Tıbbi Görüntülemede Yeni X-Ray Devrimi

Uzun süredir Siemens Laboratuvarları’nda yeni nesil X-ray sistemleri için çalışmalar yapılıyor. Bu yeni nesil X-ray sistemleri kan damarlarını kontrast madde olmadan görünür yapabildiği gibi tümörleri düşük radyasyon miktarı ve büyük enerji tasarrufu ile daha net bir şekilde sağlıklı dokulardan ayırt edebiliyor. 

22

8 Kasım 1895’te bir Cuma akşamı Würzburg Üniversitesi Fizik Enstitü’sünde yaşanan olay şüphesiz ki tıp tarihinin en devrimci gelişmelerinden biri olarak tarif edilebilir. O gün, Wilhelm Conrad Röntgen; maddeyi işleyerek onu görünür kılan yeni nesil bir radyasyon keşfetti ve ardından bu tip bir radyoskopinin tıp sektörü için ne kadar yararlı olabileceğini fark etti. Noel’den iki gün önce ilk X-ray görüntüsünü elde etmeyi başardı. O görüntü sadece evlilik yüzüğünün değil aynı zamanda eşinin el kemiklerinin net bir şekilde görüldüğü bir görüntüydü. Röntgen’in 1901’de aldığı Fizik alanındaki ilk Nobel ödülü onun olağanüstü başarılarından sadece biridir.

İlk ticari ürünlerin ortaya çıkması da çok uzun sürmedi. 24 Mart 1896’da Röntgen’in keşfinden sadece üç ay sonra Siemens & Halske Şirketi “yetişkin insanların tüm vücudunun transillüminasyonuna uygun olan” yeni bir X-ray tüpü için patent elde etti. Siemens bugüne kadar radyoloji teşhisine hep bağlı kaldı. Şirket mobil cihazlardan tam dijital sistemlere, CT tarayıcılardan 3D görüntülere kadar bir dizi çözüm sunuyor.

Güncel X-Ray Sistemlerinin Eksikleri

Dünya çapında bütün tıbbi görüntüleme işlemlerinin % 90’ından fazlası X-ray ışınlarına bel bağlıyor. Fakat teknoloji hala 120 yıl önce kullanılan temel ilkeye dayanıyor: katotta üretilen ve yüksek enerjilerle hızlandırılan elektronlar anottaki genelde ağır metal tungstenden yapılmış bir madde ile çarpışır ve X-ray ışınları yayılır. Böylece bir X-ray görüntüsünde kemikler karanlık, yumuşak dokular aydınlık görünür.

Soldan sağa, Prof. Alessandro Olivo (UCL), Prof. Dr. Oliver Heid (Siemens CT) ve Dr. Paul Diemoz (UCL) bir faz-kontrast bileşeni olan “apertürlü” maskeyi inceliyorlar. Bunlar oluşturması pahalı olmayan büyük görüntüleme alanlarını da kapsayabilecek düşük çerçeve oranlı yapılardır.

Tıbbi mühendisliğin bu teknikte başarılı olmasına rağmen, birkaç dezavantajı var. Örneğin, anotla çarpışan elektronlar çoğunlukla ısı üretir. Enerjinin en fazla %1’i X-ray’e dönüştürülebiliyor. Yani bu devasa bir enerji kaybı demek...

Doktorların birçok yumuşak doku arasından kolayca ayırt edebildiği tümör teşhisi gibi birçok uygulama var. Eğer kontrast artırılırsa hasta daha yüksek miktarda X-ray’e maruz kalır. Yüksek radyasyon miktarı vücut dokularına zarar verebilieceğinden dolayı bundan kaçınılmalıdır. Öte yandan kardiyovasküler hastalıklarıyla ilgili X-ray incelemelerinde kontrast madde X-ray ışığında kan damarlarını görünür hale getirmek için anjiyografi sistemlerine sık sık ihtiyaç duyar. Fakat yaklaşık olarak her on hastadan biri şok veya böbrek yetmezliğine yol açan bu maddelere karşı alerjik reaksiyon gösterdiği için acı çekiyor. Bu nedenle daha küçük miktarlarda kontrast madde kullanan ya da hiç kullanmayan yeni bir teknik milyonlarca insan için faydalı olabilir.

Tıbbi Teşhiste Yeni Bir Devrim

Siemens Kurumsal Global Teknoloji Sağlık Alanı ve Konsept Başkanı Prof. Oliver Heid “Siemens’te tüm bu zorlukların üstesinden gelmemize yardımcı olacak bir teknoloji geliştiriyoruz.” diyor. Heid bir medikal doktor ve yüksek frekanslı teknolojiden süper iletkenlik, malzeme bilimi, hızlandırıcı ve yazılım çözümlerine kadar yaklaşık olarak 300 patente sahip. “Her şeyin tekrar düşünüldüğü ve değiştiği bir sürecin içindeyiz. Eğer her şey yeni nesil X-ray sistemiyle iyi giderse tıbbi teşhiste yeni bir devrim olacak.” diyor Siemens Sağlık’taki Anjiografi ve Girişimsel X-ray sistemleri CEO’su Dr. Heinrich Kolem.

Siemens’in gelecek nesil X-ray tüpleri bugünkünden tamamen farkı olacak. Elektronlar artık sıcak bir katottan değil nano yapılı karbon soğuk katot halkadan gelecek. X-ray ışığı katı bir anotta ince bir sıvı metal jette üretilecek.

2017 yılına kadar devam etmesi planlanan uzun süreli araştırma ve geliştirme projesi, en doğru yenilikçi grupları bir araya getiriyor: Heid ve Kolem’in yanı sıra aynı zamanda Siemens Sağlık CEO’su Dr. Peter Molnar tarafından yönetilen Bileşen ve Vakum Teknolojisi ekibi, Rusya’daki Siemens Corporate Teknoloji’deki araştırmacılar, Oxford Üniversitesi gibi kurumlardan yabancı partnerler yer alıyor. Bunların en göze çarpanı ise hem bilimsel uzmanlığı ile hem de pratik tecrübesinin sağladığı sezgi kabiliyetiyle takıma katkı sağlayan University College London’daki Prof Alessandro Olivio’dur. Siemens CT makineleri, anjiyografi sistemleri ve X-ray ekipmanı için yılda yaklaşık 22 ,000 X-ray tüpü üreten İş birimi sahibi Molnar bu iş birliğinin değerini vurguluyor. “Bizim ortak hedefimiz yeni sistemi rekabetçi bir biçimde yönetmek ve başarılı bir şekilde piyasayı sürmektir. O zaman iyi bir fikir gerçek bir inovasyona dönüşür.” diyor.

Azaltılmış Enerji İhtiyacı ile Daha Yüksek Enerji Yoğunlukları

Tam olarak ne değiştiriliyor?

Bu sorunun cevabı katotla başlıyor. Ekip bu noktada artık 2000 °C’deki filamentleri, elektronları yaymak için kullanmıyor. Bunun yerine, yüksek bir voltajda ve oda sıcaklığında çalışan halka şeklinde nano yapılı karbon bir soğuk katot kullanıyor. Bu yaklaşımın avantajı ise önceki katottan daha az enerji kullanması.

Elektronlar artık tungstenden yapılmış sabit bir hedefle değil, Siemens araştırmacılarının “sıvı metal jet alaşım” hedefi için icat ettikleri LiMA isimli yeni bir cihaz ile çarpışacak. Diğer bir deyişle, elektron hedefi insan saçının teli kadar ince akışkan bir metal jetidir. Metal %95 lityum ve %5 bizmut ve lantan gibi ağır elementleri içeriyor. Sonra gelen kısa dalga boylu X-ray’leri üretip form bir soğutucu gibi davranır. Elektronların enerjisi sıvı-metal-jet’i bırakarak potansiyel olarak yeniden kullanabiliyor ve enerji döngüsü içine tekrar dönmesini sağlıyor. Sonuç olarak X-ray tüpünün önceki cihazlara göre daha az elektrik ve soğutma gerektirdiği ve toplam enerji ihtiyacını büyük ölçüde azalttığı belirtilmelidir.

Detektördeki odak noktaları matrisi oluşturan milyonlarca konkav metal ve silikon lens içeren bir dalga cephesi lazer sensörü. Nesnedeki X-ray dalgalarının kırılması(örneğin bir tümördeki) bu odak noktaları kaymasından tanımlanabilecek.

Daha önemlisi ise bununla birlikte tüpün hedefte daha yüksek enerji yoğunluğu elde edebildiği gerçeğidir. Aynı ışık yoğunluğunda yeni X-ray kaynağı odağı konvensiyonel X-ray tüplerinden 400 kez daha küçük. Heid “Odak noktasında, bu X-ray radyasyonu 20 kat daha fazla görüntüleme çözünürlüğü sonuçlarıyla dünyanın üzerindeki güneşten 4 milyar kez daha parlak.”  diyor

Bugünün Sistemlerinin Çözünürlüğünden 20 Kat Daha Fazla

Dünya çapındaki bilim adamlarının yıllarca üzerinde çalıştığı tamamen yeni bir görüntüleme sistemi için önceden gerekli olan şey: faz-kontrast X-ray görüntüleme. Konvensiyonel radyografi basitçe belli ya da belirsiz bir dokuya işleyip işlemediğini kaydederken, faz kontrast görüntüleme, X-Ray ışınlarının vücuttaki dokulardan geçişinin dalga fazı üzerindeki etkisini (dalgaların minimum ve maksimum değerlerinin dizisi) ölçer. Bu aynı fiziksel olay güneşli bir günde su dolu bir havuzun dibindeki ışık efektlerinde görülebiliyor. Radyasyonun içinden geçtiği dokunun ışığı kırma gücüne bağlı olarak çeşitlilik gösterdiği için bu faz değişimi ortaya çıkıyor. Burada tanımlanan yaklaşım farklı yumuşak dokuları ayırt etmeyi mümkün kılıyor (özellikle sudaki yağ veya kandaki demir seviyesi). Bu aşama gelişiminin erken safhasındaki bir tümörü sağlıklı dokudan ayırt edebilmek için gerçekleştirilmek zorundadır.

Araştırmacılar UCL X-Ray Faz Kontrast Laboratuvar’ındaki yeni X-ray sisteminin avantajını tartışıyorlar.

Heid’ın ekibindeki yeni X-ray Sistemi Proje Müdürü Dr. Andreas Geisler: “Bu faz değişimlerini ölçebilmek için dedektördeki tamamen yeni bir bileşen üzerinde çalışıyoruz.” diyor. Bunu gerçekleştirmek içim astronomide ve optikte kullanılan bir çeşit dalga cephesi sensörü ilk kez X-ray ışıkları için kullanılacak. Sensör, detektördeki odak noktalarının matrisini oluşturan milyonlarca konkav metal ve silikon lens içeriyor. Bu odak noktalarının yer değişimi ile objedeki kırılma hesaplanabilir. Bu tek başına konvensiyonel detektörler ile mümkün değildir.

Geisler'e göre: “Yeni nesil X-ray sistemleri sadece verimli olmayacak aynı zamanda nispeten düşük radyasyon miktarında yumuşak dokular arasındaki kontrastı kaydetmeden iyi bir iş çıkaracak.

Kan damarları bu şekilde kontrast maddeler olmadan görünür hale getirilebiliyor; tümörler faz-kontrast X-ray görüntülemesi ve 20 kat daha yüksek çözünürlük sayesinde daha kolay bir şekilde teşhis edilebilir ve böylece yeni teknoloji minimal invaziv cerrahi için daha ideal olur. “Manyetik alanları kullanarak kateterleri gezmek, rehber olmak ve onların vücutta tam olarak bulunduğu yeri X-ray görüntüleme ile bilmek istiyoruz.”diyor Heinrich Kolem. Bu X-ray tüpleriyle mümkün değil çünkü onlar manyetik alana duyarlıdır. Gelecek nesil X-ray sistemlerinin böyle bir engeli olmayacak ve aynı zamanda daha kullanışlı görüntüler sağlayabilecek. 

 

Kaynak:

Siemens