Princípy fungovania medicínskych prístrojov

Princípy fungovania medicínskych prístrojov
 
ZÁKLADNÉ DIAGNOSTICKÉ METÓDY V MEDICÍNE
 
Klasifikácia
A. Metódy biochemické – krvné testy,  Testy na obsah minerálov - Na, K, Ca..., Glukózy, Močoviny, Cholesterolu, Hormónov v krvnej plazme, v likvore, v moči. Nádorové a enzymatické markery,...
B. Metódy fyzikálne
1. Mechanické: Auskultácia, Perkusia, Palpácia, Meranie TK (nepriama metóda), Meranie telesnej teploty.....
2.  Elektrické: EKG, EEG, EMG, ENG, ERG, Audiometria, Meranie TK (priama metóda)  Meranie prietoku krvi, Meranie prietoku vzduchu (pneumotachografia)...
3. Electromechanické: Spirometria, Energometria, Zisť. odpovede. svalu na el. podráždenie - superpozícia, sumácia, tetanus...
4. Optické a Optoelektrické: Svetelná mikroskopia, Elektrónová microskopia, Oftalmo-skopia,Otoskopia, Bronchoskopia, Fibroskopia...
5. Ultrazvukové (Dopplerovské) metódy: Angiografia, Ultrasonografia, Echokardiografia...
6. Röntgenové zobrazovacie metódy: Skiaskopia, Skiagrafia, Klasická tomografia, Počítačová tomografia (CT)...
7. Metódy Nukleárnej Medicíny: Rádioizotopové vyšetrenia, Gamagrafia, Pozitrónová Emisná Tomografia (PET)....
8. Magnetické zobrazovacie metódy- Nukleárna Magnetická Rezonančná Tomografia (NMRT)
9.Kombinácia metód: AB, 1-8
1.Mechanické  Metódy
Palpácia - je subjektívna metóda vyšetrenia veľkosti a tvaru orgánov v tele pohmatom (napr. lymfatických uzlín, sleziny, obličiek, pečene, apendixu...
Perkusia - je subjektívna metóda vyšetrenia veľkosti a tvaru, príp. hraníc medzi orgánmi poklopom (napr. prekrytie srdca pľúcami...). Doktor používa 3. prst pravej ruky ktorým klepe na 3.prst ľavej ruky položenej na telo a rozochvieva tým tkanivo. Výsledkom sú zvuky, typické pre vibráciu príslušného tkaniva.
Auskultácia - je subjektívna metóda zisťovania zvukov a šelestov posluchom za použitia fonendoskopu.
Meranie TK, Meranie telesnej teploty

2.Elektrické Metódy - EKG, EEG, EMG, ENG
A. Elektrokardiografia (EKG) - je objektívna metóda hodnotenia el. potenciálov srdca, snímaných z povrchu kože končatín (4 elektródy) a hrudníka(6)
EKG krivka:

B. Electroencefalografia (EEG) - objektívna metóda hodnotenia el. potenciálov mozgu snímaných z povrchu hlavy systémom 12-16 elektród. Hodnotí sa frekvencia a amplitúda vĺn (rytmov). Významná napr. pri Epilepsii....  Vlny (rytmy):

  Alpha  prítomný v pokoji, pri zavretých viečkach,
  f = 8 - 13 Hz, A = 50 μV.
  Beta – pri otvorení očí, f = 15 - 20 Hz, A = 5 - 10 μV
  Theta – patologicky u dospelých, f = 4-7 Hz, A=50 μV
  Delta - v spánku REM (sny), f = 1- 4 Hz, A = 100 μV
  3.Metódy optické a optoelektrické

Mikroskopia – klasický svetelný mikroskop  umožňuje zväčšiť predmety –bunky živočíšne, rastlinne (od O,1 mm do 0,2 um t.j od 10-4   10 –7 m) tak, že tieto sa presvecujú svetlom. To umožňuje pozorovať dva predmety vzdialené od seba menej než 73 um. Mikroskop zväčšuje zorný uhol predmetov. Ľudské oko rozlíši dva body ako dva ak sú od seba vzdialene viac než 73 um a uhol ktorý zvierajú spojnice týchto bodov je minimálne 1 minúta. Mikroskop pozostáva z dvoch sústav spojných šošoviek nazvaných OBJEKTÍV a OKULAR a z tzv. KONDENZORU, ktorý umožňuje správne osvetlenie pozorovaného preparátu, ktorý sa vkladá pod objektív. Celkové zväčšenie mikroskopu je súčin zväčšenia objektívu a okuláru. Rozlišovacia schopnosť svetelného mikroskopu  je okolo 0,6 um pre tzv. suché objektívy a cca 1,5 um pre tzv. imerzné objektívy. Pozorovaný obraz predmetu je  skutočný, prevrátený a zväčšený. Použitie- všestranné v laboratóriách- v patologickej anatómii pri dg. chorobne zmenených tkanív získaných chirurgom z biopsie pri operácii, v súdnom lekárstve, ale aj pri počítaní krviniek, aglutinácia.
Elektronový mikroskop  schopný zobraziť  predmety v submikrospkopickej oblasti ( od 10-6 m 10 –9 m teda rádove od um po nm). Na presvecovanie preparátu sa využíva nie svetlo, ale prúd elektrónov, ktorých zdrojom je tzv. elektrónové delo ( nahrádza kondenzor ). Elektróny prechádzajú rovnobežne cez veľmi tenkú vrstvu ( desatiny nanometru) pozorovaného preparátu. Zväzok elektrónov prechádza vo vákuu a ohýba sa. Na objektíve  sa vytvára zväčšený obraz predmetu (napr. bunkového jadra, alebo mitochondrie, baktérie alebo vírusu). Tento obraz vytvorený elektrónmi  ďalej zväčšuje okulár , ktorý sa u elektrónového mikroskopu volá projektív, pretože premieta obraz na fluorescenčnú platňu , fotogr. papier alebo na tienidlo mikroskopu , z ktorého sa obraz môže snímať videokamerou a prezerať na TV obrazovke.  Maximálna rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je rádovo 0,5 nm. 

 Fibroskopia umožňuje vyšetriť duté orgány : žalúdok pre ulcus , alebo dvanastnika), alebo močový mechúr, maternicu,  dolné dýchacie cesty. Fibroskop pozostáva asi zo 130cm dlhej ohybnej trubici, s priemerom 7 – 15 mm, ktorá obsahuje na strane lekára okulár  a zväzok niekoľkých tenších dutých trubíc, tzv zväzkov : napr. sú tam osvetlovacie zväzky, ktorými sa privádza do orgánu silné halogenové alebo xenónové  svetlo z vonkajšieho zdroja, ďalej je tu zobrazovací zväzok, pomocou ktorého  lekár vidí obraz chorobne zmenenej sliznice orgánu , ďalej sú tam zväzky kanálov na prívod vody, oplach miesta  ktoré s prezerá,  tiež trubicou prechádzajú ovládacie zväzky, ktoré umožňujú ohýbať zasunutý koniec fibroskopu . Pomocou tzv. pracovného kanálu, sa dajú  vysunúť bioptické klieštiky a zobrať vzorku tkaniva z orgánu.
  
4. Ultrazvukové - Dopplerovská metóda
Zvuk: je  mechanická –tlaková energia o frekvencii vlnenia medzi 16 – 20 000 Hz, s rýchlosťou šírenia zvukových vĺn vo vzduchu cca 330 m/s. Zvuk sa nešíri vo vákuu, lebo tam nie sú častice vzduchu, ktoré by sa rozkmitali.
Infrazvuk : ma frekvenciu vlnenia pod 16 Hz, počujeme ho ako jednotlivé hlboké zvukové údery.
Ultrazvuk: ma frekvenciu vlnenia nad 20 000 Hz. Človek nevníma ultrazvuk, ale zvieratá ako netopier, pes, kôň, delfín áno. Ultrazvuk podobne ako zvuk sa najlepšie šíri v tuhých látkach ( rýchlosť asi 3000 m/s, horšie v kvapalinách ( rýchlosť 1000 m/s), najhoršie šírenie ultrazvuku je  vo vzduchu  (asi 350 m/s).
Zdroj: piezoelektrický kryštál, generátor UZV
Podstata: UZV prechádza do tkaniva tela, časť z neho sa pohltí tkanivom, časť sa odrazí (Dopplerov efekt). Odrazená časť sa volá ECHO.
Pravidlo: Čím vyššia je frekvencia UZV (MHz), tým menej  preniká do tkanív, ale obraz orgánu je kvalitnejší a naopak.
ECHÁ sú snímané špeciálnymi senzormi, spracovávané a zobrazované buď na Č-B alebo farebný monitor. UZV metódy : Ultrasonografia, Echokardiografia, Angiografia... Jednorozmerné A a dvojrozmerné B.
Vyšetrenia UZV sú neinvazívne, rýchle, veľmi užitočné pre dg. ochorení a bezpečné aj pre plod.
Dopplerov princíp: Ak dopadne akustická vlna na dve prostredia s rôznou schopnosťou pohlcovať a odrážať zvuk, časť energie sa odrazí a časť zvukovej energie prejde. Na základe vyhodnocovania odrazu akustickej vlny sa dá zobraziť tvar a vypočítať veľkosť orgánu.

5.Metódy röntgenové
Skiaskopia, Skiagrafia, Klasická a Počítačová tomografia (CT)
Rtg žiarenie: objavené C.W.Röntgenom v r. 1895 - Nobelova cena v r. 1901. Ide o ionizujúce, neviditeľné žiarenie, nebezpečné pre živé organizmy pre tvorbu el. nabitých iónov. Je to  elmg. vlnenie fotoelektrónov (ako viditeľné svetlo), ale s  veľmi krátkou λ = 0.05 ηm
Ochrana: olovené zástery, krátka expozícia, dozimetria
Max. dávka za rok je 5 mSv/, pre stochastické a 50mSv pre deterministické účinky.
Zdroj: röntgenka (dióda s - Katódou a+ Anódou ).
RTG lúče vznikajú v röntgenovej lampe zloženej z kladne nabitej ANÓDY+ a záporne nabitej KATÓDY-. Katóda je obyčajne z Wolfrámu a je žeravená jednosmerným el. prúdom o I = 2-3 A, a vysiela záporne nabité elektróny e-.  Anóda je napájaná  z transformátora ktorý dodáva  prúd o napätí až 150 000 V. Medzi oboma elektródami sa vytvára  silné el-mg. pole  a tak elektróny sa pohybujú veľkou rýchlosťou . Elektróny narážajú do ANÓDY, ktorá ich zabrzdí, a vzniká veľké množstvo tepla (98- 99 % ) – olejové chladenie a  len asi  1-2% Rtg. lúčov, ktoré vychádzajú otvorom z röntgenky smerom ku pacientovi.  Rtg. žiarenie môže byť  tzv. charakteristické ( závisí od materiálu ANÓDY) a žiarenie brzdné.
Podstatou vzniku rtg žiarenia, je to že elektróny z Katódy  prechodom cez Anódu, vyrazia iné elektróny z obalu atómu , a na miesto vyrazených elektrónov. v obale atómu prechádzajú iné elektróny a energetický rozdiel sa vyžiari ako rtg. žiarenie.  Rtg. žiarenie je  buď tzv. tvrdé, s kratšími vlnovými dĺžkami , dobre prechádzajúce tkanivami, a tzv. mäkké, s väčšími vlnovými dĺžkami, menej priepustné tkanivom. Platí, že čím väčší je ANODOVÝ prúd,  tým tvrdšie rtg lúče vznikajú.
Tiež platí, že čím je väčší KATÓDOVÝ (žeraviaci) prúd, tým je väčšia  intenzita rtg. žiarenia.
Rtg. lúče z röntgenky prechádzajú tkanivami pacienta, pričom narážajú na elektróny tkaniva, vznikajú fotoelektróny a tie umožňujú vznik rtg. obrazu tkanív. Tento obraz je charakteristický hrou tieňov a polotieňov. Také tkanivá ako sú svaly, tukové tkanivo sa znázorňujú veľmi zle, naopak kostné tkanivo, ale aj vzduchová bublina v žalúdku sa zobrazia veľmi kontrastne. Preto mäkké tkanivá, ako je napr. pažerák, črevo, žlčník, vidíme na rtg. snímke zle v natívnom preparáte. Ak ich chceme zviditeľniť, potom podávame rtg .kontrastné látky do tela, napr. báryová kasa, injikovanie farbív do krvného riečišťa, a tieto látky sa dostávajú krvou do orgánov. Napr. jódové kontrastné látky na vyšetrenie štítnej žľazy, thórium, alebo kontrastnou látkou môže byť aj vzduch, príp. kyslík, Hélium, pri zobrazení mozgových komôr a pod.

RTG obraz je tieňový obraz určitého orgánu, pričom čierno-biely kontrast obrazu veľmi závisí od odstupňovanej absorbcie rtg žiarenia tkanivom, čo má za následok odstupňované zčernanie rtg. filmu. Veľmi závisí aj  od charakteru tkaniva, od jeho hrúbky, ale aj od spomínanej tvrdosti či mäkkosti rtg. žiarenia, ďalej od fotografickej emulzie, kvality a spracovania filmu . Ročná dávka  5 mSv pre stochastické účinky ( od dávky nezávislé -rakovinové), pre deterministické –(závislé od dávky, orgánové 50 mSv).
SKIASKOPIA- je klasická a dobrá metóda na zobrazenie pohybu orgánov. Kedysi kvalita obrazu bola horšia, lekár pozoroval orgány na fluorescenčnom štíte, a  pacient ako aj lekár boli viac exponovaní rtg. žiareniu.  Dnes moderná skiaskopia využíva  nie priame pozorovanie orgánu na fluorescenčnom štíte, ale obraz sa sníma videokamerou a zobrazuje na  TV obrazovku  ( napr. digitálna angiografia- vyšetrenie ciev pomocou kontrastných látok )
SKIAGRAFIA – snímkovanie,  namiesto štítu sa používa fotografický film na ktorom viac rtg. žiarenia spôsobí väčšie zčernenie filmovej emulzie. Exponovaný film sa vyvoláva chemicky, ustáluje, suší, podobne ako film používaný vo fotoaparáte. Kvalita získaného obrazu pri skiagrafii je lepšia ako pri klasickej skiaskopii. Na zlepšenie kontrastu sa používaj napr.  použitie tzv. kontrastných látok. 1 rtg snímka pľúc sa hodnotí asi na 100-200 Sk.
KLASICKÁ  A VÝPOČTOVÁ TOMOGRAFIA – sú efektívne  rtg. metódy, využívajúce ionizujúce účinky rtg. žiarenia., tj.  schopnosť žiarenia rozkmitať elektróny v obale atómov z ktorých sú zložené tkanivá , uvoľniť fotoelektrón a tým vytvoriť obraz prežarovaného tkaniva. TOMOGRAFIA znamená vyšetrenie orgánu, po jeho vrstvách dôležité na posúdenie prerastania nádoru cez steny orgánu do okolia a pod., na zistenie metastáz primárnych nádorov...

Princíp  Klasickej tomografie  Pacient  leží na rtg. stole, nad ním sa pohybuje röntgenová lampa, pod pacientom je kazeta s rtg. filmom, ktorý sa pohybuje v protismere ku pohybu röntgenky . Priemety rtg lúčov umožňujú zobraziť určitú vrstvu steny orgánu, a tak odlíšiť napr. vznik rakovinového ložiska, či metastázy do orgánu, alebo aj napr. rozšírenie, či zúženie ciev a pod.

Výpočtová tomografia („Computerova“ - CT )- moderná rtg. zobrazovacia metóda, ktorá sa zaviedla do  medicínskej rtg. praxe asi v r. 1973 a v r. 1979 bola odmenená Nobelovou cenou, za tzv. zavedenie metódy digitálneho spracovania obrazu, t.j. počítačom spracovaného obrazu. Rozlišovacia schopnosť metódy je vysoká 0,5 mm

CT- ma rovnaký princíp ako klasická tomografia, ale namiesto filmu v kazete, používa špeciálne DETEKTORY, ktoré registrujú rtg. žiarenie, ktoré prešlo telom pacienta.  Detektory sú plynné- xenónové alebo scintilačné - polovodičové- fotodiódy, ktoré premieňajú svetlo na elektrický prúd. Pacient leží na stole, nad ním sa pohybuje röntgenka, pod pacientom je systém detektorov, obraz z detektorov sa prenáša do výkonného počítača, ktorý prijíma  čiastkové obrazy orgánu, spracuje ich a výsledný obraz prenesie na Tv. obrazovku. CT meria hustotu tkaniva v danej vrstve. Jednotkou hustoty je tzv. Hounsfieldova jednotka –HU.  O HU zodpovedá absorbcii rtg. žiarenia vodou, -mínus 1000 HU  odpovedá absorbcii rtg. žiarenia vzduchom, 3000 HU – absorbcii kostným tkanivom. Záporné hodnoty HU zodpovedajú tukovému tkanivu ( - 200 HU ).

CT umožňuje tzv. skenovanie orgánov, po vrstvách, lepší kontrast a menšia zrnitosť sa dosahujú zvýšením intenzity rtg. žiarenia. Záťaž pacientov rtg. žiarením je rovnaká ako u klasickej skiagrafie. Záťaž je pri klasických skenoch asi 0,1  Rad/ 1 expozíciu .

Indikácia CT: široké, keďže CT ma vysokú rozlišovaciu schopnosť, je to vyšetrenie pomerne rýchle a menej finančne náročné ( okolo 4000 Sk) než napr. magnetická  rezonančná tomografia ( 10 000 Sk)
-odhaľovanie primárnych nádorov a ich metastáz najmä v dutine brušnej a v panvovej oblasti, ale aj v hrudnej dutine.
- zobrazenie chorobných procesov v pečeni a v pankrease.
- zobrazenie orgánov v pohybe ( práca srdca)
- zobrazenie  mozgu, miechy, komorového systému
- umožňuje dobré navedenie zavádzanie katétrov, ihiel,  a pod. stereotaxia.
 
6. Metódy nukleárnej medicíny
Izotopové vyšetrenia - GAMAGRAFIA
Využívajú zobrazenie orgánov pomocou prechodu ionizujúceho žiarenia, ktoré vzniká v jadre atómov. t.j. žiarenie alfa, beta, gama, pozitrónové žiarenie .
 Príslušný typ žiarenia sa dosahuje vpravením látok – žiaričov (rádioizotopov), ktoré sú zdrojom príslušného žiarenia, napr. alfa, beta, gama... Tieto sa vpravujú  do krvi. Látky sa hromadia v orgáne, ktorý chceme vyšetriť a keďže vyžarujú  ionizujúce žiarenie, toto  sa deteguje prístrojom – gama-kamerou. Tak sa dajú zistiť napr. zápal alebo nádor štítnej žľazy po vpravením rádioizotopu J 131  do krvi. J 131 je kombinovaný beta - gama žiarič s polčasom rozpadu 8 dní.
Cr51 je ďaľší rádioizotop používaný na  vyšetrenie veľkosti, tvaru bielych a červených krviniek (zisťovanie rakoviny krvi, leukémie).
Pri gamagrafii pečene  sa vpravuje do krvi iný rádioizotop- P 32 a umožňuje  dg. nádorov, či zápalov  pečene .
 
7. Magnetické zobrazovacie metódy
Pozitrónová emisná tomografia (PET) ide o neinvazívnu zobrazovaciu tomografickú  metódu využívajúcu rádionuklidy, ktoré vyžarujú kladne nabité častice zvané pozitróny. Pozitróny reagujú s elektrónmi atómového obalu  tkaniva , dochádza k anihilácii hmoty častíc a energia z anihilácie sa vyžiari v podobe fotónov. Tieto fotóny sa zachytávajú tzv. scintilačnými detektormi a na obrazovke sa vytvorí obraz orgánu vo vrstvách. Táto metóda má nízku rozlišovaciu schopnosť (len 10-20 mm), kým napr. CT ma rozlišovaciu schopnosť 0,5 mm t.j. takmer 100- krát vyššiu.

Nukleárna magnetická rezonančná tomografia (NMRT)
Metóda nevyužíva rtg. žiarenie, ale magnetický rezonančný signál (MRS) .Tento vzniká na základe rozkmitania protónov v jadrách atómov prvkov (C, P, Ca, Na), s nepárnym počtom protónov a ich následnej relaxácie (deexcitácia). Najprv sa na tkanivá pôsobí NF magnetickým poľom z elektromagnetu a potom VF magnetickým poľom z rádiofrekvenčných cievok (to vedie ku Precesii). Potom sa náhle vypne VF magnetické pole z rádiofrekvenčných cievok. Protóny sa vracajú na svoje pôvodné sféry v jadre atómov a rozdiel energie sa vyžiari ako MRS.
 
Výhody: neinvazívna metóda krátke trvanie vyšetrenia (2 min), nezaťažuje pacienta  aj  keď intenzita magnet. poľa je vyššia  (1-3 Tesla) vysoká rozlišovacia schopnosť

Nevýhody: ekonomicky náročné vyšetrenie
klaustrofóbia (strach v tuneli)silný hluk nemožno vyšetriť pacienta s kovovými implantátmi