Timp de 50 de ani, tomografiile au salvat vieți, au dezvăluit frumusețea și multe altele

O imagine granulată, la scară de gri, a unui creier a schimbat știința și medicina pentru totdeauna.

În urmă cu o jumătate de secol, prima imagine CT a unui pacient a ridicat vălul de invizibilitate care acoperă interiorul corpului uman, oferind oamenilor de știință o fereastră asupra măruntaielor noastre, ca oricare altă dată.

Astăzi, doar medicii din Statele Unite comandă peste 80 de milioane de scanări pe an. Tomografia computerizată cu raze X, sau CT, este adesea cea mai rapidă modalitate de a înțelege ceea ce provoacă o nenorocire misterioasă. Scanările CT pot dezvălui boli de inimă, tumori, cheaguri de sânge, fracturi, sângerări interne și multe altele. Tehnica poate oferi chirurgilor o informație cu privire la ceea ce vor întâlni în interiorul unui pacient și poate ghida tratamentul pentru cancer și alte boli.

„Răspunde rapid la multe întrebări. De aceea este folosit”, spune fizicianul medical Cynthia McCollough de la Clinica Mayo din Rochester, Minn.

O scanare CT implică mii de măsurători cu raze X luate din mai multe unghiuri. Iată cum funcționează: o sursă de raze X se rotește în jurul corpului, trimițând un fascicul de radiații prin oase, sânge și țesuturi, în timp ce detectoarele rotative măsoară fasciculul care trece.

Diferitele materiale din organism absorb razele X în mod diferit. De exemplu, calciul din oase absorb razele X, în timp ce țesuturile moi absorb mai puțin. Așadar, atunci când datele colectate de detectoare sunt legate împreună de un computer, acesta poate forma o vedere în secțiune transversală a ceea ce se află în interior, în funcție de locul în care razele X sunt absorbite mai mult sau mai puțin. Deplasarea mesei care ține pacientul astfel încât fasciculul de raze X și detectoarele să alunece de-a lungul corpului permite reconstrucțiile 3-D ale organelor și altor părți.

De-a lungul anilor, oamenii de știință au îmbunătățit continuu tehnologia, făcând-o mai rapidă și cu rezoluție mai mare și reducând cantitatea de radiații pe care o primesc pacienții. Aceste scanări CT îmbunătățite au pictat peisaje din ce în ce mai detaliate ale corpului uman. Este greu să nu te minunezi de frumusețea lumii interioare pe care scanările o scot la suprafață.

Iată o privire în urmă asupra unora dintre progresele majore ale scanărilor CT din ultimii 50 de ani.

Se naște tomograful

În 1971, radiologul James Ambrose de la Spitalul Atkinson Morley din Londra a efectuat prima scanare CT a unui pacient în colaborare cu inginerul Godfrey Hounsfield, inventatorul tehnologiei. Hounsfield a lucrat pentru compania britanică de electronice EMI, cunoscută mai ales pentru rolul său de companie de discuri pentru Beatles.

prima imagine CT a unui pacient care arată zona creierului
În 1971, prima scanare CT a unui pacient (prezentată) a scos la lumină creierul, descoperind o tumoare (cerc întunecat în stânga sus).A. Maier et al/Sisteme de imagistică medicală: un ghid introductiv 2018 (CC BY-ND 4.0)

Scanarea, o imagine de doar 80 de pixeli în diametru și 80 de pixeli lățime, nu a oferit prea multe detalii. Dar a prezentat potențialul tehnologiei, dezvăluind o tumoare în creierul unei femei. Un chirurg care a operat mai târziu tumora se spune că s-a mirat că „ara exact ca în imagine”.

Anterior, dacă medicii doreau să caute o tumoare pe creier, injectau aer în coloana vertebrală. Apoi au rotit pacientul pentru a permite aerului să bule în zona din jurul creierului pentru a crește contrastul în imaginile cu raze X standard. Procedura „a durut ca naiba”, spune McCollough. „Pacienții au vărsat în mod obișnuit; a fost ca o tortură.” Odată cu scanarea CT, acea agonie a devenit în curând un lucru din trecut.

În orice fel îl feli

La început, scanerele CT au fost concepute pentru a vizualiza doar creierul. Dar cercetătorii au adaptat rapid tehnologia pentru a realiza imagini în secțiune transversală, sau felii, în diferite puncte de-a lungul corpului. Apoi, la începutul anilor 1990, au fost create scanere în care sursa de raze X scana într-o spirală continuă în jurul corpului, în loc să ia secțiuni transversale individuale. Acest avans a permis ca un întreg organ, cum ar fi plămânii, să fie fotografiat dintr-o singură mișcare.

o scanare pulmonară 2-D alb-negru lângă o redare 3D de culoare violet
Scanerele CT cu mai multe rânduri de detectoare pot imaginea mai multe secțiuni transversale, sau felii, ale corpului simultan, îmbunătățind rezoluția imaginii. Aceste imagini ale plămânilor cu emfizem au fost realizate cu un scanner cu 128 de felii, prezentate într-o imagine 2-D (stânga) și o reconstrucție 3-D colorată (dreapta).P. Rogalla, C. Kloeters și PA Hein/Clinicile radiologice din America de Nord 2009

Dar rezoluția imaginii de-a lungul lungimii corpului era încă scăzută. Scanerele CT cu mai multe rânduri de detectoare cu raze X au rezolvat această problemă prin imagistica mai multor bucăți de corp simultan de-a lungul traseului spiralat.

Producătorii de scanere CT au continuat să crească numărul de detectoare, făcând scanere care ar putea capta mai multe felii deodată. Când detectoarele au atins 64 de bucăți la începutul anilor 2000, McCollough spune, „adevăratul „Wow” sa întâmplat”. Scanările pot fi rapide, de înaltă rezoluție și pot acoperi o lungime semnificativă a corpului, toate odată. Astăzi, scanerele sunt și mai sofisticate, folosind până la 320 de felii.

În cele din urmă, complexitatea fragilă ascunsă în interiorul corpului uman – de la rețelele complicate ale vaselor de sânge la pasajele de aer ramificate grațios ale plămânilor până la structura delicată, dar robustă a osului – era acolo pentru toți să vadă.

Dublarea

Când socrul lui McCollough a aterizat în camera de urgență cu o încheietură dureroasă, el a languit ore în șir în timp ce medicii încercau să-și dea seama ce era în neregulă. În cele din urmă, își amintește McCollough, ea a întrebat: „Nu-l putem trimite la CT?”

Datorită unei tehnici numite CT cu energie duală, medicii au reușit să identifice problema. CT cu energie dublă, introdus în 2006, utilizează două fascicule de raze X la energii diferite, în loc de doar un fascicul. Realizarea imaginilor în acest fel permite scanerelor să stabilească exact ce materiale se află în interior. Diferitele materiale absorb razele X în cantități diferite, dar pentru a vă concentra asupra unui anumit tip de material, doriți să știți cum se modifică această absorbție pe măsură ce energia razelor X se schimbă.

De exemplu, CT cu energie dublă poate face distincția între diferite tipuri de cristale care se pot forma în articulații, provocând artrita. Cristalele de urat indică gută, iar cristalele care conțin calciu indică pseudogută. Pentru socrul lui McCollough, scanarea a descoperit rapid cauza durerii sale: pseudoguta. În acest fel, tomografiile pot dezvălui corpul uman la nivelul său cel mai elementar, materialele care îl compun.

Scanarea CT a unei mâini care arată cristale de urat în jurul încheieturii mâinii și articulațiilor degetelor în verde
O scanare CT cu energie dublă arată un marker indicator al gutei, prezența cristalelor de urat (indicate cu verde în această reprezentare 3-D cu culori false) în articulațiile dintre oasele mâinii (alb și violet).MA Desai et al/Radiografie 2011

Contați pe ea

Detectoarele de raze X din scanerele CT sunt „sosul secret” al tehnologiei, spune McCollough, deoarece detectorii sunt modul în care aparatele măsoară razele X în primul rând. Majoritatea scanerelor CT măsoară acea radiație indirect, mai întâi transformând razele X în lumină vizibilă și apoi transformând acea lumină într-un semnal electric. O nouă eră a tehnologiei CT elimină intermediarul. În septembrie, Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente a aprobat primul scaner CT „cu numărare de fotoni”.

Razele X sunt un tip de lumină de înaltă energie și, ca toată lumina, sunt formate din particule numite fotoni. Scanerele CT cu numărătoare de fotoni măsoară fotonii de raze X individuali. Tehnologia permite, de asemenea, imagini mai clare, mai detaliate și oferă o măsură a energiilor fotonilor, care, la fel ca CT cu energie duală, identifică diferite materiale din interiorul corpului.

imagini ale unei încheieturi rupte într-o scanare CT obișnuită și o scanare CT cu numărare de fotografii
Scanările CT cu numărare de fotoni sunt apreciate pentru imaginile lor de înaltă rezoluție. Într-o scanare CT convențională a încheieturii mâinii rupte (stânga, ruptura indicată cu o săgeată), structura osului este neclară în comparație cu o scanare de numărare a fotonii a încheieturii mâinii (dreapta).Fundația Mayo pentru Educație și Cercetare Medicală

Dincolo de corpul (uman).

Este posibil ca tomografiile să fi fost inventate pentru medicină, dar asta nu i-a împiedicat pe alți cercetători să recunoască utilitatea tehnologiei. Oamenii de știință din domenii precum arheologie, biologie și fizică au valorificat tehnologia pentru a înțelege mai bine totul, de la rămășițele mumificate (SN: 8/20/20) la modul în care se formează fisuri în beton în anatomia animalelor, cum ar fi șopârla monitor fără urechi (Lanthanotus borneensis).

Scanare CT a unei șopârle monitor încovoiate care arată scheletul în alb și armura osoasă în verde
Creată folosind scanarea CT, această reconstrucție colorată 3-D a unei șopârle monitor fără urechi dezvăluie scheletul său (alb murdar) și armura osoasă (verde).Edward Stanley/Muzeul de Istorie Naturală din Florida/Univ. din Florida

Această imagine a L. borneensis provine de la Muzeul de Istorie Naturală din Florida din Gainesville. Cercetătorii de acolo realizează 20.000 de seturi de date CT de specimene conservate care reprezintă fiecare gen de vertebrate găzduit în colecțiile de istorie naturală din SUA pentru a dezvălui anatomia internă a animalelor. Oricine din lume va putea accesa aceste scanări online.

Următorii 50 de ani

În ciuda tuturor acestor progrese, unii cercetători avertizează că povestea de dragoste a medicilor cu CT a mers prea departe, cel puțin în Statele Unite, unde scanările sunt folosite mai des decât în ​​multe alte țări. Scanările CT care nu sunt necesare pot avea dezavantaje: pot descoperi constatări fără legătură care par îngrijorătoare, dar sunt probabil benigne, ceea ce ar putea duce la teste suplimentare costisitoare și care induc anxietate. Dar scanările CT anterioare pot avea, de asemenea, efecte negative, prin încetinirea diagnosticelor pentru afecțiuni care se rezolvă cel mai bine dacă sunt tratate rapid.

scanare CT colorată care arată zone ale plămânului deteriorate de covid în verde și zone nedeteriorate în albastru
La pacienții cu COVID-19, scanările CT pot dezvălui zonele deteriorate ale plămânilor, prezentate cu verde în această imagine colorată a unei secțiuni transversale a toracelui.Steven Needell/Sursa științifică

Nu se poate nega că, atunci când sunt justificate, tomografiile sunt o parte crucială, care salvează vieți, a setului de instrumente medicale. Recent, scanările au fost în centrul atenției pentru a dezvălui leziuni cauzate plămânilor de COVID-19 (SN: 27/04/2020). Tehnologia pare gata să rămână un pilon al medicinei și științei în deceniile viitoare, continuând să-și scaneze drumul în inimile noastre, plămânii, creierul și peste tot.