6.5. Three dimensional medical images

## **DEFINIREA CONCEPTULUI**

**Imaginea medicală** se definește ca un document de importanță majoră, cel puțin în zilele noastre, și totodată un instrument necesar în activitatea clinică sau chirurgicală, ce vine ca o completare a rezultatelor investigațiilor paraclinice. Acestea sunt de folos în redarea cu fidelitate a aspectelor specifice ale unor răni sau ale unor boli.

**Imaginea tridimensională** desemnează o tehnică de redare a obiectelor reale în cele trei dimensiuni care definesc această modalitate modernă de vizualizare: lungime, lățime și totodată înălțime.

 Coreland cele două concepte, se obține o tehnică modernă și revoluționară pentru domeniul medical, care a contribuit substanțial la progresul acestuia în ultimii ani: **imaginea medicală tridimensională**.

**Imaginile medicale tridimensionale** furnizează imagini tridimensionale (lungime, lățime, înălțime) a ceea ce dorim să examinăm. Folosesc același tip de ultrasunete ca și metodele bidimensionale (2D), însa reflectate în mai multe unghiuri. În cadrul acestor metode are loc scanarea unor serii de imagini reprezentate de felii fine ale subiectului de examinat și procesarea acestora de către un computer care le prezintă ca imagine tridimensională. Utilizand comenzi computerizate, operatorul obține imagini care nu ar putea fi afișate cu ajutorul aparatelor ce permit obținerea unor imagini bidimensionale.

## **ISTORIC**

 Primele tehnici de prelucrare ale imaginilor au apărut la începutul anilor 1920. Dacă la începuturi, primele sisteme de codare ale imaginilor (Bartlane) au fost capabile de a transpune doar doar cinci nivele distincte de luminozitate, în doar opt ani se ajunse deja la cincisprezece de astfel de nivele.

 Odată cu progresul tehnologiilor de prelucrare a imaginilor și cu evoluția clarității acestora, prelucrarea imaginilor s-a extins și în alte domenii, printre care și cel medical.

 Neajunsurile imaginilor radiologice care permiteau redarea în doua dimensiuni ale unor realități tridimensionale au condus la încercarea satisfacerii acestor neajunsuri.

 Pentru a scoate în evidență conținutul util al tehnicilor de prelucrare a imaginilor, au început a fi utilizate diferite aplicații care au ca țel interpretarea acestora de către persoane specializate din domeniul respectiv, cum este de exemplu și domeniul medical. Astfel, imaginile sunt prelucrate cu ajutorul unor tehnici noi (cum sunt si cele 3D) și utilizate în diagnosticul diferitelor patologii de către medici.

 Medicina ca domeniu în care prelucrarea imaginilor reprezintă o necesitate în unele cazuri pentru a ajunge la o concluzie în ceea ce privește afecțiunile pacientului a fost dintotdeauna un lider în dezvoltarea de aplicații datorită importanței extraordinare a imagisticii în investigațiile medicale.

 Prima tomografie computerizata a fost realizată în anul 1972, în timp ce prima tomografie de rezonanță magnetică a fost realizată un an mai târziu, în 1973.

## **CLASIFICARE**

 O serie de metode care utilizează tehnica tridimensională de prelucrare a imaginilor:

* **P.E.T. scan-urile**
* **C.T.-urile (tomografiile computerizate)**
* **Ecografurile tridimensionale**
* **R.M.N.-urile (rezonanța magnetică nucleară)**

### **P.E.T. scan-urile**

Pet scan-ul reprezintă tehnica de imagistică medicală bazată pe detecția, cu un aparat adecvat, a radiațiilor asociate pozitronilor (particule elementare usoare, de aceeași masă cu electronii dar cu incărcatură pozitivă) emiși de o substanță radioactivă, introdusă in organism, care permite obținerea de imagini în secțiune (tomografii) ale unor organe. În engleză: Positrons Emission Tomography (PET).

Tomografia prin emisie de pozitroni (T.E.P.) permite obținerea în cateva secunde a unei imagini în secțiune, ceea ce face din ea un instrument deosebit de adecvat pentru observarea fenomenelor fiziologice ca: debitul sau volumul sangvin, metabolismul glucozei sau al oxigenului, sinteza proteinelor etc. Aceasta tehnica este utilizată in principal pentru examinarea inimii și a creierului, dar sunt posibile și examinările oaselor, rinichilor și plămanilor.

La ora actuală, tomografia prin emisie de pozitroni este, în principal, un instrument de cercetare fundamentală și clinică. Ea începe totuși să fie recunoscută și ca instrument de investigație clinică, îndeosebi în cardiologie (cercetarea zonelor de țesut cardiac rămase viabile după un infarct), în neurologie (epilepsie) și neuropsihiatrie (demență senilă, boala lui Alzheimer), precum și în oncologie (detectarea, cu o foarte mare sensibilitate a unor tumori)

O diferență dintre aceasta și tomografia computerizată sau rezonanța magnetică nucleară este că tomografia prin emisie de pozitroni ne arată cum organele sau țesuturile funcționează, spre deosebire de celelalte două care ne arată structura cursului sanguin prin interiorul organismului. Am putea aminti și de faptul că există mai multe tipuri de pet scan-uri: pet scan-urile pentru creier, sâni, inimă si plămâni.

### **Tomografia computerizată**

O tomografie computerizată (TC) reprezintă o metodă de diagnostic imagistic ce folosește razele X pentru a realiza imagini detaliate ale structurilor corpului.
În timpul unei investigații prin tomografie computerizată (TC), pacientul este poziționat pe o masă glisantă, atașată la scanner-ul CT, care este un dispozitiv de formă circulară. Scanner-ul CT trimite raze X prin zona corpului care urmează a fi studiată. Fiecare rotație a scanner-ului durează mai puțin de o secundă și oferă o imagine în secțiune transversală a regiunii de examinat. Toate imaginile sunt salvate ca un grup pe un computer și pot fi supuse postprocesării în vederea obținerii de reconstrucții în orice plan, utile pentru medic în vederea stabilirii diagnosticului.

De asemenea, aceste imagini cu secțiuni transversale pot fi stocate și procesate de un calculator în vederea asamblării lor și realizării unei imagini 3D. Deseori este necesară administrarea unei substanțe de contrast pe bază de iod pentru a face structurile, organele mai ușor de vizualizat pe imaginile CT. Substanța de contrast poate fi utilizată pentru a pune în evidență sistemul vascular principal și pentru a depista tumorile sau alte entități patologice.

Cele mai noi modele de tomografe computerizată pot investiga tot corpul în mai puțin de 30 de secunde. De asemenea, ca și în cazul PET-scanurilor, există mai multe tipuri de tomografii computerizate: CT abdnominal, CT cranian, CT toracic, CT orbital, etc.

### **Ecografia tridimensională**

Ecografia 3D, este o investigație tot mai des folosită în ultimii ani, fiind disponibilă și în țara noastră și care folosește un ecograf performant, capabil să ofere o serie de imagini de calitate superioară (fotografice) ale fătului. Investigația este superioară în evaluarea unor anomalii congenitale așa cum sunt spina bifidă sau despicătura palatină, însă nu se efectuează de rutină datorită costurilor mai mari.

Ecograful 3D este disponibil doar în unele spitale universitare și în clinicile particulare, investigația fiind destul de costisitoare.

Ecografia 3D presupune mișcarea automata a interiorului sondei, urmată de reconstrucția imaginii, în mod static, dupa ce s-a terminat achiziția.

Ecografele 3D folosesc aceleași tipuri de ultrasunete ca și în cazul celor bidimensionale, însă reflectate în mai multe unghiuri. Sonda ecografică scanează o serie de imagini, felii fine, ale subiectului, iar computerul procesează aceste imagini și le prezintă ca imagine tridimensională.

Din punct de vedere tehnic, ecografia 3D reprezintă o metodă de achiziție, vizualizare, analiză și stocare a unui volum de date, ce se obțin dintr-o imagine normală 2D; calitatea imaginii 3D este strâns legată de cea a imaginii 2D, care întotdeauna precede achiziția volumului 3D.

Măsurătorile volumetrice sunt mai precise în cazul examinării 3D si atât medicii cât și părinții pot aprecia mai bine o anumită anomalie sau absență a acesteia în cazul unei imagini 3D.

### **Rezonanța magnetică nucleară**

Sunt metode de investigare relativ noi, apărute la începutul anilor 1970. Investigaţia prin Rezonanţă Magnetică Nucleară (RMN) este o procedură de înaltă performanţă, minim invazivă, atraumatică şi neiradiantă, ce foloseşte un câmp magnetic cu intensitate mare şi radiofrecvenţa pentru obţinerea imaginilor multiplan de înaltă rezoluţie ale corpului uman, permiţând evidenţierea leziunilor cu precizie milimetrică. Acestea nu utilizează radiații ionizate, spre deosebire de tomografiile computerizate.

Scanerul pentru Imagistica prin Rezonanță Magnetică (IRM) este un tub înconjurat de un magnet de dimensiuni apreciabile de formă cilindrică Pacientul este plasat pe un pat mobil care se introduce în magnet.

Principiile de bază ale explorării imagistice prin rezonanță magnetică se bazează pe fenomenele studiate de fizica particulelor. În momentul în care asupra atomilor de hidrogen acționează un camp magnetic puternic,

aceștia se "aliniază" spre o anumită direcție. Apoi aceștia sunt expuși unor impulsuri de unde radio. Acest lucru produce o reorientare. Timpul de revenire la direcția inițială diferă de la un țesut la altul, oferind medicilor o cale de a le deosebi unele de altele, astfel putând să se deosebească structurile anatomice între ele. Receptorul scanerului IRM detectează toate aceste schimbări, informațiile fiind procesate de către un computer pentru a fi elaborată o imagine. Pentru unele patologii sunt folosite substanțe de contrast, cum ar fi gadoliniu, pentru a da detalii suplimentare în legatură cu procesul patologic.

RMN-urile sunt utilizate într-o gamă largă de investigații: neurologice, cardiovasculare sau musculo-scheletale, cel mai des fiind utlizate pentru a pune în evidență prezența eventualelor tumori la nivelul acestor sisteme.

## **AVANTAJELE METODELOR DE INVESTIGARE 3D**

Conștientizand meritul dezvoltarii acestei laturi în ceea ce privește progresul medicinei din zilele noastre, putem lua in prim plan numeroasele avantaje pe care utilizarea lor le-a adus atat lumii medicale cat și siguranței pacienților de a fi tratați cu o precizie mai mare în funcție de diagnosticul stabilit prin intermediul acestor metode.

 Imagistica tridimensională dă naștere unor studii care sunt mai ușor și mai rapid de interpretat de către personalul specializat, îmbunătățind comunicarea între radiologi, medici specialiști și pacienți.

 În cazul utilizării acestor metode, timpul de diagnosticare este mult mai redus deoarece imaginile furnizate sunt uneori de o precizie atat de mare încat sunt capabile de a indica cu exactitate procesul patologic, mărimea și gradul de dezvoltare al acestuia. Ele totodată facilitează diagnosticul, servind ca un reper important în stabilirea cat mai corectă a acestuia, tratamentul și planificarea chirurgicală prin capacitatea lor de a furniza concluzii destul de convingătoare privind necesitatea unei eventuale intervenții chirugicale. În cazul în care afecțiunea diagnosticată necesită intervenție chirurgicală, aceste metode sunt foarte utile în ceea ce privește creșterea nivelului de precizie al chirurgilor.

 Datorită faptului că această latură a medicinei evoluează în a fi cat mai accesibila de către toți pacienții, se incearcă evitarea utilizării pe viitor a substanțelor sau radiațiilor care pot afecta anumite catergorii de pacienți, cum ar fi cei alergici spre exemplu. Totuși, chiar și în ceea ce privește gradul actual de dezvoltare al acestora, nivelul de aplicabilitate în cadrul diferitelor categorii de pacienți este mult mai mare față de alte tehnici destul de invazive utilizate pana acum.

 Explorarea chirugicală, care presupune realizarea incizilor și totodată unele efecte mai puțin dorite din punct de vedere estetic, este minimalizaă sau chiar evitată prin utilizarea acestor metode, iar intervalul de timp acordat anumitor intervenții chirurgicale este mult scurtat.

 În ceea ce privește latura care vine în avantajul pacienților, ele cresc nivelul de încredere a acestora în medicul specialist și îmbunătățesc capacitatea de înțelegere a acestuia întrucat și ei poate vizualiza imaginea, acestea favorizand stabilirea unei interacțiuni mult mai bune între medic și pacient, oferindu-i pacientului o stabilitate mai mare din punct de vedere al încrederii sale în personalul medical.

 Spre deosebire de ecografia bidimensională. cea tridimensională aduce informații suplimentare în ceea ce privește eventualele malformații fetale, este extrem de rapidă în obținerea unui diagnostic pozitiv sau de excludere, nu este nocivă, poate fi repetată de un număr nelimitat de ori și permite obținerea de planuri multiple și diferite de examinare ale aceluiași organ la un cost relativ redus.

 Un alt punct forte al acestor metode îl reprezintă suportul pe care ele îl pot oferi ca material de studiu pentru studenți, rezidenți și așa mai departe, facilitand întelegerea structurilor anatomice și a malformaților.

## **DEZAVANTAJELE METODELOR DE INVESTIGARE 3D**

Evitarea dezavantajelor este practic imposibilă în oricare domeniu, motiv pentru care nici aceste metode nu au ajuns la un nivel absolut de credibilitate, aplicabilitate și eficiență.

 Un prim dezavantaj al acestora este faptul că toate aparatele capabile de a realiza aceste investigații sunt mari si grele, motiv pentru care nu sun portabile, necesitand astfel transportul pacientului la ele.

 În cazul tomografiei computerizate, metoda nu poate fi repetată la intervale scurte de timp deoarece aceasta poate deveni periculoasă pentru pacient din cauza nivelului de radiație X care este de 100-500 de ori mai mare decat in cazul unei radiografii obițnuite. Imaginea astfel obținută în cazul tomografelor nu este direct tridimensională, motiv pentru care ea nu poate fi interpretată automat, ci necesită prelucrare și interpretare computerizată.

 Persoanele însărcinate cu utilizarea acestor aparaturi necesită o pregătire și o licențiere corespunzătoare înainte de a fi capabile să le folosească. Ele trebuie sa fie totodată conștiente că lucrează într-un mediu relativ radioactiv, care necesită unele măsuri de precauție.

 Aceste metode de investigație sunt interzise copiilor și femeilor însărcinate. Totodată, ele nu sunt aplicabile în cazul persoanelor alergice la substanțele de contrast utilizate uneori în cadrul acestor metode și nici în cazul celora care prezintă implanturi metalice sau electronice. Nici pacienții claustrofobi nu sunt feriți de dezavantajele pe care aceste metode le prezintă, deoarece ei pot suferi atacuri de panică dat fiind spațiul mic în care aceștia sunt introduși pentru realizarea investigaților.

 În cazul pacienților cu funcții vitale instabile ce necesită monitorizare, examinarea se poate realiza numai în prezența unei echipe medicale de urgență care însoțește bolnavul.

## **DIRECȚII VIITOARE**

  Imprimarea tridimensională își face loc în foarte multe domenii de activitate, printre care și medicina, unde crearea unor membre care sa le înlocuiască pe cele lipsă era foarte grea, mai cu seamă când venea vorba despre simetrie.

Principiul printării este același, strat cu strat, însă în acest caz, straturile sunt reprezentate de celule. Această imprimanta are o precizie de o fracțiune de milimetru, dar cele mai subțiri vene ale corpului au nevoie de o precizie și mai mare. Tocmai de aceea sunt folosite razele laser, pentru a stimula moleculele să fuzioneze între ele.

O altă problemă o pune durata de viață a celulelor care pot muri până ce întregul
organ este finalizat. Oamenii de ştiinţă speră în perfecţionarea printării tridimensionale în scopuri medicale, deoarece tehnica are potenţialul de a salva vieţi.

Imprimanta 3D își propune să producă instrumente biomedicale complexe folosind date anatomice specifice pacientului.

Fiind utilizata inițial pentru a produce diferite matrițe digitale și pentru a permite vizualizarea de către chirurgi a rezultatului final al intervenției, imprimarea 3D a evoluat rapid și incă o face, fiind utilizată in zilele noastre pentru a produce implanturi cu un grad foarte ridicat de compatibilitate, în platforme de diagnostic și in multe alte situații.

În ceea ce privește direcțiile viitoare către care utilizarea imprimantei 3D s-ar îndrepta, se urmărește combinarea celulelor stem cu modele 3D specifice  pentru a personaliza medicina regenerativă.

De asemenea, se urmărește utilizarea acesteia pentru
regenerarea țesuturilor complexe, cum sunt cele osoase, musculare, nervoase, etc. și pentru regenerarea organelor complexe cu microarhitectură 3D complicată cum sunt ficatul și organele limfoide.

## **CONCLUZII**

Necesitatea dezvoltării acestor metode medicale revoluționare se întinde, totodată și asupra dorinței de a ilustra un progres în ceea ce privește tehnologia legată de ingineria tisulară și pentru a avansa în acest câmp fascinant al medicinei.

Cu toată evoluția acestor noi metode, vin în schimb și unele consecințe mai puțin bune. Datorită faptului că în aceste situații vorbim despre o depistare a unei patologii încă dintr-un stadiu extrem de incipient, analizându-se modificări la o scară micrometrică, aceasta aduc de la sine și o scădere a nivelului de încredere, putând duce în cele din urmă la un diagnostic greșit sau la transformarea nenecesară a persoanelor în pacienți, ceea ce poate rezulta în prescrierea unor tratamente, care nefiind necesare, pot avea diferite efecte adverse.

În concluzie, necesitatea umana de a găsi o soluție pentru orice problemă care-i iese în cale și practicabilitatea tehnicilor deja existente amplifică tot mai mult progresul stiințific.

Dar, în timp ce acesta evoluție vizează mai mult mințile luminate din diferitele domenii și mai putin mințile populației de rând, toată aceasta fugă către absolut și către descifrarea completă a cunoscutului și a necunoscutului duc la o limitare a potențialului nostru, poporului de rând.

## **BIBLIOGRAFIE**

* Mihalas GI, Lungeanu D. Informatica si biostatistica medicală. Timișoara: EVB, 2009.
* Wikipedia.com
* Pubmed
* Link-academy.com
* Nlm.nih.gov
* Academica-medical.ro
* Massgeneral.org
* Neuromed.ro
* Proceduri.romedic.ro