Pierwsze kolorowe zdjęcia RTG zrobione dzięki technologii ze Zderzacza Hadronów

Dodanie koloru do zdjęć rentgenowskich ma być dla medycznego obrazowania rewolucją podobną do tej, jaką było przejście z obrazowania 2D na 3D. Kolor na zdjęciach pozwoli radiologom precyzyjnie zobaczyć już nie tylko kości, ale pokaże też wyraźniej różne tkanki. Bardziej czytelny obraz pomoże lekarzom w dokładniejszym diagnozowaniu pacjentów.

Pierwsze zdjęcie człowieka z MARS-a. Takim zgrabnym sloganem anonsuje swój sukces nowozelandzka firma MARS Bioimaging. Jej twórcy, profesorowie University Canterbury i Otago, Phil i Anthony Butler – prywatnie ojciec i syn – po dziesięciu latach badań i testów, zaczęli oferować komercyjnie swój wynalazek.

Zdjęcie nadgarstka zrobione przez MARS i prawdziwa ręka “odcięta” w procesie skanowania. (zdjęcie: MARS Bioimaging)

W tytule użyłem sformułowania „pierwsze zdjęcia rentgenowskie w kolorze”. Takie stwierdzenie może być nieco mylące i to z kilku powodów.
Medyczny skaner MARS wykorzystuje do swojego działania promieniowanie rentgenowskie i robi zdjęcia, ale nie jest wprost odpowiednikiem aparatu RTG, którym robi się zdjęcie np. złamanym kończynom. MARS jest kolejnym krokiem w rozwoju znanej już od lat 70. ubiegłego wieku tomografii komputerowej (CT). Metody obrazowania, która pozwoliła przełamać ograniczenia dwuwymiarowego zdjęcia rentgenowskiego. CT jest wciąż czarno-białe (właściwie monochromatyczne), ale dzięki komputerowemu złożeniu serii zdjęć wykonanych wokół badanej próbki w jedną całość wyraźniej pokazuje strukturę, a także rozwiązuje znany z RTG problem zasłaniania jedynych obiektów przez drugie np. duża kość zasłania mniejszą.

Tomograf „tnący” wiązką promieniowania rentgenowskiego plasterek po plasterku ciało pacjenta, jest zdecydowanie dokładniejszy od zdjęć 2D. Pokazuje związek pomiędzy sąsiadującymi strukturami, rozróżnia obiekty, które są obok siebie lub wewnątrz siebie. Ale nie widzi „kolorów”.

Choć w internecie znajdziecie kolorowe zdjęcia tomograficzne, to będą to tylko kolorowane czarno-białe skany, w których jakiś algorytm nadał barwy różnym odcieniom szarości. W skanerze MARS chodzi zupełnie o coś innego i to jest właśnie ta rewolucja. Rewolucja bynajmniej nie z Czerwonej Planety, a wprost z Wielkiego Zderzacza Hadronów. Zobaczcie jak “tnie” MARS.

Medipix3 z CERN widzi kolory

Na tradycyjnym obrazie rentgenowskim kości, które składają się głównie z wapnia wyglądają na białe. Jod używany jako środek kontrastowy na czarno-białym zdjęciu również  wyjdzie biały. A przecież to dwie zupełnie inne substancje. Choć jedna i druga silnie pochłania promienie rentgenowskie, to każda robi to w inny sposób. Trzeba to tylko zobaczyć.

By to zrobić Phil i Anthony Butlerowie skorzystali z przetwornika obrazu Medipix3, który został stworzony przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN) do zliczania cząstek materii w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Medipix działa jak kamera, wykrywając i zliczając poszczególne cząstki, które trafiają na jego wrażliwe na promieniowanie piksele, gdy otwierana jest elektroniczna migawka. Biorąc pod uwagę ilość padających na nie cząstek i zakres fal w jakim pracuje cała matryca, Medipix umożliwia uzyskiwanie obrazów o wysokiej rozdzielczości i wysokim kontraście.

To niepozorne urządzenie to Timepix3, jeden z sensor odczytujących systemu Medipix3.  (Zdjęcie: CERN)

Żeby wyjaśnić jak działanie takiego sensora przekłada się na kolorowe zdjęcia CT, trzeba opowiedzieć o tym jak powstają kolory, które widzimy. Światło widzialne składa się z wielu różnych długości fal, zwanych widmem światła widzialnego. Kolor biały widzimy, kiedy od jakiegoś obiektu odbiją się wszystkie długości fal. Prawdziwą czerń zobaczymy (przeczytajcie przy okazji nasz artykuł o najczarniejszej czerni oraz o wyjątkowo czarnym budynku) gdy wszystkie fale zostaną pochłonięte przez jakiś obiekt lub… ktoś zgasi światło. To co dla nas teraz najważniejsze, czyli kolory, zobaczymy w momencie odbicia światła o odpowiadającej im długości fali. Jasność każdego z kolorów będzie zależała od ilości fotonów, które zostaną odbite.

Różnice w działaniu CT i “kolorowego” CT. (Screenshot: Broszura MARS Bioimaging)

Podobnie jest z promieniowaniem rentgenowskim. Tutaj również mamy do czynienia z jego widmem, tyle że nie jest ono widzialne dla ludzkiego oka. Klasyczne zdjęcie RTG wykonywane jest przy wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego o szerokim zakresie częstotliwości i można by je obrazowo porównać do wiązki białego światła, a nie konkretnego koloru czy kolorów.

W tomografie element czuły na promienie X mierzy jak bardzo są one pochłaniane przez obiekt, przez który przechodzą. Im bardziej pochłaniane jest promieniowanie, np. przez kość, tym ma ono mniejsze natężenie. CT „widzi” jasność, ale nie jest w stanie zmierzyć jak bardzo pochłaniane są przez różne tkanki i organy poszczególne „kolory”, czyli różne długości fali. Potrafi to zrobić zaś technologia Medipix3.

Spectrum wkracza do pracy

MARS dzięki zastosowaniu Medipix3 jest spektralnym tomografem komputerowym. Ciało pacjenta jest naświetlane szeroką wiązką promieniowania tak jak w normalnym CT, ale sensor z Wielkiego Zderzacza Hadronów widzi „kolory”, czyli rejestruje jednocześnie sześć różnych długości fal.

Na zdjęciu pochodzącym z broszury informacyjnej o skanerze MARS widać różnicę pomiędzy klasyczny CT a spektralnym obrazem tomograficznym. (Screenshot: Broszura MARS Bioimaging)

Analogicznie do powstawania kolorów w spektrum światła widzialnego, wszystkie materiały w różny sposób tłumią wnikające w nie fale elektromagnetyczne o różnych długościach. Dzieje się tak dlatego, że struktura atomowa materiałów jest inna. Na zwykłym CT kość i jod wyjdą białe (w efekcie czego np. wypełniony kontrastem żołądek zleje się z kośćmi), ale to różne materiały i inaczej tłumią fale. Trzeba je tylko „zobaczyć” i nadać im kolor.

Na tym zdjęciu widać z kolei jak MARS obrazuje różnice w gęstość badanego składnika. (Screenshot: Broszura MARS Bioimaging)

Używany w skanerze MARS chipset Medipix3RX jest w stanie rozróżnić zarówno gęstość, jak i zmienność atomową w próbce. Gęstość określa jasność obrazu (pochłania mniej lub więcej promieniowania X), a struktura atomowa określa kolor. Znając stopień pochłaniania promieniowania przez dany materiał można określić, co widać na obrazie. Naukowcy wiedzą, jak pochłaniają promieniowanie różne materiały i pierwiastki, np. wapń i jod. Jeśli tylko znane obiekty (kość, tkanka tłuszczowa, tkanka miękka itp.) pojawią się na obrazie, można je będzie łatwo zidentyfikować. Jeśli obraz będzie składał się z niewiadomych, to będzie je można wydzielić, korzystając z kolorów.

MARS łączy spektroskopowe informacje zebrane przez Medipix3 z algorytmami komputerowymi, które składają setki zarejestrowanych ujęć w obraz 3D. Kolory nie odpowiadają tutaj de facto rzeczywistemu wyglądowi kości czy tkanek, ale reprezentują różne poziomy energii fotonów promieniowania RTG zarejestrowanych przez detektor. Tym samym identyfikują różne składniki ludzkiego ciała, takie jak tłuszcz, woda, wapń czy tkanki zmienione nowotworowo.

Profesor Phil Butler powiedział w artykule opublikowanym na stronach CERN, że „to nowe narzędzie do obrazowania jest w stanie uzyskać zdjęcia, których nie jest w stanie dać żadne inne narzędzie do obrazowania”.

MARS ma szansę zrewolucjonizować obrazowanie diagnostyczne poprzez rozróżnianie w pojedynczym skanowaniu pierwiastków i związków chemicznych, które są głównymi budulcami poszczególnych tkanek i organów. Jest pierwszym dostępnym na rynku skanerem spektograficznym 3D, który potrafi przeprowadzić analizę anatomiczną i molekularną ciała pacjenta. Robi to w znacznie krótszym czasie, niż znacznie droższe metody tradycyjnego obrazowania molekularnego, takie jak PET lub SPECT. Co bardzo istotne chory podczas badania otrzymuje znacznie mniejsze dawki promieniowania, bo w jednym przebiegu identyfikowanych jest do 6 różnych materiałów, a sensor potrafi zliczać pojedyncze fotony.

Do tej pory naukowcy wykorzystywali niewielką wersję skanera MARS do badań nad rakiem, chorobami kości i stawów oraz chorobami naczyniowymi powodującymi zawały serca. W nadchodzących miesiącach pacjenci ze schorzeniami ortopedycznymi i reumatologicznymi w Nowej Zelandii wezmą udział w pierwszym na świecie badaniu klinicznym z użyciem skanera MARS.

Źródła: MARS Bioimagining, CERN