ΧΗΜΙΚΟΙ ΒΙΟ-ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ
517
ναλογικά κυκλώματα της “πρώτης-γραμμής” (front-end circuitry) στη μονάδα προσαρμογής του ασθενή τοποθετήθηκε έτσι ώστε το αναλογικό σήμα να μετατρέπεται σε ένα ψηφιακό σήμα και να πολυπλέκεται για να σταλεί κατά μήκος περίπου 4 m καλωδίου στο τμήμα του αναλυτή. Όλα τα σήματα είναι κανονικοποιημένα ως προς την ένταση και χρησιμοποιούνται τεχνικές μέτρησης αναλογίας για να συγκρίνουν το ενεργό μήκος κύματος φθορισμού με το μήκος κύματος αναφοράς προτού υπολογιστεί η συγκέντρωση των αερίων-αίματος. Η συσκευή βαθμονόμησης Για όλα τα συστήματα ανίχνευσης αερίων-αίματος, είναι σημαντικό να γίνεται μια ανεξάρτητη βαθμονόμηση του καθετήρα πριν από τη χρήση του στον ασθενή. Αυτό γίνεται με τη χρήση τονομετρικών τεχνικών και μια κυβέττας βαθμονόμησης γεμάτη από υγρό, η οποία είναι ένα αναπόσπαστο τμήμα της συσκευασίας του καθετήρα, δεδομένου ότι οι αισθητήρες πρέπει να παραμένουν ενυδατωμένοι. Η συσκευή βαθμονόμησης χρησιμοποιεί δύο κυλίνδρους αερίων, κάθε ένας με τις κατάλληλες, ακριβώς ελεγχόμενες τιμές οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα (Gehrich et al, 1986).
10.4
ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ-ΠΕΔΙΟΥ ΕΥΑΙΣΘΗΤΟ ΣΤΑ ΙΟΝΤΑ (ISFET)
Η δυνατότητα για χαμηλού κόστους, αξιόπιστες μικρογραφίες αισθητήρων που χρησιμοποιούν τα τρανζίστορ επίδρασης-πεδίου ευαίσθητα στα ιόντα (ion-sensitive field-effect transistors, ISFET) αναγνωρίστηκε αρχικά πριν από 20 έτη (Bergveld, 1970). Τα ISFET υιοθετούν τις ίδιες ηλεκτροχημικές αρχές στη μέτρησή τους όπως τα ηλεκτρόδια ευαίσθητα στα ιόντα (ion-sensitive electrodes, ISE). Τα ISFET παράγονται με αφαίρεση της περιοχής της μεταλλικής πύλης που είναι κανονικά παρούσα σε ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Rolfe, 1988). Ένα τρανζίστορ επίδρασης-πεδίου μεταλλικού οξειδίου ημιαγωγού (metal oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) αποτελείται από δύο διόδους που χωρίζονται από μια περιοχή πύλης. Η πύλη είναι ένας λεπτός μονωτής-συνήθως διοξείδιο του πυριτίου-επάνω στο οποίο ένα μεταλλικό υλικό εναποτίθεται. Αυτό το υλικό πύλης μπορεί να είναι οποιοδήποτε αγώγιμο υλικό που είναι συμβατό με την επεξεργασία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η τάση που εφαρμόζεται στην πύλη ελέγχει το ηλεκτρικό πεδίο στο διηλεκτρικό και επομένως το φορτίο στην επιφάνεια πυριτίου. Αυτή η επίδραση πεδίου είναι η βάση της λειτουργίας των MOSFET και των ISFET. Η υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου προκύπτει από τον μονωτή της πύλης, ο οποίος είναι απαραίτητος για τη λειτουργία της συσκευής ISFET (Janata, 1989). Το Σχήμα 10.17(α) είναι ένα σχηματικό διάγραμμα ενός τρανζίστορ επίδρασης-πεδίου ευαίσθητο σε ιόντα με το υπό μέτρηση δείγμα σε επαφή με μια ιοντο-επιλεκτική μεμβράνη και ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς. Για τη βελτίωση της ευαισθησίας-pH και της σταθερότητας του στρώματος του διοξειδίου του πυριτίου, ένα στρώμα νιτριδίων του πυριτίου τοποθετείται πάνω από το διοξείδιο του πυριτίου. Το δυναμικό που αναπτύσσεται στο μονωτή εξαρτάται από τη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη του διαλύματος που είναι σε επαφή με την ιοντο-επιλεκτική μεμβράνη. Το ISFET μετρά το δυναμικό στην πύλη· το δυναμικό αυτό προέρχεται μέσω μιας ιοντοεπιλεκτικής διαδικασίας, στην οποία τα ιόντα που περνούν μέσω της ιοντο-επιλεκτικής μεμβράνης διαμορφώνουν το ρεύμα μεταξύ της πηγής και της εκροής (drain). Η τάση
518
ΙΑΤΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ (Εφαρμογή και Σχεδιασμός )
στη περιοχή της πύλης αλλάζει και επομένως ρέει ρεύμα από το τρανζίστορ επίδρασηςπεδίου (Arnold και Meyerhoff, 1988).
Σχήμα 10.17 (α) Σ’ ένα ευαίσθητο χημικά τρανζίστορ επίδρασης-πεδίου, η ιοντο-επιλεκτική μεμβράνη διαμορφώνει το ρεύμα μεταξύ της πηγής και της εκροής. (β) Ένα τεντωμένο ISFET μεγιστοποιεί το διάστημα μεταξύ της “υγρής” περιοχής δείγματος και των ηλεκτρικών επαφών. (Μέρος (β) από το P. Rolfe, “In vivo chemical sensors for intensive-care monitoring,” Med. Biol. Eng. Comput., 1990, 28. Χρησιμοποιήθηκε μετά από άδεια.)
Το ISFET είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος επειδή προσφέρει τη δυνατότητα για χαμηλού κόστους αισθητήρες μικρογραφίας. Αυτές οι συσκευές μπορούν να παραχθούν με μικροκατασκευή (microfabrication) ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πυριτίου (ICs). Το Σχήμα 10.17(β) παρουσιάζει μια πλάγια τομή, με διαστάσεις, για ένα μικροκατασκευασμένο ISFET. Η τεχνολογία κατασκευής IC χρησιμοποιεί φωτο-λιθογραφικές τεχνικές για
ΧΗΜΙΚΟΙ ΒΙΟ-ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ
519
να παράγει τις μοναδικές ιδιότητες των IC υποστρωμάτων πυριτίου. Τα ISFET είναι ιδιαίτερα ελκυστικά, επειδή μπορούν να κατασκευαστούν σε πολύ μικρά μεγέθη και επειδή μπορούν να μετρηθούν πολλαπλές αναλυόμενες ουσίες σε μονό ολοκληρωμένο (chip). Σημειώστε ότι οι αισθητήρες ISFET είναι σε στάδιο ανάπτυξης. Σε μια συσκευή για μέτρηση του CO2, ενσωματώνεται ένα Ag/AgCl αναφοράς στο ολοκληρωμένο ISFET και επάνω στο ISFET και στο αναφοράς εναποτίθεται ζελέ πολυβινυλικής αλκοόλης (η οποία περιέχει NaCl και NaHCO3) (Rolfe, 1990). Αυτές οι περιοχές επενδύονται στη συνέχεια με μια λεπτή ρητίνη σιλικόνης. Έχουν γίνει μετρήσεις για μια περίοδο 24 ωρών για ενδοαγγειακά πειράματα με ζώα και ανθρώπους. Ωστόσο, προέκυψαν προβλήματα ενθυλάκωσης. Άλλοι αισθητήρες ISFET έχουν αναπτυχθεί για ιοντικές μετρήσεις καλίου· εδώ η περιοχή της πύλης καλύπτεται με μια γυάλινη μεμβράνη επιλεκτική στο κάλιο ή με μια μεμβράνη βαλινομυκίνης από πολυμερές PVC. Το Σχήμα 10.18 είναι η γραφική παράσταση του ρεύματος εκροής σε σχέση με την ιοντική δραστηριότητα του καλίου για ένα ISFET. Οι αισθητήρες ασβεστίου ISFET έχουν αναπτυχθεί για να παρακολουθούν τη δραστηριότητα του Ca2+ στο φλεβικό αίμα σε σκύλους. Η αρχική χρήση των ISFET θα περιλάβει μικρούς όγκους αναλυόμενων ουσιών και χρόνους μέτρησης μόνο μερικών δευτερολέπτων (Van der Spiegel και Zemel, 1988). Αυτή η ταχύτητα μέτρησης είναι γρήγορη σε σύγκριση με τα αρκετά λεπτά που απαιτούνται σε μια τυπική εργαστηριακή ανάλυση. Τα ISFET είναι κατάλληλα για την παρακολούθηση των ηλεκτρολυτών του αίματος και θα μπορούσαν ίσως να χρησιμοποιηθούν για μετρήσεις μέσα σ’ ένα κύτταρο, υπό τον όρο ότι θα αναπτυχθούν εφαρμόσιμες τεχνικές κατασκευής.
Σχήμα 10.18 Η εξάρτηση του ρεύματος από τη δραστηριότητα των ιόντων καλίου για ένα τρανζίστορ επίδρασης-πεδίου ευαίσθητο στα ιόντα καλίου
Η κύρια πρόκληση για τον σχεδιασμό των συσκευών ISFET είναι η ικανοποιητική ενθυλάκωση των ISFET προκειμένου να προστατευθούν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, τα οποία επιδεινώνονται ως αποτέλεσμα των υδρατμών που εισέρχονται από το περιβάλλον.
520
ΙΑΤΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ (Εφαρμογή και Σχεδιασμός )
Έχουν κατασκευαστεί επάνω σε ολοκληρωμένα πυριτίου πολλαπλά-είδη ISFET μέχρι και οκτώ διαφορετικών αισθητήρων τα οποία έχουν μέγεθος μερικών τετραγωνικών χιλιοστών. Επιπλέον, έχουν κατασκευαστεί καθετήρες διαμέτρου 50 μm για τα κυκλώματα επάνω στο ολοκληρωμένο που μπορούν να μετρήσουν το pH, τη γλυκόζη, τον κορεσμό οξυγόνου και την πίεση για τις βιοϊατρικές εφαρμογές. Ένα άλλο ελκυστικό χαρακτηριστικό γνώρισμα του ISFET είναι ότι σε ένα και μόνο ολοκληρωμένο, εκτός από τον αισθητήρα ISFET, άλλα ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν επίσης να εναποτεθούν και να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία σήματος (Van Der Spiegel και Zemel, I988).
10.5
ΑΝΟΣΟΛΟΓΙΚΑ ΕΥΑΙΣΘΗΤΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ-ΠΕΔΙΟΥ (IMFET)
Τα ανοσολογικά ευαίσθητα τρανζίστορ επίδρασης-πεδίου (immunologically sensitive fieldeffect transistor, IMFET) είναι μια επέκταση των ISFET. Όπως τονίσαμε, το ISFET εκμεταλλεύεται τις ιοντικής ή χημικής ευαισθησίας ιδιότητες του τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Όπως περιγράφηκε ανωτέρω, σχεδιασμός του ISFET χρησιμοποιεί τις ιδιότητες της δομής του μετάλλου-μονωτή-ημιαγωγού, στην οποία το στρώμα του μετάλλου της πύλης και το στρώμα του ημιαγωγού σχηματίζουν ένα σάντουιτς χωρητικότητας πλαισιώνοντας ένα στρώμα μόνωσης-συνήθως SiO2. Ουσιαστικά, το σύστημα είναι ένας πυκνωτής με ένα τελείως αδιαπέραστο διηλεκτρικό μέσω του οποίου κανένα φορτίο δεν περνά. Το IMFET είναι παρόμοιο στη δομή με το ISFET εκτός από το ότι η διεπαφή διαλύματοςμεμβράνης είναι πολωμένη αντί μη πολωμένη· δηλαδή τα φορτισμένα σωματίδια δεν μπορούν να διασχίσουν τη μεμβράνη (Liu, I988). Το ISFET αλληλεπιδρά μέσω ενός μηχανισμού ανταλλαγής-ιόντων με τη χημική αναλυόμενη ουσία προς μέτρηση, ενώ η λειτουργία του IMFET είναι βασισμένη σε μια αντίδραση αντιγόνου-αντισώματος. Ένα αντίσωμα είναι ακινητοποιημένο στη μεμβράνη που είναι συνδεμένη με το μονωτή ενός FET. Κατ' αυτό τον τρόπο η συσκευή χρησιμοποιείται ως αισθητήρας αντιγόνων. Ένα αντίσωμα θα μπορούσε να ανιχνευθεί με παρόμοιο τρόπο: ακινητοποιώντας ένα αντιγόνο επάνω στη μεμβράνη. Τα IMFET μετρούν φορτίο, που προκειμένου να γίνει αισθητά, τα απορροφόντα σωματίδια επάνω στη μεμβράνη πρέπει να κατέχουν ένα καθαρό ηλεκτρικό φορτίο.
10.6
ΜΗ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΑΕΡΙΩΝ-ΑΙΜΑΤΟΣ
Ο προσδιορισμός των αερίων-αίματος μπορεί να παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για την αποδοτικότητα της πνευμονικής ανταλλαγής αερίων, την επάρκεια του κυψελοειδούς αερισμού, τη μεταφορά αερίων-αίματος και την οξυγόνωση των ιστών. Αν και οι επεμβατικές τεχνικές για τον καθορισμό αρτηριακών αερίων αίματος εξασκούνται ακόμα ευρέως σε πολλές κλινικές καταστάσεις, γίνεται προφανές ότι οι απλές, πραγματικού χρόνου, συνεχείς και μη επεμβατικές τεχνικές προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Η σημαντικότερη, η διαλείπουσα δειγματοληψία αίματος παρέχει τα ιστορικά στοιχεία που ισχύουν μόνο στο χρόνο που ελήφθη το δείγμα. Καθυστερήσεις μεταξύ της λήψης του δείγματος
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ
623
που είναι περιοριστικοί παράγοντες για το SPECT. Η κάμερα περιστρέφεται αργά γύρω από τον ασθενή για να λάβει επιπρόσθετες προβολές που χρειάζονται για την ανακατασκευή και για τη λήψη καλύτερων εικόνων. Οι εικόνες μπορούν να σχηματιστούν γρηγορότερα αν χρησιμοποιηθούν επιπρόσθετα ζεύγη ανιχνευτών. Το Σχήμα 12.24(β) παριστά τα τρία ζεύγη ανιχνευτών που χρησιμοποιούνται στην εξαγωνικού-δακτυλίου κάμερα. Η αύξηση της εγκάρσιας μετατόπισης και της περιστροφής βελτιώνουν την εικόνα αντισταθμίζοντας για τις ανομοιογένειες και τα κενά της ανίχνευσης. Οι πιο κομψές κάμερα κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας κυκλικό δακτύλιο από πολλούς ανιχνευτές οι οποίοι περιβάλουν τον ασθενή [Σχήμα 12.24(γ)]. Ο δακτυλιοειδής ανιχνευτής δεν χρειάζεται να περιστραφεί˙ Οι θέσεις των εικόνων καθορίζονται από την ανάλυση των σημάτων στον υπολογιστή. Όπως σε όλα τα απεικονιστικά ραδιοϊσοτόπων, η ποσότητα της ραδιενέργειας καθορίζει το όριο θορύβου στις εικόνες. Προφανώς, χρειάζεται να γίνουν συμβιβασμοί στην ποσότητα του ραδιοϊσοτόπου που θα χορηγηθεί: Πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη για να ληφθεί καλή εικόνα στον απαιτούμενο χρόνο και αρκετά μικρή για να ελαχιστοποιηθεί η έκθεση του ασθενή στην ραδιενέργεια.
Σχήμα 12.24 Η εξέλιξη του κυκλικού δακτυλίου της κάμερα PET. (α) Τα ζεύγη και (β) η εξαγωνικού δακτυλίου κάμερα που περιστρέφονται γύρω από τον ασθενή. (γ) Η διάταξη του κυκλικού δακτυλίου δεν περιστρέφεται αλλά μπορεί να κινείται ελαφρώς-όσο για να καλύψει τα κενά μεταξύ των ανιχνευτών. Οι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης της κάμερα δακτυλίου συνενώνονται με τον κατευθυντήρα και είναι παρόμοιοι στην κατασκευή με τους ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στα μηχανήματα CT.
Τα πλεονεκτήματα του PET σε σχέση με τη συμβατική πυρηνική απεικόνιση περιλαμβάνουν την καθαρότητα των εγκάρσιων λήψεων και την διαθεσιμότητα των εκπομπών ποζιτρονίων οι οποίοι μπορούν να παρασκευάσουν ενώσεις που μεταβολίζονται. Είναι δυνατό να χαρτογραφηθεί η μεταβολική δράση στον εγκέφαλο χρησιμοποιώντας επισημασμένες ενώσεις και παρατηρώντας την πρόσληψη και την αποβολή τους. Η μετρούμενη ποσότητα στην απεικόνιση PET είναι η συγκέντρωση, στον ιστό, του εκπομπού ποζιτρονίων. Για την εκτίμηση της πραγματικής συγκέντρωσης, είναι απαραίτητη η βαθμονόμηση και η μέτρηση των χαρακτηριστικών απόδοσης του μηχανήματος. Η κάμερα PET μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της συγκέντρωσης στον ιστό σε αυθαίρετες μονάδες, επειδή γνωρίζοντας την πραγματική συγκέντρωση (σε μCi/ml) μέσα στον ασθενή μπορεί να μην είναι τόσο σημαντικό όσο να γνωρίζουμε το κλάσμα που προσλήφθηκε σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Ένα μικρό χρονικό διάστημα μετά την διαδικασία απεικόνισης, ένα δείγμα
624
ΙΑΤΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ (Εφαρμογή και Σχεδιασμός )
αίματος από τον ασθενή μπορεί να τοποθετηθεί σε ένα μετρητή φρέατος (μετρητής σπινθηρισμών) για τη λήψη μιας τιμής αναφοράς. Η σύγκριση του ιστού και της ραδιενέργειας του αίματος αποδίδουν τον λόγο της πρόσληψης του ισοτόπου. Για παράδειγμα, ο τοπικός εγκεφαλικός όγκος αίματος και η κατανομή της ραδιενέργειας μετρούνται κατ’ αυτό τον τρόπο. Η δραστηριότητα του εγκεφάλου μπορεί να μετρηθεί επειδή ο εγκέφαλος ρυθμίζει την πρόσληψη ως συνάρτηση της χρήσης διαφόρων μεταβολιτών. Μια γρήγορη διαδοχή από εικόνες του εγκεφάλου αναδεικνύει την αντίδραση του εγκεφάλου σε διάφορα ερεθίσματα και σε εντοπισμένες περιοχές ανώμαλης δραστηριότητας.
Σχήμα 12.25 Εικόνα PET. Η δέσμευση του 60Cu-PTSM (thiosemicarbazone) αντανακλά την τοπική αιμάτωση, διαμορφωμένη από μη κανονική αποβολή στους ιστούς. (Φωτογραφία παραχωρήθηκε από τον Δρ. J. Nickles, University of Wisconsin.)
Εφόσον τα διαφορετικά τμήματα του εγκεφάλου αντιδρούν σε διαφορετικά ερεθίσματα, οι εικόνες του PET προβάλουν αυτή τη δραστηριότητα (Σχήμα 12.25). Οι φυσιολογικοί εγκέφαλοι παράγουν μία εικόνα της ραδιενέργειας του εγκεφάλου, αλλά εκείνοι που δεν λειτουργούν ομαλά, οι καρκινικοί όγκοι, οι εγκεφαλικές κρίσεις και άλλες ανωμαλίες μπορούν να είναι επίσης εμφανείς στην χαρτογράφηση της ραδιενέργειας. Μια εικόνα PET εγκεφάλου παρουσιάζει την αντίδραση του ασθενή στο θόρυβο, τον φωτισμό, τις αλλαγές στη συναισθηματική φόρτιση, και σε άλλα ερεθίσματα. Μια μέθοδος για τη χορήγηση του κατάλληλου ισοτόπου για την απεικόνιση του εγκεφάλου είναι ο ασθενής να εισπνεύσει αέρα που περιέχει CO παρασκευασμένο από 11C. Αυτά τα βραχύβια ισότοπα εκπομπής ποζιτρονίων δεν τα συναντάμε ελεύθερα στη φύση αλλά μπορούν να παρασκευαστούν σε ένα μικρό κύκλοτρο. Αυτό γίνεται με την εισαγωγή ενός πρωτονίου σε πυρήνα, ο οποίος με τη σειρά του εκπέμπει ένα σωμάτιο α ή νετρόνιο. Για ορισμένα στοιχεία, ο πυρήνας γίνεται ασταθής και εκπέμπει ένα ποζιτρόνιο για ένα μικρό χρονικό διάστημα.
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ
625
Για παράδειγμα, ο 11C παρασκευάζεται σε ένα μικρό κύκλοτρο και έχει χρόνο ημιζωής 20.4 λεπτά. Μικρός χρόνος ημιζωής σημαίνει ότι το ισότοπο πρέπει να παρασκευαστεί κοντά στο σημείο που θα χρησιμοποιηθεί. Το ραδιοϊσότοπο απομειώνεται γρήγορα, παρουσιάζοντας υψηλή ενεργότητα κατά το χρονικό διάστημα που χρειάζεται για να ληφθούν οι εικόνες και εγκαταλείπει τον ασθενή σε μικρό χρονικό διάστημα. Η απομάκρυνση του ισοτόπου είναι συνάρτηση της ραδιενεργούς απομείωσης αλλά και της βιολογικής αποβολής του υλικού.
12.13 ΥΠΕΡΗΧΟΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ Γνωρίζουμε από τις παλαιές πολεμικές ταινίες ότι παλμοί ηχητικών κυμάτων χρησιμοποιούνταν για τον εντοπισμό υποβρυχίων. Επειδή το μήκος κύματος λ, η συχνότητα f, και η ταχύτητα u συνδέονται (u=f·λ) είναι εύκολο να δειχθεί ότι τα μήκη κύματος στο ακουστικό φάσμα είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα του μήκους ενός υποβρυχίου. Μια μεταβολή στη φάση μικρότερη από ένα κύκλο (3600) θα οδηγούσε σε ένα μέγιστο σφάλμα θέσης ίσο με το μήκος κύματος: λ=u/f . Για να βρεθεί το σφάλμα θέσης ενός ανιχνευόμενου υποβρυχίου, αντικαταστήστε την ταχύτητα του ήχου στο νερό (1480 m/sec) και ας υποθέσουμε ότι f=1kHz και λ=1,48 m. Η ακρίβεια αυτή είναι αρκετή για τον εντοπισμό υποβρυχίων αλλά όχι, για παράδειγμα, την απεικόνιση ενός βρέφους. Για να κερδίσουμε ακρίβεια της τάξης του 1,48 mm, η συχνότητα του παλμού πρέπει να αυξηθεί στο 1,0 MHz, στην περιοχή των υπερήχων. Ο ήχος και ο υπέρηχος ακολουθούν τους ίδιους κανόνες διάδοσης και ανάκλασης, όμοιες με εκείνες που επικρατούν στα ηλεκτρικά σήματα. Μια γραμμή εκπομπής πρέπει να είναι τερματισμένη σε ότι αφορά τη χαρακτηριστική της σύνθετης αντίσταση για την αποφυγή ανακλάσεων. Η ακουστική σύνθετης αντίσταση Z είναι μια θεμελιώδη ιδιότητα της ύλης και σχετίζεται με την πυκνότητα ρ και την ταχύτητα του ήχου u: Z=ρ·u. Το κλάσμα της ενέργειας R που ανακλάται στην διαχωριστική επιφάνεια δύο διαφορετικού τύπου ιστών είναι: ( Z − Z1 ) 2 R =[ 2 ] Z 2 + Z1 ) και οι σύνθετες αντιστάσεις είναι εκείνες που έχει ο κάθε ιστός στην κάθε πλευρά της διαχωριστικής επιφάνειας (Goldstein, 1988). Τα ακουστικά κύματα μειώνονται συναρτήσει της απόστασης, της γεωμετρίας και της εξασθένησης. Στον χώρο, τα σήματα ελαττώνονται ως αποτέλεσμα του νόμου του αντίστροφου τετραγώνου επειδή η ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας είναι συνάρτηση της συνολικής επιφάνειας μιας φανταστικής σφαίρας σε απόσταση r. Τα σήματα μειώνονται επίσης ως αποτέλεσμα της εξασθένησης από το μέσο. Η ένταση του σήματος είναι I=Ioe-αr/r2 όπου α είναι ο συντελεστής εξασθένησης και Io η τυχαία προσπίπτουσα ένταση σήματος. Όταν το α είναι μεγάλο συγκριτικά με το r, ο εκθετικός όρος υπερισχύει και είναι βολικό να καθοριστεί το πάχος του υλικού όπου η εξασθένηση του μέσου μειώνει το σήμα στο μισό (πάχος υποδιπλασιασμού ή HVL) ανεξάρτητα από τις γεωμετρικές επιδράσεις. Ο Πίνακας 12.3 απαριθμεί το HVL για το νερό και μερικούς ιστούς. Ας σημειωθεί ότι το νερό δεν έχει τόσο μεγάλη “απώλεια” και ότι το σήμα μειώνεται κατά 50% σε 41 m νερού.
626
ΙΑΤΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ (Εφαρμογή και Σχεδιασμός )
Ωστόσο, μια μείωση 50% συμβαίνει μέσω μόνο 2,5 cm μυός. Οι περισσότεροι βιολογικοί ιστοί έχουν μεγάλους συντελεστές εξασθένησης και χαμηλά HVL. Επίσης η εξασθένηση αυξάνει με τη συχνότητα. Πίνακας 12.3. Οι ακουστικές ιδιότητες κάποιων ιστών στα 1,0 MHz Ιστός Νερό Λίπος Μυς Εγκέφαλος Οστό Αέρας
U, m/s 1496 1476 1568 1521 3360 331
Z, g/(cm2-s) 1,49 × 105 1,37 × 105 1,66 × 105 1,58 × 105 6,20 × 105 4,13
HVL, cm 4100 Αέρας/Νερό 3,8 Νερό/Λίπος 2,5 Νερό/Μυς 2,5 Νερό/εγκέφαλος 0,23 Νερό/Οστό 1,1 Ιστός/Αέρας
R στη διαχωριστική επιφάνεια 0,999 0,042 0,054 0,029 0,614 0,999
Σχήμα 12.26. Ανίχνευση Α-Τρόπου της μεσαίας αύλακος του εγκεφάλου.
Οι μεταλλάκτες υπερήχων χρησιμοποιούν τις πιεζοηλεκτρικές φυσικές ιδιότητες των κεραμικών όπως Τιτανικό Βάριο (barium titanate) ή παρόμοια υλικά. Όταν πιέζονται, τα υλικά αυτά εμφανίζουν μια τάση κατά μήκος των ηλεκτροδίων τους. Παρομοίως, όταν ένας εφαρμοστεί ένας παλμός τάσης, το κεραμικό αλλάζει διαστάσεις. Εάν ο εφαρμοζόμενος παλμός είναι μικρής διάρκειας, το κεραμικό υλικό “πάλλεται” στη μηχανική συχνότητα συντονισμού του. Με κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα, τα κεραμικά μπορούν να αρχίσουν να πάλλονται ώστε να εκπέμπουν μια μικρής διάρκειας δέσμη υπερηχητικής ενέργειας όπως ένα μικροσκοπικό μεγάφωνο και στη συνέχεια να αλλάξει λειτουργία ώστε να συμπεριφερθεί ως μικρόφωνο για τη λήψη σημάτων που ανακλώνται από τις διαχωριστικές επιφάνειες των διαφόρων τύπων ιστού. Η απολαβή του δέκτη μπορεί να μεταβληθεί ως συνάρτηση του χρόνου μεταξύ των παλμών για την αντιστάθμιση της υψηλής εξασθένησης των διαφόρων ιστών. Η ενέργεια του υπερήχου στα επίπεδα που χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση φαίνεται να μην προκαλεί κανένα κακό στους ιστούς, σε αντίθεση με τις ιονίζουσες ακτινοβολίες των ακτίνων X. Η χρονική καθυστέρηση μεταξύ του εκπεμπόμενου παλμού και της ηχούς του αποτελεί μια μέτρηση του βάθους της διαχωριστικής επιφάνειας του ιστού. Λεπτές δομές ιστών (αιμοφόρα αγγεία, περικάλυμμα μυών, και ο συνδετικός ιστός) παράγουν επιπλέον ηχώ μέσα σε “ομοιογενής” δομές ιστών. Σε κάθε αλλαγή του τύπου του ιστού, παράγεται και μία
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ
627
ανάκλαση. Το Σχήμα 12.26 παρουσιάζει το πώς οι διαχωριστικές επιφάνειες των δομών του σώματος δημιουργούν την ηχώ που φανερώνει τις τοποθεσίες τους. Αυτός ο τύπος του απλού ανιχνευτή υπερήχων, η συσκευή A-Τρόπου, ήταν μια πρώτη συσκευή που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της μετατόπισης της μεσαίας αύλακος του εγκεφάλου. Η συσκευή Α-Τρόπου απεικονίζει την ένταση της ηχούς ως γράφημα x-y. Ο ενεργός μεταλλάκτης τοποθετείται επί του κρανίου και η οθόνη αποδίδει τον χρόνο της ηχούς της μεσαίας αύλακος του εγκεφάλου (ανάλογος του βάθους). Ο μεταλλάκτης στη συνέχεια μετατοπίζεται στην άλλη πλευρά του κρανίου και η προηγούμενη διαδικασία επαναλαμβάνεται. Οι εικόνες φυσιολογικών ασθενών είναι συμμετρικές κατά τέτοιο τρόπο ώστε η μεσαία αύλακα του εγκεφάλου να εμφανίζεται στην ίδια θέση και στις δύο εικόνες.
Σχήμα 12.27 Υπερηχοτομογραφία Χρόνου-Κίνησης της μιτροειδούς βαλβίδας της καρδιάς. Το κεντρικό ίχνος ακολουθεί τις κινήσεις της μιτροειδούς βαλβίδας (MV) για χρονική περίοδο 3 δευτερολέπτων, που περιλαμβάνει τρεις καρδιακούς κύκλους. Τα άλλα ίχνη αντιστοιχούν σε άλλες σχετικά στατικές δομές, όπως το ενδοκοιλιακό τοίχωμα (IVS) και τα τοιχώματα του αριστερού κόλπου (LA).
Ένας όγκος ή ένα πήγμα αίματος μπορεί να μετακινήσει τα εγκεφαλικά ημισφαίρια ώστε να μετατοπιστεί η μεσαία αύλακα. Ο τύπος της απλής αυτής συσκευής χρησιμοποιείται σπάνια και έχει αντικατασταθεί από πιο εκλεπτυσμένα συστήματα που επιδεικνύουν δομές πολύ μεγαλύτερης λεπτομέρειας όπως επίσης και της μεσαίας αύλακος. Αν η ισχύς του σήματος της ηχούς χρησιμοποιηθεί για τη διαμόρφωση της έντασης της οθόνης σε σχέση με το χρόνο επιστροφής της ηχούς, με χρονική στιγμή 0 την κορυφή της οθόνης και με τα κατάλληλα κυκλώματα αποθήκευσης εικόνας, η εικόνα μπορεί να εμφανιστεί κατά την κίνηση προς τα δεξιά. Αυτή η τεχνική παρουσιάζει τη θέση των ιστών ως συνάρτηση του χρόνου, ως ανίχνευση χρόνου-κίνησης ή ΤΜ (Time-Motion). Στο Σχήμα
628
ΙΑΤΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ (Εφαρμογή και Σχεδιασμός )
12.27 παρουσιάζεται η κίνηση της μιτροειδούς βαλβίδας της καρδιάς για τρεις καρδιακούς κύκλους.
Σχήμα 12.28 (α) Η υπερηχοτομογραφική απεικόνιση Β-τρόπου εμφανίζει τη δισδιάστατη μορφή και ανακλαστικότητα αντικειμένων, χρησιμοποιώντας λωρίδες πολλαπλής σάρωσης. (β) Αυτή η Βτρόπου υπερηχογραφική εικόνα, η οποία αντιστοιχεί στο (α), εμφανίζει το δέρμα της κοιλιάς επάνω αριστερά, κέντρο-αριστερά το ήπαρ, τη χολή στα δεξιά πάνω από το κέντρο, και το νεφρό στα δεξιά κάτω από το κέντρο. Οι φωτεινές περιοχές μέσα στο νεφρό είναι οι κάλυκες.
Υπολογιστές με δυνατότητα αποθήκευσης εικόνων στην οθόνη ή οθόνες φωσφόρων με μεγάλη διάρκεια προβολής εικόνων, μπορούν να διαμορφώνουν την ένταση τους καθώς η
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ
629
θέση του ενεργού μεταλλάκτη αλλάζει. Η οθόνη θα εμφανίζει το δισδιάστατο σχήμα των αντικειμένων. Στα παλαιότερα συστήματα, η θέση και η διεύθυνση του ενεργού μεταλλάκτη συνεργάζονταν με τα κυκλώματα προβολής με ένα σύστημα με τροχαλίες και ποτενσιόμετρα. Τα νεότερα συστήματα χρησιμοποιούν μηχανική σάρωση ή συγχρονισμένη σειρά μεταλλακτών μέσα στη διάταξη του ενεργού μεταλλάκτη και προβάλλουν τη δισδιάστατη εικόνα σε σχέση με τη σταθερή θέση της διάταξης. Ένας υπολογιστής αποθηκεύει τα σήματα της ηχούς για να τα προβάλει ως τομείς. Μερικά πολύπλοκα συστήματα συσχετίζουν τομείς που λήφθηκαν από πολλές διευθύνσεις και τις προβάλουν σαν μία εικόνα, με πολύ καλύτερη ποιότητα σε σχέση με την εικόνα που ελήφθη μόνο από μία διεύθυνση (βλ. Σχήμα 12.28). Ως επί το πλείστον στην ιατρική υπερηχοτομογραφία χρησιμοποιούνται οι συχνότητες από 1,0 MHz έως 15 MHz. Η συχνότητα λειτουργίας επιλέγεται έτσι ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες της απεικόνισης. Οι υψηλότερες συχνότητες θα βελτιώσουν την χωρική διακριτική ικανότητα, αλλά το αυξημένο HVL περιορίζει το βάθος διείσδυσης. Ωστόσο, για ειδικούς λόγους (π.χ. για οφθαλμική απεικόνιση ή απεικόνιση νεογνών) όπου τα αντικείμενα είναι πολύ μικρά, η συχνότητα λειτουργίας μπορεί να αυξηθεί στα 15 MHz ή περισσότερο και η μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα να επιτρέψει την παρατήρηση πολύ μικρών δομών ή ανωμαλιών.
Σχήμα 12.29 Διαφορετικοί τύποι υπερηχητικών μεταλλακτών που κυμαίνονται σε συχνότητα από 12MHz για οφθαλμικές συσκευές έως 4MΗzγια μεταλλάκτες εφοδιασμένους με ιδιοπεριστρεφόμενη κεφαλή. (Η φωτογραφία παραχωρήθηκε από την ATL).
630
ΙΑΤΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ (Εφαρμογή και Σχεδιασμός )
Το Σχήμα 12.29 παρουσιάζει τέσσερις μεταλλάκτες υπερήχων. Οι δύο μεγαλύτερες συσκευές χρησιμοποιούν τρεις μεταλλάκτες που περιστρέφονται μέσα σε ένα κέλυφος γεμάτο με υγρό [Σχήμα 12.30 (α)]. Η μεσαίου μεγέθους συσκευή καθώς και η μικρότερη, οφθαλμικός μεταλλάκτης, χρησιμοποιούν γραμμικές διατάξεις τύπου phased array τις οποίες μπορούν να στρέφουν με ρύθμιση του χρονισμού των παλμών που εφαρμόζονται σε ομάδες από πολλά κεραμικά στοιχεία. Αν όλα τα στοιχεία του μεταλλάκτη πάλλονται ταυτόχρονα, η υπερηχητική ενέργεια θα κατευθύνεται ευθεία εμπρός [Σχήμα 12.30 (β)]. Αν τα στοιχεία της αριστερής πλευράς πάλλονται με καθυστέρηση, η ενέργεια θα κατευθύνεται προς τα δεξιά με γωνία που εξαρτάται άμεσα από τη χρονική καθυστέρηση [Σχήμα 12.30 (δ)]. Με ρύθμιση της χρονικής καθυστέρησης, η δέσμη μπορεί να σαρώσει από τη μία άκρη έως την άλλη.
Σχήμα 12.30. Κεφαλές ανίχνευσης υπερήχων. (α) Περιστρεφόμενη μηχανική διάταξη. (β) Γραμμική διάταξη που σαρώνει μια περιοχή του ίδιου πλάτους με την κεφαλή σάρωσης. (γ) Καμπύλη γραμμική διάταξη που μπορεί να σαρώσει μια περιοχή. (δ) Μεταβάλλοντας τη φάση διέγερσης των κρυστάλλων η δέσμη μπορεί να στραφεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε ένας μικρός μεταλλάκτης να μπορεί να σαρώσει μια μεγάλη περιοχή.