Al sinds de ontdekking van röntgenstraling in 1895 zijn er steeds meer en betere technieken ontwikkeld om in het menselijk lichaam te kijken. Hiervoor wisten wetenschappers en artsen alleen hoe de binnenkant van het menselijk lichaam eruit zag door lichamen open te snijden. Tot de zestiende eeuw hadden wetenschappers en artsen zelf helemaal geen benul totdat Andreas Vesalius in 1543 de eerste atlas van het menselijk lichaam uitgaf, ondanks dat er een taboe rustte op het snijden in lichamen. Tegenwoordig is medische beeldvorming niet meer weg te denken in de huidige geneeskunde.
Nieuwe ontwikkelingen zorgen dat artsen steeds beter in het lichaam van hun patiënten kunnen kijken. Op 21 maart promoveerde Sjoerd Crijns nog aan de Universiteit Utrecht op een techniek waarmee een tumor in het lichaam bekeken kan worden en tegelijk bestraald. Medische beeldvormingstechnieken zijn dus niet alleen ontwikkeld om een beter anatomisch beeld van patiënten te krijgen, maar ook om meer inzicht te krijgen in processen in het lichaam.
Hoe is de doorbloeding van weefsels, waar is de stofwisseling het actiefst of waar ontwikkelt zicht een tumor? We hebben tegenwoordig een heel aantal mogelijkheden om in het lichaam te kijken, elk met hun eigen specifieke mogelijkheden binnen de medische praktijk. De breedst toepasbare technieken, zonder hiervoor daadwerkelijk het lichaam in te gaan, worden hieronder toegelicht.
Echografie
Het volgen van de ontwikkeling van een foetus in de buik van de moeder, onderzoek naar hart- en vaatziekten, maar ook de parkeersensor die waarschuwt als de achterkant van de auto te dicht bij een voorwerp komt, zijn voorbeelden waarbij gebruik wordt gemaakt van echografie (geluidsgolven). Teruggekaatste ultrasone geluidsgolven – onhoorbaar geluid met hoge frequentie – geven een beeld van verschillende objecten, zoals de organen in het lichaam. Ultrasoon geluid wordt afgegeven én ontvangen in de vorm van een echo door het echografieapparaat. Om de signalen beter te kunnen opvangen en zo min mogelijk te vervormen in de lucht, is het belangrijk dat er een laag gel op de huid wordt aangebracht.
Ultrasoon geluid wordt afgegeven en ontvangen in de vorm van een echo door het echografieapparaat.
Diagnostisch CentrumEen computer maakt een dwarsdoorsnede van het lichaam aan de hand van het tijdsverschil tussen uitzending en ontvangst van het geluid. In tegenstelling tot de CT-scan geeft echografie een goed beeld van de weke delen van het lichaam en wordt zeker niet alleen maar gebruikt om plaatjes van ongeboren baby’s te maken. Echografische metingen zijn van groot belang bij onderzoek naar het optreden van hart- en vaatziekten. Met behulp van de echoscopie kan namelijk onderzoek worden gedaan naar factoren nog vóór er klachten zijn, zoals slagaderverkalking.
Helaas is echografie niet bruikbaar wanneer lucht of gas het beeld verstoren, zoals in de longen of botten (deze bevatten lucht) en is het beeld vaak niet zo duidelijk en scherp als op bijvoorbeeld een röntgenfoto. Voordeel van echografie is echter dat het geen schade kan aanbrengen aan de weefsels.
Röntgen
Röntgen is na echoscopie de oudste techniek. In 1895 ontdekte de Duitse natuurkundige Wilhelm Röntgen het effect bij toeval. Hij zag dat hij met zijn nieuwe soort straling door allerlei materialen kon ‘heenkijken’. In eerste instantie noemde de natuurkundige deze straling X-straling. De X staat voor ‘onbekende en mysterieuze straling’. In het Engels is de naam niet veranderd en wordt nog steeds de term X-ray gebruikt.
De mysterieuze ontdekking wekte veel verbazing op. Het publiek vond het onfatsoenlijk om dwars door mensen heen te kijken. Pas later is Röntgens ontdekking tot een complete industrie ontwikkeld, die steeds nieuwe apparaten op de markt bracht. Maar het was ook een prachtig speeltje, zeker in de eerste jaren na ontdekking had de röntgenstraling als kermisattractie groot succes. Helaas ontdekte men pas veel later dat röntgenstraling ook gevaarlijk kon zijn. Zo moest een zekere H.D. Hawks zijn baan als demonstrator van röntgenapparatuur al na een paar dagen opzeggen. Zijn handen zwollen op en werden rood, de huid op zijn knokkels ging kapot, zijn nagels hielden op met groeien en zijn haar viel uit.
Langdurige blootstelling en grote intensiteit van röntgenstraling is schadelijk en veroorzaak onder andere beschadigingen aan het DNA, waardoor kans op kanker sterk verhoogd wordt. Pas rond 1962 is de hoeveelheid stralingsdosis omlaag gebracht. Tegenwoordig werken röntgenapparaten op een zo laag mogelijk dosis straling, gelijk aan de hoeveelheid straling die je in 10 dagen aan achtergrondstraling oploopt. Deze achtergrondstraling – afkomstig van de zon, bouwmaterialen in onze huizen en radioactieve elementen in de aarde – is altijd in onze omgeving aanwezig.
Röntgenstraling absorberen
Het is dus niet schadelijk als je af en toe aan röntgenstraling wordt blootgesteld. Het wordt een ander verhaal wanneer je er dag in dag uit mee te maken hebt, zoals personeel dat dagelijks met röntgenapparatuur werkt. Tijdens het maken van een foto kunnen ze zichzelf beschermen tegen teveel straling door achter een loden scherm te staan of een loden schort te dragen. Lood is een goede bescherming tegen röntgenstraling omdat het deze straling absorbeert en niet doorlaat: een millimeter lood absorbeert ongeveer 99% van de straling.
Hoe ver röntgenstraling ergens doorheen dringt, hangt af van de frequentie en de golflengte. Zachte röntgenstraling heeft een lage frequentie en langere golflengte en wordt door veel zachte weefsels geabsorbeerd. Hardere röntgenstraling kan veel verder in weefsels doordringen. Juist de hoge frequentie zorgt ervoor dat röntgenstraling door calciumhoudend weefsel, zoals botten geabsorbeerd wordt en bij opname een wit beeld geeft.
Röntgenstraling is belangrijk bij onderzoek naar botbreuken, onderzoek naar het gebit of bij borstkankeronderzoek. Op een vergelijkbare manier wordt deze techniek gebruikt voor bagagecontrole op vliegvelden of containers in havens. Röntgenstraling kan ook in samenwerking met contrastvloeistof gegeven worden om bloedvaten zichtbaar te maken. Bloed en weefsel bestaan beide voor een groot deel uit water en zullen dus röntgenstraling even sterk absorberen. Maar door contrastvloeistof aan het bloed toe te voegen, absorberen bloedvaten meer straling waardoor ze goed zichtbaar zijn
Computertomografie
Het nadeel van röntgenstraling is dat allerlei verschillende structuren in het lichaam over elkaar heen afgebeeld worden waardoor sommige organen en weefsels niet goed zichtbaar zijn. Bij computertomografie (CT) gebeurt dat niet. CT is gebaseerd op röntgenstraling maar wordt gebruikt om structuren zichtbaar te maken die met röntgen niet goed te zien zijn.
Een CT-scanner bestaat uit onderzoekstafel met daaromheen een brede ring. Uit deze draaiende ring komt een röntgenstraal die elke paar millimeter een nieuwe scan maakt. De ronddraaiende röntgenbron maakt opnames en geeft dit door aan de röntgendetectors. Deze meten de straling nadat die het lichaam is gepasseerd. Een computer berekent de absorptie en de verdeling van weefseldichtheid. Dit geeft uiteindelijk een dwarsdoorsnede van het lichaam.
Het nadeel is dat tumoren op een CT-scan niet goed te zien zijn en dat de artsen bijvoorbeeld niet weten hoe hard de tumor groeit of hoe kwaadaardig het gezwel is. Ook komt er een flinke dosis straling bij een CT-scan vrij: één CT-scan staat ongeveer gelijk aan 100 tot 200 röntgenfoto’s. Afwijkingen aan bloedvaten, botbreuken of herseninfarcten worden met deze techniek echter wel goed zichtbaar gemaakt.
Een CT-scan kan ook gecombineerd worden met positronemmissietomografie (PET). Deze beeldvormende techniek wordt steeds vaker gebruikt om de plaats van een tumor of verhoogde hersenactiviteit aan te geven. Tumoren groeien in vergelijking met gezonde cellen heel snel en hebben daarom een verhoogde stofwisseling. Op deze manier kunnen tumoren, in combinatie met een CT-scan, in beeld gebracht worden. Dat werkt als volgt: een kleine hoeveelheid glucose gekoppeld aan een radioactieve stof wordt in het bloed gespoten. Een eventuele tumor neemt de radioactieve glucose vanwege de hoge stofwisseling sneller op dan het gezonde weefsel, waardoor de tumor zichtbaar wordt. Op een zelfde manier worden gebieden zichtbaar waar veel hersenactiviteit plaatsvindt.
Magnetic Resonance Imaging
Hoewel een CT-scan een veel beter contrast tussen weefsels en scherpere beelden geeft dan röntgenstraling, is MRI de beste methode om anatomische beelden van de hersenen of andere organen te maken. Met MRI is het mogelijk om hele kleine contrastverschillen in de weke delen (spier-, zenuw- of vetweefsel) van het lichaam te zien, beter nog dan met CT.
Om het principe achter de MRI uit te leggen, is het belangrijk om je te realiseren dat het menselijk lichaam voor een groot deel uit water bestaat (ongeveer 65%, afhankelijk van leeftijd en geslacht). Water bestaat uit waterstofatomen, opgebouwd uit één proton en één elektron. De protonen zitten in de kernen van waterstofatomen en draaien constant om hun as. Deze eigenschap wordt ‘spin’ genoemd. Deze waterstofatomen zijn belangrijk voor het vormen van een MRI-beeld.
Als iemand in de MRI-scanner gelegd wordt, gaan de protonen in ons lichaam zich richten, net zoals een kompasnaaldje in het aardmagnetische veld. Vervolgens worden er korte elektromagnetische ‘pulsen’ gegeven door de scanner om de protonen als het ware even uit evenwicht te brengen. Na zo’n puls keren de protonen direct weer terug naar hun oude positie. Bij het terugkeren, zendt de proton zelf ook een pulsje uit. Deze pulsen worden gedetecteerd zodat de radiologen kunnen kijken hoe de waterstofatomen in het lichaam verdeeld zijn.
Hoe meer waterstofatomen er in het weefsel zitten, des te sterker het signaal. De MRI-scan meet dus op elke plaats in het lichaam de concentratie waterstofatomen en maakt hier een beeld van van. Artsen kunnen zo goed- en kwaadaardig weefsel onderscheiden. Een tumor bevat namelijk relatief weinig water ten opzichte van het omringende weefsel.
Een MRI-scanner maakt gebruik van magneetvelden om korte elektromagnetische ‘pulsen’ te geven. Deze methode is niet belastend – en voor zover bekend ook niet schadelijk – voor de patiënt. Bij Magnetic Resonance Imaging (MRI) wordt er een uitermate sterk magnetisch veld opgewekt (1,5 Tesla). Om zo’n sterk magnetisch veld op te wekken, loopt er een sterke stroom door de spoelen van de MRI-scanner. De sterke krachten die ontstaan laten de spoelen trillen. Hier komt het lawaai van een MRI-scanner vandaan. De spoelen mogen niet te warm worden, dus worden ze gekoeld met vloeibaar helium. Vanwege het sterk magnetische veld moeten andere magneten uit de buurt worden gehouden omdat ze anders met grote kracht de magneet ingetrokken worden. Dat is ook meteen het grootste nadeel voor patiënten: mensen met een pacemaker, een metalen plaat of andere magneetgevoelige materialen in hun lichaam kunnen geen gebruik maken van de MRI.
Metalen objecten worden door het sterke magneetveld van de MRI-scanner aangetrokken.
FlickrFunctionele MRI
In tegenstelling tot de röntgentechniek is deze techniek nog vrij jong. In 1960 deed de MRI-scanner zijn intrede maar pas sinds de jaren tachtig worden MRI-scanners geproduceerd voor medische doeleinden. Sinds die tijd heeft deze techniek grote stappen gemaakt. De hardware en software zijn een stuk sneller en intelligenter geworden. Bovendien heeft het tot een nieuwe toepassing van MRI geleidt: functionele MRI (fMRI). Deze speciale techniek levert vooral informatie over welke hersendelen bij een bepaalde taak actief zijn.
Onderzoeker René Scheeringa van het Nijmeegse Dondersinstituut schreef in het toptijdschrift Neuron voor hersenonderzoekers dat de signalen van de fMRI niet altijd eenduidig zijn. Volgens Scheeringa zijn er niet één, maar meerdere hersenprocessen die bijdragen aan het signaal dat fMRI-metingen oppikken. Er is nog enige discussie gaande over hoe eenduidig de resultaten zijn die met fMRI onderzoek verworven worden. “Het is niet zo dat alle eerdere resultaten van hersenonderzoek de prullenbak in moeten, maar het is wel een kanttekening bij de interpretatie van de data.”
http://www.youtube.com/watch?v=SHKv4pI5nO8
Toekomst
Zo heeft elke techniek zijn eigen voor- en nadelen en verschillende toepassingen voor medische doeleinden. Samen zijn ze als methoden voor medische beeldvorming onmisbaar in elk ziekenhuis. Volgens Richard Lopata, onderzoeker van de Technische Universiteit Eindhoven, hinkt het toekomstperspectief van medische beeldvorming op twee gedachten. “Enerzijds zijn de vooruitgangen gigantisch. MRI wordt in steeds hogere resoluties beschikbaar, de stralingsdosering van CT steeds lager en ultrasound (echografie) is nu zelfs in 3D beschikbaar. Hier is de beeldvorming de afgelopen 10 jaar extreem verbeterd.”
“Maar anderzijds wordt kostenbesparing ook steeds belangrijker. Verder zijn MRI en CT niet geschikt voor screening van patiënten. Röntgen en ultrasound zullen de werkpaarden van de kliniek blijven, ondanks hun limieten.” Lopata voorspelt dat de combinatie van röntgen en/of ultrasound met pre-operatieve CT- of MRI-scans steeds meer zal worden toegepast. Beide technieken zijn mobiel te gebruiken en zijn bijzonder kosteneffectief.
Ultrageluid heeft deze mogelijkheid en kan op de poli of aan het bed van de patiënt worden uitgevoerd. “Maar niet alleen beeldvorming is belangrijk. Functionele metingen worden ook steeds belangrijker. Het is goed om te zien dat een slagader verstopt is, maar is deze verstopping ook levensbedreigend?”
Over 100 jaar kunnen onze huidige technieken ontzettend ouderwets zijn. En hebben wij veel simpelere en snellere technieken voorhanden, waarbij we misschien het lichaam nooit meer hoeven open te snijden. Maar de enorme ontwikkeling die de medische beeldvorming de afgelopen decennia heeft ondergaan, lijkt nog niet afgelopen.
Zo is onlangs door onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven ontdekt dat MRI in combinatie met ultrageluid en temperatuurgevoelige nanodeeltjes gebruikt kan worden om een kankermedicijn lokaal in een tumor af te leveren. Dit remt de tumorgroei sterker af dan reguliere chemotherapie. Daarnaast ontwikkelden Utrechtse onderzoekers een techniek om tijdens een MRI-scan direct de tumoren van patiënten te bestralen. Ingewikkeldere tumoren – zoals tumoren die diep in de buik zitten en heel veel bewegen – maar momenteel met radiotherapie (nog) niet behandelbaar zijn, kunnen in de toekomst beter bestraald worden.