Možnosti využití průmyslového CT pro zobrazení biologických materiálů

Možnosti využití průmyslového CT pro zobrazení biologických materiálů

Bakalářská práce

Studijní program: B3944 – Biomedicínská technika Studijní obor: 3901R032 – Biomedicínská technika Autor práce: Karolína Danišová

Vedoucí práce: prof. Ing. Aleš Richter, CSc.

The possibilities of using industrial CT to imaging biological materials

Bachelor thesis

Study programme: B3944 – Biomedical Technology Study branch: 3901R032 – Biomedical Technology Author: Karolína Danišová

Supervisor: prof. Ing. Aleš Richter, CSc.

Poděkování

Děkuji prof. Ing. Aleši Richterovi, CSc. za vedení mé bakalářské práce a Ing. Marcele Kolínové, Ph.D. za umožnění přístupu k mikrotomografu a cenné rady ohledně jeho obsluhy.

ANOTACE

Autor Karolína Danišová

Instituce UZS – Biomedicínská technika

Název práce Možnosti využití průmyslového CT pro

zobrazování biologických materiálů Vedoucí práce prof. Ing. Aleš Richter, CSc.

Počet stran 54

Počet příloh 11

Rok obhajoby 2016

Souhrn Tato práce shrnuje podstatu měření lékařského CT

v porovnání s CT využívaným v průmyslu. V práci je posuzován rozdíl kvality zobrazení obou různých metod s ohledem na odlišné faktory v zobrazovacím procesu, jako je výkon rentgenky, omezené možnosti pohybu kamery apod. Cílem práce je praktické ověření zobrazení biologických vzorků na průmyslovém CT, jejich vizualizace a vytvoření 3D modelů. Na základě zjištěných informací je stanoven výčet možností využití průmyslového CT pro biologický materiál.

Klíčová slova rentgenové záření, výpočetní tomografie,

biologický materiál

ANNOTATION

Author Karolína Danišová

Institution UZS – Biomedical technology

Title The possibilities of using industrial CT to imaging biological materials

Supervisor prof. Ing. Aleš Richter, CSc.

Pages 54

Appendix 11

Year 2016

Summary This bachelor thesis summarizes the measurement substances of medical computed tomography compared to computed tomography utilized in industry. The difference in rendering quality both methods with respect to different factors in the rendering process, such as power of X-ray tube, limited camera movement etc., are considered. The aim of this paper is practical verification of rendering of biological samples on industrial computer tomography, visualization and creation 3D models. Based on research information, list of possibilities of using industrial computer tomography for biological material is laid down.

Keywords X-ray, computed tomography, biological materials

Obsah

Seznam použitých zkratek ... 11

Seznam fyzikálních jednotek ... 11

I Úvod ... 12

II Teoretická část ... 13

1. Rentgen ... 13

1.1 Historie ... 13

1.2 Vznik rentgenového záření ... 13

1.2.1 Rentgenka ... 13

1.2.2 Charakteristické záření ... 15

1.2.3 Brzdné záření ... 15

1.3 Filtry a clony... 16

1.4 Interakce X-záření... 16

1.4.1 Fotoelektrický jev ... 17

1.4.2 Comptonův rozptyl ... 17

1.5 Kontrastní látky ... 17

2. Zobrazovací RTG systémy... 18

2.1 Výpočetní tomografie ... 18

2.1.1 Historie a vývoj ... 18

2.1.2 Fyzikální princip ... 18

2.1.3 Konstrukce ... 20

2.1.3 Detektory pro CT ... 21

2.2 Intraorální rentgenový přístroj Planmeca Intra... 22

2.2.1 Digitální zobrazovací systém ... 22

2.2.2 Princip snímkování ... 23

2.3 Požadavky pro provoz rentgenového pracoviště ... 24

3. Rentgenová zařízení v průmyslu ... 24

3.1 Rozdíly lékařské a průmyslové výpočetní tomografie... 25

3.2 SkyScan 1272 ... 26

4. Biologický materiál ... 26

4.1 Zub a jeho anatomie ... 27

4.2 Kost ... 27

III Výzkumná část ... 28

1. Metodika pořizování CT snímků a jejich zpracování ... 28

1.1 Skenování ... 28

1.2 Zpracování řezů ... 31

1.3 DataViewer ... 31

1.4 CTvox... 32

2. Analýza snímků ze zobrazovacích systémů ... 33

2.1 Snímky zubů ... 33

2.1.1 Zuby prasete... 35

2.1.2 Dětský zub ... 37

2.1.3 Intraorální zubní rentgen ... 39

2.2 Snímky kostí ... 40

2.2.1 Kost s kostní dření... 41

2.2.2 Kloubní hlavice ... 42

2.3 Snímky žlučového kamene ... 44

3. Diskuze o využití v praxi ... 47

IV Závěr ... 49

V Seznam použité literatury ... 50

Seznam obrázků ... 53

Seznam tabulek ... 53

Seznam příloh ... 54

Seznam použitých zkratek

2D two-dimensional dvoudimenzionální

3D three-dimensional třídimenzionální

atd. a tak dále

BMP BitMaP image file formát souboru

CCD Charge-coupled device senzor („zařízení vázané nábojem“) CT Computed Tomography výpočetní tomografie

HP Horizontal pitch horizontální posuv stolu na 1 otáčku

např. například

obr. obrázek

STL STereoLithography file format formát souboru

tab. tabulka

TIFF Tagged Image File Format formát souboru

tzn. to znamená

tzv. takzvaný

Seznam fyzikálních jednotek

A ampér

°C Celsiův stupeň

HU Hounsfieldovy jednotky (Hounsfield Unit)

Hz Hertz

lp/mm rozlišení kontrastu

m metr

px pixel

s sekunda

V volt

I Úvod

Výpočetní tomografie je považována za jeden z nejvýznamnějších objevů rentgenové diagnostiky. Po zavedení v lékařství se tato zobrazovací metoda začala používat i v ostatních odvětvích, převážně v průmyslu. Tomografy využívané v tomto oboru mohou pracovat s daleko vyššími intenzitami rentgenového záření, protože není snímán živý objekt.

V teoretické části je obecně popsán princip vzniku rentgenového záření a jeho interakce a zobrazovací systémy včetně možností snímání a zpracování vzniklého elektrického signálu v počítači. Je nastíněn rozdíl mezi průmyslovou a lékařskou výpočetní tomografií z hlediska jejich rozdílného způsobu snímání, intenzity záření nebo možností pohybu rentgenky.

Lékařský zobrazovací systém je limitován v dávkách nebezpečného ionizujícího záření, daných vyhláškou Státního úřadu pro jadernou bezpečnost kvůli ochraně pacienta.

V případě snímání na průmyslové výpočetní tomografii ale není vyšetřován živý pacient, nýbrž pouze biologická část, a proto se může použít vyšší intenzita rentgenového záření.

S vyšší intenzitou a možností úpravy nasnímaného obrazu v počítači je možné s daleko vyšší kvalitou zobrazit a detekovat v biologickém materiálu vnitřní strukturu, což je ověřováno v praktické části.

Výstup této práce zahrnuje výčet zjištěných možností snímání biologických materiálů na průmyslové výpočetní tomografii a jejich praktické využití.

Testovány jsou různé biologické vzorky pomocí stolního mikrotomografu SkyScan 1272 na Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci.

II Teoretická část

1. Rentgen

Rentgenové záření je záření s vlnovými délkami 10 nm až 50 pm a frekvencí 3.10¹⁶-3.10²⁰ Hz. Šíří se od zdroje do prostoru na všechny strany a jeho intenzita ubývá se čtvercem vzdálenosti. Záření proniká kteroukoli hmotou a se zkracováním vlnové délky se zvyšuje jeho energie, a záření tak proniká hlouběji do těla pacienta. Tkáně lidského těla pohlcují záření různě. Absorpce závisí na tloušťce vrstvy, velikosti protonového čísla prvků prozařované látky a měrné hmotnosti. Prvky s vyšším protonovým číslem jsou obsaženy v lidském těle převážně v kostech, kde se vyskytuje hlavně vápník a fosfor. [13, 18]

1.1 Historie

Když roku 1895 Wilhelm Conrad Röntgen prováděl pokusy s katodovým zářením ve skleněné trubici, zpozoroval, že kus papíru pokrytý fluorescenční látkou ležící opodál světélkuje pokaždé, když v trubici nastane výboj. Při dalších experimentech prokázal, že neznámé paprsky vznikají, když proud elektronů z katody zasáhne kovový terč, a že předměty o různé tloušťce propouštějí paprsky různě. Definoval nejdůležitější fyzikální vlastnosti tohoto záření a upozornil na možnost jeho využití v lékařství. Neznámé záření nazval „paprsky X“ a za tento objev získal v roce 1901 jako první Nobelovu cenu za fyziku. Na jeho počest bylo záření později pojmenováno jako Röntgenovo. [20, 21]

1.2 Vznik rentgenového záření

Zdrojem X-záření je vakuová elektronka tzv. rentgenka společně s anodovým a žhavícím katodovým napájením.

1.2.1 Rentgenka

Skleněná rentgenka (viz Obr. 1) je vysoce evakuovaná trubice skládající se z anody a žhavené katody. Katoda tvoří spirálu, která je ohraničena záporně nabitou molybdenovou miskou a žhavena samostatným elektrickým obvodem ze „žhavícího

transformátoru“. Anoda má tvar terčíku (pevná anoda) nebo talíře (rotační anoda). Katoda i anoda jsou vyrobeny z wolframu, prvku s vysokým protonovým číslem a vysokým bodem tání, který umožňuje snášet teploty až do 3000 °C. Vysoce výkonné rentgenky obsahují kromě wolframu i rhenium. V mamografických RTG přístrojích se používají anody z molybdenu.

Obr. 1 Konstrukce rentgenky s rotační anodou [16]

Při žhavení katody se z ní uvolňuje hustý mrak elektronů, který je omezován molybdenovou miskou a nedosahuje tak větší šířky, než je katodová spirála. Hustota mraku elektronů je závislá na žhavícím proudu katody tak, že při větším žhavícím proudu je větší i intenzita X-záření. Rychlost elektronů, které se pohybují v řádech desítek až stovek kV, je závislá na napětí mezi katodou a anodou. Letící elektrony prudce dopadnou na dopadové ohnisko anody, skloněné o 10° až 19°, a 99 % jejich kinetické energie se přemění na teplo. Zbylé 1 % se přemění na záření brzdné a charakteristické.

Zvyšováním a snižováním napětí mezi katodou a anodou řídíme vlnovou délku záření. Se zvýšením napětí se zvyšuje i penetrační schopnost a zkracuje se vlnová délka.

Záření s větší penetrační schopností nazýváme tvrdé. Záření s menší penetrační schopností a vyšší vlnovou délkou je označováno jako měkké. K napájení rentgenky se používá usměrněné napětí, aby nedocházelo ke zpětné emisi elektronů z anody na katodu, a tím k přepálení katody.

Při dopadu elektronů na povrch anody se zvyšuje její teplota a je potřeba anodu chladit. U rentgenek s nízkým výkonem stačí anodu chladit vzduchem. Výkonné

rentgenky mají uvnitř dutinku s chladicí kapalinou, nejčastěji olejem. Kvůli zvýšení tepelné zatížitelnosti jsou vhodnější anody rotační, kdy anoda rotuje během expozice, a tak elektrony na ni dopadající nenarážejí stále do stejného místa a zahřívají stejnoměrně celou anodu. Rentgenka je před mechanickým poškozením chráněna krytem, který slouží i k připojení na vysoké napětí a upevnění primární clony a filtru. Je uzemněn, a proto funguje také jako ochrana před vysokým napětím. [1, 13]

1.2.2 Charakteristické záření

Pokud má elektron, který je urychlen potenciálovým spádem mezi elektrodami, větší energii než elektrony ve vnitřních sférách anody, odevzdá svou kinetickou energii jednomu z těchto elektronů. To vede k jeho přemístění do vyšší energetické hladiny (excitace), nebo k úplnému vyražení z atomu (ionizace). Atom se stává nestabilní. Na uvolněné místo v obalu atomu přechází elektron z vyšší energetické hladiny a jeho přebytečná energie se vyzáří ve formě fotonu elektromagnetického záření. Toto záření se nazývá charakteristické a jeho energie je závislá na materiálu anody. Kov s vyšším protonovým číslem bude vytvářet vyšší energii než kov s nižším protonovým číslem (např. vanad, měď,…). Každý prvek má své charakteristické čárové spektrum záření, které ale v diagnostice a terapii nemá velký význam. Podíl charakteristického rentgenového záření na celkovém spektru rentgenových paprsků závisí na anodovém napětí. Při napětí 100 kV je to asi 30 %, při napětí 200 kV 3 %. [1, 9]

1.2.3 Brzdné záření

Dráha elektronu letícího v elektrostatickém poli jádra atomu se postupným třením a nárazy na atomové dráhy zakřivuje a elektron mění svůj směr. Prudce se tak snižuje jeho rychlost a převážná část energie, kterou elektron při zpomalení ztratil, se přeměňuje na foton o příslušné energii a vlnové délce. Podle tohoto principu je záření pojmenováno brzdné. Jelikož elektrony dopadající na anodu interagují i s elektrony obalu a ztrácejí tím svou energii, dostávají se k jádru elektrony různých energií. Vzniklá kvanta záření mají proto odlišnou energii a spektrum záření je spojité. V případě, kdy se celá kinetická energie přemění na rentgenové záření, platí rovnost:

𝑒𝑈 = ℎ𝑓_𝑚𝑎𝑥 (1),

kde e je náboj elektronu v coulombech, U je napětí rentgenky ve voltech, h je Planckova konstanta a fmax je frekvence záření s největší možnou energií. Frekvenci fmax

odpovídá nejkratší vlnová délka. Po dosazení za fmax je získán Daune-Hunteův vztah:

𝜆_𝑚𝑖𝑛 =_eU^hc (2),

ze kterého vyplývá, že vlnová délka paprsků 𝜆_𝑚𝑖𝑛 je nepřímo úměrná napětí rentgenky. Po dosazení známých konstant a úpravě dostaneme vztah:

𝜆_𝑚𝑖𝑛 =^1,24_U (3).

To znamená, že při napětí 12,4 kV bude nejkratší vlnová délka rovna 0,1 nm. [9, 12]

1.3 Filtry a clony

Primární svazek rentgenového záření se upravuje nejdříve filtrem, který pohlcuje záření o dlouhých vlnových délkách. To z toho důvodu, že dlouhovlnná část spektra by byla pohlcena již v kůži pacienta a zbytečně by ho zatížila větším množstvím ionizujícího záření, které se na tvorbě obrazu stejně nepodílí. Filtr je deska nejčastěji z hliníku o tloušťce 1-4 mm a patří k výstupnímu okénku rentgenky. Funkcí primární clony, která je také zabudována do výstupního okénka rentgenky, je zúžení svazku rentgenového záření podle potřeby vyšetřovaného pole. Snižuje množství procházejícího ionizujícího záření před dopadem na pacienta. Primární clony se skládají z olověných lamel pohybujících se ve dvou na sebe kolmých rovinách, a určují tak přesně vymezené pole podle formátu filmu. Sekundární (Buckyho-Potterova) clona se používá k zachycení sekundárního záření, které vzniká po interakci rentgenového záření s tkáněmi pacienta (převážně na principu Comptonova rozptylu). Clona je umístěna mezi pacientem a filmem. [1]

1.4 Interakce X-záření

Fotony rentgenového záření mají schopnost pronikat všemi látkami, ve kterých jsou různě pohlcovány. Klesající intenzita procházejícího záření je důsledkem fotoefektu a Comptonova rozptylu. Zeslabení intenzity je definováno vztahem:

I = I₀𝑒^−𝜇𝑑 (4),

kde I je intenzita prošlého elektromagnetického záření, I je intenzita dopadajícího elektromagnetického záření, e je základ přirozených logaritmů, d je tloušťka

absorbujícího prostředí a 𝜇 je celkový lineární absorpční koeficient. Ten je dán součtem lineárních absorpčních koeficientů pro fotoefekt a Comptonův rozptyl: 𝜇 = 𝜏 + 𝜎. [1]

1.4.1 Fotoelektrický jev

Při fotoefektu předá foton primárního záření veškerou svou energii elektronu z obalu atomu. Primární foton zanikne a jeho energie je využita na výstupní práci a kinetickou energii uvolněného elektronu. Fotoelektron pak přichází o svou energii na relativně krátké dráze v absorbátoru prostřednictvím ionizace a excitace okolních atomů.

Možnost absorpce fotoefektem se zvyšuje s atomovým číslem absorbátoru. Proto například kost s velkým množstvím atomů vápníku a fosforu absorbuje více než sval, sestávající se převážně z atomů uhlíku a vodíku. Absorpční koeficient pro fotoefekt lze vyjádřit vztahem:

𝜏 = 𝑘𝜌𝜆³𝑍⁴ (5),

kde k je konstanta, 𝜌 je hustota absorbátoru, 𝜆 vlnová délka a Z atomové číslo absorbátoru. [1, 12]

1.4.2 Comptonův rozptyl

Primární foton o vysoké energii odevzdává při kvantovém rozptylu pouze část své energie elektronu absorbátoru, který získá svou kinetickou energii a začne se pohybovat v odchýleném směru. Sekundární foton má nižší energii a je také odchýlen od své původní dráhy. Rozptyl sekundárních fotonů se pohybuje v rozmezí 0° – 180° s tím, že pro úhel 180° klesá energie primárního fotonu nejvíce. [1, 12]

1.5 Kontrastní látky

Při diagnostice jednotlivých tkání se někdy využívají tzv. kontrastní látky, které mění absorpci a umožňují lepší rozlišování tkání. Rozeznáváme kontrastní látky pozitivní a negativní. Mezi pozitivní kontrastní látky patří baryum a jod, které mají vysokou absorpční schopnost. Látky se síranem barnatým se používají k vyšetření trávicího traktu a později jsou z těla vyloučeny ledvinami. Jako negativní kontrastní látky se využívají různé plyny. Nejčastěji je používán vzduch, kterým jsou plněny např. mozkové komory.

V některých případech se upřednostňuje metoda dvojího kontrastu, kdy se využívají

kontrastní látky pozitivní i negativní současně. Před každou aplikací je ale třeba zvážit její možné nežádoucí účinky. [9]

2. Zobrazovací RTG systémy

Zobrazovací systémy jsou nedílnou součástí lékařské diagnostiky, která se neustále rozvíjí, a to převážně z důvodu snižování dávek nebezpečného ionizujícího záření.

2.1 Výpočetní tomografie

Ve 20. století došlo k velkému rozvoji rentgenové diagnostiky, a tím i ke zjišťování jejích nebezpečných vedlejších účinků na lidské tkáně. Snahou tedy bylo omezit množství rentgenového záření během vyšetření. Při diagnostice nastal také problém s překrýváním obrazu na RTG snímku, protože orgány byly zobrazeny sumárně.

Propojením počítače s rentgenem tak vznikla výpočetní tomografie, která svým snímáním řezů a jejich rekonstrukcí v počítači dokázala vytvořit 3D modely částí lidského těla. [19]

2.1.1 Historie a vývoj

V roce 1963 Allan M. Cormack popsal metodu výpočtů obrazů v inverzní Radonově transformaci. Ve své práci vznesl myšlenku, že by se rentgenové záření mohlo využít pro získávání dat. Godfrey Newbold Hounsfield sestrojil roku 1971 první prototyp výpočetního tomografu, pomocí něhož měření dat trvalo kolem 4,5 minuty a rekonstrukce obrazu 2,5 hodiny. V roce 1979 Hounsfield a Cormack získali Nobelovu cenu za medicínu. V důsledku zlepšování kvality zobrazení, rychlosti sběru a zpracovávání dat a se zvyšováním bezpečnosti vzhledem k pacientovi vzniklo za posledních 30 let hned několik generací CT systémů lišících se konstrukcí a způsobem snímání. [21]

2.1.2 Fyzikální princip

Na rozdíl od konvenčních rentgenografů není obraz na fotografickém papíru, ale jednotlivé projekce jsou zaznamenávány z různých úhlů přes detektory a pak jako

elektrický signál vedeny do počítače. V počítači jsou data zpracována a zrekonstruována pomocí tzv. metody zpětné projekce. Rentgenka, která je součástí výpočetní tomografie, pracuje s pulzy rentgenového záření trvajícími přibližně 1 až 4 ms. Toto záření projde tkáněmi pacienta, kde se absorbuje, a detektory umístěné na opačné straně zachytí míru zeslabení rentgenových paprsků. Potom se celý systém otočí o určitý úhel a celý děj je opakován. Mechanismus snímání se liší podle počtu a umístění zdrojů a detektorů.

Vznik denzitního obrazu

Každá tkáň má díky svému chemickému složení různou propustnost rentgenového záření. Nejvíce je záření tlumeno v kostech nejméně např. v tucích. Proto byla zavedena nová normovaná denzitní stupnice s CT čísly, která udává hodnoty koeficientů tlumení pro všechny tkáně a orgány. CT čísla jsou udávána v bezrozměrných tzv.

Hounsfieldových jednotkách HU (Hounsfield Unit) vztahem:

𝐶𝑇_{čí𝑠𝑙𝑜} = 𝐾^{(𝜇𝑡𝑘á𝑛ě}_𝜇^{− 𝜇𝑣𝑜𝑑𝑦)}

𝑣𝑜𝑑𝑦 (7),

kde K je konstanta, tzv. měřítkový faktor závislý na dosažené přesnosti měření při sběru dat, a 𝜇_{𝑣𝑜𝑑𝑦}= 0,19 cm^-1 je vztažná hodnota pro monoenergetické záření energie 73 keV. Současné CT systémy využívají hodnoty faktoru K = 1000, což udává přesnost měření 0,1 % na CT číslo.

Hodnoty koeficientů tlumení jsou vztaženy ke koeficientu tlumení vody, který se rovná 0 HU, a lze je vypočítat pomocí vztahu:

𝜇 =_𝑑¹ 𝑙𝑛^𝐼_𝐼⁰ (8)

Z Obr. 2 vyplývá, že hodnota intenzity tlumení např. pro vzduch je rovna -1000 HU a pro kosti 1000 HU.

Obr. 2 Intenzity tlumení v Hounsfieldových jednotkách [14]

Rekonstrukce obrazu

Transverzální CT řezy jsou tvořeny objemovými elementy tzv. voxely, kterých je v jednom řezu více než 250 000.Voxel má čtvercovou základnu a konstantní hodnotu útlumu. CT číslem je vlastně vyjadřován lineární součinitel zeslabení tkáně v každém voxelu a jeho hodnota představuje zprůměrovaný příspěvek materiálů a chemických prvků v objemu voxelu. Každý voxel je prozařován mnoha paprsky současně a napomáhá svým tlumícím účinkem k velkému množství profilů zeslabení najednou. Profil zeslabení je v praxi hojně využíván a získáme ho odečtením profilu intenzity, což je hodnota intenzity záření za prozářeným objektem, od vstupní intenzity.

Při rekonstrukci se každému voxelu přiřazuje pomocí profilů zeslabení jeho reálná hodnota koeficientu tlumení. Realizace rekonstrukce obrazu je znázorněna na Obr. 3. Z důvodu částečného překrývání jednotlivých projekcí dochází k výskytu hvězdicového artefaktu při přímé zpětné projekci. Proto se do realizace doplňuje konvoluce. [2, 14]

Obr. 3 Zpětná rekonstrukce obrazu [14]

2.1.3 Konstrukce

Podle konstrukčního řešení výpočetních tomografů, které se jevily jako praktické a přijatelné pro uplatnění v praxi, se přístroje řadí do několika generací. V současnosti asi nejvíce používané spirální tomografy jsou předchůdci konvenčních tomografů třetí generace. Tato generace již obsahuje stovky až tisíce detektorů, které rotují. Do konstrukce gangry byla zavedena technologie „slip-ring“, která umožňuje rotaci rentgenky bez omezení maximálního rotačního úhlu. S rotací rentgenky se současně

pohybuje i pacientský stůl, a proto je dráha rentgenky vůči pacientovi ve tvaru šroubovice.

Helikálním „pitch“ HP je definováno stoupání šroubovice vztahem:

𝐻𝑃 = ^𝑑_𝑆 (6),

kde d je dráha posunu pacientského stolu za jednu rotaci a S je tloušťka tomografické vrstvy. Faktor stoupání se běžně pohybuje v rozmezí 0,3 – 1,5. Čím je vyšší, tím je nižší nejen radiační zátěž, ale i kvalita pole dat. Tato technologie umožnila využití měřícího procesu spojeného s možností snímat více řezů najednou a konstrukčně výhodnějšího přenosu napětí zdroje. I vzhledem k cenové dostupnosti se stala v dnešní době nejpoužívanější. [2]

2.1.3 Detektory pro CT

Funkcí detektorů je zachycení fotonů záření vycházejících z vyšetřované tkáně a jejich přeměna na elektrický signál. Nejčastěji se používají detektory scintilační a méně ionizační komory plněné stlačeným plynným xenonem. V praxi se také ojediněle využívají germaniové a křemíkové polovodičové detektory, které přemění kvanta rentgenového záření přímo na elektrický proud. V případě germaniových indikátorů se ovšem musí pracovat za velmi nízkých teplot, aby bylo dosaženo potřebných výsledků, a křemíkové detektory musí mít velmi tlustou křemíkovou vrstvu, což je konstrukčně složité.

Scintilační detektory

Nejpoužívanější detektory obsahují scintilační krystaly, které mají schopnost reagovat světelnými záblesky na procházející kvanta rentgenového záření.

Vysokoenergetické kvantum je pohlceno krystalem, který uvolní větší množství nízkoenergetických světelných kvant. Ta jsou pak zaznamenána prostřednictvím fotonásobičů nebo fototranzistorů. Scintilační detektory mají vysokou citlivost blížící se k 100 % a doba detekce je velmi krátká.

Ionizační komory

Detekce pomocí xenonové komory je realizována dvěma elektrodami, umístěnými uvnitř komory. Na katodu a anodu je přiváděno vysoké napětí a rentgenové záření procházející komorou se srazí s atomy xenonu. Elektron z atomu xenonu je vyražen a xenon se stává pozitivním. Vyražený elektron a kladně nabitý iont jsou

pohlceny opačně nabitými elektrodami a dojde k toku elektrického proudu, jehož intenzita je přímo úměrná intenzitě rentgenového záření. [2, 14]

2.2 Intraorální rentgenový přístroj Planmeca Intra

Ve výzkumné části této práce jsou využity snímky ze zubního rentgenu Planmeca Intra od finské firmy Planmeca. Jde o moderní rentgenový přístroj, který umožňuje při vyšetření navolit tři parametry snímání. Je to expoziční čas od 0,01 s do 3,2 s, napětí od 50 kV do 70 kV a proud od 2 mA do 8 mA. Součástí přístroje je vysokofrekvenční generátor, který poskytuje konstantní potenciál, a snižuje tak čas expozice a radiační zátěž pacienta. Zlepšena je tím i kvalita zobrazení a kontrast, který je nepřímo úměrný napětí na rentgence. Tubus o dvou volitelných velikostech je spojen s ovládacím panelem ramenem, které může dosahovat až 198 cm, ve zvláštních případech až 230 cm. Před snímáním je možné pro zobrazení libovolných zubů horní nebo dolní čelisti volit z 66 na ovládacím panelu přednastavených programů. [26]

Tab. 1 Parametry zubního rentgenu Planmeca Intra [26]

2.2.1 Digitální zobrazovací systém

K vyšetření je používán digitální zobrazovací systém Planmeca Dixi 3 umožňující volit mezi dvěma velikostmi senzorů. Velikost B1 se využívá nejvíce pro zobrazování kompletní struktury zubu a jeho uložení v čelisti. Aktivní plocha tohoto senzoru činí 20 x 35 mm. Velikost B2 poskytuje lepší diagnostiku mezizubních kazů, protože na snímku se zuby nepřekrývají. Její aktivní plocha je 26 x 37 mm. Ke zpracování obrazových dat je využíván software Dimaxis, který umožňuje úpravu těchto dat pomocí různých filtrů. [26, 27]

Tab. 2 Parametry zobrazovacího systému Planmeca Dixi 3 [27]

2.2.2 Princip snímkování

Pokud je centrální paprsek vycházející ze středu ohniska svazku rentgenového záření nastaven tak, aby bylo docíleno zobrazení korunek a okrajů zubních lůžek, jedná se o limbální zastavení. Nasměrování paprsku tak, aby vzniklo zobrazení apikální části kořenů zubů a okolního zubního lůžka, se nazývá apikální zastavení. Cieszynského pravidlo říká, že pokud dopadá centrální paprsek kolmo na rovinu půlící úhel mezi rovinou senzoru a podélnou osou zubů, dojde na snímku k minimálnímu možnému zkreslení snímaných struktur. Takový snímek se nazývá izometrický. Jestliže je centrální paprsek nastaven rovnoběžně s mezizubními přepážkami vznikne ortoradiální snímek.

Nasměrováním centrálního paprsku pod určitým úhlem s mezizubními přepážkami je získán excentrický snímek.

Paralelní snímkovací technika

Interproximální projekce je metoda snímání za pomocí nákusného držáčku, který pacient během vyšetření drží mezi zuby. Před vyšetřením je držáček, na kterém je nasazen senzor, vsunut do úst pacienta. Držáček v ústech má pohyblivý kroužek, který musí být soustředný s koncem tubusu. Tubus musí být zase rovnoběžný s úsekem držáčku vyčnívajícím pacientovi z úst. Díky této technice dojde k detailnímu zobrazení korunek obou čelistí a mezizubních prostor. Nejvíce se využívá k diagnostice kazů na bočních plochách stoliček a třenových zubů.

Technika půleného úhlu

Pro tuto techniku se využívá krátký tubus. Rovina půlící úhel mezi senzorem a podélnou osou zobrazeného zubu je kolmo ke svazku rentgenového záření. Při snímání se kvůli nezpevněné poloze senzoru vůči tubusu může stát, že snímky budou oříznuté tubusem. Výsledný snímek zubu je pak zkreslený, protože kořeny se zobrazí zvětšené.

Pravoúhlá snímkovací technika

Na rozdíl od techniky půleného úhlu se používá ke snímkování velký tubus, který je pevně spojen s polohou senzoru. Z toho důvodu je výsledkem reálné zobrazení bez jakýchkoli zvětšení s kvalitními detaily a lepší obrazovou ostrostí. Centrální paprsek je směřován kolmo na senzor a celý zdroj má od snímaných zubů dvakrát větší vzdálenost než při klasickém snímání. [7]

2.3 Požadavky pro provoz rentgenového pracoviště

Lékařské přístroje využívající rentgenové záření se mohou vyskytovat v zařízeních, která mají povolení od Státního úřadu pro jadernou bezpečnost a splňují tak podmínky Atomového zákona. Na pracovišti musí být zajištěna dostatečná radiační ochrana. Na pracovních místech je třeba změřit hodnoty rozptýleného záření a podle toho obstarat zdravotnickým pracovníkům potřebné ochranné vybavení. Je také nutné pravidelně kontrolovat kvalitu zobrazení zkouškami provozní stálosti. Tyto zkoušky jsou zahrnuty v tzv. Programu zabezpečení jakosti na pracovištích využívajících ionizující záření. K ověřování šumu, homogenity a jiných důležitých veličin podle konkrétního druhu přístroje se využívají fantomy. Pro uvedení přístroje do provozu je nutno splnit podmínky přejímací zkoušky, jako je testování kvality systémů zařízení a jejich parametrů. Zkoušky dlouhodobé stability se vykonávají po opravě, po zkoušce provozní stálosti, nebo pokud je podezření na nesprávnou funkci přístroje. [22]

3. Rentgenová zařízení v průmyslu

Díky tomu, že pomocí rentgenového záření lze zkoumat vnitřní strukturu, aniž by se objekty musely jakkoliv poškozovat, se začalo využívat tohoto fyzikálního jevu i v nezdravotnických oborech.

Rentgenová defektoskopie je dnes nedílnou součástí přezkoumávání technologických postupů v průmyslu, kde detekuje možné praskliny v odlitcích, neporušenost potrubí nebo správné spájení elektronických součástek. Rentgenového záření je využíváno i na letištích ke kontrole zavazadel a k možnému odhalování nežádoucích kovových předmětů jako např. zbraní.

Prostřednictvím výpočetní tomografie se v současnosti dají zobrazovat díly pro automobilový průmysl, netkané textilie, pleteniny, kompozity, materiály z oblasti geologie a elektroniky, biologický materiál a v neposlední řadě také umělecké a archeologické předměty. Rentgenové záření společně s počítačovým softwarem, který převede 2D řezy na 3D objekty, umožňuje detekovat vady v materiálu, vnější rozměry jednotlivých nepřístupných částí nebo provádět kontroly kvality velmi zatěžovaných součástek a zařízení. [15]

3.1 Rozdíly lékařské a průmyslové výpočetní tomografie

Zásadní rozdíl mezi lékařskou a průmyslovou tomografií je v tom, že rentgenka s detektory se nepohybuje kolem vyšetřovaného objektu, ale setrvává na místě a vyšetřovaný vzorek rotuje o 360° pomocí otočného stolku, na kterém je připevněn.

Výrazná diference je také v použití intenzit rentgenového záření, protože nejsme u neživého vzorku limitováni maximálními povolenými hodnotami ozáření jako u živých pacientů. Některé průmyslové tomografy dokážou snímat předmět při tlakovém namáhání nebo při jeho chlazení a zahřívání. Moderní tomografy disponují vysokým rozlišením a přesností zobrazení vzorků. K porovnání s průmyslovým mikroCT byla vybrána multidetektorová výpočetní tomografie Somatom Definition Flash od firmy Siemens, která je součástí vybavení krajské nemocnice v Liberci. [24]

Tab. 3 Komparace metod [24, 25]

3.2 SkyScan 1272

Praktická část této práce je realizována na stolním mikrotomografu SkyScan 1272 (viz Obr. 4). Rentgenka používaná v přístroji s napětím 20-100 kV a proudem 0 - 250 μA je chlazena vzduchem. Detekce rentgenového záření probíhá pomocí 16Mpx CCD kamery. Rozlišení přístroje pro kameru 16 Mpx je 0,35 μm, u kamery 11 Mpx je to 0,45 μm. Skenovací prostor pro materiál umožňuje analyzovat vzorek s maximální délkou 70 mm a maximálním průměrem 75 mm. Tento materiál je uchycen speciálním držákem podle své velikosti a tvaru. Software tomografu dokáže analyzovat tvar a optickou hustotu materiálu a vytvořit jeho 3D vizualizace v příslušném programu. Celý systém doplňují dva počítače s LCD monitory. [24]

Obr. 4 SkyScan 1272 [24]

4. Biologický materiál

Biologickým materiálem se rozumí materiál, který je obsažený v lidském organismu popřípadě je jím vyprodukován. Může se jednat o odebrané části tkání lidských orgánů, jako je např. žaludek, játra nebo také patologické útvary na nich vytvořené. Biologickým materiálem jsou kromě měkkých tkání i tvrdé tkáně jako zub nebo kost. Do biologického materiálu patří i tělní tekutiny a tělesné sekrety a exkrety.

Sekretem je punktát získaný punkcí nebo poševní sekret opatřený výtěrem. Mezi exkrety je řazena stolice, pot, moč, sputum a zvratky. Tělní tekutinou je krev, žaludeční a duodenální šťáva a mozkomíšní mok. [8]

4.1 Zub a jeho anatomie

Zub je tvořen třemi hlavními částmi, a to anatomickou korunkou, krčkem a kořenem. Úsek korunky vystupující z dásně se nazývá klinická korunka. Anatomická korunka je pokryta 1-3 milimetrovou vrstvou skloviny, která je složena z velké části anorganickými solemi, zbytek tvoří organické látky a voda. Sklovina zubu je nejtvrdší a nejodolnější tkání, ale při poškození má téměř nulovou regeneraci. Barva zubů se může lišit jak u jednotlivých osob, tak u zubů v rámci jednoho chrupu, a je dána průsvitností skloviny. Krček zubu je zúžený přechod mezi anatomickou korunkou a kořenem.

Největší část zubu tvoří zubovina, tzv. dentin. Ten je v místě kořenu a krčku pokryt tenkou vrstvou cementu, který napomáhá uchycení zubu v zubním lůžku. Uvnitř zubu je dřeňová dutina obsahující dřeň, do které vedou drobné cévy a nervy. [10]

4.2 Kost

Kost je pojivová tkáň obsahující buňky a intercelulární matrix. Její velkou část tvoří anorganické soli kalcia a fosforu - převážně fosforečnan vápenatý, zbytek představuje anorganická složka ve formě kolagenu. Cévní kanálky uvnitř kostí vyživují osteocyty a pomáhají osteoblastům a osteoklastům v jejich činnosti. Kosti se podle uspořádání intercelulární matrix dělí na kosti primární (vláknité) a sekundární (lamelární). Kosti vláknité jsou zpravidla součástí fetálního skeletu a později jsou postupně nahrazovány lamelárními. Ty existují ve dvou různých formách. Plášť kosti pokrývá kost hutná, kompakta, a uvnitř na ni navazuje tkáň houbovitá, spongióza. Kromě kloubních konců je po celém povrchu kosti okostice, periost, obsahující kolagenní vlákna a fibroblasty napomáhající kosti růst do šířky. Kost je vyplněna kostní dření, v níž vznikají všechny krevní elementy. [10]

III Výzkumná část

V praktické části je objasněn postup snímání biologických vzorků pomocí průmyslového stolního mikrotomografu SkyScan 1272 a jejich obrazová úprava v programech.

1. Metodika pořizování CT snímků a jejich zpracování

Díky průmyslové výpočetní tomografii je dosaženo daleko většího rozlišení zkoumaného vzorku, a tudíž i lepší analýzy jeho struktury a materiálu. Předmět určený k prozkoumání se umístí do skenovací komory rentgenového zařízení a pomocí počítače se přístroj uvede do chodu. Nasnímaný vzorek je pak upravován prostřednictvím programů patřících k danému typu skeneru.

1.1 Skenování

Součástí skenovacího zařízení jsou různé nástavce, na které se předmět umísťuje, popřípadě nějak upevňuje. Pomocí speciální nádoby je možné i ohřívání či chlazení vzorku na určenou teplotu a sledování změn materiálu v závislosti na teplotě. Nejvíce je ale používán klasický mosazný úchyt, který je vyráběn ve dvou rozdílných velikostech.

Vzorek se připevňuje na nástavec uvnitř zařízení tak, aby nedošlo během skenování k jeho přemístění nebo dokonce vypadnutí z úchytu do dolní části skenovací komory.

V takovém případě by mohlo dojít k poškození některých komponent zařízení. Po umístění vzorku se dvířka uzavřou a dále se pracuje pouze s počítačovým softwarem.

Počítačové rozhraní skeneru je velmi intuitivní a lze jej měnit podle individuálních potřeb uživatele. Součástí je nástrojová lišta, která obsahuje nejvíce používané funkce. Je jimi umožněn pohyb vzorku doprava nebo doleva v uzavřené skenovací komoře, eventuálně posun ve vertikálním směru tak, aby se objekt nacházel v centrální části obrazu.

Na rozdíl od jiných mikrotomografů využívá SkyScan 1272 automaticky proměnnou geometrii skenování. Zdroj rentgenového záření používá velký úhel, pod kterým dopadají rentgenové paprsky na detektor o vysokém formátu. V průběhu změn skenovací geometrie se maximální vzdálenost mezi zdrojem a detektorem snižuje při zvyšování intenzity rentgenového záření. Přístroj si tak sám nastavuje potřebné zvětšení.

U prostředního zvětšení je posunut předmět i detektor blíže ke zdroji tak, aby nedošlo k nadbytečnému toku fotonů záření ve velké vzdálenosti od předmětu. Tento mechanismus adaptivní skenovací geometrie (viz Obr. 5) přispívá ke zdokonalení kvality a zkrácení času skenování a je součástí softwaru, který ho sám nastavuje bez zásahu uživatele.

Obr. 5 Automatické nastavení zvětšení [18]

Před spuštěním skenování se vybírá druh filtru z šesti možných variant podle křivky značící procentuální množství vzorkem prošlé energie, kdy nejvhodnější hodnoty ke snímání se pohybují kolem 30 %. U každého jednotlivého vzorku si může uživatel spolu s volbou filtru vybrat, jak bude vypadat křivka energie (viz Obr. 6), a tím i jak bude probíhat absorpce ve zkoumaném vzorku.

Obr. 6 Průběh energie při daném filtru [18]

Po nastavení filtru lze vybrat ještě obrazový formát pro kameru a ve skenovacím módu se k těmto parametrům podle speciální tabulky přiřazují ostatní doporučené hodnoty (viz Obr. 7). Pro konkrétní vzorky existuje možnost automatického výběru optimálního filtru a napětí zdroje, s čímž se automaticky mění výkon celého zařízení.

Obr. 7 Skenovací mód [Zdroj: autor]

Nastavení skenovacího protokolu je možné třemi způsoby. Uživatel si může všechny parametry skenování navolit manuálně sám, nebo využít automatické nastavení, popřípadě použít parametry z předchozího skenovaného vzorku. V případě automatického nastavení si řídící software nastaví obraz na nejnižší zvětšení a začne měřit objekt z různých stran. Poté vybere takové zvětšení, aby vzorek určený ke snímání byl zcela v zorném poli, a zvolí k němu optimální filtr a napětí na rentgence.

1.2 Zpracování řezů

Po naskenování stovek řezů vznikne sada snímků formátu TIFF, která se v programu NRecon zrekonstruuje do jiných formátů pro další 2D a 3D zpracování ve vybraných programech. Kromě programů DataViewer a CTvox, pro které se snímky převádějí do formátu BMP, lze upravit řezy do formátu STL a využít v programu CTvol.

Ten je k dispozici pro zpracování 3D objektu snímaného vzorku, který se může vytisknout na 3D tiskárně.

1.3 DataViewer

Rotující předmět se může zastavit a převést v jakémkoli jeho místě do tří ortogonálních rovin, a to do transaxiální (X-Y), koronární (X-Z) a sagitální (Z-Y) roviny.

Zobrazení rovin (viz Obr. 8) lze upravit do různých barevných škál. Výchozí je stupnice odstínů šedi, ale v některých případech se může z důvodu lepšího barevného odlišení jednotlivých útlumů intenzit rentgenového záření prošlých vzorkem tato stupnice změnit na jinou. Každou barevnou škálu lze ještě ručně upravit a využít inverzní funkci nebo obraz vyhladit. V hlavním nastavení může být pro lepší diagnostiku vzorku obraz převeden na Hounsfieldovy jednotky. Další funkcí programu je vytvoření histogramu na základě absorpce záření v materiálu vzorku. Jednoduchým tahem kurzoru myši je vytvořena červeně značená úsečka a okno s barevným profilem, který vyjadřuje intenzitu vzorkem prošlého rentgenového záření. Funkce je založena na výpočtu a vykreslení hodnot intenzity podél úsečky.

.

Obr. 8 Rozhraní DataViewer [Zdroj: autor]

1.4 CTvox

Stejně jako v případě programu DataViewer stačí otevřít jeden snímek ze skenování, načte se celá sada snímků, proběhne rekonstrukce celého 3D objektu a vytvoří se histogram z naměřených hodnot. Se vzorkem se může v programu prostřednictvím kurzoru myši libovolně otáčet do všech stran . Na začátku procesu úprav obklopuje ve většině případů objekt mnoho rušivých artefaktů, které se dají odstranit pomocí nastavitelného boxu. Výchozí box, který má tvar krychle, obklopuje 3D objekt a všechny jeho strany se dají libovolně zmenšovat, a tím ořezávají kraje objektu. Odstraňují se tím zejména artefakty ve spodní části obrazu způsobené mosazným úchytem, na kterém vzorek v mikrotomografu rotoval, a kroužkové artefakty vyvolané rotačním pohybem zkoumaného materiálu ve skenovací komoře během snímání. Tento kroužkový artefakt je patrný i u zobrazení v programu DataViewer jako soustředné kružnice, jejichž středem je střed rotace vzorku.

Pro potlačení nižších intenzit, popřípadě lepší rozpoznání nižších intenzit od vyšších, se využívá přenosové funkce. Každému voxelu rastrové grafiky je přesně

přiřazena poloha, barva z barevného modelu RGB a míra neprůhlednosti. Úpravou míry neprůhlednosti se ovládá viditelnost určitých voxelů a jejich schopnost zakrytí vzdálenějších voxelů. V případě nastavení míry neprůhlednosti pro určitou intenzitu na hodnotu nula dojde v zásadě ke skrytí odpovídajících voxelů. Barevné složky modelu RGB se mohou sloučit za vzniku svítivosti, s níž se zobrazení bude pohybovat v šedých odstínech s možností doplnění ještě o předešlé barevné složky. Pomocí pohybu barevných křivek uvnitř histogramu lze tedy potlačovat nebo zvýrazňovat jednotlivé intenzity a barevně je od sebe odlišovat. Horizontální osa histogramu představuje původní skalární data zeslabení rentgenového záření a vertikální osa znázorňuje právě jednu z možných komponent přenosové funkce, jimiž jsou R (červená), G (zelená), B (modrá), L (svítivost) a Opacity (neprůhlednost). Prostřednictvím světelného efektu v hlavní nástrojové liště lze zesvětlit vnější i vnitřní struktury a s emisním a zrcadlovým efektem je zdrsnit.

Struktura upraveného 3D objektu se dále může zviditelnit pomocí ořezávacích tvarů, které buď uříznou část objektu umístěnou uvnitř, nebo část vně vybraného útvaru.

Je umožněno využití trojrozměrných těles jako koule, válec, kvádr, krychle a hranol.

Požadovanými nástroji se s nimi dá manipulovat ve všech směrech. Vyjma barevného nastavení objektu se dá změnit barva homogenního pozadí za objektem na libovolnou dle potřeby uživatele. Do předmětu je možné zobrazit měřítko pro lepší představu jeho velikosti.

2. Analýza snímků ze zobrazovacích systémů

Snímky vytvořené prostřednictvím mikrotomografu SkyScan 1272 mají daleko lepší kvalitu zobrazení jednotlivých vnějších i vnitřních struktur než ostatní rentgenové přístroje, a proto se dá lépe prozkoumat složení vybraných látek. Pomocí mikrotomografu byly nasnímány dostupné vzorky (viz Příloha č. 1-5) a dále zpracovány v programech DataViewer a CTvox.

2.1 Snímky zubů

Naskenovány byly dětská stolička s velkým viditelným kazem a skupina zubů z prasete domácího. Zároveň byly získány snímky lidských zubů z intraorálního rentgenu.

Pro snímání obou zubů bylo nastaveno napětí rentgenky 100 kV a žhavící proud 100 μA. Energie rentgenového záření byla korigována měděným filtrem a vzhledem k nepříliš rozmanitému tvaru vzorků nebyla použita rotace o 360°. Celková doba pořizování jednotlivých řezů trvala necelých 48 minut a délka jejich rekonstrukce přesně 1 minutu u zubu prasete a u dětského zubu 73 sekund. Většina skenovacích parametrů u obou vzorků je identická až na velikost pixelu obrazu, polohové vlastnosti objektů uvnitř skenovací komory a rekonstrukční časy.

Tab. 4 Parametry snímání zubů [Zdroj: autor]

2.1.1 Zuby prasete DataViewer

Obr. 9 DataViewer – prasečí zuby [Zdroj: autor]

Prasečí zuby zobracené v programu (viz Obr. 9) jsou převedeny do barevné škály, kde dojde k lepšímu odlišení jednotlivých částí zubu než u stupnice odstínů šedi.

V transverzálním řezu (vpravo dole) je vytvořena červená čára určující barevný profil podél této čáry a šířku části vybraného zubu, která činí 7,3441 mm. Z barevného profilu je patrný ostrý přechod mezi měkkými a tvrdými tkáněmi zubu. To značí, že uprostřed zubu je dřeňová dutina. Po stranách zubu a nejvíce na kousacích ploškách je dobře viditelná sklovina chránící zub, která obsahuje mnoho nerovností a kazů. Vrstva skloviny je na každém zubu jinak silná. Křivka barevného profilu je snížená v místech zobrazení tkáně a zvyšuje se v oblastech skloviny a dentinu. Současně je vidět, že křivka je nepatrně vyšší v místech s dentinem než v místech skloviny. To je očividně částečně způsobeno i tím, že sklovina je v určitých úsecích porušena. Část dásně je nejkvalitněji zobrazena na koronárním pohledu (vlevo dole). Zřetelný je povrch skloviny porušený četnými kazy na

některých místech až k dentinu. Řez podél čelisti představuje sagitální rovinu (vlevo nahoře) snímaných zubů. Kořeny zubů chrání tenká vrstva cementu, který je nedílnou součástí zubní struktury.

Zbarvení jednotlivých tkání je způsobeno jejich rozdílným složením. Zatímco měkká tkáň je vidět nejméně a celá její část je monochromatická, struktury tvrdých tkání jsou díky rozdílnému obsahu minerálních látek v každé z nich různobarevné. Sklovina obsahuje z 98 % anorganické soli, dentin, tvořící převážnou část zubu, jich obsahuje o něco méně. Proto je na snímcích tak zjevný přechod mezi těmito strukturami.

CTvox

Obr. 10 CTvox – prasečí zuby [Zdroj: autor]

Zrekonstruovaný 3D objekt (viz Obr. 10 a Příloha č. 6) představuje reálnou verzi skutečného zubu snímaného na stolním mikrotomografu. Objekt je ze stran ořezán pomocí stěn boxu, ve kterém je umístěn, a jedna ze stran je ořezána více, aby byla zdůrazněna struktura uvnitř zubu. V obraze je vyznačeno měřítko 1 mm napomáhající k lepší představě velikosti objektu. Po načtení vzorku v programu byl obraz zkreslen vlivem mnohých artefaktů a rozmanité struktury, a proto bylo do velké míry využito ladění opacity z přenosové funkce. Na histogramu vzniklém načtením objektu do programu byla upravena i svítivost, aby struktury zubu nebyly tak tmavé. Celý vzorek je tedy znázorněn pouze v odstínech šedé. Na zobrazeném vzorku jsou znatelné zubní kazy po stranách i na kousací ploše. Cement na kořenech zubu ani měkká tkáň nejsou viditelné,

a to z důvodu nutného ořezu přebytečného zobrazení povrchu úchytu vzorku při skenování. Na více oříznuté straně je patrná tenká čára dělící zubní sklovinu od dentinu.

Tyto struktury zubu se ale od sebe nijak razantně neliší. Na zubu jsou nepatrně vidět soustředné kruhy mající původ ve způsobu snímání, tedy v rotačním pohybu vzorku ve skenovací komoře. Tento artefakt nelze nijak výrazně potlačit.

2.1.2 Dětský zub DataViewer

Obr. 11 DataViewer – dětský zub [Zdroj: autor]

Dětský zub (viz Obr. 11) je převeden do jiné barevné stupnice, která nejlépe zobrazí každou jeho složku. Měřící červená čára určuje na transaxiálním řezu (vlevo nahoře) šířku zubu, která dosahuje 7,4721 mm. Barevný profil je odlišný od křivky zubu prasete a ukazuje snížení linie v místech průchodu měřící čáry dentinem a zvýšení

v částech skloviny. Na začátku křivky je ostrý pokles mezi zubní sklovinou a dentinem z důvodu ztráty tkáně a vytvoření malé dutiny uvnitř zubu. Na snímku je zřetelně vidět velký zubní kaz, který zničil sklovinu na celé jedné straně zubu společně s částí zuboviny.

Barevný profil by měl jistě v těchto místech podobný průběh jako v případě malé dutiny.

Sagitální snímek (vlevo dole) zobrazuje úsek kazu z jiného pohledu a hlavně prasklinu vedoucí od tohoto kazu, která je lépe viditelná na koronárním řezu (vpravo dole) v celé výšce dentinu. Sklovina na tomto snímku v jedné části zcela chybí. Pokud by k takovému jevu došlo v případě, kdy by byl zub součástí dospělého chrupu, muselo by dojít k vyplnění prostoru korunkou, protože odhalená zubovina způsobuje člověku velké obtíže vztahující se k citlivosti zubů.

CTvox

Obr. 12 CTvox – dětský zub [Zdroj: autor]

Dětský zub (viz Obr. 12 a Příloha č. 7) je oříznut jen nezbytně po stranách.

K upravení kontrastu objektu je mírně využita opacita pro nezbytné šumy v obraze a znatelně více svítivost. Tyto složky vytvořily obraz složený z odstínů stupnice šedi.

Dominantou objektu je velký zubní kaz vyjádřený nejtmavším odstínem šedé. Po jeho straně je vidět prasklina zubu s vytvořenou malou dutinou, která je nejlépe pozorovatelná na transaxiálním řezu v programu DataViewer, kde je potvrzena poklesem křivky barevného profilu. Povrch zubu pokrývá sklovina a žádné jiné struktury nejsou kvůli již zmíněnému kazu vidět.

Během měření byla nasnímána ještě jedna dětská stolička, která měla kaz vyplněn amalgámovou plombou. Jelikož amalgám je slitina mědi, cínu, stříbra a rtuti, tak se na zrekonstruovaném obrazu v programech zobrazila s četnými artefakty a obraz nebyl proto použitelný pro další zpracování.

2.1.3 Intraorální zubní rentgen Lidské zuby

Obr. 13 Snímky zubů z intraorálního rentgenu

Na snímku (Obr. 13) vlevo je horní špičák s jedním kořenem. Zub byl endodonticky ošetřen z důvodu onemocnění zubní dřeně a přeplněn mírně přes hrot kořene. Zub vpravo je stolička dolní čelisti, která je také endodonticky ošetřena. Na snímku je patrný periapikální nález v oblasti kořene zubu a destrukce korunky.

Snímky z intraorálního zubního rentgenu jsou v několikanásobně horší kvalitě a struktury zubu nejsou tak ostře viditelné jako u mikrotomografu. Není dobře zobrazen ostrý přechod mezi sklovinou a dentinem a z druhého snímku nelze detailně rozpoznat rozsáhlost porušení korunky. Méně zřetelná je i dřeňová dutina.

2.2 Snímky kostí

K nasnímání byly využity části prasečích kostí, a to z důvodu anatomické podobnosti prasete domácího s člověkem. Proto jsou často tato zvířata součástí experimentů vedoucích ke zkvalitnění diagnostických a léčebných postupů v medicíně.

Prvním vzorkem je asi půlcentimetrový plátek získaný dvěma řezy uprostřed kosti vyplněné kostní dření. Druhý vzorek je část kloubní hlavice uříznutá ve tvaru kopule.

Doba skenování kostí a jejich rekonstrukce je nejdelší ze všech zkoumaných vzorků. Polohové parametry jsou v tomto případě téměř totožné a oba procesy snímání se liší pouze nepatrně ve velikosti obrazových pixelů a v rekonstrukčních časech.

Tab. 5 Parametry snímání kostí [Zdroj: autor]

2.2.1 Kost s kostní dření DataViewer

Obr. 14 DataViewer – kost [Zdroj: autor]

Plátek kosti vyplněný kostí dření (viz Obr. 14) je převeden do barevné škály gamma, protože v této stupnici byly detaily vzorku nejvýraznější. Rozsah hodnot barevné hloubky je snížen z 255 na 155. Na transaxiálním řezu (vlevo nahoře) je prostřednictvím červené úsečky zjištěn průměr kruhového plátku, který má velikost 25,6657 mm. Na tomtéž snímku je nejlépe vidět průběh struktury kosti od jejího povrchu směrem ke středu.

Kost pokrývá periost, pod nímž je kompaktní kostní tkáň. Kompakta lehce přechází ve spongiózní tkáň s charakteristickou houbovitou strukturou. Křivka barevného profilu je v místech kompakty několikanásobně vyšší než v prostoru vyplněném kostní dření.

V okolí přechodu kompakty v kostní dřeň, tedy v místě spongiózní kostní tkáně, má křivka identickou podobu s křivkou barevného profilu kloubní hlavice (viz Obr. 16).

V průběhu ontogeneze se mění červená (aktivní) kostní dřeň ve žlutou kostní dřeň obsahující tuk. Výměnou buněk ve složení dřeně se mění i jejich absorpce rentgenového záření, a tím dochází k odlišnému barevnému zobrazení na snímku snímané kosti.

CTvox

Obr. 15 CTvox – kost [Zdroj: autor]

Objekt (viz Obr. 15 a Příloha č. 8) je zobrazen v měřítku 2,5 mm. Kost je upravena prostřednictvím ořezávacího boxu ze všech stran tak, aby byly odstraněny veškeré rušivé vlivy. Přenosovou funkcí je pozměněna svítivost a lehce i opacita zobrazení. Na rozdíl od snímků z programu DataViewer není už kvůli natočení objektu viditelná okostice.

Nicméně je zde kvalitně vyobrazen přechod kompakty přes spongiózní tkáň až ke kostní dřeni. Oproti předešlým snímkům jsou na tomto patrné útvary světlejšího zbarvení zasahující ze spongiózy do kostní dřeně.

2.2.2 Kloubní hlavice

DataViewer

Kus kloubní hlavice je převeden do jedné z barevných stupnic, protože na snímcích převedených do škály šedi bylo velké množství artefaktů v okolí vzorku. I proto je zobrazeným snímkům snížen rozsah hodnot barevné hloubky z 255 na 195. Na transaxiálním řezu (vlevo nahoře) je měřící úsečkou zjištěn průměr kruhové podstavy objektu dosahující 30,5067 mm. Barevný profil podél úsečky je různorodý, a to patrně z důvodu houbovitého vzhledu spongióní struktury kostní tkáně. Na okraji hlavice je výrazně zobrazena kloubní chrupavka, která je znázorněna jiným barevným odstínem,

než jsou okolní části kosti. Barva chrupavky je homogenní kvůli rovnoměrnému rozložení látek uvnitř chrupavky, ale má rozdílnou tloušťku v různých místech povrchu. Směrem ke středu vzorku se počet osteonů kosti snižuje a na sagitálním řezu (vlevo dole) je vidět drobné místo s nejnižší hustotou ve zkoumaném objektu. Podle hustoty sítě úsek kosti zřejmě nepodléhal v době, kdy byl součástí živého organismu, patologickým změnám, protože síť by byla řidší, obzvlášť ve svém středu.

Obr. 16 DataViewer – kloubní hlavice [Zdroj: autor]

CTvox

Na 3D objektu (viz Obr. 17 a Příloha č. 9) vytvořeném v příslušném programu je kvalitně zobrazena stavba spongiózní kostní tkáně, tvořená základní morfologickou strukturou kosti osteony. Pro lepší představu velikosti objektu je do obrazu vloženo měřítko 2,5 mm. Vzorek je ořezán pomocí boxu, ve kterém se vyskytuje, na tenký plátek.

Úprava nasnímaného objektu spočívá nejvíce v použití světelného efektu pro projasnění vzorku a hlavně v ručním nastavení hrubosti struktury kosti prostřednictvím emisního a zrcadlového efektu. Z funkcí byla využita opacita a svítivost pro drobné doladění.

Obr. 17 CTvox – kloubní hlavice [Zdroj: autor]

2.3 Snímky žlučového kamene

Žlučový kámen byl do doby skenování uchováván v plastové nádobě naplněné roztokem pro zachování jeho složení a celkového tvaru, ve kterém se nacházel téměř tři roky od operačního vyjmutí z těla pacienta.

K nasnímání žlučového kamene bylo využito nižšího napětí než u předchozích snímků, a proto došlo k navýšení žhavícího proudu. Nebylo potřeba využít rotaci vzorku o 360° a pro správný průběh energie byl vybrán čtvrtmilimetrový hliníkový filtr pro nejlepší možný průběh energie. Celková doba skenování konkrementu trvala 25 minut a rekonstrukce provedená z jednotlivých řezů ve formátu TIFF 75 sekund. Pro každé snímání byla využita korekce kroužkového artefaktu, která ale nedokáže stoprocentně odstranit zkreslení.

Tab. 6 Parametry snímání žlučového kamen [Zdroj: autor]

DataViewer

Žlučový kámen (viz Obr. 18) je načten v programu ve třech ortogonálních rovinách a pomocí tahu kurzoru myši je změřena jeho šířka a barevný profil přímo uprostřed jeho řezu v koronárním řezu (vlevo nahoře). Je použita barevná škála pro kvalitnější zobrazení různých látek, ze kterých se kámen skládá. Barevný profil vytvořený červenou čárou je prakticky celý jednotvárný s drobnými odchylkami. Začátek křivky ukazuje mnohem vyšší hodnoty, než vidíme ve zbytku profilu, a to z důvodu vysoké absorpce rentgenového záření materiálem. Tento jev se v menším rozsahu objevuje i na konci křivky. V druhé polovině profilu je vidět ještě mírné navýšení hodnot. Šířka naměřená pomocí červené úsečky dosahuje 5,2641 mm. Na transaxiálním snímku (vlevo dole) je uvnitř konkrementu zřetelná dutina a v ní nahromaděná látka o vysoké absorpci

záření. Látka je nejlépe viditelná na snímku sagitálním (vpravo dole). Ten zobrazuje četné menší dutiny, které jsou podle odstínu barvy vyplněny vzduchem stejně jako dutina velká.

Tentýž snímek zachycuje větší část útvaru zobrazeného již na koronárním řezu. Materiál útvaru je patrně tvořen prvky s vyšším protonovým číslem než v okolních strukturách.

Vzhledem ke skutečnosti, že zkoumaný vzorek je žlučový kámen, je tímto prvkem pravděpodobně vápník.

Obr. 18 DataViewer – žlučový kámen [Zdroj: autor]

CTvox

Konkrement jako reálný 3D objekt (viz Obr. 19 a Příloha č. 10) byl ořezán pomocí boxu, v němž se nachází. Z jedné strany byl ořezán více, tak aby vzniklý pohled byl pro lepší představu rozložení objektu identický s koronárním řezem z programu DataViewer.

Zobrazení bylo upraveno prostřednictvím světelného efektu a křivky svítivosti kvůli zvýraznění světlých částí. Pomocí zrcadlového a emisního efektu bylo docíleno hrubějšího charakteru zobrazené struktury. Vzhledem k povaze zobrazení konkrementu a výrazným bílým částem uvnitř i na povrchu jde z větší části nepochybně o kameny

pigmentové. Ty totiž obsahují kromě bilirubinu získaného rozpadem červených krvinek velké množství vápníku a vápenatých solí, které jsou na zkoumaném vzorku zřetelně vidět. Jelikož kosti obsahují také hodně vápníku, jsou zobrazeny obdobným odstínem jako v případě žlučového kamene pigmentového typu.

Kameny cholesterolové, tvořené převážně cholesterolem, nejsou ani na klasických RTG snímcích viditelné, a proto se nejčastěji pro diagnostiku žlučových kamenů používá ultrazvuk.

Obr. 19 CTvox – žlučový kámen [Zdroj: autor]

3. Diskuze o využití v praxi

Vzhledem k provedeným měřením se dá říci, že průmyslová mikrotomografie zobrazuje snímané objekty s daleko vyšší přesností a rozlišením na rozdíl od klasického intraorálního rentgenu a lékařské výpočetní tomografie. Pokud by měl ortodontista pro vyšetření chrupu pacienta k dispozici zařízení s obdobnými parametry, získal by daleko podrobnější charakteristiku struktury tvrdých i měkkých tkání a jejich patologických změn v prostředí ústní dutiny. Na snímcích je možno vidět postupující zubní abrazi, stupeň mineralizace zubů dočasného i trvalého chrupu nebo zubní kaz rozšiřující se směrem k dentinu a ostatním částem zubu. Kvůli poměrně výraznému nárůstu času

snímání u mikrotomografu by bylo nutné čas zkrátit a snížit intenzitu rentgenového záření z důvodu snížení radiační dávky působící na pacienta.

Reálnější využití mikrotomografie je předpokládáno v patologii, kde zkoumané vzorky již nejsou součástí živého organismu, a proto nemusí být omezena intenzita použitého rentgenového záření a doba vyšetření, protože některé vzorky jsou uvnitř skenovací kabiny podle nastaveného módu snímání až několik hodin. Pomocí mikrotomografu lze zobrazit a detailně studovat strukturu kostí a jiných tkání těla, což může vést ke zjištění možných okolností příčiny úmrtí, popřípadě k rozpoznání stádia nemoci a jejího průběhu. Na kostech lze například určit velikost jednotlivých kostních struktur jako je tloušťka spongiózní vrstvy, kompakty nebo objem dřeňové dutiny. Podle zkoumané kosti se obsah dřeňové dutiny v průběhu života mění, a tím dojde k odlišnému zobrazení na rentgenových snímcích.

Tomograf lze prakticky aplikovat převážně ve forenzních vědách. Ve forenzní antropologii, kde je potřeba stanovit příčinu smrti osoby popřípadě její identifikaci.

V současné době se pomocí porovnávání zubních rentgenových snímků ante mortem a post mortem dá s určitou procentuální pravděpodobností určit identita osoby.

S mikrotomografem by bylo možné získat důkladnou analýzu zubů a jejich okolních částí, které mohou vypovídat o původu a životním stylu člověka. Také lze prostřednictvím rentgenové analýzy materiálu, který vyplňuje zub, dohledat možná místa výkonu, protože každá výplň je charakteristická pro jednotlivé oblasti. Podobný proces zjišťování identity by byl možný i s pomocí kostních pozůstatků.

IV Závěr

Náplní bakalářské práce bylo zhodnocení možností snímání biologických vzorků pomocí průmyslové výpočetní tomografie. Součástí je i práce ve specializovaných programech DataViewer a CTvox určených ke zpracovávání naskenovaných objektů.

Teoretická část se zabývala vznikem rentgenového záření a jeho aplikací v lékařství a průmyslu. Je objasněn princip lékařské výpočetní tomografie a intraorálního zubního rentgenu, který je v dnešní době velmi pokročilou metodou v oblasti snímkování zubů a jehož snímky byly použity v praktické části této práce. V kapitole 3 je nastíněna diference mezi stolní průmyslovou výpočetní tomografií a výpočetní tomografií využívanou ve zdravotnictví.

Obsahem výzkumné části byl popis možné úpravy nasnímaných řezů v příslušných programech stolního mikrotomografu a charakteristika jednotlivých snímků jimi vytvořených.

Výstupem je shrnutí výsledků a uvedení možnosti využití průmyslového tomografu v zubním lékařství, patologii, forenzní antropologii nebo ve výzkumných zařízeních různého typu.

V Seznam použité literatury

[1] BENEŠ, Jiří, 2011. Základy lékařské biofyziky. 3. vyd. Praha: Karolinum. ISBN 978-80-246-2034-3.

[2] DRASTICH, Aleš, 2004. Tomografické zobrazovací systémy. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Ústav biomedicínského inženýrství. ISBN 80-214-2788-4.

[3] FERDA, Jiří, 2015. Inovativní zobrazovací metody. Praha: Galén. ISBN 978-80- 7492-186-5.

[4] FERDA, Jiří, Hynek MÍRKA a Jan BAXA, 2009. Multidetektorová výpočetní tomografie: technika vyšetření. Praha: Galén. ISBN 978-80-7262-608-3.

[5] FERDA, Jiří, 2015. Základy zobrazovacích metod. Praha: Galén. ISBN 978-80- 7492-164-3.

[6] CHUDÁČEK, Zdeněk, 1995. Radiodiagnostika I. Brno: Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictví. ISBN 80-7013-114-4.

[7] KREJČÍ, Přemysl a kol., 2009. Dentální radiologie. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, Lékařská fakulta. ISBN 80-244-1452-X.

[8] MIKŠOVÁ, Zdeňka, Marie FROŇKOVÁ a Marie ZAJÍČKOVÁ, 2006. Kapitoly z ošetřovatelské péče II. Aktual. a dopl. vyd. Praha: Grada Publishing, a.s. ISBN 80-247-1443-4.

[9] NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA, 2005. Medicínská biofyzika. Praha: Grada Publishing, a.s. ISBN 978-80-247-1152-2.

[10] NEDOROST, Lukáš, 2009. Atlas histologie tvrdých tkáni. Plzeň: Lékařská fakulta v Plzni, Univerzita Karlova v Praze.

[11] ROZMAN, Jiří, 2006. Elektronické přístroje v lékařství. Praha: Academia. ISBN 80-200-1308-3.

[12] ŠVEC, Jiří, 2005. Radioaktivita a ionizující záření. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství. ISBN 80-86634-62-0.

[13] ULLMANN, Vojtěch, 2009. Jaderná a radiační fyzika. Ostrava: Ostravská univerzita v Ostravě, Fakulta zdravotnických studií. ISBN 978-80-7368-669-7.

[14] ZUNA, Ivan a Lubomír POUŠEK, 2000. Úvod do zobrazovacích metod v lékařské diagnostice. Praha: Vydavatelství ČVUT. ISBN 80-01-02152-1.