Promieniowanie podczas badań diagnostycznych

Nawiązując do moich poprzednich postów chciałbym poruszyć parę zagadnień związanych z obecnością „promieniowania” podczas różnych lekarskich badań diagnostycznych.

Do powszechnie stosowanych obecnie metod należą zdjęcia rentgenowskie (RTG), tomografia komputerowa (CT), rezonans magnetyczny (MR, a ściślej - magnetyczny rezonans jądrowy, MRI), mammografia oraz ultrasonograf (USG). Rzadziej stosowana jest pozytonowa tomografia emisyjna (PET), która jest rozwinięciem scyntygrafii - badania przez wprowadzanie izotopów promieniotwórczych do organizmu.

Najpierw zdefiniujmy pojęcia. Promieniowanie jonizujące wykorzystywane jest jedynie podczas zdjęć RTG, tomografii, mammografii, scyntygrafii i PET. Ultrasonograf (USG) wykorzystuje ultradźwięki, czyli fale dźwiękowe o bardzo wysokiej częstotliwości, niesłyszalne dla człowieka, ale słyszane np. przez psy i nietoperze. Głowica USG wysyła i odbiera ultradźwięki, które są odbijane i rozpraszane przez tkanki, pozwalając na odwzorowanie struktur znajdujących się we wnętrzu ciała. Zasadę działania można w uproszczeniu porównać do radaru, który zamiast mikrofal stosuje ultradźwięki.

https://www.scienceabc.com/innovation/how-ultrasound-scanning-sonography-3d-sonogram-work-pregnancy-due-date.html

Rezonans magnetyczny, choć tak naprawdę jest „jądrowym rezonansem magnetycznym”, nie ma nic wspólnego z radioaktywnością – wykorzystuje fakt drgania jąder atomów w polu magnetycznym. Ściślej, protonów, stanowiących jądra wodoru, z którego złożona jest cząsteczka wody, najpowszechniej występującej substancji w naszym organizmie.

http://www.jwestdesign.com/concept/concept-3.html

Wystarczy zresztą zerknąć na oznaczenia ostrzegawcze pracowni MRI i porównać z "koniczynkami" oznaczającymi promieniowanie jonizujące na pracowniach RTG [LINK]:

https://www.kreatywnyswiat.pl/platforma-magnetyczna-dluga-sizzix-656780-do-framelits-i-thinlits-59-573-000-p-5989.html

Niestety, wobec coraz powszechniejszego w społeczeństwach lęku przed radioaktywnością z nazwy magnetycznego rezonansu jądrowego usunięto przymiotnik "jądrowy" (!). Zrobiono tak, ponieważ ludziom kojarzył się z promieniowaniem jonizującym i obawiali się takich badań z uwagi na rzekome "napromieniowanie". Cóż, jak widać radiofobia coraz bardziej się upowszechnia, szkoda tylko, że wraz z nią nie idzie wiedza o faktycznej naturze promieniowania jonizującego. Mylenie pola elektromagnetycznego czy mikrofal z promieniowaniem jonizującym jest na porządku dziennym, poruszałem ten temat już wiele razy [LINK]

***

Zerknijmy teraz na metody diagnostyczne, wykorzystujące promieniowanie jonizujące. Zacznijmy od najstarszej i najpowszechniej stosowanej.

Standardowe prześwietlenie (zdjęcie) rentgenowskie (RTG) wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie, które jest zbliżone właściwościami do promieniowania gamma i jest tak jak ono promieniowaniem jonizującym. Od promieniowania gamma różni się miejscem powstawania – wytwarzane jest w lampie rentgenowskiej na skutek wyhamowywania rozpędzonych elektronów, podczas gdy promieniowanie gamma powstaje na skutek przemian w jądrach atomów pierwiastków niestabilnych. Zakres promieniowania gamma i rentgenowskiego częściowo pokrywa się, przy czym rentgenowskie leży bliżej ultrafioletu, zaś gamma, mające mniejszą długość fali, na samym końcu widma promieniowania elektromagnetycznego:

http://blogs.harvard.edu/seth/2008/01/07/em-spectra-properties/

Jeżeli mamy być ściśli, prześwietlenie polega na obserwowaniu fluorescencyjnego ekranu podczas ciągłego prześwietlania pacjenta w czasie rzeczywistym. Z kolei podczas zdjęcia rentgenowskiego (rentgenografii), działającego jak normalna fotografia, krótki impuls promieniowania powoduje naświetlenie kliszy i powstanie obrazu utajonego, który następnie jest wywoływany. Zaletą prześwietlenia w porównaniu ze zdjęciem jest możliwość śledzenia na bieżąco przebiegu operacji albo czynności fizjologicznych danego narządu, np. przełyku, bez czekania na wywołanie kliszy. Dawne prześwietlenia oznaczały przyjęcie dużej dawki promieniowania, zarówno przez pacjenta, jak i przez lekarza, na którego działało promieniowanie przechodzące przez ekran fluorescencyjny:

https://www.itnonline.com/article/early-years-x-rays-and-informatics

Obecnie technika cyfrowa eliminuje konieczność bezpośredniego spoglądania na ekran i narażanie się na nadmierne dawki. Jeżeli zaś chodzi o zdjęcia rentgenowskie, to dawki przyjmowane przez pacjenta mogły zostać znacznie zredukowane od momentu wprowadzenia ekranów wzmacniających. Ekran taki świeci światłem widzialnym pod wpływem promieniowania rentgenowskiego i to jego świecenie tworzy obraz na kliszy rentgenowskiej. Sama klisza ma małą czułość na promieniowanie rentgenowskie i żeby ją naświetlić, należałoby użyć znacznie wyższej dawki. Wielkość przyjętej dawki i jej potencjalna szkodliwość zależy od wielu czynników, przede wszystkim od wrażliwości danego narządu na promieniowanie. Poniżej zestawienie dawek przy najpopularniejszych prześwietleniach oraz tomografii komputerowej, o której zaraz będzie mowa. Dawki porównano do naturalnego tła promieniowania oraz oszacowano ryzyko śmierci na nowotwór w przyszłości po 1 badaniu:

http://www.wikiradiography.net/page/X-Ray+Dose+Information

Przytaczane dawki dla poszczególnych rodzajów prześwietleń wykazują pewne fluktuacje w zależności od cytowanej literatury i przyjętej metodologii, jednak rząd wielkości jest ten sam:

https://www.startradiology.com/the-basics/radiation/index.html

Podczas tomografii komputerowej również wykorzystuje się promieniowanie rentgenowskie, ale prześwietlenie ma charakter ciągły, głowica przesuwa się wokół ciała pacjenta, dając trójwymiarowy obraz tkanek. Przy tym badaniu moc dawki jest zdecydowanie większa, choć nadal w bezpiecznych granicach. Tomografia daje obraz trójwymiarowy, unika się więc nakładania obrazów na siebie i można obejrzeć narządy schowane jeden za drugim.

https://www.omegapds.com/what-are-ct-scans-and-how-do-they-work/

Elektronowa tomografia komputerowa (electron beam computed tomography - EBCT) działa na tej samej zasadzie, jednak inne jest źródło promieniowania rentgenowskiego. W typowej lampie rentgenowskiej promieniowanie powstaje na skutek hamowania rozpędzonych elektronów na "tarczy" z pierwiastków ciężkich, np. z wolframu. Przy standardowej tomografii lampa rentgenowska porusza się wokół ciała pacjenta. Przy EBCT strumień elektronów, skupiony przez cewki ogniskujące i odchylany przez drugi zestaw cewek omiata tarczę umieszczoną wokół pacjenta, powodując emisję promieniowania rentgenowskiego, wykrywanego przez detektory po drugiej stronie:

Zaletą tej metody jest możliwość szybszego przemieszczania strumienia elektronów w stosunku do prędkości mechanicznego napędu lampy rentgenowskiej, co umożliwia badanie struktur będących w ruchu, głównie serca. Wadą jest mniej korzystny stosunek sygnału do szumu, gorsza rozdzielczość i znacznie wyższa cena aparatury. Porównanie dawek otrzymywanych podczas tomografii widzimy poniżej:

https://www.dochandal.com/adult-medical-sense/articles/radiation-guide/

Jak widać, są one znacznie wyższe niż w przypadku zdjęć rentgenowskich, jednak korzyści diagnostyczne znacznie przewyższają ryzyko.

https://www.startradiology.com/the-basics/radiation/index.html

Mammografia (MMG) jest badaniem, polegającym na wykonaniu serii 4 zdjęć RTG piersi pod różnymi kątami, aby wykryć wczesne zmiany, mogące prowadzić do nowotworów. Maksymalna dawka podczas badania jest ograniczona polskimi przepisami do 2,5 mGy, (zwykle 0,4 mGy) czyli jest nieco niższa niż roczne naturalne  promieniowanie tła w Polsce. Metoda ta, określona jako mammografia 2D, znalazła niedawno konkurencję w postaci tzw. tomosyntezy (digital breast tomosynthesis, DBT), polegającej na wykonaniu znacznie większej liczby zdjęć przy zmniejszonej dawce promieniowania. Następnie z tych zdjęć, obrazujących warstwy o grubości 1 mm, komputer rekonstruuje trójwymiarowy obraz piersi. Metoda jest znacznie dokładniejsza niż samo obrazowanie 2D i umożliwia zwiększenie wykrywalności nowotworów z 40% do aż 90 % [LINK]

Źródło - LINK

Porównanie dokładności obu metod, na przykładzie zdjęcia... róży:

https://www.wakerad.com/we-see-3d/

 Oraz faktycznych zmian patologicznych:

https://physicsworld.com/a/virtual-trial-quantifies-dbt-superiority/

Scyntygrafia jest badaniem, podczas którego wprowadza się do organizmu substancje chemiczne z domieszką radioizotopów, a następnie obserwuje ich rozmieszczenie w organizmie. Przykładowo, podanie związków jodu znakowanych radioaktywnym jodem I-131 pozwala wykryć guzy tarczycy, gdyż w tych miejscach nastąpi zwiększone koncentrowanie się radioizotopu. Metoda nie ogranicza się jedynie do diagnostyki schorzeń tarczycy, stosując inne izotopy można badać praktycznie większość narządów organizmu.

Izotop użyty podczas badania powinien mieć wystarczającą energię promieniowania, aby mógł być zarejestrowany przez aparaturę pomiarową, ale jednocześnie na tyle niską, by powodował jak najmniej szkód w organizmie. Jego fizyczny czas połowicznego zaniku powinien być niski, ale również powinien być szybko wydalany z organizmu, a to zależy od tzw. biologicznego czasu połowicznego zaniku. Czas ten jest inny dla każdego izotopu i wynika z jego właściwości fizjologicznych. Dobrym przykładem jest tryt, którego fizyczny czas półrozpadu wynosi 12 lat, ale biologiczny zaledwie 7-14 dni, a wydalanie z organizmu można przyspieszyć, pijąc 3-4 litry wody dziennie.

Swoistym rozwinięciem scyntygrafii jest pozytonowa tomografia emisyjna. Podczas badania metodą PET wprowadza się do organizmu izotop radioaktywny o krótkim czasie półrozpadu. Zwykle jest to substancja organiczna znaczona danym izotopem, np. fluorodemksyglukoza, czyli pochodna glukozy, gdzie jedna grupa hydroksylowa (-OH) została podmieniona na atom promieniotwórczego fluoru-18  Izotop ten, o czasie połowicznego rozpadu 110 minut, ulega rozpadowi beta plus, emitując pozytony - dodatnio naładowane elektrony. Cząstki te reagują z elektronami atomów organizmu, ulegając anihilacji. Powstają przy tym dwa kwanty promieniowania gamma, które rozchodzą się w przeciwnych kierunkach pod kątem 180 st. i są wychwytywane przez pierścień detektorów znajdujący się wokół pacjenta:

Źródło - LINK

Stosowane w badaniach PET izotopy mają bardzo krótki czas półrozpadu, rzędu minut, lub najwyżej godzin:

• węgiel-11 20 min., 
• azot-13 ~10 min.,
• tlen-15 ~2 min.,
• fluor-18 ~110 min., 
• gal-68 ~67 min.,
•  cyrkon-89 ~78.41 h, 
• rubid-82 ~1.27 min. 

Powoduje to konieczność umieszczenia cyklotronu, w którym są produkowane, w bezpośrednim sąsiedztwie szpitala, gdzie przeprowadzone są badania. Z drugiej strony zastosowanie krótkożyciowych izotopów wydatnie zmniejsza narażenie pacjenta na radiację. Poniżej przykładowe aktywności podawanych radiofarmaceutyków oraz przyjmowana podczas badania dawka promieniowania:

Źródło - LINK

Badania scyntygraficzne i PET mogą się wydać przerażające - promieniujemy od wewnątrz! - ale emisja utrzymana jest na bezpiecznym poziomie poprzez odpowiedni dobór dawki i rodzaju izotopów, zaś korzyści diagnostyczne przewyższają znacznie zagrożenia. Szczególnie dotyczy to badania PET, które pozwala wykryć bardzo wczesne zmiany nowotworowe, kiedy rokują największe szanse wyleczenia. Zatem rezygnowanie z badania z powodu obawy przed promieniowaniem jest po prostu głupotą, szczególnie wobec niskiej i późnej wykrywalności nowotworów w Polsce. 

***

Przy ocenie zagrożenia powodowanego narażeniem na promieniowanie podczas badań diagnostycznych istotne jest uwzględnienie przede wszystkim stosowanej mocy dawki oraz naświetlanego narządu. Stosunkowo duże dawki można przyjąć na kończyny, najmniejsze zaś na układ krwiotwórczy, narządy płciowe, tarczycę. Najbardziej wrażliwe są narządy silnie ukrwione i o szybkim podziale komórek (szpik!). Stosunkowo odporny na promieniowanie jest układ nerwowy orz czerwone krwinki. Więcej na ten temat w notce o dawce śmiertelnej [LINK]
Wielkość pochłoniętych dawek podczas RTG poszczególnych narządów łatwo porównać, zestawiając je z promieniowaniem naturalnym (tła). Prześwietlenie ręki odpowiada 1,5-7 dni promieniowania naturalnego (zależnie od źródła), podczas gdy prześwietlenie klatki piersiowej – kilku miesiącom. Tomografia głowy to już odpowiednik rocznego promieniowania tła. Efektywne dawki ukazuje poniższa tabela:

cyt. za A.. Czerwiński, Energia jądrowa i promieniotwórczość, tabl. 10

I na koniec to, co pewnie Was najbardziej interesuje, czyli kwestia bezpieczeństwa.
Oczywiście, z prześwietleniami nie powinno się przesadzać, a tym bardziej z badaniami wykorzystującymi większe dawki promieniowania. Często jednak nie ma wyboru, np. w przypadku złamań, które wymagają dokładnego nastawienia -  zysk w postaci prawidłowego zrośnięcia się kości wielokrotnie przewyższa narażenie na niewielką dawkę promieniowania, przyjętą w dodatku na mało wrażliwe części ciała, jakimi są kończyny. Podobnie w przypadku, gdy mamy objawy, które mogą być wywołane przez wiele przyczyn, zarówno bardzo poważnych, jak i błahych. np. częste bóle głowy. W tym wypadku tomografia daje jednoznaczną odpowiedź, czy jest to guz lub krwiak, czy tylko migrena albo bóle napięciowe. I chociaż przy takim badaniu otrzymujemy znacznie większą dawkę promieniowania niż przy typowym prześwietleniu, to zysk w postaci diagnozy - i własnego spokoju - przewyższa ryzyko. Szczególnie że częste i silne bóle głowy są bardzo niepokojącym objawem i stres przez nie wywołany może spowodować większe szkody niż jedno badanie CT. Zatem, nie bójmy się diagnostyki, gdyż skutki jej zaniechania lub opóźnienia są wielokrotnie groźniejsze niż narażenie na promieniowanie podczas badania.

Jedynym tak naprawdę poważnym przeciwwskazaniem do badań z użyciem promieniowania jonizującego jest ciąża, szczególnie na wczesnym etapie, z uwagi na wyjątkowo dużą wrażliwość komórek zarodka i płodu na uszkodzenia wywołane radiacją, które mogą skutkować wadami wrodzonymi albo utratą ciąży. Stąd też bezwzględny wymóg powiadomienia lekarza o ciąży lub nawet jej podejrzeniu jeszcze przed skierowaniem na badanie.

W przypadku badań z użyciem radiofarmaceutyków (np. diagnostyki tarczycy jodem-131) zalecane jest korzystanie z osobnych naczyń i niezbliżanie się do dzieci oraz kobiet ciężarnych do czasu całkowitego usunięcia izotopu z organizmu. Badanie takie jednak w żadnym wypadku nie spowoduje, że staniemy się trwale radioaktywni - niewielka ilość promieniowania wysyłana przez ciało pacjenta pewien czas po badaniu wynika z obecności izotopu w tkankach. Po jego wydaleniu (różnymi drogami) emisja promieniowania ustanie. Czas wydalania zależy, jak już wspomniałem, od czasu biologicznego półtrwania danego izotopu - szczegółowych informacji udzieli lekarz prowadzący. Tutaj jedynie wspomnę, że napromieniowanie nie powoduje radioaktywności, wbrew temu, co się powszechnie o tym myśli [LINK].

Powyższe informacje stanowią jedynie zarys informacji dotyczących zastosowania promieniowania jonizującego w diagnostyce medycznej. Zalecam dodatkowe własne poszukiwania wiedzy m.in. poprzez korzystanie z cytowanych przeze mnie źródeł. Jeżeli macie jakieś pytania, wątpliwości lub uzupełnienia, proszę dajcie znać w komentarzach. Postaram się na nie odpowiedzieć, a w razie potrzeby, skonsultuję ze specjalistami.


----------------------------

Po więcej teorii odsyłam do cytowanego już podręcznika S. L. Zgliczyńskiego (Radiologia, PZWL, wyd. II, 1970). Szczegółowe zestawienie dawek promieniowania podczas różnych badań diagnostycznych można znaleźć na stronie NCBJ - TUTAJ.