4.3 Medisinsk bildediagnostikk

Å se inn i kroppen uten kniv

Da Wilhelm Röntgen i 1895 oppdaget en stråling som kunne avbilde skjelettet hans gjennom huden, åpnet han en helt ny verden. Plutselig kunne legen se inn i kroppen uten å skjære. I dag har medisinsk bildediagnostikk vokst til et sofistikert felt, og vi skal møte de fem viktigste metodene -- røntgen, CT, MR, PET og ultralyd -- og fysikken bak hver av dem.

Røntgenstråler er elektromagnetisk stråling med svært kort bølgelengde, produsert ved å akselerere elektroner mot en wolframtarget. Bildet dannes fordi ulike vev attenuerer (svekker) strålingen ulikt, etter Beers lov: $I = I_0 \cdot e^{-\mu x}$. Bein har høyt atomnummer og absorberer mye -- derfor vises det hvitt. Mykt vev absorberer middels og blir grått. Luft i lungene slipper nesten alt gjennom og blir svart.

Røntgen gir god detaljoppløsning og er raskt, men har en svakhet: bildet er en projeksjon der alt mellom kilden og detektoren summeres i ett 2D-bilde, så strukturer kan overlappe og skjule hverandre. Kontrastmiddel som barium eller jod kan gjøre ellers usynlige strukturer synlige. Og siden røntgen er ioniserende stråling som kan skade DNA, holdes dosen så lav som mulig etter ALARA-prinsippet -- et vanlig brystbilde gir bare rundt 0,02 mSv, omtrent én dags naturlig bakgrunnsstråling.

Snittbilder og magnetisk dans

CT (computertomografi) løser overlappingsproblemet på en genial måte: et røntgenrør og en detektor roterer rundt pasienten og tar bilder fra mange vinkler. Datamaskinen rekonstruerer så tverrsnittsbilder -- ekte snitt gjennom kroppen. Resultatet kvantifiseres i Hounsfield-enheter (HU), der vann = 0, luft = -1000 og kompakt bein = +1000. En struktur i lungene på -700 HU ligger i området for normalt lungevev fullt av luft; var den nærmere 0, kunne det bety væske som lungebetennelse. Ved å stable snittene kan man bygge 3D-modeller for kirurgisk planlegging. Prisen er høyere stråledose -- 2-20 mSv mot et enkelt røntgenbildes brøkdel.

MR (magnetisk resonanstomografi) bruker derimot ingen ioniserende stråling -- bare sterke magnetfelt og radiobølger. Prinsippet bygger på at hydrogenkjernene (protoner) i kroppen oppfører seg som bittesmå magneter på grunn av sitt spinn. I et kraftig magnetfelt (1,5 eller 3 Tesla, over 30 000 ganger jordas felt) retter de seg etter feltet. En kort radiofrekvenspuls tipper dem ut av likevekt; når pulsen slås av, vender de tilbake (relaksasjon) og sender ut et svakt radiosignal som fanges opp.

Relaksasjonen har to tidskonstanter. T1 er hvor raskt protonene gjenoppretter magnetiseringen langs feltet; T2 er hvor raskt de mister fasekoherens i tverretningen. Ulike vev har ulike T1- og T2-verdier, så ved å velge pulssekvens kan vi vektlegge den ene: T1-vektede bilder viser fett lyst, mens T2-vektede viser vann -- og dermed betennelse, ødem og svulster -- lyst. MR er overlegen for bløtvev som hjerne og ledd, mens CT er best for bein, blødninger og akuttsituasjoner der sekunder teller.

Stoffskifte i lys og ekko fra lyd

De fleste metodene viser anatomi -- hvordan kroppen ser ut. Men PET (positronemisjonstomografi) viser noe helt annet: funksjon, altså hvilke celler som er mest aktive. Pasienten injiseres med et radioaktivt sporstoff, vanligvis $^{18}$F-FDG, en sukkeranalog. Celler med høyt stoffskifte -- som kreftceller -- tar opp mer sukker og dermed mer sporstoff. Når $^{18}$F brytes ned, sender den ut en positron som straks kolliderer med et elektron i en annihilasjon, som lager to gammafotoner som flyr ut i nøyaktig motsatte retninger. Detektorer rundt pasienten registrerer disse parene i koinsidens, og datamaskinen rekonstruerer hvor sporstoffet samlet seg. PET kombineres ofte med CT eller MR for å gi både funksjon og anatomi.

Den femte metoden, ultralyd, er den enkleste og tryggeste -- ingen stråling, billig og bærbar. En piezoelektrisk transducer sender høyfrekvente lydbølger (2-18 MHz) inn i kroppen. Når lyden treffer en grenseflate mellom vev med ulik akustisk impedans, reflekteres et ekko tilbake. Tiden ekkoet bruker gir dybden: $\displaystyle d = \frac{v \cdot t}{2}$, der $v$ er lydhastigheten (rundt 1540 m/s) og vi deler på 2 fordi lyden reiser fram og tilbake.

En særlig nyttig variant er Doppler-ultralyd, som måler blodstrøm. Ved å analysere frekvensforskyvningen mellom sendt og mottatt signal -- akkurat som en ambulanse som skifter tonehøyde når den kjører forbi -- kan vi se om blod beveger seg mot eller fra transduceren. Blod mot oss gir høyere frekvens, fra oss lavere. Ultralyd brukes til svangerskapskontroll, ekkokardiografi av hjertet, og til å veilede biopsier i sanntid. Ingen enkelt metode er best for alt -- valget avhenger av spørsmålet, kroppsdelen og hensynet til stråledose.

Oppsummering

Vi har møtt fem måter å se inn i kroppen på. Røntgen bruker ulik attenuasjon i bein, bløtvev og luft til raske projeksjonsbilder. CT tar røntgenbilder fra mange vinkler og rekonstruerer tverrsnitt målt i Hounsfield-enheter, men med høyere stråledose. MR bruker magnetfelt og radiobølger -- ingen ioniserende stråling -- og gir overlegen bløtvevskontrast via protonspinn og T1/T2-relaksasjon.

PET viser funksjon og stoffskifte ved hjelp av radioaktive sporstoffer og annihilasjonsfotoner, mye brukt mot kreft. Ultralyd er trygg, billig og bærbar, og Doppler-varianten måler blodstrøm. Ingen metode er best for alt -- valget avhenger av det kliniske spørsmålet, kroppsdelen og strålehensyn.