Fysica in de medische wereld: van X-stralen tot CT-scan

“X-stralen? Zijn die niet gevaarlijk?” Uiteraard wel, maar als je er zorgvuldig mee omspringt, kunnen ze ook zeer nuttig zijn! In de medische wereld worden CT-scans veelvuldig gebruikt om verscheidene ziektebeelden vast te stellen. In mijn onderzoek trachten we een opstelling te karakteriseren, waarmee we op een minder gangbare manier, snel en veilig CT-scans kunnen uitvoeren.

Niet enkel Superman heeft X-ray vision

Toen Wilhelm Röntgen in 1895 toevallig een onbekende vorm van straling ontdekte, noemde hij dit ‘X-stralen’. In de volksmond zijn X-stralen daarom bekend als röntgenstralen. Röntgenstralen zijn een vorm van licht, die wij niet kunnen zien. Ze hebben zo’n grote energie dat ze door de meeste objecten niet volledig worden tegengehouden. Er bestaan echter speciale camera’s (detectoren), waarmee we ze wél kunnen opvangen.



Omdat X-stralen slechts deels door objecten worden tegengehouden, kunnen we met behulp van X-stralen door objecten heen kijken, wat niet kan met ‘gewoon’ licht. Je kan het nemen van een röntgenfoto, bijvoorbeeld voor je gebroken arm, vergelijken met een diaprojector. Lichtstralen worden door een dia gestuurd en op het scherm wordt een beeld geprojecteerd. Wanneer jij een röntgenfoto laat nemen, speel jij de rol van een dia en de X-stralen zijn de lichtbron. Op het scherm zie je dan een zogenaamde projectie (röntgenfoto) verschijnen van jouw gebroken arm.



Kijken in 3D zonder 3D-bril

Het houdt niet op bij röntgenfoto’s! We kunnen deze projecties namelijk op hun beurt gebruiken om aan computertomografie (CT) te doen. CT is een proces waarbij zeer veel verschillende röntgenfoto’s gemaakt worden (typisch enkele honderden of duizenden) van hetzelfde object, maar onder allemaal verschillende hoeken. Uit al deze röntgenfoto’s wordt met een wiskundig algoritme op de computer een reconstructie gemaakt van het object in 3D. Aangezien röntgenfoto’s de binnenkant van een object blootleggen, houdt dit in dat we met een CT-scan de interne structuur van objecten kunnen gaan bekijken in 3D. Een arts kan dus met een CT-scan de interne structuur van een patiënt controleren zonder dat deze onder het mes moet.



Let op, het gebruik van X-stralen is niet ongevaarlijk. Ze kunnen het genetisch materiaal van cellen beschadigen, wat kan leiden tot bijvoorbeeld huidkanker, zoals het geval was bij Wilhelm Röntgen. Je kan wel zonder risico CT-scans laten nemen, zolang je tussen elke scan ongeveer drie of vier maanden wacht.

Zo gezegd, zo gescand! Of niet?

We nemen dus gewoon wat röntgenfoto’s, stoppen deze in een wiskundig algoritme en krijgen een 3D reconstructie van ons onderzocht object. Simpel, toch? Was het maar waar. Er zijn namelijk enkele zaken van groot belang bij het nemen van een CT-scan. Eerst en vooral moet de geometrie van het scansysteem nauwkeurig gekend zijn. Dit houdt in dat je tijdens de scan moet weten waar de X-stralenbron, de detector en het object zich bevinden ten opzichte van elkaar. Ook moet je nagenoeg exact weten onder welke verschillende hoeken alle röntgenfoto’s worden gemaakt. In een medisch CT-toestel is dit allemaal netjes gekend. Het enige wat jij moet doen als patiënt is in de scanner gaan liggen. Dan worden een X-stralenbron en een detector rondom je heen gedraaid zodat de nodige röntgenfoto’s genomen kunnen worden. De software op de computer doet de rest.



De rollen omgedraaid

In het kader van mijn onderzoek willen we een opstelling bouwen waarmee we op een snelle en efficiënte manier jonge, kleine zoogdieren kunnen scannen, waarvan het motorisch systeem te traag ontwikkelt. We hopen met dit onderzoek modellen te bekomen die we ook kunnen toepassen op mensen. Op deze manier hopen we premature baby’s, die een motorische achterstand oplopen, een gepaste behandeling te geven. We willen deze opstelling zó ontwerpen, dat we CT kunnen combineren met X-stralenstereoscopie, een techniek waarbij we met X-stralen aan bewegingsanalyse kunnen doen. Ook zullen we gebruikmaken van twee X-stralenbronnen, die X-stralen produceren met een verschillende energie, zodat we meer kunnen zien op de gereconstrueerde beelden. Hiervoor hebben we nood aan een flexibele opstelling, die we kunnen bekomen door de CT-scan andersom uit te voeren.



In plaats van het onderzoeksobject statisch te laten en de X-stralenbron en detector hier rond te roteren, kan je ook de bronnen en detectoren op zijn plaats houden en het object laten ronddraaien. Het grootste nadeel van deze flexibele opstelling is natuurlijk dat, telkens wanneer je iets verandert aan de positie van de bronnen en detectoren, ook de geometrie van je scansysteem verandert. Herinner je dat deze gekend moet zijn voor het maken van een CT-scan. Ook moet je je object kunnen laten draaien, dus hiervoor heb je een stabiel rotatieplatform nodig dat (zeer) snel kan ronddraaien. Op deze manier duurt de scan niet lang en beperk je de dosis X-stralen die het object opneemt.

De opstelling doorgelicht

In mijn onderzoek heb ik de nieuwe opstelling onderzocht en mee klaargemaakt voor verder gebruik. We zijn nu bijvoorbeeld op de hoogte van de resolutie in de röntgenfoto’s die genomen worden. De resolutie zegt hoe klein de details zijn die we in de beelden kunnen onderscheiden, en deze bedraagt maar liefst 0,2 millimeter. Aangezien ook kennis van de geometrie van het systeem van groot belang is om een succesvolle reconstructie te bekomen, heb ik gezocht naar een manier om deze eenvoudiger te kunnen afschatten.

Om de objecten rond te draaien werd een draaiplatform ontwikkeld dat een volledige omwenteling kan uitvoeren in slechts 2 seconden. Met behulp van laser doppler vibrometrie, een techniek waarbij een laserstraal wordt gebruikt om snelheden op te meten, heb ik ontdekt dat er echter schommelingen bestaan in de draaisnelheid van het platform. Hierdoor werd het moeilijk om te weten onder welke hoeken de röntgenfoto’s werden opgenomen. Wanneer de verkeerde hoeken gebruikt worden in het wiskundig algoritme dat de reconstructie berekent, levert dit foute resultaten op. Door scans te nemen van een gekend object, heb ik de correcte hoeken kunnen bepalen en aangetoond met een simulatie dat de fouten in de reconstructies weggewerkt kunnen worden.

Nu we enkele basiseigenschappen van de opstelling kennen, kunnen we deze verder uitbouwen en het onderzoek uit de kinderschoenen laten treden!