Inżynier i Fizyk Medyczny 2/2016 vol. 5
91
artykuł
/
article
obrazowanie medyczne
/
medical imaging
badań nieniszczących, jak tomografia termo- i fotoakustyczna
(TAT, PAT), akusto-optyczna (AOT), ultradźwiękowa tomografia
odbiciowa (URT) również pozwalają na uzyskanie wysokiej jakości
otrzymywanych obrazów. Z pomocą ultradźwięków można do-
konywać wielokrotnych pomiarów bez obawy uszkodzenia bądź
napromieniowania badanych obiektów. Obecnie trwają próby
wdrażania badań w diagnozowaniu guzów piersi oraz skóry [2].
Metody mikrofalowe
Metoda detekcji guza polega na naświetleniu tkanki falą elek-
tromagnetyczną o częstotliwości z zakresu mikrofal i odbiorze
fali przez tę samą antenę, zespół anten lub tablicę anten. Na
podstawie fali transmitowanej lub odbitej od piersi konstruowa-
ny jest obraz. W tomografii mikrofalowej mierzy się różnicę sy-
gnału nadawanego i transmitowanego, a rekonstrukcja polega
na wytyczeniu rozkładu parametrów elektrycznych gruczołu
piersiowego. Nowotwory złośliwe różnią się od tkanek prawi-
dłowych wyższą wartością konduktywności elektrycznej σ [S/m]
oraz przenikalności elektrycznej ε [F/m], podczas gdy zmiany ła-
godne posiadają niższe wartości. Tomografia mikrofalowa jest
najbardziej czuła w wykrywaniu trójwymiarowych obiektów
o strukturze utkania odpowiadającej tkance tłuszczowej, naj-
mniej w przypadku tkanki mięśniowej [5].
Metody prądów wirowych
Metody prądów wirowych bazują na detekcji zmienionych war-
tości parametrów elektrycznych tkanki patologicznej, głównie
konduktywności. Magnetyczna Tomografia Indukcyjna MIT
(
Magnetic Induction Tomography
) wykorzystuje pole magne-
tyczne z zakresu 10 kHz – 10 MHz w obrazowaniu obiektów
trójwymiarowych [6]. W badaniach aktywności mózgu stosuje
się wyższe częstotliwości do 40 MHz [7]. W tabeli 2 zawarto pa-
rametry elektryczne charakteryzujące miąższ mózgu dla czę-
stotliwości granicznych stosowanych w Magnetycznej Tomo-
grafii Indukcyjnej, tj. 10 kHz oraz 10 MHz, a także standardowo
wykorzystywanej w badaniach struktur słaboprzewodzących
– 50 kHz. Konduktywność struktur mózgowia wzrasta wraz
z częstotliwością.
Elektryczne właściwości (konduktywność i przenikalność
elektryczna) ludzkiego mózgu maleją fizjologicznie z wiekiem
[9]. Generowane prądy wirowe są proporcjonalne do wartości
konduktywności:
J
=
s
E
,
(1)
gdzie:
J
– gęstość prądów [A/m
2
],
σ
– konduktywność elektryczna [S/m],
E
– wektor natężenia pola elektrycznego [V/m].
Przestrzenny rozkład prądów wirowych wskazuje lokalizację
zmiany. Magnetyczna Tomografia Indukcyjna umożliwia stałe
i długotrwałe monitorowanie pacjenta w stanie krytycznym oraz
diagnozowanie udaru krwotocznego w jego początkowym sta-
dium. Dużą zaletą systemów MIT jest ich mobilność. Przypadko-
we pojawienie się osoby postronnej w pobliżu działającego ukła-
du nie zagraża jej bezpieczeństwu [6]. Magnetyczna Tomografia
Indukcyjna może stać się ważnym narzędziem w monitorowaniu
pracy mózgu. Konduktywność elektryczna mózgu zmienia się lo-
kalnie pod wpływem zmian w potencjale elektrycznymwewnątrz
neuronu. Największe różnice zaobserwowano w zakresie rytmu
gamma (35-60 Hz), co koreluje z przekazywaniem informacji. Pole
magnetyczne wytwarzane przez mózg jest bardzo niskie 100 fT
[1 fT = 10
-15
T], co w badaniach czynnościowym rezonansem ma-
gnetycznym przyczynia się do ograniczenia detekcji momentu
rozpoczęcia procesów mentalnych w czasie rzeczywistym. Wie-
loczęstotliwościowa analiza (np. za pomocą impulsu) MIT może
przyczynić się do prawidłowego określenia przepływu informacji
w mózgu. W celu określenia optymalnych warunków wykonywa-
nia badań prowadzi się liczne symulacje komputerowe działania
systemów MIT oraz badania doświadczalne.
Wzorując się na danych literaturowych [10], wykorzystano
uproszczenia w postaci izotropowości modelu oraz regularnego
kształtu mózgu. Rozkład prądów wirowych badano w obiektach
o parametrach elektrycznych odpowiadającym istocie szarej
płata skroniowego oraz móżdżkowi. W symulacjach wykorzysta-
no sprzężenie programu COMSOL Multiphysics 5.0 z Matlabem.
Symulacje podzielono na dwie grupy. Pierwsza dotyczyła in-
dukowania prądów wirowych w jednorodnych obiektach o war-
tościach elektrycznych odpowiadającym wybranym strukturom
mózgowia. W drugiej badano indukowanie prądów wirowych
w ogniskach patologicznych (krwiak, guz). Dla uproszczenia
zmianę przedstawiono w postaci regularnego, niesymetrycz-
nie położonego wtrącenia umieszczonego wewnątrz badanego
obiektu. Wyniki symulacji przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 2
Zależność wartości przenikalności elektrycznej oraz konduktywności wybranych struktur mózgo-
wia przy częstotliwościach stosowanych w Magnetycznej Tomografii Indukcyjnej
Częstotliwość [kHz]
Badana struktura Przenikalność elektryczna
[F/m]
Konduktywność
[S/m]
10
Istota Szara
19,65∙10
-8
1,15∙10
-1
Istota Biała
24,56∙10
-8
0,69∙10
-1
Móżdżek
19,92∙10
-8
1,35∙10
-1
50
Istota Szara
4,83∙10
-8
1,28∙10
-1
Istota Biała
3,14∙10
-8
0,78∙10
-1
Móżdżek
5,1∙10
-8
1,48∙10
-1
10000
Istota Szara
0,28∙10
-8
2,92∙10
-1
Istota Biała
0,15∙10
-8
1,58∙10
-1
Móżdżek
0,41∙10
-8
3,78∙10
-1
Źródło: [8].
Tabela 3
Maksymalne i minimalne wartości modułów gęstości prądów indukowa-
nych w móżdżku oraz jego patologiach
Badany obiekt
Konduktywność
[S/m]
|
J
min
|
[A/m
2
]
|
J
max
|
[A/m
2
]
Móżdżek
1,54∙10
-1
8,27∙10
-7
1,54∙10
-2
Guz
1,75
5∙10
-1
8∙10
-1
Krwiak
1,54
3∙10
-1
5∙10
-1
Źródło: Opracowanie własne.
