Ugrás a tartalomhoz

Orvosi leképezéstechnika

Balkay László (2011)

Debreceni Egyetem

A tomográfiai és a CT módszer kialakulása

A tomográfiai és a CT módszer kialakulása

A görög mitológia szerint Prométheusz volt az, aki az emberiségnek elhozta a tüzet és ezzel egy alapvetően új világot teremtette számukra. Igaz, a tüzet elcsente az Olümposzról és végül Zeusz keményen megbüntette ezért, a mai napig e tettre joggal úgy hivatkozunk és gondolunk, mint egy bátor, egy jobb világot teremtő cselekedetre. Bár a görög mitológiában nem lehet dátumhoz rendelni Prométheusz tettét, az orvosi diagnosztikában 1971. október 1-én történt egy olyan esemény, amely alapvetően megváltoztatta a gyógyítás módszerét és az orvostudomány lehetőségeit. Ezen a napon végezte el Godfrey N. Hounsfield és James Ambrose a világon az első humán computer tomográf (CT) vizsgálatot Londonban az Atkinson Morley’s kórházban.

1. ábra Godfrey N. Hounsfield (1919-2004) és James Ambrose (1923-2006) a világ első orvosi tomográfja (EMI CT 1010) mellett.

A páciensnél agytumorra gyanakodtak, és a körülbelül egy óra alatt elvégzett CT vizsgálat képén egyértelmű léziót (beteg területet) lehetett látni. Később Hounsfield emlékezett rá, amint a sebészi beavatkozás során az operáló orvos megdöbbenve felkiált: "De hát ez pont olyan, mint amit a CT képén láttunk!". Ma már senki nem kiállt fel, ha tüzet gyújtunk, és az orvosok is teljes természetességgel használják a képalkotó tomográfokat, ha szike és vágás nélkül bele szeretnének nézni a beteg testébe.

A tomográfia görög eredetű szó, rétegfelvételt jelent. A ma leggyakrabban használt orvosi tomográfiás vizsgálatok a CT, az MRI (mágneses rezonanciás képalkotás), illetve az izotóp diagnosztika két fontos módszere a SPECT (egy-foton emissziós tomográfia) és a PET (pozitron emissziós tomográfia). A vizsgálatok célja, hogy a test keresztmetszeti rétegeit, illetve akár az azokban zajló élettani folyamatokat lehessen megjeleníteni, műtéti vagy sebészeti beavatkozás nélkül. Hogyan lehet ezt megvalósítani? Szinte mindenki részese volt már valamilyen röntgen vizsgálatnak (pl. tüdőröntgen), ahol a vizsgálat során a testen áthaladó röntgensugár inhomogén gyengülése miatt a röntgenfilmen láthatóvá tehetők az eltérő sugárgyengítésű szerveink. A 2. ábrán egy ilyen un. planáris röntgen felvétel eredményképe látható, és valóban már ilyen módon is "beleláthatunk" a szervezetünkbe, mindenképpen zavaró lehet azonban, hogy a különböző szervek

(pl a szív, tüdő és a csontok) egymáson látszanak, nehéz elkülöníteni őket. Az ok viszonylag egyszerű: a térben jól elkülönülő testrészeinket egy síkképen, mint árnyékot próbáljuk megjeleníteni, ráadásul a leképzés során használt röntgensugár átvilágítás felnagyítja és torzítja a valós geometriai viszonyokat. Ez a leképzés teljesen hasonló tulajdonságú, mint amikor például egy lámpa fénye mellett a kezünk árnyékát szemléljük egy falfelületen. Megfelelő tanulás és gyakorlat után természetesen egész jól el lehet igazodni a sík (planáris) felvételeken is, azonban lényegesen informatívabb lenne, ha a valós 3 dimenziós (3D) viszonyokat láthatnánk. Mit lehetne tenni, egyáltalán tényleg kivitelezhető egy ilyen un. 3D képalkotás? Mint majd látni fogjuk az 1950-es évektől kezdve több független kutató, illetve kutatócsoport is feltette magának ezt a kérdést, és eltérő eredményességgel, de alapvetően pozitív választ tudtak adni rá. Mint kiderült, akkor lesz esély a valós 3D eloszlást meghatározni, ha minél több adott irányú árnyékképet próbálunk meghatározni a kérdéses területről. A 3. ábra fekete négyzetében, mint egy vékony rétegben egy egyszerű mintázat van, aminek azonban tetszőleges irányban meghatározhatjuk az árnyékképeit. Képzeljük azt, hogy például röntgensugárral a jelölt 0º, 45º és 90º-os irányokban átvilágítva a képen látható három különböző 1D vetületi "árnyékképet" kapjuk. Ezeket a vetületi görbéket a következőképpen lehet értelmezni: ahol a vetületi eloszlás nagyobb értékeket tartalmaz (a csúcsoknál) ott az azokhoz tartozó vetületi egyenesekben nagy a röntgensugár eredő gyengülése.

3. ábra

Az "E=mc2" képlet, mint keresztmetszeti eloszlás és a vetületi képei. Az eloszlás ebben az egyszerű esetben csak két értéket tartalmaz: 1-et, ahol a karakterek vannak és 0-t mindenütt máshol. A vetítés (projekció) szögei rendre 0°, 45° és 90°. Egy konkrét vetületi csúcshoz be van rajzolva azon egyenes (szaggatott vonallal), amelyben levő fizikai értékek (pl. sugárgyengülés) összege lesz megjelenítve ("levetítve") a csúcsban. Egy konkrét  szög esetén a vetítő-egyenesek száma több száz vagy akár ezer is lehet.

Azt nem tudhatjuk, hogy például a szaggatott egyenes mely részében van egyáltalán gyengülés, de azt mindenesetre sejtjük, hogy jelentős részében. Az is látható, hogy a vetületi eloszlások igen érzékenyen változnak a vetítés szögétől, az 1D eloszlások összessége tehát valamilyen módon tartalmazza a keresztmetszeti 2D kép információját. Milyen matematikai módszerrel lehetne az 1D eloszlásokból a 2D keresztmetszeti eloszlást meghatározni? Van egyáltalán ilyen? Nos erre a kérdésre talált egy konkrét és zseniális választ Hounsfield az 1960-as évek végén, amikor megalkotta az első működőképes tomográfot. Hounsfield elektromérnök volt, aki nem volt járatos a kifinomult matematikai módszerek világában, de akinek vérében volt a problémamegoldás. A vetületi képek problémáját egyszerű lineáris egyenletrendszerek segítségével tudta modellezni, ahol az ismeretlenek a meghatározandó keresztmetszeti eloszlás képelemei voltak. Ezek száma persze nem volt kevés, mert ugyan kezdetben csak 80x80 pixel felbontású kép kiszámolását tűzte célul, de ebben az esetben is 6400 ismeretlenje volt. Az első CT esetén 180 projekciót készített minden páciens körül (180 forgatási lépésben 1 fokonként), és minden vetületben 160 vetítő-egyenest definiált egy jól fókuszált röntgensugár segítségével. Ez azt jelentette, hogy 160x180 egyenlete volt a 6400 ismeretlen meghatározásához. A feladat azonban emberére akadt, mert Hounsfiled volt az a személy is egyben, aki 1959-ben létrehozta Anglia első már teljesen tranzisztor alapú számítógépét, az EMIDEC 1100-t. Így igen járatos volt a numerikus problémák számítógépes megoldásában, és bár a feladat így is igen reménytelennek látszott elsőre, sikerült egy un. iteratív algoritmussal az egyenletrendszert megoldania. Az 1970-es évek számítástechnikai lehetősége mellett már 5 perc is elegendő volt egy 80x80 képelemű CT kép elkészítéséhez. Bámulatos eredmény volt! Minden részletre most nem térhetünk ki, de számos további zseniális megoldást dolgozott ki miközben a CT készüléket kifejlesztette 1968 és 1972 között, mint például a megfelelően kollimált és mozgatott röntgenforrás, illetve detektor, továbbá az adatok rögzítése és tárolása. A nagyméretű számítógépet nem tudták elhelyezni a korházban, ez Hounsfiled munkahelyén az EMI Central Research Laboratories-ban volt, de Hounsfield például azt is megoldotta, hogy az adatokat a normál telefonhálózaton keresztül lehessen a számítógépbe eljuttatni. Szinte hihetetlen ötletek és megoldások abban az időben, amikor még nem létezett internet, és a számítógépes adatbevitel és adatfeldolgozás is gyermekcipőben járt (persze, csak ha úgy merjük gondolni, hogy a mai technika kiérdemli a nagycipő minősítést). A CT vizsgálat lehetősége forradalmasította a gyógyítást és az orvostudományt, és már néhány évvel később is olyan jelentős hatást gyakorolt rá, hogy 1979-ben orvosi Nobel díjjal jutalmazták a CT kifejlesztésében alapvető szerepet játszó két kutatót. Természetesen Godfrey N. Hounsfield volt az egyik személy, de ki volt a másik? Ha a tisztelt olvasó tisztában van a válasszal, akkor nincs mit tenni, de ha nem, akkor kérem még ne nézzen utána a válasznak, hamarosan kiderül még ebben a cikkben is. Először azonban áttekintenénk, hogy mi is történt még az orvosi tomográfia területén az 1950-es évek végétől.

4.ábra Semen Tetelbaum (1910-1958), William Oldendorf (1925-1992) és David E Kuhl (1929 -)

Az első eredményt a Kiev-i Politechnikai Intézet akadémikusa Semen Tetelbaum érte el. Tetelbaum kora egyik kimagasló kutatója volt: 29 évesen már akadémiai doktor volt és 38 évesen lett akadémikus. Az elektromágneses alapú kommunikáció volt a szakterülete, de ő fejlesztettet ki az egyik első TV készüléket is 1932-ben. 1956-1958 között három közleményben számolt be munkatársaival arról, hogy az un. inverz integrál Radon transzformáció segítségével, illetve egy analóg TV megjelenítéssel lehetséges lehet a röntgensugárral elvégzett projekciós vizsgálatok után a keresztmetszeti kép megjelenítése. Matematikai megoldásuk tökéletes volt, a tudományos világ azonban nem értesült az eredményről, mert egyrészt a közlemények orosz nyelvűek voltak, másrészt a kutatók a hidegháború éveiben sajnos elszigetelten kellett, hogy dolgozzanak. További sajnálatos tény, hogy Tetelbaum 1958-ban (48 éves korában) halt meg, ami valószínű oka lehetett, hogy a Kiev-i egyetemen folyó tomográfiai kutatási irányvonal megszakadt. A konkrét eredményeiket csak az 1980-as évek elején fordították le és ismerték meg az akkori nyugati világ kutatói. Az orvosi tomográfia következő főszereplője Alan C. Cormack fizikus volt, aki a Dél Afrikai Cape Town egyetemen Fizikai Intézetében dolgozott az 1955-1958-as években. Részidőben a Radiológiai Klinikán is munkát kellett vállalnia, ahol többek között gamma sugarakkal végzett sugárterápiák tervezésében is segédkeznie kellet. Észrevette, hogy tervezés során nem veszik figyelembe a gamma sugárnak a szervezeten belüli inhomogén gyengülést, miközben az a célszervig eljut. Kiszámolta, hogy sokkal pontosabban lehetne tervezni, ha ismert lenne a gamma sugár gyengülésének helyfüggése az emberi test egy adott keresztmetszetén belül. Ő is megsejtette, hogy a keresztmetszeti eloszlásokat meg lehetne határozni igen sok projekciós felvétel segítségével, majd ennek megfelelően egyre több kísérletet végzett Co60 izotóp gamma sugaraival, különböző próbatestekkel és egy speciális forgatható rendszer segítségével. A kísérletekkel párhuzamosan kitartóan dolgozott a megfelelő matematikai megoldáson is, bár eleinte úgy gondolta, hogy a képrekonstrukció (az 1D vetületi képekből a 2D keresztmetszeti kép előállításának matematikai) problémája már biztosan megoldott. Hiába bújta azonban az irodalmat, nem találta semmi nyomát a megoldásnak, ezért végül hozzáfogott a számítás kidolgozásához.

5. ábra

Allan M Cormack (1924-1998). A 4.B ábrán Cormack egy eredeti előadás vázlata látható, ahol az I0 intenzitású belépő gamma sugár inhomogén gyengülésének problémája van ábrázolva. I a testből kilépő sugár intenzitása, az f jelű függvény pedig a meghatározandó gyengítési együttható L vonal szerinti függését jelöli. A C ábrán a konkrét matematikai probléma látható: meghatározandó az f(x,y) függvény, ha ismert tetszőleges r,φ (polár koordinátával definiált) irányokban az f(x,y) függvény vonal szerinti integrálja.

Több lépésben végül a Fourier transzformáció segítségével sikerült megoldania a problémát. A végső eredményeket 1963 és 1964-ben publikálta a Journal of Applied Physics folyóiratban, illetve számos orvossal konzultált, hogy rávilágítson a megoldásban rejlő lehetőségekre. Azonban nem sikerült érdeklődést keltenie, és csak egyetlen „reprint"-et kértek a megjelent cikkekből is: a Svájci Lavinakutató Központ találta elég ígéretesnek, hogy a hegyekben a hó mennyiség becsléséhez esetlegesen majd felhasználják.

Az orvosi tomográfia egyik következő fontos személyisége William Oldendorf amerikai neurológus volt, aki az 1960-as évek elején I131 gamma forrással (ami a röntgen csőből kilépő sugárhoz hasonló tulajdonságú) és a szemben levő detektor forgatásával egy egyszerű, de már vetületi képeket előállító eszközt konstruált. A képrekonstrukció kielégítő matematikai megoldását nem tudta megalkotni, de a vetületi képek un. visszavetítésével (5. ábra) a kívánt keresztmetszeti eloszlás zajosabb (speciális torzításokat tartalmazó) képét meg tudta jeleníteni.

6. ábra

Ha az egyes vetületi eloszlásokat egymás után visszavetítjük egy kezdetben csak 0-kat tartalmazó képbe oly módon, hogy minden egyes vetítővonalba az eloszlás aktuális értékét írjuk, akkor az eredmény a képen láthatóhoz lesz hasonló. (Az α=0 projekciónál a szaggatott vonalhoz tartozó vetítési egyenesnél az eloszlás értékét 100-nak definiáltuk. Így például ennek a projekciónak a visszavetítése során a képen a szaggatott vonalban levő képelemek értékeihez 100-at adunk hozzá.) Látható, hogy az egyszerű additív visszavetítéssel a keresztmetszeti kép eloszlása megjelenni látszik, de számos torzulás (zaj) jelenik meg a képen. A módszer ebben az egyszerű formában még nem kielégítő.

A forrás-detektor pár mozgatása sem volt optimális, mert csak igen nagy sugárdózis mellett lehetett volna humán vizsgálatot végrehajtani. Módszerét több közleményben és szabadalomként is megjelentette, továbbá röntgen készülékeket gyártó cégeket is megkeresett az ötletével. A cégek azonban akkor nem láttak fantáziát a gondolatban. Egy tipikus válasz a következő volt: "Bár valószínűleg megvalósítható lenne az Ön által felvetett diagnosztikai berendezés, nem hisszük, hogy jelentős kereslet lenne egy ilyen drága eszköz után, ami nem csinálna semmi többet, csak előállítaná az agy keresztmetszeti röntgen képét."

További fontos szereplőként David E. Kuhl amerikai orvost kell még megemlíteni, aki számos munkájával hozzájárult az orvosi tomográfok kifejlesztéséhez. Kuhl az izotóp diagnosztika (nukleáris medicina) területén dolgozott az 1958-as évektől kezdve. Ebben a technikában radioaktív izotóppal jelölt molekulát juttatnak a szervezetbe, így a sugárzás a páciensből származik és nem egy külső pl. röntgen forrásból. Az 1950-es évektől számos planáris izotóp diagnosztikai módszert alkalmaztak már, de először Kuhl sejtette meg ezen a területen, hogy vetületi képekből esetleg rekonstruálni lehetne a keresztmetszeti eloszlást. Elsőként 1963-ban publikált egy megoldást, amellyel a radioaktív izotópeloszlás keresztmetszeti képét lehetett meghatározni, majd 1965-ben egy következő cikkében számolt be az Am242 izotóppal végzett CT vizsgálat kivitelezhetőségéről. Kuhl technikai megoldása optimálisabb volt, mint Oldendorf módszere, a képrekonstrukció kielégítő módszerét azonban Kuhl sem tudta megadni, a keresztmetszeti képeket Oldendorf-hoz hasonlóan egyszerű "visszavetítéssel" képezte.

Így a Kuhl módszerével rekonstruált képek is igen sok zajt és torzítást tartalmaztak, de módszerével már konkrét humán vizsgálatokat tudott végezni. Kuhl azonban folyamatosan ezzel a problémával foglalkozott és 1972-ben munkatársaival sikerült továbbfejlesztenie a korábban alkalmazott egyszerű kép-visszavetítést az un. ortogonális tangens korrekcióval. Ezzel a technikával már valóban elfogadható minőségű izotóp diagnosztikai 2D képet kapott, és így létrehozta az első SPECT készüléket. Érdemes itt megjegyezni, hogy Hounsfield-nek az első CT-ről beszámoló cikke is ugyanabban az évben, 1973-ban jelent meg.

És most visszatérnék a CT kifejlesztéséért Nobel díjjal jutalmazott kutatók kérdésére: az 1979. évi orvosi Nobel díj átadás másik kitüntetettje Alan M Cormack volt. Talán e legrangosabb tudományos díjátadás esetén is igaz, hogy számos esetben vannak vesztesei is a kitüntetésnek. A fenti tényeket ma már tisztán látva, ugyanis nem kérdés, hogy például az orosz Tetelbaum jutott el elsőként a CT probléma megoldásához. Igaz konkrét humán vizsgálatról nem tudtak beszámolni a Kijevi kutatók, de ez Cormack esetén sem teljesült. Utólag már az is jól látható, hogy a kielégítő orvosi tomográfiás vizsgálatok kivitelezésének legalább négy feltétele volt: a képrekonstrukció matematikai megoldása (lásd a kiegészítő jegyzetet); hatékony számítógépes adatfeldolgozás; optimális (gyors és kis sugárdózissal járó) vetületi képeket készítő technika, illetve a módszer hasznosságának bizonyítása. A matematikailag korrekt megoldást Tetelbaum, Cormack és Hounsfield adták meg. Kuhl 1973-ban publikált egy már kielégítő módszert, azonban ez még nem volt a matematikailag korrekt megoldás. A hatékony számítógépes képrekonstrukciót Hounsfield és részben Kuhl tudták elsőként megvalósítani, felhasználva az 1970-es évek elején már rendelkezésre álló "nagyobb" kapacitású számítógépeket, illetve kettőjüknek sikerült az optimális humán vizsgálatot lehetővé tevő technika kidolgozása is. A tomográfiai vizsgálatok klinikai hasznosságát azonban egyedül Hounsfield-nek sikerült átütő módon bizonyítania, amiben elévülhetetlen érdemei vannak természetesen Ambrose-nak is. Költői kérdés, hogy vajon mi történt volna, ha nem találkozik James Ambrose radiológussal, aki a kezdetektől meg volt győződve a CT módszer pótolhatatlan képességeiről? Ambrose kiváló és sokoldalú társa volt Hounsfiled-nek, kiválóan kiegészítették egymást a munkában. A 60-as évek végén például marha agyvelő CT vizsgálatával próbáltak minél több információt kapni a módszer esetleges érzékenységéről, de megdöbbenve tapasztalták, hogy a vágóhídról beszerzett agyvelőkben az egész agyra kiterjedő agyvérzés látható, ami teljesen használhatatlanná teszi az eredményeket. Már szinte nem látszott kiút, amikor Ambrose-nak eszébe jutott, hogy a globális agyvérzés valószínű oka az állatoknak az áramsokkal történő leölése, és ezzel teljesen ellentétes az eljárás a kosher henteseknél. Ettől kezdve Hounsfiled a kosher henteseket járta, hogy megfelelő kísérleti objektumokhoz jusson (gyakran egy dobozban buszon szállította a marha agyakat). 1971 után Hounsfield és Ambrose számos nemzetközi radiológia konferencián számoltak be a módszerük érzékenységéről és eredményeiről, és bár mindenütt átütő sikert értek el, érdekes módon Hounsfield cége az EMI nem hitte még ekkor sem, hogy a CT készülékre nagy lenne az igény. 1972-ben úgy tervezték, hogy megközelítően 25 CT kielégítené a világ igényeit. Az EMI nagy tapasztalatokkal rendelkezett a zenei iparban (ők voltak többek között a Beatles fő támogatói), de nyilván nem értettek az orvos diagnosztikához. Végül eladták a CT üzletágat, de amit nem vártak mégis bekövetkezett: 5 évvel később már több mint 1000 CT üzemelt a világban.

Kiegészítő jegyzet a rekonstrukció matematikai megoldásához

Összefoglalásként megállapíthatjuk, hogy az orvosi tomográfok kifejlődésének útja több kutató párhuzamos munkájának eredményeképpen valósult meg. Bár az 1979-es orvosi Nobel díj valószínűleg nem minden meghatározó szerepet játszó kutató munkáját ismerte el, Cormack és Hounsfiled teljes joggal kapták meg e kimagasló elismerést. További érdekesség is található Hounsfiled esetében, aki igazából nem volt "hivatásos" kutató a szó mai értelmében. Elektromérnöki diplomáját is igen későn 30 év felett szerezte meg, sohasem dolgozott egyetemen (az EMI Central Research Laboratory-tól ment nyugdíjba 1984-ben), és nem volt tudományos minősítése sem. De nyilván nem ez számít, hanem az a konkrét eredmény és hatás, amit munkájával elért, és amivel alapvetően hozzájárult a modern orvostudomány kialakulásához, illetve évente milliók életminőségének javításához. További tény, hogy a CT kifejlesztése és elfogadása adott hatalmas lendületet az orvosi tomográfok következő generációinak kifejlesztéséhez, időrendi sorrendben a SPECT a PET, majd az MRI diagnosztika kialakulásához.