Počítačová tomografie - exkurze do lidské lebky

Josef Myslín  |  Historie

Rentgen byl jedním z významných mezníků lékařské vědy. Dokázal to, co bylo dříve nemožné – poskytnout obraz o dění v lidském těle.

Jak ale víme, tento obraz není dokonalý. Tato nedokonalost spočívá jednak v tom, že rentgen nedokáže rozlišit jednotlivé orgány a tkáně v lidském těle (poskytuje pouze souhrnný snímek) a jednak v tom, že některá místa v lidském těle jsou pro rentgen vysloveně nedostupná.

Takovým místem je například lidská lebka. Je tomu tak – zatímco dnes považujeme i složité neurochirurgické operace za něco zcela normálního, ještě před několika desítkami let byla operace mozku v podstatě loterií s velmi malou šancí na výhru (pokud za výhru považujeme uspokojivý neurologický nález pacienta po operaci).

Lékaři začínali operaci s tím, že v podstatě nevěděli, co je po otevření lebky čeká. Veškeré jejich poznatky vyplývaly pouze z nepřímých metod, ale to, jak skutečně situace vypadá a co v hlavě pacienta naleznou, bylo jen velmi obtížné či dokonce nemožné odhadovat. Pacienti tak velmi často operaci ani nepřežili, a pokud ano, pak s tím, že jejich kvalita života byla velmi snížena. V mozku totiž platí, že sebemenší řez mimo „povolenou“ oblast nenávratně a krutě odebírá příslušnou tělesnou funkci – řeč, sluch, zrak, pohyb. Všem bylo jasné, že pokud chceme v této oblasti pokročit, bude nutné vyvinout lepší zobrazovací metody.

Počítačový tomograf. Při vyšetření je pacient vystaven mnohem větším dávkám stejného záření jako u rentgenu klasického.
Počítačový tomograf. Při vyšetření je pacient vystaven mnohem větším dávkám stejného záření jako u rentgenu klasického.

Nebyli lékaři, přesto medicíně pomohli…

Prvním z dvojice vynálezců, kteří posunuli možnosti medicíny, byl Godfrey Newbold Hounsfield. Britský inženýr se narodil v roce 1919. Za druhé světové války pracoval dobrovolně u Královského letectva, což mu poskytlo možnost pracovat s elektronikou. Mimo jiné se podílel na vzniku prvního tranzistorového počítače ve Velké Británii. Psal se rok 1958.

Krátce poté začal přemýšlet nad zcela jiným problémem. Hounsfielda trápilo právě to, že některé části lidského těla jsou nedostupné pro jakékoliv zobrazení. U jiných, jako je například oblast břicha, sice máme k dispozici rentgen, ale nedokážeme rozlišit jednotlivé tkáně a orgány. Začal proto pracovat na přístroji, který by tyto neduhy odstranil.

Paralelně, ale naprosto nezávisle, pracoval na stejném problému také Allan McLeod Cormack. Ačkoliv nebyl ani jeden z nich lékařem, navždy svou prací ovlivnili vývoj medicíny. Oba byli po zásluze oceněni Nobelovou cenou za fyziologii a medicínu, a to pro rok 1979. Hounsfield byl také oceněn Řádem Britského impéria a v roce 1981 byl povýšen do rytířského stavu. Správně bychom tedy měli o tomto velikánovi světové vědy hovořit a psát jako o siru Hounsfieldovi. Do penze Hounsfield odešel v roce 1984, zemřel pak v roce 2004.

A co vlastně vynalezli?

Hounsfield si uvědomil, že nástrojem, který by nám mohl pomoci odhalit tajemství těla, je matematika. Nemáme totiž možnost rozříznout tělo a podívat se na jeho příslušný řez. Tím bychom sice získali naprosto přesnou informaci o stavu těla, bohužel léčba by se nám v okamžiku změnila v pitvu. Musíme tedy na celou věc jít jinak – nepřímo.

Hounsfieldův a Cormackův postup využíval již známého rentgenu a byl následující. Když provedete klasický rentgenový snímek, je výsledkem fotografie, která znázorňuje, jak jednotlivé paprsky rentgenového záření byly pohlceny tkáněmi, kterými prošly. U nového postupu však nebylo cílem získat snímek, ale pouze hodnoty utlumení záření. Když jsme získali takové hodnoty, pootočil se rentgen o malý úhel a provedl další snímek. Zde rentgenové paprsky procházely stejnými tkáněmi, ale pod mírně odlišným úhlem. Výsledné hodnoty se také budou lišit. Tímto způsobem vytvoříme mnoho obrazů pod různými úhly – prakticky rotujeme zářičem a zobrazovací jednotkou kolem těla vyšetřovaného. Tyto obrazy samy o sobě nejsou ničím jiným než prostými rentgenovými snímky.

O podobném nahlédnutí do nitra lebky se mohlo ještě před několika desetiletími lékařům jen zdát
O podobném nahlédnutí do nitra lebky se mohlo ještě před několika desetiletími lékařům jen zdát

My však zapojíme matematiku. Když vytvoříme jediný snímek, pak každý bod uvnitř organismu je započten pouze jedenkrát (a to jako příspěvek k útlumu ve směru paprsku). Nemáme tedy žádnou možnost zjistit, jak daný bod či daná malá oblast k tomuto útlumu přispěla. K tomu máme příliš málo údajů. Ale vytvoříme-li velké množství snímků pod různými úhly, pak každý bod či malá oblast je zobrazena na každém snímku, pokaždé v maličko jiné konstelaci. A díky tomu můžeme vytvořit matematické rovnice, které nám umožní zjistit, jak ten či onen bod či oblast přispívají k celkovému útlumu. A to je v podstatě vše.

Nedokážeme provést řez, ale na základě mnoha rentgenových snímků vytvořených správným způsobem dokážeme vypočítat, jak daný řez vypadá. Toto vypočítání však není snadné a vyžaduje značně vyšší pochopení matematiky, než jaké předpokládá střední škola a dokonce než předpokládá většina škol vysokých. Jedna z metod, kterou lze použít, je tzv. Radonova transformace a zpětná Radonova transformace. Vzoreček, se kterým se počítá, pak vypadá následovně:

Pokud nevíte, co tento vzorec znamená, vůbec to nevadí. Vyřešení takových matematických úloh můžeme přenechat odborníkům. I pro ty je však ruční řešení příliš pracné a trvalo by velmi dlouho.

Proto tuto mechanickou výpočetní práci svěřujeme stroji – počítači. Dnes tuto metodu známe pod názvem počítačová tomografie. Ale tento název není správný – správně bychom měli říkat tomografie výpočetní (computed tomography – CT). Počítač je sice nástrojem reálně používaným, ale principem metody je výpočet jako takový, bez ohledu na to, kdo jej fyzicky provede.

Samotná tomografie by ještě k úspěšné klinické praxi nestačila. Výsledkem práce tomografu je pouze obrázek, který nám říká, jak které místo v těle pohlcuje rentgenové paprsky. Abychom mohli tomograf využít k reálné diagnostice, je nutné tkáně rozpoznat. Jinými slovy – musíme přiřadit různé útlumy záření konkrétním tkáním.

Tomografie v praxi

Vědci na vývoji tomografu pracovali v průběhu šedesátých let minulého století. Do klinické praxe se tomograf dostal v roce 1971. Jeho cílem bylo odhalit tajemství lebky pacienta. V mozku přitom objevil cystu. V roce 1974 byl uveden do praxe také celotělový tomograf. Tomograf bylo možné nazvat doslova revolucí. Přesto původní tomograf fungoval jinak, než jak jsme zvyklí dnes. Snímek nebyl k dispozici ihned. Data z tomografu bylo nutné zaslat do výpočetního střediska, které disponovalo počítačem. Je nutné uvědomit si, že v této době rozhodně počítač nebyl běžným vybavením jako dnes. Jednalo se o poměrně vzácné a dosti drahé vybavení. Snímek tak byl k dispozici až za několik dní.

Přesto tento snímek představoval obrovský pokrok. Poskytl informaci o tom, kde je problém, jakého je přibližně charakteru a jakého je rozsahu. A i čas diagnózy se zkrátil. Dříve lékaři mohli rozpoznat problém až tehdy, došlo-li k výrazným neurologickým změnám. A v této fázi je většinou nádor neléčitelný. Další problém spočíval v rychlosti samotného snímkování – to trvalo dlouhé minuty, během kterých se pacient nesměl pohnout, protože v opačném případě docházelo k rozmazání obrazu. Bohužel, například zadržení dechu na několik minut není příliš reálné.

Dnešní tomografy mohou těžit z pokroku elektroniky a výpočetní techniky. Samotné snímání dnes trvá řádově desetiny sekundy, čímž odpadají problémy s pohybem pacienta. Počítač je pak součástí tomografu a je schopný poskytnout výsledky prakticky okamžitě. Lékař má díky ohromné rychlosti možnost plynule volit řez, který jej zajímá, a tím kvalitně a přesně diagnostikovat nemoc pacienta.

CT je účinným nástrojem jen v rukách zkušeného lékaře
CT je účinným nástrojem jen v rukách zkušeného lékaře

A co radiace?

Problémem u rentgenu bylo záření, které vydává a které dokonce způsobilo smrt některých výzkumníků v počátcích výzkumu. Zde se rentgenové záření využívá také, ba co více, je pořizováno dokonce mnoho rentgenových snímků najednou. Takže ano, je to přesně tak, že při CT vyšetření je pacient vystaven mnohem větším dávkám stejného záření jako u rentgenu klasického – dávka je vyšší 50× až 500×. To je důvod, proč není možné CT vyšetření dělat příliš často a proč lékaři často „nepošlou pacienta na to CT“. Ono CT, stejně jako jakákoliv jiná metoda, není všespásný přístroj, a má smysl jej využívat jen tehdy, když přínos pro pacienta vyváží negativa způsobená zářením.

Závěr

Výpočetní tomografie (název počítačová tomografie je natolik zažitý, že se s ním budete patrně setkávat častěji, v článku nicméně používám korektnější označení) se stala jednou z běžných diagnostických metod. Alespoň prozatím nedošlo ke stejnému zlevnění jako u rentgenu – provoz a pořízení CT je stále výrazně dražší. Navíc je zde zmíněné riziko vyšší dávky záření. Přesto však CT považujeme za standardní vybavení nemocnic, dokonce i těch menších.

Zde však nastává problém v tom, že není důležité jen vlastnit CT, ale také s ním umět pracovat. Špičkový lékař na snímku odhalí nálezy, které méně zručný či méně zkušený ani nepostřehne. Proto bychom měli pečlivě zvažovat, jaká penetrace náročnými přístroji je optimální z hlediska finanční náročnosti, kvality péče, ale také komfortu pacienta. A vždy to bude o kompromisu.

Nejčtenější