosowania szczeglnych procedur bezpiecze-stwa.

5. RADIOGRAFIA PRZYKOWA

W sytuacjach, gdy pacjent nie moe opuci oddziau,przenone aparaty RTG umoliwiaj zrobienie tzw.zdj przykowych (rys. 2). Niestety zdjcia takiecharakteryzuj si gorsz jakoci, natomiast zwikszasi ekspozycja personelu oraz pacjenta na promienio-wanie jonizujce.

6. RADIOGRAFIA CYFROWA

Obecnie wci najpopularniejsze s tradycyjne zdjciarentgenowskie, jednak postp techniczny doprowadzirwnie do powstania radiografii cyfrowej. Rnicamidzy tymi dwiema metodami polega na zamianie kli-

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

Rys. 2. Przenony aparat rentgenowski do zdj przykowych

szy rentgenowskiej na specjaln foli pamiciow,ktra zamiast bromku i jodku srebra zawiera zwizki se-lenu i fosforu. Utajony obraz, jaki powstaje w wynikunawietlenia folii promieniowaniem X, jest nastpnieodczytywany za pomoc czytnika laserowego i zapisy-wany w postaci cyfrowej w pamici komputera. Jeszczenowszym rozwizaniem jest zastosowanie wraliwychna promieniowanie X detektorw pprzewodniko-wych, zbudowanych podobnie jak matryce CCD bdcesercem nowoczesnych cyfrowych aparatw fotografi-cznych i kamer wideo.

Tak otrzymany wynik badania mona, za pomocspecjalnej drukarki laserowej, przedstawi na kliszy fo-tograficznej, na papierze termoczuym, a coraz czciejpo komputerowej obrbce na specjalnym monitorze(ekranie diagnostycznym) podczas oceny oraz na zwy-kym papierze i na noniku komputerowym (dyski CD)dla celw dokumentacji. Zasadniczymi zaletami tej me-tody s: zmniejszenie dawki promieniowania w sto-sunku do tej, jak otrzymuje pacjent w konwencjonalnejradiologii, moliwo dowolnego przetwarzania i ko-rekcji zdj, a take elektronicznej archiwizacji wyni-

kw bada i zdalny dostp, co stanowi podstaw telera-diologii.

Literatura

[1] Baron J., J. Pilch Kowalczyk (red.), Wprowad-zenie do diagnostyki obrazowej, lska AkademiaMedyczna, Katowice 1999.

[2] red. B. Pruszyski: Radiologia. Diagnostyka obra-zowa: rtg, TK, USG, MR i radioizotopy, PZWL,Warszawa 1999.

[3] David T. Schwartz, Earl J. Reisdorff, Radiologiawypadkowa, Wyd. Czelej Sp. z o.o., Lublin 2002.

[4] red. B. Pruszyski, Diagnostyka obrazowa. Podsta-wy teoretyczne i metodyka bada, PZWL, War-szawa 2000.

[5] Dennis M. Marchioni, Radiologia kliniczna, Wyd.Czelej Sp. z o.o., Lublin 1999.

[6] Rhonda J. Borne, Pozycjonowanie w radiografiiklasycznej, Wyd. Czelej Sp. z o.o., Lublin 2001.

[7] http://www.radiologia-malopolska.org/.

Mirosawa ZazulakPromienie X w diagnostyce medycznej

1.2.A. Tomografia komputerowaRyszard Tadeusiewicz, Marek R. Ogiela

1. WPROWADZENIE

Tomografia komputerowa (Computed Tomography CT) jest, obok bada magnetyczno-rezonansowych,jedn z gwnych technik diagnostyki nieinwazyjnej,stosowanych we wspczesnej medycynie. Jej popular-noci sprzyja zarwno postp technologiczny, objawia-jcy si kolejnymi generacjami urzdze o coraz lepszychparametrach uzyskiwanego obrazu, take w formie re-konstrukcji trjwymiarowych, jak i szybsze komputerysuce matematycznej obrbce otrzymywanych da-nych pomiarowych.

Badanie za pomoc tomografii komputerowej pole-ga na wielokrotnym przewietlaniu pacjenta odpowied-nio uformowan wizk promieni rentgenowskich(rys. 1). Wizka przechodzca przez badane tkankiulega osabieniu, a jej finalne natenie mierzone jestprzez detektor. Osabienie wizki (pochanianie pro-mieniowania) w drodze do detektora, zaley od rodzajusubstancji, przez ktr ono przechodzi, jednak przy po-jedynczym sondau mamy do czynienia z efektem su-marycznego osabienia wizki przez wszystkie tkanki,przez ktre wizka przechodzia. Moliwo odtwo-rzenia pochaniania promieniowania przez konkretnypunkt na przekroju ciaa pacjenta wynika z faktu, e to-mograf zbiera wyniki wielu takich sondowa, wykony-wanych przez wizki biegnce w wielu kierunkachi przecinajce si wielokrotnie w rnych punktachwntrza ciaa pacjenta. Poprzez analiz sygnau reje-strowanego przez detektory dla wielu takich wizekmona uzyska informacj o stopniu pochaniania pro-mieniowania w poszczeglnych fragmentach badanegociaa pacjenta, tak zwanych wokselach, rozwizujc (naj-czciej iteracyjnie) odpowiednie ukady rwna.

Na podstawie uzyskanych wynikw mona dokad-nie zidentyfikowa badane tkanki i odtworzy oblicze-niowo ksztaty narzdw. Identyfikacja ta jest jednaktrudna, poniewa wymaga z jednej strony duej ilocipomiarw, z drugiej natomiast, skomplikowanych ope-racji matematycznych prowadzcych do odtworzeniaprzestrzennej struktury obiektu.

2. ODROBINA HISTORII

Gwny wkad w powstanie tomografii komputerowej(TK) mia Godfrey Hounsfield (rys. 2), ktry w 1970roku odkry, e za pomoc pomiaru absorpcji promie-niowania rentgenowskiego mona oceni gsto tkan-ki. Pierwszy raz uyto tej techniki w 1971 roku, wynikjednak nie by zbyt dobry (rys. 2).

26

Rys. 1. Zasada dziaania tomografu opiera si na wielokrotnymprzechodzeniu promieniowania przez te same czci ciaa

rdo: [8]

Rys. 2. Godfrey Newbold Hounsfield, jego tomograf i pierwszy obraz CTrdo: [9]

3. ZASADA DZIAANIAWSPCZESNEGO TOMOGRAFU

Technik tomografii komputerowej systematycznie do-skonalono, gwnie z tego powodu, e bya ona wolnaod wikszoci ogranicze tradycyjnej techniki rentge-nowskiej. Na obrazie tomograficznym obiekty nie prze-saniaj si nawzajem, dziki czemu mona dokadnieobrazowa na przykad wntrze mzgu, mimo ukrywa-jcej go masywnej skorupy czaszki. Ponadto w tomo-grafii gstoci poszczeglnych tkanek mona wyzna-cza obliczeniowo z tak du dokadnoci, e moliwes rozrnienia absolutnie nieosigalne innymi metoda-mi na przykad mona odrni krew skrzepnit odpynnej, co pozwala ustali na przykad zasig urazu.

Najwaniejsze elementy skadowe tomografu po-kazano na rysunku 3. Podstawowymi elementami to-mografu komputerowego s przesuwny st, na ktrymley badany pacjent ,oraz gantry (czasem po polsku ok-relane jako brama), czyli element w ksztacie pier-cienia zawierajcy lampy rentgenowskie i detektorypromieniowania), a take komputer i system wizualiza-cji odtwarzajcy obraz. Dane zebrane przez detektory,wraz z informacj o pooeniu lampy i detektorw, sanalizowane przez komputer w celu rekonstrukcji ob-razu, a wynik rekonstrukcji jest przedstawiany za po-moc wizualizacji.

4. KIERUNKI ROZWOJUTECHNIKI TOMOGRAFICZNEJ

Kolejne generacje tomografw cechoway si tym, ezachowujc zasad wielokierunkowego sondowaniawntrza ciaa czowieka, pozwalay uzyskiwa potrzeb-ne zobrazowanie w coraz krtszym czasie (rys. 4, 5).

Innowacj w technologii CT byo zastosowanie to-mografu komputerowego wykonujcego spiralny obrtlampy rentgenowskiej wok pacjenta (rys. 6). Pierwszetakie badanie wykonano w 1989 roku. Dziki przejciuz techniki sekwencyjnej na spiraln otrzymano moli-

wo obrazowania ciaa ludzkiego w dowolnej pasz-czynie. Z tego powodu spiraln tomografi kompute-row nazywa si tomografi objtociow (volumetricCT) lub trjwymiarow (3D CT).Obecnie tomografystosowane w medycynie pozwalaj podczas jednegoobrotu lampy zarejestrowa od jednej warstwy do sze-dziesiciu czterech warstw. Dziki temu mona skrciczas badania, i tym samym ograniczy dawk promie-niowania.

27

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

Rys. 3. Gwne elementy konstrukcyjne tomografu(przedstawione bez zachowania skali)

Rys. 4. Przejcie od tomografw pierwszej generacji (a) dodrugiej generacji (b) polegao na zastpieniu jednej wizkipromieniowania caym ich wachlarzem oraz jednego detekto-ra matryc detektorw. Przyspieszao to czas pozyskiwania

obrazurdo: [10]

Rys. 5. Dalszy postp dokonywa si gwnie za spraw do-dawania coraz wikszej liczby detektorw, ktre wreszcie

w tomografach IV generacji wypeniy cay krgrdo: [11]

a)

b)

5. ZALETY TOMOGRAFII

Tomografia komputerowa umoliwia bezporedniocen mzgu oraz innych struktur znajdujcych siwewntrz czaszki, ktre wczeniej praktycznie nie byydostpne do bada radiologicznych. Co wicej, dzikitomografii moliwe stao si okrelenie, czy te strukturynie ulegy przemieszczeniu. Dziki TK diagnoci mogwykry wiele schorze, np. w postaci guzw i krwia-kw, ktre wczeniej byy trudne do wykrycia z wyko-rzystaniem techniki RTG. W chwili obecnej TK, cho

ustpuje w zakresie moliwoci diagnostycznych rezo-nansowi magnetycznemu, jest bardziej popularnym ba-daniem, gwnie ze wzgldu na dobr dostpno dotego badania oraz bardzo dobr czytelno uzyskiwa-nych obrazw (rys. 7).

6. TRJWYMIAROWA REKONSTRUKCJAOBRAZU W TOMOGRAFII

Cz ciaa pacjenta poddawana badaniu tomograficz-nemu przedstawiana jest w postaci przekroju, a zatemprzy wykonani serii obrazw (co jest w tomografiiregu) otrzymujemy obraz ciaa pacjenta podzielony nawarstwy. Pojedynczy przekrj o gruboci 0,7510 mmto matryca wokseli, odwzorowywanych nastpnie napiksele otrzymywanego obrazu. Rozdzielczo wokselajest rzdu 0,50,50,6 mm. Generalnie zmniejszenieobjtoci woksela powoduje popraw jakoci obrazu,ale wie si ze wzrostem dawki promieniowania.

Serie przekrojw uzyskiwanych z badania tomogra-ficznego mog by analizowane jako sekwencja obra-zw, na podstawie ktrych lekarz ustala diagnoz i spo-sb leczenia, jednak bardziej atrakcyjna jest moliworekonstruowania przez komputer przestrzennego obrazurozwaanego narzdu (rys. 8).

28

Ryszard Tadeusiewicz, Marek R. OgielaTomografia komputerowa

Rys. 6. Tomograf spiralnyrdo: [1]

Rys. 7. Obrazy uzyskiwane w badaniu CT cechuj si bardzo wysok jakocirdo: [12]

Wspczesne tomografy potrafi wytwarza bardzorealistycznie wygldajce trjwymiarowe obrazy we-wntrznych narzdw ciaa, przy czym obrazy te monaoglda z rnych stron, z bliska i z daleka, na obrazieczarno-biaym (podobnym do rentgenowskiego) bdw kolorach. Moliwa jest take wirtualna endoskopia,opisana w rozdziale 1.2.B.

7. SPOSB PREZENTOWANIAOBRAZU TOMOGRAFICZNEGOLEKARZOWI

Wartoci gstoci tkanki uzyskane poprzez obliczeniaw tomografie komputerowym wyraa si w skali Houns-fielda omwionej w poprzednim podrozdziale (podczasdyskusji waciwoci obrazw RTG). Wartoci te dlaciaa ludzkiego zawieraj si w przedziale od 1000 HUdo 1000 HU i s niemoliwe do dokadnego przedsta-

wienia czowiekowi, ktry chciaby dokonywa wzro-kowej oceny tych obrazw. Dlatego przy obrazach CTstosuje si take zamian wybranego przedziau war-toci Hounsfielda na zbir (0, 1, ..., 255). Przyjo sitake i w tym badaniu okrela granice W1, W2, a potemreprezentowa za pomoc wielkoci L i W:

LW W

W W W

1 2 2 12, ,

gdzie:L pozycja rodka przedziau,

W szeroko okna.

Odpowiedni dobr wartoci L i W stosowanychw badaniach wpywa nie tylko na to, co na obrazie wi-da (rys. 9), ale take pozwala sterowa subiektywnymwraeniem, jakie odnosi lekarz analizujcy obraz(rys. 10).

29

CZ 1. DIAGNOSTYKA OBRAZOWA: JAK MASZYNY WIDZ LUDZI

Rys. 8. Zasada tworzenia trjwymiarowego modelu na podstawie serii przekrojw dostarczonych przez tomograf komputerowyrdo: [7]

Rys. 9. Na obrazie (a) uzyskanym dla L = 600, W = 1700 wida znacznie wicej szczegw, natomiast na obrazie (b) uzyskanymprzy L = 50, W = 400 wielu rzeczy nie wida, ale za to mona si lepiej skupi na wydzielonych obiektach

rdo: [1]

a) b)

Literatura

[1] Ciernak R., Tomografia komputerowa. Budowa urz-dze CT. Algorytmy rekonstrukcyjne, AkademickaOficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2005.

[2] Cormack A. MacLeod, Reconstruction of densitiesfrom their projections, with applications in radiolo-gical physics, Phys. Med. Biol., vol. 18, nr 2, 1973,s. 195207.

[3] Yang G.-Z., Firmin D.N., The birth of the first CTScanner, IEEE Engineering in Medicine and Bio-logy, Jan./Feb. 2000, s. 120125.

[4] Hounsfield G.N., Computerized transverse axicalscanning (tomography) Part 1. Description of theSystem, Br. J. Radiol., 1973, nr 46, s. 10161022.

[5] Ambrose J., Computerized transverse axical scan-ning (tomography) Part 2. Clinical applications,Br. J. Radiol., 1973, nr 46, s. 10231047.

[6] Hounsfield G.N., Computerized transverse axialscanning: tomography, Konferencja Instytutu Bry-tyjskiego, Londyn, 1973.

[7] Ogiela M.R., Tadeusiewicz R., Modern Computa-tional Intelligence Methods for the Interpretationof Medical Image, Studies in Computational Intel-ligence, vol. 84, Springer-Verlag, Berlin Heidel-berg New York, 2008.

[8] http://pl.wikipedia.org/wiki/Grafika:Tomograf_I_generacja.png.

[9] http://www.revistamedica.8m.com/medmoder8.htm.

[10] http://pl.wikipedia.org/wiki/Grafika:Tomograf_II_generacja.png.

[11] http://pl.wikipedia.org/wiki/Grafika:Tomograf_IV_generacja.png.

[12] http://gamma.wustl.edu/pt061ct352.gif.

Ryszard Tadeusiewicz, Marek R. OgielaTomografia komputerowa

Rys. 10. Zastosowanie szerszego okna powoduje, e obraz staje si mniej kontrastowy a przez to robi wraenie mniej zakconego(dla obrazu (a) zastosowano L = 50 i W = 200, a dla obrazu (b) przyjto L = 50 i W = 400)

rdo: [1]

a) b)

1.2.B. Tomografia komputerowaKlaudia Czopek, Mirosawa Zazulak

1. WPROWADZANIE

Tomografia komputerowa, zwana skrtowo TK lub CT(Computed Tomography) jest jedn z wielu wspcze-snych technik obrazowania diagnostycznego w medyc-ynie. Podczas jednego badania wykonywana jest bardzodua liczba obrazw przekrojw ciaa badanego pa-cjenta, dziki czemu badany narzd (lub fragment ciaa na przykad jama brzuszna) zobrazowany jest w wielumiejscach, a nie tylko w jednym, co zwiksza prawdopo-dobiestwo napotkania na ktrym z przekrojw po-szukiwanej zmiany chorobowej. Dodatkowo badanenarzdy nie przesaniaj si nawzajem jak na zwykymzdjciu rentgenowskim, co powoduje, e przy uyciutomografu znacznie atwiejsza staje si ocena stanuzdrowia chorego.

Otrzymane przekrojowe obrazy struktur tkankowych(skany) mona modyfikowa w celu uzyskania jak naj-lepszego kontrastu, w zalenoci od rodzaju tkanki, naktr lekarz chce zwrci najwiksz uwag. Danastruktura tkankowa bdzie miaa rne jasnoci w za-lenoci od wybranego okna (dla tkanek mikkich,kostnych, itp.).

Tomografia komputerowa, w porwnaniu z radiogra-fi klasyczn, posiada bardzo dobr zdolno rozrnia-nia niewielkich struktur tkankowych, oraz umoliwia re-konstrukcj uzyskiwanego obrazu w dodatkowych pasz-czyznach (strzakowej i czoowej). Wad tej metody jestwysoki koszt badania oraz wiksza dawka promien-iowania pochonitego przez nawietlanego pacjenta.

2. ZASADA DZIAANIA

Badanie TK polega na wykonywaniu skanw diagno-zowanej czci ciaa pacjenta. W rutynowym badaniu,skany wykonywane s co 3 do 5 mm. Na pocztku ba-dania wykonywany jest jeden przegldowy skan przezpoddawany ocenie przekrj ciaa badanego, w celuwstpnej lokalizacji badanego narzdu bd zmiany pa-tologicznej. Taki wstpny skan nazywa si topogra-mem. Topogram uatwia odpowiednie ustawienie apar-atury zaznacza si na nim obszar, ktry ma zostanawietlony i na podstawie takiego wstpnego zarysunastpuje automatyczne pochylenie gantry, czyli pier-cienia z lampami rentgenowskimi i detektorami, doktrego wjeda pacjent podczas badania.

Tabela 1Podstawowe zasady obrazowania tkanek

w tomografii komputerowej

Obrazstruktury

Gsto lub osabieniepromieniowania

Przykad

biaa duakoci, zwapnienia,ostre krwawienie,

rodki kontrastujce

szara porednia woda, tkanki mikkie

czarna maa tuszcz, powietrze

W przypadku, gdy uzyskany obraz jest nieprecyzy-jny, tzn. gdy np. daje niewyrany zarys guza, radiologmoe podj decyzj o podaniu rodka cieniujcegow celu wyostrzenia skanw. W zalenoci od wstpnegorozpoznania oraz badanej czci ciaa, s rne metodypodawania oraz rne rodzaje kontrastu. Przykadowo,w celu tomograficznej oceny guzw nowotworowychgowy i szyi, podawany jest czsto doylnie jodowy ro-dek kontrastujcy. Cakowita dawka kontrastu jestzalena od badanej okolicy i zazwyczaj wynosi okoo100180 ml.

3. WIELORZDOWATOMOGRAFIA KOMPUTEROWA

Wielorzdowa tomografia komputerowa (MSCT Multi-Slice Computed Tomography, MDCT Multi--row-Detector Computed Tomography), to metoda opar-ta na jednoczesnej rejestracji wicej ni jednej warstwypodczas badania. Dziki 16-rzdowej TK mona ju

Rys. 1. Fotografia ilustrujca badanie TK

wykry guzy wielkoci ziarenka ryu i okreli charak-ter takiej zmiany, jak i zmienno tkanki w jej obrbie.Obecnie na rynku mona si spotka z tomografamiumoliwiajcymi jednoczesn rejestracje 64 warstwgruboci 0,5 mm kada. Uzyskuje si to z uyciemwikszej liczby matryc detektorw analizujcych pro-mieniowanie, ktre przeszo przez ciao pacjenta, jaki wykorzystujc wicej rde promieniowania, naprzykad 2 lampy rentgenowskie. Tego typu tomografznajduj si w Krakowskim Szpitalu Specjalistycznymim. Jana Pawa II. Pozwala on na skrceniu czasu ba-dania (np. badanie klatki piersiowej trwa ok. 4 s), jakrwnie zmniejszenie dawki promieniowania rentge-nowskiego pochonitego przez pacjenta. System tenuzyskuje przestrzenn wizualizacj badanych strukturtkankowych. Diagnozowanie nastpuje nie tylkow przestrzeni trjwymiarowej, ale i w czasie, a zatemjest to obrazowanie okrelane jako 4D (czterowymia-rowe, bo litera D w takich kontekstach oznacza wymiarod angielskiego terminu Dimension). Takie zobrazowa-nie jest wykorzystywane na przykad podczas obrazo-wania bijcego serca.

4. WTRNE PRZETWARZANIE(POSTPROCESSING) OBRAZU TK

W tomografii kompu