Μελέτη χαρακτηριστικών ροής αίματος με Μαγνητικό Συντονισμό Αργυρόπουλος Γεώργιος

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ Μ.Π.Σ. ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Π.Γ.Ν. ΑΤΤΙΚΟΝ Β ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΚΤΙΝΟΛΟΓΙΑΣ Μελέτη χαρακτηριστικών ροής αίματος με Μαγνητικό Συντονισμό Αργυρόπουλος Γεώργιος Επιβλέπων: Ευσταθόπουλος Ευστάθιος, Αναπληρωτής Καθηγητής Ιατρικής Φυσικής- Ακτινοφυσικής, Β Εργαστήριο Ακτινολογίας, Τμήμα Ιατρικής Πανεπιστημίου Αθηνών Πάτρα, 2014 ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Νικηφορίδης Γεώργιος, Καθηγητής Ιατρικής Φυσικής- Ακτινοφυσικής, Τμήμα Ιατρικής Πανεπιστημίου Πατρών Ευσταθόπουλος Ευστάθιος, Αναπληρωτής Καθηγητής Ιατρικής Φυσικής-Ακτινοφυσικής, Β Εργαστήριο Ακτινολογίας, Τμήμα Ιατρικής Πανεπιστημίου Αθηνών Σακελλαρόπουλος Γεώργιος, Αναπληρωτής Καθηγητής Ιατρικής Φυσικής- Ακτινοφυσικής, Τμήμα Ιατρικής Πανεπιστημίου Πατρών 1

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εργασία πραγματοποιήθηκε στο Β εργαστήριο Ακτινολογίας του Π.Γ.Ν. «ΑΤΤΙΚΟΝ» στο πλαίσιο των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω το Γ. Πατατούκα και την Α. Καζέρου για την επιστημονική τους συμβολή στα πειράματα. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Ε. Ευσταθόπουλο για την επίβλεψη και καθοδήγηση που προσέφερε καθόλη την διάρκεια της εργασίας μου, καθώς και τους κ. Γ. Νικηφορίδη και κ. Γ. Σακελλαρόπουλο για τις πολύτιμες παρατηρήσεις τους σχετικά με το αντικείμενο της μελέτης της εργασίας και την αποδοχή τους στην πρόσκλησή να συμμετέχουν στην εξεταστική επιτροπή. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 5 ΚΕΦΆΛΑΙΟ 1 ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΔΙΠΟΛΙΚΩΝ ΡΟΠΩΝ ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΜΗΚΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗ RF ΠΑΛΜΟΣ ΧΡΟΝΟΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Τ 1 ΚΑΙ Τ Τ 1 ΧΡΟΝΟΣ Τ 2 ΧΡΟΝΟΣ ΒΑΘΜΙΔΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER TR (THE REPETITION TIME) TE (ECHO DELAY TIME) ΑΚΟΛΟΥΘΙΕΣ SPIN-ECHO ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ GRADIENT-ECHO ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ TOF ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ PC ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ CE ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΚΑΙ ΑΚΟΛΟΥΘΙΩΝ ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΨΗΦΙΑΚΗ ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ (DSA) DOPPLER ΥΠΕΡΗΧΟΓΡΑΦΗΜΑ CT ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΝΕΥΤΩΝΕΙΑ, ΜΗ ΝΕΥΤΩΝΕΙΑ ΚΑΙ ΙΔΑΝΙΚΑ ΡΕΥΣΤΑ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΚΑΙ ΜΗ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΡΕΥΣΤΟ ΦΑΣΗ ΡΟΗΣ ΡΟΪΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΑΙΜΑΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΚΑΡΔΙΑΓΓΕΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΡΔΙΑΓΓΕΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΑΙΜΑΤΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΑΙΜΑΤΙΚΗΣ ΡΟΗΣ Η ΚΑΡΔΙΑ ΤΟ ΑΓΓΕΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟ ΑΙΜΑ ΑΙΜΟΣΦΑΙΡΙΑ ΤΟ ΠΛΑΣΜΑ

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Η ΑΝΤΛΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΑΡΔΙΟΓΡΑΦΙΚΗ (ΗΚΓ) ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΩΛΗΝΩΣΗ ΟΜΟΙΩΜΑ ΑΙΜΑΤΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΥΛΟΎ ΧΩΡΙΣ ΣΤΈΝΩΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΤΟΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟ MR ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΞΟΝΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΠΟΤΛΕΣΜΑΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΥΛΟΥ ΧΩΡΙΣ ΣΤΕΝΩΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΤΡΉΣΕΙΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑΣ ΑΥΛΩΝ ΜΕ ΣΤΕΝΩΣΗ ΑΠΟΤΕΛΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΟΧΉΣ ΑΥΛΏΝ ΜΕ ΣΤΈΝΩΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΤΑΧΎΤΗΤΑΣ ΡΟΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ R ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΟΣΟΣΤΟΎ ΣΤΈΝΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ SNR RATIO ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΞΟΝΙΚΗΣ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΥΛΟΥ ΧΩΡΙΣ ΣΤΕΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΥΛΩΝ ΜΕ ΣΤΕΝΩΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΓΙΣΤΩΝ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΡΟΦΙΛ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΟΣΟΣΤΟΥ ΣΤΕΝΩΣΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ SNR RATIO ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΑΞΟΝΙΚΗΣ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΗΓΕΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΩΝ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΗΝ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΦΑΣΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΧΩΡΙΚΗΣ ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΦΑΣΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΟΓΚΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗΣ ΕΠΙΛΟΓΟΣ Αναφορές: Βιβλιογραφία:

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΚΛΙΝΙΚΗ ΑΞΙΑ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στην εργασία διερευνάται η επίδραση των φαινομένων της τυρβώδους ροής σε αγγείο με στένωση, στην εκτίμηση του ποσοστού της, με χρήση του μαγνητικού συντονισμού. Γενικά οι μη επεμβατικές τεχνικές παρουσιάζουν υψηλή ειδικότητα και ευαισθησία για τον καθορισμό του βαθμού της αρτηριακής στένωσης. Για τον λόγο αυτό οι μη επεμβατικές τεχνικές απεικόνισης είναι στην πρώτη γραμμή της διάγνωσης εμφραγμάτων κυκλοφορίας. Η μαγνητική αγγειογραφία (magnetic resonance angiography-mra) έχει μια σημαντική θέση για την απεικόνιση αρτηριών και ιδιαίτερα των καρωτιδικών ανάμεσα στις μη επεμβατικές μεθόδους λόγω και της μη ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Το βασικό πλεονέκτημα της MRA είναι η δυνατότητα απεικόνισης αιμοφόρων αγγείων σε μορφή ανάλογη με την ψηφιακή αγγειογραφία (digital subtraction angiography-dsa). Μπορούν να παραχθούν πολλαπλές προβολές των αρτηριών με τεχνικές μετά-επεξεργασίας, προσφέροντας μάλιστα περισσότερες πληροφορίες σχετικά με χαρακτηριστικά της ροή στην στένωση πέρα της εκτίμησης του ποσοστού της. Δημιουργούνται όμως ερωτήματα στο κατά πόσο η έμμεση εκτίμησης του ποσοστού μέσω της μείωσης της μέγιστης ταχύτητας ροής του ρευστού, είναι αξιόπιστη μέθοδος λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα στα οποία υπόκεινται οι πυρήνες, όντας φορείς της πληροφορίας και εκπομποί του σήματος, όπως η τυρβώδη ροή και τα φαινόμενα jet. Για τον σκοπό της εργασίας θα χρησιμοποιηθεί μία αντλία παλμικής ροής και κατάλληλοι σωλήνες που θα δίνουν κυκλοφορία σε ειδικά επεξεργασμένους αυλούς με στένωση. Για τις μετρήσεις μας θα χρησιμοποιηθούν phase contrast ακολουθίες, ιδανικές για μελέτη ροής αγγείων. Θα μελετηθούν η παροχή, η ταχύτητα ροής, το ποσοστό στένωσης των αυλών για τρεις διαφορετικές διαμέτρους στένωσης, η κατανομή των ταχυτήτων και η διαφορά πίεσης για τομές κατά μήκος του αυλού. Τέλος θα γίνει μία προσπάθεια σύγκρισης των αποτελεσμάτων της μαγνητικής τομογραφίας με την αξονική τομογραφία (computed tomography-ct), την υπερηχογραφία Doppler (sonography Doppler) και την ψηφιακή αγγειογραφία για την ιδανικότερη επιλογή στην εκτίμηση του ποσοστού της στένωσης στην πειραματική μας διάταξη. 5

6 ΚΕΦΆΛΑΙΟ 1 ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Συντονισμός αποκαλείται η συντονισμένη σύζευξη της ενέργειας με την ύλη με αποτέλεσμα την ρυθμική κίνηση της ύλης. Στον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό η ενέργεια διέγερσης είναι το μαγνητικό πεδίο και το σύστημα συντονισμού τα πρωτόνια τα οποία ταλαντεύονται μεταξύ δύο διακριτών ενεργειακών επιπέδων. Συντονισμός επιτυγχάνεται μόνο εάν η συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι της ίδιας συχνότητας με την συχνότητα ταλάντωσης των πρωτονίων. 1.1 ΜΑΓΝΗΤΙΣΗ Κάθε ιστός αποτελείται από ένα μεγάλο πλήθος μαγνητικών διπολικών ροπών μ οι οποίες είναι οι διπολικές ροπές που το απαρτίζουν. Οι διπολικές ροπές έχουν τυχαίες κατευθύνσεις στον χώρο δίνοντας συνολική μαγνητική ροπή Μ (ή αλλιώς μαγνήτιση) ίση με το μηδέν. Όταν εφαρμόσουμε ένα εξωτερικό πεδίο τότε οι διπολικές μαγνητικές ροπές αλλάζουν τον προσανατολισμό τους. Και ενώ θα περιμέναμε όλα οι μαγνητικές διπολικές ροπές να προσανατολιστούν παράλληλα αυτό που παρατηρείται είναι ένα πλήθος αυτών να προσανατολίζεται αντιπαράλληλα και οι υπόλοιπες παράλληλα. 1.2 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΔΙΠΟΛΙΚΩΝ ΡΟΠΩΝ Το πώς θα προσανατολιστεί ένα πρωτόνιο, παράλληλα ή αντιπαράλληλα, εξαρτάται από την ενεργειακή κατάσταση του. Σε ένα πλήθος πρωτονίων οι πληθυσμοί κάθε ενεργειακής καταστάσεις δίνονται από την κατανομή Boltzmann: ( ) 6

7 όπου k είναι η σταθερά Boltzmann και ισούται με. Για συνθήκες θερμοκρασία σώματος και κλινικού μαγνητικού πεδίου ισχύει επομένως η εξίσωση γίνεται Η διαφορά αυτή δημιουργεί την μακροσκοπική μαγνήτιση Μ. Υπολογίζεται πως η ολική μαγνήτιση σε 1,5 Τ πεδίο για το ανθρώπινο σώμα είναι της τάξης των μτ. 1.3 ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΜΗΚΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗ Όπως αναλύσαμε στις παραπάνω παραγράφους το άνυσμα της μαγνήτισης θα εκτελέσεις μία μεταπτωτική κίνηση γύρω από την διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, με συχνότητα να είναι ανάλογη της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Για την διευκόλυνσή μας θα ορίσουμε δύο συνιστώσες την μαγνήτισης, μία που θα είναι κάθετη στο μαγνητικό πεδίο που την ονομάζουμε εγκάρσια και μία παράλληλη σε αυτό που την ονομάζουμε διαμήκη. Λόγω της διαφοράς φάσης μεταξύ των μεταπτωτικών κινήσεων των διπολικών ροπών κατά τον εγκάρσιο άξονα η μαγνήτιση στον άξονα αυτό θα είναι μηδέν. Η διαμήκης μαγνήτιση θα δίνεται από το διανυσματικό άθροισμα των παράλληλων και αντιπαράλληλων διπολικών μαγνητικών ροπών και είναι ίση με Μ. 1.4 RF ΠΑΛΜΟΣ Ο σκοπός του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού είναι η μέτρηση της μαγνήτισης. Η ευθείς μέτρησή της όμως δεν είναι δυνατή. Η διαδικασία που ακολουθείται για την μέτρησή της στηρίζεται στο γεγονός πως ο χρόνος αποκατάστασης της ισορροπίας της μαγνήτισης μετά από μία ελεγχόμενη διέγερσής της είναι χαρακτηριστικός για κάθε υλικό. Για την ελεγχόμενη διέγερση χρησιμοποιείται ένας παλμός RF συχνοτήτων και είναι μικρής χρονικής διάρκειας. Ο παλμός εκτρέπει την μαγνήτιση από τον z άξονα (κάπου θα πρέπει να αναφερθεί και ο άξονας παραπάνω) δημιουργώντας τις Μ xy και Μ z συνιστώσες. Ο πιο 7

8 απλός παλμός που μπορούμε να έχουμε είναι ένας παλμός 90 μοιρών ο οποίος εκτρέπει πλήρως την μαγνήτιση Μ στο xy επίπεδο παίρνοντας η Μ xy την μέγιστη τιμή της. Εκείνη την στιγμή η Μ z συνιστώσα έχει μηδενιστεί. Εικόνα 1.1: Εγκάρσια και διαμήκης μαγνήτιση κατά την εφαρμογή RF παλμού 1.5 ΧΡΟΝΟΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Τ 1 ΚΑΙ Τ 2 Αποκατάσταση ισορροπίας είναι η διαδικασία κατά την οποία η μαγνήτιση των πρωτονίων επιστρέφει στην αρχικής της κατάσταση πριν την διέγερση των πυρήνων από τον RF παλμό απελευθερώνοντας το ποσό ενέργειας που απορροφήθηκε από αυτόν. Η διαδικασία για την διέγερση των πυρήνων μπορεί να είναι ίδια για όλους τους πυρήνες της ύλης αλλά οι χρόνοι αποκατάστασης της μαγνήτισης είναι διαφορετική για κάθε στοιχείο. Οι χρόνοι αποκατάστασης είναι δύο και συμβολίζονται ως Τ 1 και Τ 2. 8

9 1.5.1 Τ 1 ΧΡΟΝΟΣ Ο χρόνος αποκατάστασης Τ 1 είναι ο χρόνος ανάκτησης του 63% της αρχικής τιμής της μαγνήτισης στον άξονα z. Είναι γνωστός και ως χρόνος περιστροφής πλέγματος ή χρόνος διαμήκης αποκατάστασης. Κατά την εφαρμογή ενός παλμού 90 μοιρών στην μαγνήτιση Μ ο, μηδενίζεται η διαμήκης μαγνήτιση. Με την αποδιέγερση των πυρήνων η διαμήκης αποκατάσταση επαναφέρεται ακλουθώντας την εξίσωση ( ) ( ) όπου t είναι ο χρόνος διάρκειας του παλμού. Μετά από τρεις Τ 1 περιόδους η τιμή της Μ είναι ίση με το 95% της Μ ο. Εικόνα 1.2: Μαγνήτιση σε συνάρτηση με τον χρόνο Τ1 Ο όρος περιστροφής πλέγματος αναφέρεται στην μεταφορά της ενέργεια από τους διεγερμένους πυρήνες στο πλέγμα παρά στην αλληλεπίδραση με τα άλλα σπιν. Πιο συγκεκριμένα κατά την εφαρμογή ενός RF παλμού, κατά κύριο λόγο τα πρωτόνια της χαμηλής ενεργειακής στάθμης απορροφούν ενέργεια και μεταβαίνουν στην μεγαλύτερη ενεργειακή στάθμη. Η υψηλή ενεργειακή στάθμη είναι μία σταθερή ενεργειακή κατάσταση από την οποία τα πρωτόνια δεν αποδιεγείρεται αυθόρμητα αλλά χρειάζεται ένα εξωτερικό πεδίο διέγερσης για την πραγματοποίηση της μετάβασης. Καθώς ο παλμός RF δεν μπορεί να 9

10 είναι αυτό το πεδίο λόγω του ότι έχει απενεργοποιηθεί, την διαδικασία αυτή την πραγματοποιεί το πεδίο που δημιουργείται από το περιβάλλον δηλαδή τα γειτονικά πρωτόνια. Καθώς ο παλμός RF επενεργεί πάνω στα πρωτόνια έχουμε μία ανακατανομή πληθυσμών έως ότου εξισωθούν οι δύο πληθυσμοί. Εκείνη την στιγμή θα επέλθει ενεργειακός κορεσμός και δεν θα είναι δυνατή η απορρόφηση περισσότερης ενέργειας καθώς δεν θα υπάρχουν άλλα πρωτόνια διαθέσιμα από την αρχική διαφορά των πληθυσμών για να την απορροφήσουν. Όσα πρωτόνια διεγέρθηκαν από τον παλμό είναι και εκείνα που συνεισφέρουν στην διαμόρφωση της εγκάρσιας μαγνήτισης Μ xy. Όταν ο παλμός τελειώσει την επίδρασή του τα διεγερμένα πρωτόνια εκπέμπουν την ενέργεια που απέκτησαν από τον παλμό και επανέρχεται η αρχική διαφορά πληθυσμών, άρα και η διαμήκης μαγνήτιση, σε χαρακτηριστικό χρόνο αποκατάστασης Τ Τ 2 ΧΡΟΝΟΣ Ο χρόνος αποκατάστασης Τ 2 είναι χρόνος απώλειας την εγκάρσιας μαγνήτισης έως ότου φτάσει στο 37% της αρχικής τιμής της. Είναι γνωστή και ως χρόνος αποκατάστασης σπιν-σπιν. Ο χρόνος αποκατάστασης Τ 2 είναι πάντα πιο μικρός από τον χρόνο Τ 1. Κατά την εφαρμογή ενός παλμού 90 μοιρών η διαμήκης μαγνήτιση Μ μηδενίζεται και η εγκάρσια μαγνήτιση Μ xy παίρνει την μέγιστη τιμή της. Όλες η μαγνητικές διπολικές ροπές βρίσκονται σε συντονισμό όταν εφαρμοστεί ο παλμός. Με το τέλος του παλμού ο συντονισμός των μαγνητικών ροπών αρχίζει να χάνεται και η κάθε μια ξεχωριστά αρχίζει να ανακτά την διαμήκη περιστροφή της γύρω από το μαγνητικό πεδίο Β ο. Ο αποσυντονισμός συνοδεύεται με απώλεια της ενέργειας που απέκτησαν από τον παλμό και μηδενισμό της εγκάρσιας μαγνήτισης. Η ερμηνεία της εγκάρσια αποδιέγερσης ή απώλειας φάσης έγκειται στο γεγονός ότι κατά την αποδιέγερση τον πυρήνων διαμοριακές αλληλεπιδράσεις όπως δονητικές και περιστροφικές προκαλούν την μεταβολή της συχνότητας περιστροφής ω ο. Επίσης ένα ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο Β ο μπορεί να προκαλέσει τέτοιες μεταβολές. Τέτοιες ανομοιογένειες μπορούν να δημιουργηθούν από κατασκευαστικές ατέλειες των μαγνητών, από τοπικές διαφορές στην μαγνητική επιδεκτικότητα των ιστών που είναι προς εξέταση ή από τις 10

11 τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την λήψη σήματος από συγκεκριμένη θέση. Η σχέση από την οποία θα δίνεται η εγκάρσια μαγνήτιση κατά την αποδιέγερση θα είναι η ( ) Όπου Μ xy είναι η εγκάρσια μαγνήτιση και Τ 2 * ο χρόνος αποκατάσταση Τ 2 λαμβάνοντας υπόψη την απώλεια φάσης των μαγνητικών ροπών λόγω των βαθμίδων, δηλαδή ανομοιογενειών, του μαγνητικού πεδίου και θα υπολογίζεται από την σχέση όπου Τ 2Μ είναι ο χρόνος απώλειας φάσης από την ανομοιογένεια του πεδίου και Τ 2MS ο χρόνος απώλειας φάσης από τις διαφορετικές της μαγνητικής επιδεκτικότητας. Εικόνα 1.3: Σπιν-σπιν αποκατάσταση Ο όρος σπιν σπιν αποκατάσταση αναφέρεται στην ανταλλαγή ενέργειας εκ περιστροφής σπιν μεταξύ δύο γειτονικών πυρήνων. Πιο συγκεκριμένα όταν ένας παλμός 90 μοιρών διεγείρει τους πυρήνες τότε αυτοί θα περιστραφούν σε φάση υπό την ίδια συχνότητα ω ο. Εάν ένα γειτονικός πυρήνας ίδιου είδους βρεθεί σε κοντινή απόσταση και έχει ίδια συχνότητα περιστροφής, θα απορροφήσει την ενέργεια του 11

12 αποδιεγειρόμενου πυρήνα. Σε αντίθεση με την Τ 1 αποδιέγερση η ενέργεια δεν χάνεται στο περιβάλλον του πυρήνα αλλά απορροφάται από τον γειτονικό, με την διαδικασία αυτή να μπορεί να επαναληφθεί αρκετές φορές. 1.6 ΒΑΘΜΙΔΕΣ Στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού βαθμίδες ονομάζουμε την χωρική γραμμική μεταβολή του στατικού πεδίου Β ο. Για παράδειγμα η βαθμίδα x ή G x, θα δηλώνει την μείωση ή την αύξηση του στατικού πεδίου κατά την διεύθυνση x. Η εικόνα 1.4 δείχνει την απεικόνιση μίας βαθμίδας κατά τον άξονα x. Όταν το μαγνητικό πεδίο είναι το ίδιο σε όλη την έκταση του επιλεγμένου άξονα τότε τα όλα πρωτόνια περιστρέφονται με την συχνότητα Larmor. Αν εφαρμόσουμε μία βαθμίδα σε έναν άξονα τότε η συχνότητα περιστροφής των πρωτονίων διαφέρει. Η συχνότητα στο κέντρο είναι ίση με την συχνότητα Larmor καθώς δεν παρατηρείται κάποια μεταβολή στο πεδίο, ενώ δεξιά και αριστερά η συχνότητα είναι μικρότερη και μεγαλύτερη αντίστοιχα. Εικόνα 1.4: Εφαρμογή βαθμίδων 12

13 Μαθηματικά οι τρεις ορθοκανονικές χωρικές βαθμίδες του Β ο πεδίου αναλύονται ως, Όταν μία βαθμίδα G x επιδράσει στο συνολικό πεδίο της διεύθυνσης z τότε αυτό κατά την διεύθυνση x θα έχει μία εξάρτηση από την θέση στην διεύθυνση x και θα διαμορφώνεται από την σχέση ( ) Όταν εφαρμόζεται μία βαθμίδα τότε η συχνότητα Larmor που έχει μία εξάρτηση από το μαγνητικό πεδίο της z διεύθυνσης θα δίνεται από την σχέση όπου γ = 42MhzT -1. ( ) ( ) 1.7 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER Τα σήματα που λαμβάνουμε από την αποδιέγερση των πυρήνων είναι μετασχηματίζονται στο χώρο τον συχνοτήτων με την χρήση του μετασχηματισμού Fourier. Σύμφωνα με τον μετασχηματισμό Fourier μία απλή κυματομορφή όπως η ( ) έχει μία χαρακτηριστική συχνότητα. Γενικεύοντας το παραπάνω μπορούμε να πούμε πως κάθε κυματομορφή αποτελείται από ένα σύνολο συχνοτήτων. Με αυτή την λογική μπορούμε κάθε φορά να αντικαθιστούμε την κυματομορφή με την χαρακτηριστική της κατανομή συχνοτήτων. Μ άλλα λόγια κάθε κυματομορφή μπορεί να μετασχηματιστεί από τον χώρο του χρόνου στο χώρο τον συχνοτήτων. Ο μετασχηματισμός χαρακτηριστικών κυματομορφών φαίνεται στην εικόνα

14 Εικόνα 1.5: Βασικοί μετασχηματισμοί Fourier 1.8 TR (THE REPETITION TIME) Ο χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών παλμών ονομάζεται χρόνος επαναληψιμότητας ή TR. Ο χρόνος επαναληψιμότητας χρησιμοποιείται για την βελτιστοποίηση της λήψης σήματος για την διαμήκη μαγνήτιση Η σχέση που θα μας δίνει την διαμήκη μαγνήτιση για χρόνο επαναληψιμότητας t=tr θα είναι ( ) ( ) 14

15 Όπως είναι αναμενόμενο εάν ο χρόνος επαναληψιμότητας είναι μικρότερος από το χρόνο αποκατάστασης της διαμήκης μαγνήτισης τότε η μετρούμενη μαγνήτιση θα είναι μικρότερη. 1.9 TE (ECHO DELAY TIME) Ο χρόνος αναμονής για την μέτρηση της μαγνήτισης μετά από την εφαρμογή ενός RF παλμού ονομάζεται χρόνος αντήχησης. Για χρόνο αναμονής ΤΕ τότε το μετρούμενο σήμα θα είναι ( ) ( ) Συνοπτικά μπορούμε να καταλήξουμε στα εξής: 1. Μεγάλο TR ελαττώνει την Τ1 αποκατάσταση 2. Μικρό TR ενισχύει την Τ1 αποκατάσταση 3. Μικρό ΤΕ ελαττώνει την Τ2* (Τ2) αποκατάσταση 4. Μεγάλο ΤΕ ενισχύει Τ2* (Τ2) αποκατάσταση ΑΚΟΛΟΥΘΙΕΣ Ακολουθία ονομάζουμε την χαρακτηριστική διαδικασία με την οποία πρέπει να συνδυαστούν παράμετροι όπως TR, TE και γωνία εκτροπής παλμού ώστε να πάρουμε την βέλτιστη πληροφορία για τους χρόνους Τ 1 και Τ 2. Οι λόγοι εισαγωγής των ακολουθιών στην απεικόνιση του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού συνδέονται με την φυσιολογία και την ανατομία του ανθρώπινου οργανισμού. Για παράδειγμα ο διαχωρισμός των ιστών μεταξύ υγειών και παθογόνων ιστών με βελτιστοποίηση της μεταξύ τους αντίθεσης, λήψη ανατομικών πληροφοριών σε όργανα που η κίνησή τους αποτελεί πρόβλημα όπως η καρδιά, δυναμικές λήψεις χωρίς ψευδενδείξεις όπως η απεικόνιση ροών. Οι κυριότερες οικογένειες των ακολουθών είναι δύο, η Gradient- Echo (GE) και η Spin-Echo (SE) SPIN-ECHO ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ Η SE ακολουθία είναι μία χρονοβόρα διαδικασία από την οποία συλλέγουμε μεγάλο πλήθος πληροφοριών από πολλαπλούς 15

16 επαναλαμβανόμενους παλμούς. Συνήθως οι πληροφορίες συλλέγονται μετά από πολλές αποδιεγέρσεις και περιόδους επαναληψιμότητας. Η Τ 2 αποκατάσταση εξαρτάται από την PE βαθμίδα ή από το πρότυπο κάλυψης του Κ-χώρου. Ο χρόνος αποκατάσταση Τ 1 μπορεί να μετρηθεί με την χρήση ενός μικρού ή μεσαίου χρόνου TR ως συμβατική SE τεχνική ή με μία προπαρασκευαστική μαγνήτιση με την μορφή ενός αντίστροφου παλμού. Γενικά οι SE ακολουθίες έχουν μεγάλη διακριτική ικανότητα. Έχουν χρήση κυρίως στην απεικόνιση ανατομικών δομών με το αίμα να έχει μαύρη απόχρωση GRADIENT-ECHO ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ Οι GE ακολουθίες είναι αρκετά διαφορετικές από τις SE ακολουθίες. Η ταχύτητα της ακολουθίας επιταχύνεται με την εφαρμογή μία μικρής γωνίας εκτροπής ώστε ο χρόνος TR να μειωθεί δραματικά και ταυτόχρονα να μην έχουμε μείωση του σήματος. Μετά από μερικούς παλμούς η μαγνήτιση αποκτά μία σταθερή κατάσταση με την αποκατάσταση σε κάθε TR χρόνο να συμπίπτει πλήρως με τον χρόνο της αποδιέγερσης. Οι GE ακολουθίες μας δίνουν κατά κύριο λόγο πυκνότητα πρωτονίων, Τ 2 * και Τ 1 ενώ μερικές περιπτώσεις και Τ 2 χρόνους αποκατάστασης. Λόγο των μικρών TR των ακολουθιών είναι ιδανικές για 3D μετασχηματισμό Fourier ενώ σε 2D απεικόνιση λόγο του μικρού χρόνου εφαρμογής είναι ιδανικές για εξετάσεις όπου ο ασθενής πρέπει να κρατά την αναπνοή του, για δυναμικές λήψεις και για αγγειογραφίες. Το αίμα απεικονίζεται με αποχρώσεις λευκού. 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 MR ANGIOGRAPHY (MRA) - ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η MRA χρησιμοποιεί τα σημαντικά πλεονεκτήματα του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, ως προς την ευαισθησία του στην απεικόνιση της αιματικής ροής στις αρτηρίες. Υπάρχουν πολλές τεχνικές απεικόνισης της αιματικής ροής με σημαντικότερες την Time Of Flight (TOF) τεχνική στην οποία η ροή συσχετίζεται με την διαμήκη μαγνήτιση και η Phase Contrast (PC) τεχνική στην οποία η ροή συσχετίζεται με την εγκάρσια μαγνήτιση. Υπάρχουν βέβαια και Contrast Enhanced (CE - ενισχυμένης αντίθεσης) τεχνικές στις οποίες χρήση κατάλληλων σκιαγραφικών όπως το γαδολίνιο που ενισχύει την αντίθεση στην απεικόνιση των αρτηριών. Πριν από την έλευση της contrast-enhanced MRA, η time-of-flight MRA ήταν η κύρια μέθοδος, η οποία περιλαμβάνει τη χρήση των ιδιοτήτων της ροής του αίματος να παράγει σήμα. Ωστόσο, η time-offlight MRA περιορίζεται από μεγάλους χρόνους απεικόνισης. Γενικά γίνεται αναφορά σε εργασίες για υψηλή ευαισθησία που κυμαίνεται από 86 % έως 90 %. Το επίμαχο θέμα παραμένει ότι η στένωση μπορεί να υπερεκτιμηθεί με την συγκεκριμένη τεχνική, με ειδικότητες που κυμαίνονται στο 64 %. Παρά τους περιορισμούς αυτούς, η τεχνική παραμένει μια χρήσιμη επιλογή για τους ασθενείς που έχουν αντενδείξεις για μαγνητικό συντονισμό μέσο αντίθεσης. Η contrast-enhanced MRA στηρίζεται στην έγχυση ενός παραμαγνητικού παράγοντα όπως το γαδολίνιο για τη μείωση του χρόνου χαλάρωσης Τ1 των ιστών και την ενίσχυση της αντίθεσης μεταξύ του αυλού και του περιβάλλοντα ιστού. Μια συστηματική ανασκόπηση την κατατάσσει την πιο ακριβή μη επεμβατική διαγνωστική τεχνική, με ευαισθησία % και ειδικότητα %. H phase contrast MRA, είναι ακολουθία που χρησιμοποιεί τη βαθμίδα μαγνήτισης ώστε να δημιουργηθεί μία διαφορά φάσης στους πυρήνες που είναι σε άμεση αναλογία με την ταχύτητα των πυρήνων. Έτσι επιτυγχάνεται μεγαλύτερο σήμα από το αίμα στις αρτηρίες και παράλληλα μικρότερο θόρυβο από τους γύρω ακίνητους ιστούς. 17

18 Μπορεί ο χρόνος τις εξέτασης να είναι λίγο μεγαλύτερος από την time of flight αλλά έχει σαφέστατα καλύτερα αποτελέσματα για ροές μικρής ταχύτητας και πολύ μικρών διαμέτρων αυλών. 2.1 TOF ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ Στην TOF αγγειογραφία χρησιμοποιούνται gradient-echo ακολουθίες με μικρές τιμές TR και TE για να γίνει ο διαχωρισμός μεταξύ του ακίνητου ιστού, καθώς το αίμα ρέει στην περιοχή ενδιαφέροντος αποδίδοντας ένα σήμα υψηλής έντασης. Χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο προβολής της μέγιστης έντασης μπορούμε να πάρουμε τις πληροφορίες τις αγγειογραφίας. Η μέθοδος θυμίζει πολύ την συμβατική αγγειογραφία ακτίνων X. Η τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί τόσο σε δύο διαστάσεις (2D) όσο και σε τρεις διαστάσεις (3D). Για καλύτερη εφαρμογή της τεχνικής, εκμεταλλευόμενοι την μεγαλύτερη δυνατή αντίθεση στη διαμήκη μαγνήτιση των πυρήνων, οι λήψεις πρέπει γίνονται όταν το αίμα περιέχει αρκετή μεθαιμοσφαιρίνη. 2.2 PC ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ Στην PC αγγειογραφία σκοπός είναι ο εντοπισμός μεταβολών στην εγκάρσια μαγνήτιση του αίματος καθώς ρέει μέσα από μία βαθμίδα μαγνητικού πεδίου. Όπως θα παρουσιαστεί και παρακάτω μία διπολική βαθμίδα απεικόνισης δεν προκαλεί μεταβολή στην φάση των στάσιμων πυρήνων, ενώ αντίθετα στους κινούμενους πυρήνες έχουμε μεταβολή φάσης. Η ουσία της τεχνικής είναι στην δημιουργία μια σχέσης μεταξύ της ταχύτητας και της διαφοράς φάσης του εκπεμπόμενου σήματος. Η συσχέτιση μεταξύ της διαφοράς φάσης και ταχύτητας επιτυγχάνεται μέσω της τιμής κωδικοποίησης της ταχύτητας ή venc (velocity encoding). Η τιμή αύτη είναι η μεγαλύτερη τιμή της ταχύτητας που θα ήταν κατάλληλη για την κωδικοποίηση από την ακολουθία. Για την τεχνική εφαρμόζονται gradient-echo τεχνικές και μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες τόσο σε δυο διαστάσεις όσο και σε τρεις διαστάσεις. Ακολουθεί η κατασκευή τις εξίσωσης συσχέτισης της φάσης με την ταχύτητα. Γνωρίζουμε ότι ένας πυρήνας εκτελεί μετάπτωση με συχνότητα Η φάση του είναι το ολοκλήρωμα της συχνότητας του Εάν εφαρμόσουμε μία βαθμίδα ως προς τον άξονα x τότε η φάση θα δίνεται από την σχέση 18

19 ( ) Για πυρήνες που κινούνται με ταχύτητα υ στον άξονα x η φάση θα υπολογίζεται πλέον από την ( ( ) Εφαρμόζοντας λοιπόν μία απλή βαθμίδα G και χρονικής διάρκειας Τ, η φάση συναρτήσει της ταχύτητας υπολογίζεται [ ] Το γινόμενο GT 2 ονομάζεται και πρώτη στιγμή της βαθμίδας και συμβολίζεται και Μ 1, και συνεπώς η εξίσωση μπορεί να απλοποιηθεί στη σχέση Αν μία δεύτερη βαθμίδα αντίθετης φοράς (-G) και ίδιας χρονικής διάρκειας (Τ) ακολουθήσει την πρώτη τότε η φάση του πυρήνα θα γίνει Επαναλαμβάνοντας την διαδικασία αυτή λαμβάνουμε μία διαφορά φάσης Ορίζοντας την παράμετρο venc (velocity enconding) ως το μέγεθος της ταχύτητας το οποίο παράγει διαφορά φάσης π ή 180 μοίρες τότε καταλήγουμε στην σχέση της ταχύτητας 2.3 CE ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ Αν και η τεχνική εφαρμόζεται σε συνδυασμό με τις TOF και PC ο όρος αναφέρεται περισσότερο στην χρήση γαδολινίου ως σκιαγραφικό για την μείωση του SNR και την αύξηση της αντίθεσης παρά ως μία 19

20 ξεχωριστή τεχνική. Θα μπορούσε να παρομοιαστεί περισσότερο με μία 3D TOF τεχνική, ωστόσο παρουσιάζονται σημαντικές διαφορές όπως η μείωση του χρόνου αποκατάστασης Τ 1 του αίματος όταν γίνεται η χρήση του σκιαγραφικού. Μάλιστα η αντίθεση είναι ανεξάρτητη από θέματα δυναμικής του ρευστού. Με την τεχνική μπορούμε να πάρουμε τρισδιάστατη απεικόνιση μεγάλης περιοχής ενδιαφέροντος. Χρησιμοποιούμε τρισδιάστατες gradient-echo ακολουθίες, με μικρές τιμές για τα TR και TE για την απεικόνιση της περιοχής ενδιαφέροντος που έχει γίνει έγχυση του σκιαγραφικού. 2.4 ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ Οι ψευδενδείξεις στον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό είναι εικόνες οι οποίες δεν αντιστοιχούν σε αληθείς ανατομικές δομές. Γενικά δεν είναι δυνατό να διαχωριστούν εύκολα από τις κανονικές δομές εάν είναι χαμηλής έντασης ακτινοβολίας. Οι ψευδενδείξεις κατηγοριοποιούνται σε τρείς κατηγορίες, κίνησης, τεχνικής και παραμέτρων και εξωγενών παραγόντων ανάλογα με τον τρόπο που δημιουργούνται ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ Ψευδενδείξεις κίνησης εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της κίνησης του ιστού κατά τη διάρκεια της περιόδου απόκτησης δεδομένων. Εκδηλώνονται ως σφάλματα σήματος στην κωδικοποίηση της φάσης, αν και η ειδική εμφάνιση του σφάλματος εξαρτάται από τη φύση της κίνησης και την συγκεκριμένη τεχνική μέτρησης. Οι ψευδενδείξεις προκαλούνται από ιστό που διεγείρεται σε μία θέση και παράγει σήματα που αντιστοιχιστεί σε μια διαφορετική θέση κατά τη διάρκεια της ανίχνευσης. Μία τυπική μαγνητική τομογραφία διεγείρει και ανιχνεύει σήματα από ένα όγκο ιστού πολλές φορές, με τη βαθμίδα κωδικοποίησης φάση (G PE ) να αλλάζει κλίση μετά από κάθε εφαρμογή rf παλμού διέγερσης. Οποιαδήποτε μετρούμενη μεταβολή της έντασης του σήματος από μια μέτρηση στην επόμενη είναι ως αποτέλεσμα της G PE μόνο. Όταν κινείται ο ιστός, τα πρωτόνια είναι σε μία διαφορετική θέση κατά τη στιγμή της ανίχνευσης και δημιουργούν μία διαφορετικού πλάτους βαθμίδα ανάγνωσης (G RO ), συμβάλλοντας μια διαφορετική συχνότητα και φάση για την εν λόγω μέτρηση. Ο μετασχηματισμός Fourier απεικονίζει αυτά τα πρωτόνια σε μια εσφαλμένη θέση κατά 20

21 μήκος της κατεύθυνσης κωδικοποίησης της φάσης στην εικόνα. Σε γενικές γραμμές, κάθε σφάλμα κατά την δόμηση της εικόνας, συμβάλει με μια διαφορετική ποσότητα σφάλματος λόγω κίνησης. Ο μετασχηματισμός Fourier ολόκληρου του συνόλου των μετρήσεων δεν οδηγεί σε ένα μοναδικό σύνολο σφαλμάτων των συχνοτήτων και των 0φάσεων, αλλά σε πολλαπλά σήματα στην κατεύθυνση κωδικοποίησης της φάσεως σε ολόκληρο το FOV ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΚΑΙ ΑΚΟΛΟΥΘΙΩΝ Η κατηγορία αυτή αναφέρεται περισσότερο στις ψευδενδείξεις που δημιουργούνται λόγω τεχνικών πτυχών ή των μεθόδων που ακολουθούνται για την λήψη των αποτελεσμάτων. Τέτοιες είναι: aliasing κατά την οποίο διαλέγοντας μία μικρότερη FOV RO από την ανατομική περιοχή ενδιαφέροντας με αποτέλεσμα την λανθασμένη αντιστοίχιση των συχνοτήτων σε μικρότερες τιμές. ψευδενδείξεις λόγω χημικής σύστασης όπου έχουμε την λανθασμένη καταχώριση του λίπους και του νερού που βρίσκονται στο ίδιο voxel και την αντιστοίχισή τους σε διαφορετικά εικονοστοιχεία κατά την διεύθυνση ανάγνωσης. phase cancellation ψευδενδείξεις όπου τα voxels που περιέχουν λίπος και νερό ταυτόχρονα έχουν επιπλέον παραλλαγές στην ένταση του σήματος κατά την διάρκεια της αποκατάστασης με αποτέλεσμα την λήψη πολύ μικρού σήματος. αποκοπή αντικειμένων που δημιουργούνται από την ανεπαρκή δειγματοληψία της echo με το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα να είναι η διακοπή της συλλογής δεδομένων την χρονική στιγμή που εκπέμπεται ένα σημαντικό σήμα. ψευδενδείξεις συμβολής στις οποίες ανεπιθύμητες εγκάρσιες μαγνητίσεις που δημιουργούνται από τον RF παλμό συμβάλουν στο ανιχνεύσιμο σήμα. ψευδενδείξεις διαφοράς μαγνητικής επιδεκτικότητας στις οποίες λόγω της διαφοράς της μαγνητικής επιδεκτικότητας του υλικού έχουμε απώλειες στο σήμα ανάγνωσης. 21

22 2.4.3 ΨΕΥΔΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ Οι εξωτερικές αντικείμενα που παράγονται από άλλες πηγές πλην των ιστών των ασθενών. Η εμφάνισή τους στις τελικές εικόνες εξαρτάται από τη φύση της πηγής και των συνθηκών μέτρησης. Οι πηγές μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο γενικές κατηγορίες: αυτές που προέρχονται από μια δυσλειτουργία του τομογράφου και αυτές που δεν ανήκουν στην προηγούμενη κατηγορία. Εξαιρούνται από αυτή την ομάδα τα προβλήματα που προκαλούν πλήρη αποτυχία της συλλογής δεδομένων ή της ανακατασκευής της εικόνας. Αυτά είναι: ανομοιογένειες στο στατικό κύριο μαγνητικό πεδίο οι οποίες δημιουργούνται από τα μέταλλα που βρίσκονται σε άμεση γειτνίαση με τον μαγνήτη ή ακόμα και από τον σωματότυπο του ασθενή. λάθη που προέρχονται δυσλειτουργία του ενός ή περισσότερων από τα συστήματα του σαρωτή κατά την διάρκεια της συλλογής των δεδομένων. θόρυβος ο οποίος έχει μία μεγάλη ποικιλία εμφανίσεων και εμφανίζεται ως ένα φιλμ τοποθετημένο πάνω στην ανατομική εικόνα με ή χωρίς διακριτά σχέδια, ή μπορεί να έχει ένα διακριτό μοτίβο. Τα δύο πιο κοινά παραδείγματα των συνεκτικών θορύβων είναι οι αιχμές και εκείνα που προέρχονται από εξωτερικές πηγές. 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ 3.1 ΨΗΦΙΑΚΗ ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ (DSA) Η ψηφιακή αγγειογραφία (DSA) εξακολουθεί να θεωρείται η πιο ακριβής μέθοδος για την εκτίμηση της καρωτιδικής στένωσης. Η DSA είναι μια επεμβατική τεχνική που απαιτεί την παρακέντηση της μηριαίας αρτηρίας και απευθείας ενδοαρτηριακή έγχυση σκιαγραφικού μέσου, συνήθως στις κοινές καρωτίδες. Μπορούν να ληφθούν εικόνες υψηλής ανάλυσης της στένωσης, καθώς και εκτίμηση της δυναμικής ροής, όπως αργή και καθυστερημένη ροή του αίματος. Παράλληλα οι ενδοκρανιακές προβολές μπορούν συνήθως να απεικονίσουν αλλοιώσεις. Η πιο κοινή μέθοδος για την εκτίμηση της αρτηριακής στένωσης είναι χρησιμοποίηση της διαμέτρου υγιούς αρτηρίας ως μέτρο σύγκρισης. Εικόνα 3.1: Ψηφιακή αφαιρετική αγγειογραφία 23

24 Η συμβατική DSA αποτελεί την δισδιάστατη ψηφιακή αγγειογραφία και για την ακριβής απεικόνιση της στένωσης είναι απαραίτητες πολλαπλές προβολές λόγω της μη κυκλικής συμμετρικής ανατομίας. Μολονότι είναι δυνατή η τρισδιάστατη περιστροφική DSA με σύγχρονα μηχανήματα αγγειογραφίας, η έκταση της στένωσης μπορεί να υπερεκτιμηθεί σε σύγκριση με τα αποτελέσματα της συμβατικής DSA, η οποία ως εκ τούτου παραμένει η πρότυπη μέθοδος. Η διαδικασία που συνήθως εφαρμόζεται είναι η λεγόμενη τεχνική της αφαιρετικής μάσκας ή αφαιρετική τεχνική (musk subtraction technique). Κατά την διαδικασία αυτή η λυχνία εκπέμπει ακτινοβολία κατά παλμούς. Κατά αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται διαδοχικές λήψεις της περιοχής που παρουσιάζει διαγνωστικό ενδιαφέρον. Συγχρόνως γίνεται έγχυση ιωδιούχου σκιαγραφικού στον ασθενή (ενδοφλέβια ή ενδοαρτηριακά). Οι αρχικές λήψεις γίνονται χωρίς σκιαγραφικό (πριν αυτό φτάσει στα αγγεία. Οι ενδιάμεσες λήψεις γίνονται με σκιαγραφικό και, οι τελευταίες αφού το σκιαγραφικό έχει αποβληθεί. Τέλος κάθε ξεχωριστή λήψη καταλήγει σε μία εικόνα που ψηφιοποιείται και αποθηκεύεται στις μνήμες της μονάδας ψηφιακής επεξεργασίας. Μέσα σε αυτή την μονάδα γίνεται η αφαίρεση μιας εικόνας που δεν περιέχει σκιαγραφικό από την εικόνα που περιέχει σκιαγραφικό. Η DSA έχει πολλά μειονεκτήματα, είναι επεμβατική, ακριβή, και απαιτεί μια περίοδο ξεκούρασης στο κρεβάτι. Ο κίνδυνος αιματώματος της βουβωνικής χώρας έχει αναφερθεί να είναι μέχρι και 8%, αν και αυτά αιμάτωμα σπάνια προκαλούν σημαντική νοσηρότητα ή καθυστέρηση της εξόδου από το νοσοκομείο. Επιπλέον, η DSA απαιτεί ειδικευμένους χειριστές και ειδικευμένα κέντρα. Αυτή η περιορισμένη προσβασιμότητα γίνεται όλο και ένα περισσότερο πρόβλημα στο να δοθεί η ώθηση για τη θεραπεία ασθενών με παροδικά ισχαιμικά επεισόδια ή ήσσονος σημασίας ραγδαία εγκεφαλικά επεισόδια στις πρώτες εβδομάδες μετά το συμβάν, όταν ο κίνδυνος μετέπειτα αγγειακού εγκεφαλικού επεισοδίου είναι υψηλότερος. Η κύρια ανησυχία για την DSA, ωστόσο, είναι ένας μικρός, αλλά όχι αμελητέος, κίνδυνος νευρολογικών επιπλοκών. Ακόμα και στη σημερινή εποχή, τα ποσοστά των μόνιμων νευρολογικών επιπλοκών πιθανώς ακόμα κυμαίνονται από 0,09 έως 0,50% και εκείνες των παροδικών νευρολογικών επιπλοκών από 0,45 έως 1,90%. Όταν με την DSA γίνεται εξέταση της υποψίας μιας καρωτιδικής στένωσης, τα αποτελέσματα από μερικές μελέτες έχουν δείξει ότι τα ποσοστά επιπλοκών μπορεί, στην πραγματικότητα, να είναι υψηλότερα λόγω της αθηροσκληρωτικής 24

25 νόσου στο αορτικό τόξο και στα εγγύς αγγεία. Στην πιο πρόσφατη και μεγαλύτερη σειρά μέχρι σήμερα, το συνολικό ποσοστό των νευρολογικών επιπλοκών, ωστόσο, ήταν μόνο ελαφρώς υψηλότερα στην υποομάδα με αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο ή καρωτιδική στένωση σε σχέση με το σύνολο του πληθυσμού που μελετήθηκε μελετήθηκε. 3.2 DOPPLER ΥΠΕΡΗΧΟΓΡΑΦΗΜΑ Το Doppler υπερηχογράφημα έχει καθιερωθεί ως ακριβής, μη επεμβατική μέθοδος για την αξιολόγηση της καρωτιδικής στένωσης. Αυτή η τεχνική είναι φθηνή και φορητή, και παρέχει αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με τον εντοπισμό και την έκταση της στένωσης, τη δυναμική της ροής, τη δομή της πλάκας, και τα χαρακτηριστικά του τοιχώματος του αυλού. Αρκετές μελέτες έχουν δείξει την ακρίβεια αυτής της τεχνικής, αλλά επισήμαναν επίσης και τα όριά της: ελευθερία κινήσεων του ηχοβολέα, διανοσοκομειακή φορητότητα, ευαισθησία σε αντικείμενα από ασβεστοποιημένο πλάκες, και η δυσκολία να διακρίνουν ένα υποσύνολο απόφραξης από ένα σύνολο απόφραξης. Επιπλέον, το Doppler υπερηχογράφημα βασίζεται στην προέκταση των αλλαγών στις μετρήσεις της ροής σε μία ανατομική στένωση και δεν παρέχει μια επισκόπηση της αγγειακής ανατομίας και των γύρω δομών. Η στένωση κυρίως βαθμολογείται από την εκτίμηση της Doppler φασματικής κατανομής στην στενωτική περιοχής και στην κοινή καρωτιδική αρτηρία όπου γίνονται συνήθως οι συγκεκριμένες μετρήσεις, όπως είναι η μέγιστη συστολική ταχύτητα, η τελοδιαστολική ταχύτητα, και η μέγιστη συστολική ταχύτητα. Η ακριβή μέτρηση της ταχύτητας ροής εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η ακριβής τοποθέτηση του όγκου της δειγματοληψίας εντός της περιοχής της μεγαλύτερης στένωσης, κατάλληλο μέγεθος των όγκων δειγματοληψίας, την κατάλληλη χρήση γωνιών Doppler, καθώς και σωστή αντιστοίχηση του χρώματος του υπερηχογραφήματος ροής. Οι παράγοντες αυτοί εισάγουν αρκετή μεταβλητότητα μεταξύ των παρατηρητών κατά την αξιολόγηση των καρωτιδική στενώσεων. Το υπερηχογράφημα Doppler είναι αξιόπιστα όταν χρησιμοποιούνται από έμπειρους στην τεχνική αυτή, με ευαισθησίες στο 85-92% και ειδικότητες στο 77-89% όπως έχει αναφερθεί για σοβαρή στένωση σε ορισμένες ανασκοπήσεις, και χρησιμοποιείται ως η 25

26 μοναδική ερευνητική τεχνική σε ορισμένα κέντρα. Σημαντικά είναι τα ποσοστά λανθασμένης εκτίμησης έχουν αναφερθεί σε ορισμένα κέντρα, γι αυτό υπάρχει έλλειψη εμπιστοσύνης όσον αφορά τη χρήση των υπερήχων Doppler ως μοναδική προεγχειρητικής απεικόνισης. Τα χαμηλά ψευδώς αρνητικά ποσοστά του Doppler υπερηχογραφήματος, όμως, το καθιστά ιδανική δοκιμή ελέγχου πριν από τη χρήση ενός τεστ όπως MRA ή αξονικής αγγειογραφίας, και ορισμένα κέντρα το χρησιμοποιούν με αυτό το σκεπτικό. Εικόνα 3.2: Υπερηχογράφημα Doppler. Οι μετρήσεις που λαμβάνονται από την CCA (εικόνα A, η μέγιστη συστολική ταχύτητα και η τελοδιαστολική ταχύτητα) και στην περιοχή της στένωσης ICA (εικόνα B, η μέγιστη συστολική ταχύτητα, και τελοδιαστολική ταχύτητα). Το πηλίκο της μέγιστης συστολικής ταχύτητας δίνεται από την σχέση ICA/CCA. Αυτή είναι μία μέθοδος ποσοτικοποίησης της στένωσης. CCA=common carotid artery. ICA=internal carotid artery 26

27 3.3 CT ΑΓΓΕΙΟΓΡΑΦΙΑ Η CT αγγειογραφία, πραγματοποιείται με σύγχρονα μηχανήματα CT, επιτρέπει την απεικόνιση μέσω της συνεχούς περιστροφικής ακτινολογικής λυχνίας με ταυτόχρονη συνεχή μετακίνηση του τραπεζιού. Η μέθοδος αυτή, με έγχυση ενός παράγοντα αντίθεσης, αποτελεί μία ταχεία εξέταση. Με την πρόσφατη έλευση της τεχνολογίας των πολυτομικών αξονικών τομογράφων μπορεί να ληφθεί γρήγορα στην καθαρή αρτηριακή φάση, υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας και αντίθεσης εικόνες του αυλού των αρτηριών, από το αορτικό τόξο του κύκλου του Willis. Μετά από κατάλληλη επεξεργασία των εικόνων μπορούμε να παράγουμε αγγειογραφικές εικόνες παρόμοιες με εκείνες που παράγονται από DSA και να μετρήσουμε το ποσοστό της στένωσης του αυλού (εικ.8). Τα μειονεκτήματα της CT αγγειογραφίας περιλαμβάνουν δόση ακτινοβολίας και ψευδενδείξεις που προκαλούνται από πλάκες ασβεστίου. Εκτεταμένη πλάκα αποτιτάνωσης, ιδιαίτερα η περιφερειακή, μπορεί να συγκαλύψει μια σαφή εικόνα του αυλού της αρτηρίας και έτσι να επηρεάσει την ακριβή εκτίμηση της έκτασης της στένωσης (εικόνα 3.3). Τα δημοσιευμένα στοιχεία σχετικά με την CT αγγειογραφία για την εκτίμηση ποσοστού στένωσης, ιδιαίτερα των multi-slice CT αγγειογραφιών δεν είναι λίγα, και ακολουθούν το δημοσιευμένο πλούσιο έργο των MRA και υπερηχογραφήματος Doppler. Μερικές μελέτες έχουν προτείνει ότι η έκταση της στένωσης μπορεί να υποτιμηθεί με την CT αγγειογραφία σε σύγκριση με την DSA, αν και αυτό θα μπορούσε να οφείλεται σε περιορισμούς των τεχνικών μετα-επεξεργασίας όπως οι αλγόριθμοι απόδοσης όγκων. Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι, η ευαισθησία της CT αγγειογραφίας κυμαινόταν από 68% έως 84% και η ειδικότητα από 91% έως 97%. Ωστόσο με τη συνεχή βελτίωση της τεχνολογίας, όπως CT διπλής ενέργειας CT, CT 320 τομών, η CT αγγειογραφία είναι πιθανό να γίνει όλο και πιο δημοφιλή, ως η μη επεμβατική τεχνική εκτίμησης μιας στένωσης. Η προσδοκία αυτή οφείλεται κυρίως στην προσβασιμότητα της CT αγγειογραφίας (είναι πιο προσιτή από ό, τι η MRA σε πολλά μέρη του κόσμου), και οι υψηλής ποιότητας ανατομικές εικόνες που παράγονται. Οι εικόνες υψηλής ποιότητας της CT αγγειογραφίας τείνουν να κερδίσουν την εμπιστοσύνη των κλινικών ιατρών και των ακτινολόγων, έτσι ώστε οι αυστηρές συγκριτικές μελέτες με την DSA γενικά να είναι περιττές. Με την αξιοσημείωτη μείωση της χρήσης των DSA σε όλο τον κόσμο, οι μελέτες που συγκρίνουν μη επεμβατικές 27

28 δοκιμές με την DSA είναι λιγότερα συχνό φαινόμενο στην τρέχουσες δημοσιευμένες εργασίες, και, στο μέλλον, αυτές οι συγκρίσεις θα γίνονται όλο και πιο δύσκολο να γίνουν τόσο από πρακτική και ηθική σκοπιά. Εικόνα 3.3: CT αγγειογραφίας Οβελιαία πολυεπίπεδη απεικόνιση (Α) και ανακατασκευή του όγκου (Β) δείχνει αριστερά μέτρια 50% καρωτιδική στένωση (βέλη). Αξονική εικόνα (C) και μέγιστης έντασης προβολής (D) σε έναν διαφορετικό ασθενή παρουσιάζουν εκτεταμένες εναποθέσεις ασβεστίου πλάκας. 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο στόχος της παραγράφου είναι η κατανόηση του περίπλοκου θέματος της ροής του αίματος στα αγγεία. Το αίμα και σχεδόν κάθε βιολογική λειτουργία του ανθρώπινου οργανισμού που περιλαμβάνει ρευστό μπορούν να περιγραφούν με τους νόμους της μηχανικής των ρευστών. 4.1 ΝΕΥΤΩΝΕΙΑ, ΜΗ ΝΕΥΤΩΝΕΙΑ ΚΑΙ ΙΔΑΝΙΚΑ ΡΕΥΣΤΑ Νευτώνεια ρευστά λέμε τα ρευστά τα οποία ικανοποιούν τον πειραματικό νόμο του Newton. Ο νόμος του Newton ορίζει ότι η διατμητική τάση τα είναι ανάλογη της ταχύτητας μεταβολής της γωνιακής παραμορφώσεως δηλαδή ( ) Μη Νευτώνεια ρευστά ονομάζονται όσα ρευστά δεν ακολουθούν τον νόμο του Newton ενώ ιδανικά ρευστά ονομάζουμε εκείνα των οποίων η συνεκτικότητα είναι μηδέν. 4.2 ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΚΑΙ ΜΗ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΡΕΥΣΤΟ Ομογενές ρευστό ονομάζομαι το ρευστό που η σύστασή του αποτελείται από μία χημική ουσία. Πολλές φορές ο αέρας και το νερό σε μακροσκοπική κλίμακα θεωρούνται και αυτά ομογενή ρευστά. Για τον χαρακτηρισμό ενός ρευστού ως ομογενές δεν είναι απαραίτητο ποσότητες όπως η πίεση, η ταχύτητα, η πυκνότητα ή ιδιότητα να είναι ίδιες σε όλη την έκταση του ρευστού αρκεί αυτό να έχει την ίδια σύσταση σε όλη την έκταση του. Μη ομογενές ρευστό είναι εκείνο που περιέχει δύο ή περισσότερα καθορισμένα είδη ρευστών, με ή χωρίς προσμίξεις. 29

30 4.3 ΦΑΣΗ ΡΟΗΣ Φάση ονομάζουμε την κατάσταση της ύλης. Η κατάσταση της ύλης μπορεί να είναι στερεά, υγρή και αέρια. Πολυφασική ροή ονομάζουμε την κατάσταση που έχουμε την ταυτόχρονη ροή και των τριών φάσεων. Διφασική ονομάζουμε την κατάσταση που έχουμε ροή δύο φάσεων και είναι η απλούστερη κατάσταση της πολυφασικής. 4.4 ΡΟΪΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΑΙΜΑΤΟΣ Παρόλο που το πλάσμα είναι Νευτώνειο ρευστό, το ίδιο το αίμα δεν έχει Νευτώνεια συμπεριφορά. Όπως φαίνεται επίσης από τη σύστασή του δεν είναι ούτε ομογενές ρευστό. Το θέμα που απασχολεί ακόμα και σήμερα την επιστημονική κοινότητα είναι πότε μπορεί να θεωρηθεί, με ικανοποιητική προσέγγιση, ότι το αίμα είναι ομογενές και Νευτώνειο ρευστό για συγκεκριμένα προβλήματα ροής. Το ερώτημα αυτό αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον αν σκεφτεί κανείς ότι το σύνολο των γνώσεων που έχουμε για την δυναμική ροής του αίματος δημιουργήθηκε αρχικά υποθέτοντας πως έχει Νευτώνεια συμπεριφορά. Δεν υπάρχει αμφιβολία πάντως ότι σε ακραίες καταστάσεις ροής όπου παράγονται ασυνήθιστα μεγάλες βαθμίδες ταχύτητας, όπως κατά την διάρκεια ατυχημάτων και καταδύσεων, πρέπει να ληφθεί υπόψη η πραγματική μη Νευτώνεια συμπεριφορά του. Το καθοριστικό κριτήριο για το αν μπορεί, με ικανοποιητική ακρίβεια, να υποτεθεί Νευτώνεια συμπεριφορά φαίνεται ότι είναι η γεωμετρία καθώς και οι βαθμίδες ταχύτητας που εμφανίζονται σε κάθε πρόβλημα ροής. Για παράδειγμα, το αίμα δεν μπορεί να θεωρηθεί ομογενές ρευστό στις μικρές αρτηρίες γιατί τότε η διάμετρος και η απόσταση των ερυθρών αιμοσφαιρίων είναι συγκρίσιμες με την διάμετρο των αρτηριών. Ειδικά του ερυθρού αιμοσφαιρίου, Τα ερυθρά αιμοσφαίρια έχουν την ιδιότητα να παραμορφώνονται και η μοντελοποίηση τα λαμβάνει ως ανεξάρτητα στερεά σώματα μέσα στο πλάσμα με συγκεκριμένες ιδιότητες. Γενικά σε αρτηρίες οι οποίες ξεπερνούν τα 100 μm, το αίμα μπορεί να θεωρηθεί ομογενές επειδή η κλίμακα της ροής του ρευστού είναι πολύ μικρότερη από αυτή της ροής. Ανάλογα λοιπόν με το πρόβλημα ροής αίματος και τις μηχανικές ιδιότητες που μελετώνται, το αίμα έχει μοντελοποιηθεί ως μη Νευτώνειο, μικροπολικό ή διφασικής ροής. Για μέτριες τιμές της ταχύτητας παραμόρφωσης, όπως αυτές στην ροή μεγάλης αρτηρίας, η 30

31 Νευτώνεια συμπεριφορά είναι μια καλά προσέγγιση και έχει χρησιμοποιηθεί ακόμα και σε πιο σύνθετες γεωμετρίες όπως αυτή αρτηριών με στένωση, με ελλειπτική διατομή, καμπυλωμένων, καθετηριασμένων με στένωση, μ διαδοχικές στροφές, με τρισδιάστατες διακλαδώσεις, καθώς και σε άλλα τρισδιάστατα μοντέλα. Επίσης, εκτός από τις παραπάνω μελέτες έχει μελετηθεί ειδικά η επίδραση της διαμέτρου ενός σωλήνα (αρτηρία) και του αιματοκρίτη στο ιξώδες του αίματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι για διαμέτρους πάνω από 1mm το ιξώδες του αίματος είναι ανεξάρτητο από την διάμετρο, ενώ για διαμέτρους μικρότερες από 1mm υπάρχει ισχυρή εξάρτηση από την διάμετρο και το ιξώδες μεταβάλλεται μη γραμμικά με τον αιματοκρίτη. Αν εξαιρέσει κανείς τις διαστάσεις των τριχοειδών αγγείων, στις περισσότερες περιπτώσεις του αίματος οι γεωμετρικές διαστάσεις (διάμετρος) της ροής είναι μεγαλύτερες του 1mm, οπότε το ιξώδες του αίματος θεωρείται ανεξάρτητο της διαμέτρου. Στο κατώτερο πίνακα δίνονται η διάμετρος και η μέση ταχύτητα ροής του αίματος για διάφορες τιμές διαμέτρων αγγείων του ανθρώπινου σώματος. Πίνακας 4.1: Διάμετρος και ταχύτητα ροής αγγείων Υποθέτοντας επίσης το απλοποιημένο μοντέλο ροής σε σωλήνα, για να προσομοιωθεί η ροή του αίματος στις αρτηρίες του ανθρώπινου σώματος, και σταθερή χρονικά ροή, για σωλήνα διαμέτρου 2.0 cm (μεγάλη αρτηρία) με μέση ταχύτητα ροής 0.4 m/s συνεπάγεται ότι για πυκνότητα ρ=1050 kgr/m 3 και ιξώδες μ=0.004 kgr/msec ο αριθμός Reynolds της ροής είναι περίπου Ο αριθμός αυτός είναι μικρότερος από τον κρίσιμο αριθμό Reynolds για τέτοιου είδους ροή ο οποίος είναι το λιγότερο Κατά συνέπεια, η ροή μπορεί να θεωρηθεί στρωτή κάτι που και στην πραγματικότητα, εκτός από κάποιο κομμάτι αορτής κοντά στην καρδιά, φαίνεται να ισχύει. 31

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΚΑΡΔΙΑΓΓΕΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 5.1 ΚΑΡΔΙΑΓΓΕΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΑΙΜΑΤΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ Ο ανθρώπινος οργανισμός αποτελείται κατά το 60% του βάρους του από νερό. Το νερό αυτό διανέμεται σε τρία κύρια διαμερίσματα, το ενδοκυττάριο, το διάμεσο και το πλάσμα. Τα δύο τρίτα του νερού του ανθρώπινου οργανισμού περιέχονται μέσα στα κύτταρα και επικοινωνούν με τα διάμεσα υγρά μέσω των μεμβρανών πλάσματος των κυττάρων. Από το εξωκυττάριο υγρό μόνο ένα μικρό μέρος από αυτό, το πλάσμα, επικοινωνεί με το καρδιαγγειακό σύστημα. Το αίμα αποτελείται από το πλάσμα και κατά κύριο λόγο από τα ερυθρά κύτταρα. Μέσω του αίματος μεταφέρονται όλα τα απαραίτητα συστατικά για την λειτουργία του κυττάρου. Στο σχήμα βλέπουμε την γενική λειτουργία του καρδιαγγειακού συστήματος Η εικόνα μας δείχνει μία λειτουργική απεικόνιση του καρδιαγγειακού συστήματος με την καρδιά να εμφανίζεται τρία μέρη, στη δεξιά κυκλοφορία, στην αριστερή κυκλοφορία και στην κυκλοφορία του μυοκαρδίου. Η δεξιά κυκλοφορία είναι γνωστή και ως πνευμονική κυκλοφορία και οποία περιλαμβάνει την κυκλοφορία του αίματος από την καρδία στους πνεύμονες. Η αριστερή κυκλοφορία λέγεται και συστηματική κυκλοφορία και περιλαμβάνει την κυκλοφορία του αίματος από την καρδιά στα όργανα εκτός των πνευμόνων. Η πνευμονική και η συστηματική κυκλοφορία είναι δύο διαδοχικές λειτουργίες γι αυτό το λόγο η ποσότητα του αίματος που αντλείται πρέπει να είναι ίδια κάθε φορά. Το ποσό αυτό ονομάζεται καρδιακή παροχή. Μία φυσιολογική ροή σε ηρεμία είναι περίπου 5-6 L/min. Από την εικόνα παρατηρούμε πως όλα τα συστημικά όργανα είναι διατεγμένα όλα παράλληλα εντός του καρδιαγγειακού συστήματος. Για την διάταξη αυτή συμβαίνει για δύο λόγους. Πρώτον γιατί έτσι όλα τα συστηματικά όργανα λαμβάνουν οξυγονωμένο αίμα το οποίο ονομάζεται αρτηριακό αίμα. Δεύτερον γιατί η ροή του αίματος κάθε οργάνου είναι ανεξάρτητη από την ροή στα άλλα όργανα. Για παράδειγμα, μπορεί η άσκηση να αυξάνει την ροή σε κάποια όργανα αλλά μειώνεται σε άλλα. 32

33 Εικόνα 5.1: Καρδιαγγειακή κυκλοφορία Αρκετά όργανα βοηθούν στην συνεχή συντήρηση του αίματος στο καρδιαγγειακό σύστημα. Αυτά τα όργανα επικοινωνούν με το περιβάλλον όπως για παράδειγμα οι πνεύμονες. Μπορούμε να παρατηρήσουμε στην εικόνα πως το αίμα το οποίο φεύγει από τα συστηματικά όργανα επιστρέφει στην δεξιά καρδία και από εκεί αντλείται στους πνεύμονες για την οξυγόνωσή του και την αποβολή του διοξειδίου του άνθρακα. Σαν τους πνεύμονες λειτουργούν και άλλα όργανα είναι υπεύθυνα για την αποκατάσταση της σύνθεσης του αίματος. Για παράδειγμα οι νεφροί είναι υπεύθυνοι για την ρύθμιση της ισορροπίας των ηλεκτρολυτών στο αίμα καθώς αυτό κυκλοφορεί μέσα από αυτό ή το δέρμα που είναι υπεύθυνο για την θερμική ισορροπία του ανθρώπινου οργανισμού. Στα όργανα που η κυκλοφορία επικεντρώνεται στον καθαρισμό του αίματος, η ροή του για αυτή την διαδικασία είναι μεγαλύτερη από την ροή που στόχο έχει την κάλυψη των μεταβολικών του αναγκών. Ο εγκέφαλος, το μυοκάρδιο, και οι σκελετικοί μύες είναι όργανα στα οποία το αίμα ρέει κατά κύριο λόγο για την κάλυψη των 33

34 μεταβολικών τους αναγκών. Δεν καθαρίζουν το αίμα για την χρήση του από άλλα όργανα. Ο εγκέφαλος και το μυοκάρδιο έχουν ελαφρώς μεγαλύτερη κυκλοφορία αίματος από αυτή που είναι απαραίτητη για τις μεταβολικές τους ανάγκες και σε καμία περίπτωση δεν ανέχονται διακοπή στην ροή του αίματος. Το μυοκάρδιο καταναλώνει τον75% του οξυγόνου που παρέχεται σε αυτό και σε πιθανή διακοπή της στεφανιαίας ροής μπορεί να προκαλέσει σημαντικές επιπλοκές. Η παροχή του εγκεφάλου και της καρδιά είναι υψίστης προτεραιότητας για το καρδιαγγειακό σύστημα. 5.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΑΙΜΑΤΙΚΗΣ ΡΟΗΣ Η σωστή καρδιαγγειακή κυκλοφορία απαιτεί την συνεχή ροή αίματος σε όλα τα αγγεία. Για ένα φυσιολογικό άτομα σε ηρεμία αυτό υπολογίζεται σε 5 L/min. Στην καθημερινότητα όμως, οι δραστηριότητες του ανθρώπου μεταβάλουν από στιγμή σε στιγμή την αιματική ροή στα όργανα ανάλογα με τις μεταβολικές του ανάγκες. Το καρδιαγγειακό σύστημα πρέπει να ελέγχει κάθε φορά την καρδιακή παροχή αλλά και το πώς αυτό διανέμεται στα όργανα. Για την καλύτερη κατανόηση της αιματική ροής μπορούμε να την παρομοιάσουμε με την ροή ενός ρευστού σε κυλινδρικό αγωγό. Όπως παρατηρούμε στην εικόνα ο κυλινδρικός αγωγός θα μπορούσε να είναι οποιοδήποτε αγγείο του σώματος. Έχει μήκος L και ακτίνα r και μέσα από αυτόν ρέει το ρευστό. Η ροή επιτυγχάνεται μόνο όταν η διαφορά πίεσης ( ) στην είσοδο και στην έξοδο είναι διάφορη του μηδενός. Λόγω της τριβής που αναπτύσσεται μεταξύ του ρευστού και των τοιχωμάτων, τα τοιχώματα ανθίστανται στην κίνηση του ρευστού. Αυτή η καρδιακή αντίσταση είναι μέτρο του πόσο εύκολα μπορεί να εκτελέσει την κίνησή του το ρευστό στο σωλήνα για μία συγκεκριμένη διαφορά πίεσης. Η βασική εξίσωση της ροής μπορεί να δώσει σχετικές πληροφορίες όχι μόνο για έναν κυλινδρικό αγωγό αλλά και για το κυκλοφοριακό σύστημα των οργάνων, ακόμα και ολόκληρης της συστηματικής κυκλοφορίας. Για παράδειγμα η κυκλοφορία του αίματος στον εγκέφαλο είναι αποτέλεσμα της διαφοράς πίεσης. Όπως παρατηρούμε η ροή είναι ανάλογη της διαφοράς πίεσης και αντιστρόφως ανάλογη της αντίστασης. Κατά κύριο λόγο οι 34

35 αυξομειώσεις της ροής στα αγγεία οφείλονται στις αντιστάσεις των αγγείων. Εικόνα 5.2: Ροή σε αγγείο Η σχέση μεταξύ της ροής, της διαφορά πίεσης και της αντίστασης δίνεται από την σχέση όπου Q είναι η ροή, ΔΡ η διαφορά πίεσης και R η αντίσταση της ροής. Η αντίσταση των αγγείων οφείλεται σε πολλούς παράγοντες όπως το μήκος, την ακτίνα και το ιξώδες. Η σχέση που συνδέει τα μεγέθη είναι η όπου L είναι μήκος του αγγείου, r η ακτίνα του και η το ιξώδες του αίματος. Σημαντικό να παρατηρήσουμε είναι πως η ακτίνα του αγγείου είναι υψωμένη στη τέταρτη δύναμη. Ακόμα και μικρές αλλαγές στην ακτίνα του αγγείου προκαλούν μεγάλες αλλαγές στην ροή του αίματος. Οι παραπάνω εξισώσεις μπορούν να συνδυαστούν μέσω του νόμου του Poiseuille ο οποίος περιλαμβάνει όλα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του αγγείου και δίνεται από την σχέση Και σε αυτή την σχέση παρατηρούμε την εξάρτηση της ροής από την διαφορά πίεσης. Συνοψίζοντας μπορούμε να καταλήξουμε στο ότι η κυκλοφορία του αίματος στα όργανα είναι αποτέλεσμα της διαφοράς 35

36 πίεσης μεταξύ των αρτηριών και των φλεβών. Η κύρια λειτουργία της καρδιάς είναι να διατηρεί αυτή την διαφορά πίεσης σε ικανοποιητικό βαθμό ανάλογα με τις μεταβολικές ανάγκες. Υπό φυσιολογικές συνθήκες ο μέσος όρος της πίεσης στις συστηματικές αρτηρίες είναι στα 100 mm Hg ενώ η πίεση στις συστηματικές φλέβες φτάνει τα 0 mm Hg. Συνεπώς, επειδή η διαφορά πιέσεως ΔΡ είναι ταυτόσημη σε όλα τα συστηματικά όργανα, η καρδιακή παροχή είναι κατανεμημένη στα συστηματικά όργανα βάση των αντιστάσεων της ροής. Επειδή το αίμα ρέει κατά μήκος της διαδρομής με την μικρότερη αντίσταση, όργανα με σχετικά χαμηλή αντίσταση λαμβάνουν σχετικά υψηλή ροή. 5.3 Η ΚΑΡΔΙΑ Η καρδία βρίσκεται στο κέντρο της θωρακικής κοιλότητας στην μέσα σε ένα ινώδη σάκο που ονομάζεται περικάρδιο. Μία μικρή ποσότητα του υγρού στο σάκο λιπαίνει την επιφάνεια της καρδιάς και του επιτρέπει να κινείται ελεύθερα κατά τη διάρκεια της συστολής και της χαλάρωσης. Η ροή του αίματος μέσω όλων των οργάνων είναι παθητική και συμβαίνει μόνο επειδή η αρτηριακή πίεση διατηρείται υψηλότερη από την φλεβική πίεση. Η δεξιά καρδιακή αντλία παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για να κινηθεί το αίμα μέσω των πνευμονικών αγγείων, και η αριστερή καρδιακή αντλία παρέχει την ενέργεια για να κινηθεί το αίμα μέσω των συστηματικών οργάνων. Η ποσότητα του αίματος που εξωθείται ανά λεπτό δηλαδή η καρδιακή παροχή (cardiac output, CO) εξαρτάται από τον όγκο παλμού (stroke volume, SV) και από τον αριθμό των παλμών (heart rate HR) με την σχέση να είναι η ( ) ( ) ( ) Όλη διαδικασία άντλησης της καρδιάς βρίσκεται στην εικόνα. Το φλεβικό αίμα επιστρέφει από τα συστηματικά όργανα στον δεξιό κόλπο της καρδιάς μέσω των άνω και κάτω κοίλων φλεβών. Διέρχεται μέσω της τριγλώχινας βαλβίδας στη δεξιά κοιλία και από εκεί αντλείται μέσω της πνευμονικής βαλβίδας στην πνευμονική κυκλοφορία ή αλλιώς μικρή κυκλοφορία μέσω των πνευμονικών αρτηριών. Το οξυγονωμένο αίμα από τους πνεύμονες ρέει μέσω των πνευμονικών φλεβών στον αριστερό κόλπο και περνά διαμέσου της μιτροειδούς βαλβίδας εντός της αριστερής κοιλίας. Από εκεί αντλείται μέσω της αορτικής βαλβίδας 36

37 εντός της αορτής και θα διανεμηθεί στα όργανα της συστηματικής κυκλοφορίας. Αν και η ανατομία της δεξιάς αντλίας της καρδιάς είναι κάπως διαφορετική από την αριστερή αντλία της καρδιάς, οι αρχές άντλησης είναι ίδιες. Κάθε αντλία αποτελείται από μία κοιλία, η οποία είναι ένας κλειστός θάλαμος που περιβάλλεται από ένα μυϊκό τοίχωμα, όπως απεικονίζεται παρακάτω. Εικόνα 5.3: Καρδιακή άντληση Οι βαλβίδες είναι κατασκευασμένες έτσι, ώστε να επιτρέπουν τη ροή σε μία μόνο κατεύθυνση και να ανοίγουν και κλείνουν παθητικά σε απόκριση προς την κατεύθυνση των διαφορών πίεσης. Κοιλιακή δράση άντλησης παρουσιάζεται επειδή ο όγκος του θαλάμου ενδοκοιλιακής κυκλικά αλλάζει ρυθμικά και συντονισμένα λόγο της συστολής και της χαλάρωσης των μυϊκών κυττάρων του κοιλιακού τοιχώματος. Όταν τα κύτταρα του κοιλιακού μυός είναι συστέλλονται, δημιουργούν μία περιφερειακή τάση των κοιλιακών τοιχωμάτων που προκαλεί την αύξηση της πίεσης εντός του θαλάμου. Μόλις η κοιλιακή πίεση υπερβαίνει την πίεση της πνευμονικής αρτηρίας (δεξιά αντλία) ή αντίστοιχα της αορτής (αριστερή αντλία), το αίμα ωθείται έξω από τον θάλαμο διαμέσου της βαλβίδας εξόδου (της πνευμονικής ή της αορτικής) όπως δείχνεται στο Σχήμα. Αυτή η φάση του καρδιακού κύκλου κατά την οποία τα κύτταρα του κοιλιακού μυός είναι συσταλμένα ονομάζεται συστολή. Επειδή η πίεση είναι μεγαλύτερη στην κοιλία από ό, τι στον κόλπο κατά τη διάρκεια της συστολής, η 37

38 είσοδος ή η κολποκοιλιακή (atrioventricular AV) βαλβίδα (δηλαδή η τριγλώχινα ή η μιτροειδή) είναι κλειστή. Όταν τα κύτταρα του κοιλιακού μυός είναι σε χαλάρωση, η πίεση στην κοιλία μειώνεται κάτω από εκείνη στο εξωτερικό της μέρος, η κολποκοιλιακή βαλβίδα ανοίγει, και η κοιλία ξαναγεμίζει με αίμα, όπως φαίνεται στο δεξί μέρος του Σχήματος. Αυτό το τμήμα του καρδιακού κύκλου ονομάζεται διαστολή. Η βαλβίδα εξαγωγής είναι κλειστή κατά τη διάρκεια της διαστολής, επειδή αρτηριακή πίεση είναι μεγαλύτερη από ενδοκοιλιακή πίεση. Μετά την περίοδο της διαστολικής πλήρωσης, ξεκινά η συστολική φάση ενός νέου καρδιακού κύκλου. 5.4 ΤΟ ΑΓΓΕΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Το αίμα που διοχετεύεται εντός της αορτής από την αριστερή καρδιά περνάει διαδοχικά από πολλούς διαφορετικούς τύπους αγγείων προτού επιστρέφει στην δεξιά καρδιά. Όπως απεικονίζεται στο Σχήμα, οι κύριες κατηγορίες των αγγείων είναι οι αρτηρίες, τα αρτηρίδια, τα τριχοειδή αγγεία, τα φλεβίδια και οι φλέβες. Αυτές οι κατηγορίες αγγείων διακρίνονται μεταξύ τους από τις διαφορές στις φυσικές διαστάσεις, τα μορφολογικά χαρακτηριστικά τους και τη λειτουργία τους. Ένα κοινό που έχουν τα αιμοφόρα αγγεία είναι ότι αυτά είναι επενδεδυμένα με μια στρώση ενδοθηλιακών κυττάρων. Στην πραγματικότητα, αυτό παρατηρείται σε ολόκληρο το σύστημα του κυκλοφορικού, συμπεριλαμβανομένων των θαλάμων της καρδιάς και ακόμη και τις βαλβίδες. Εικόνα 5.4: Χαρακτηριστικά αγγείων 38

39 Μερικά αντιπροσωπευτικά φυσικά χαρακτηριστικά φαίνονται στο Σχήμα για καθεμία από τις κυριότερες κατηγορίες αγγείων. Θα πρέπει να γίνει κατανοητό, ωστόσο, ότι το αγγειακό σύστημα είναι συνεχές και ότι η μετάβαση από το ένα είδος της αγγειακής τμήμα στο άλλο δεν συμβαίνει απότομα. Το συνολικό εμβαδόν της διατομής, διαμέσου της οποίας ρέει το αίμα σε οποιοδήποτε επίπεδο στο αγγειακό σύστημα, είναι ίσο με το άθροισμα των εμβαδών των επιμέρους διατομών όλων των μεμονωμένων αγγείων, διατάσσοντάς τα παράλληλα σε αυτό το επίπεδο. Ο αριθμός και η συνολική διατομή, για το σύνολο της συστηματικής κυκλοφορίας κάθε περιοχής, παρουσιάζονται στο Σχήμα. Οι αρτηρίες έχουν παχιά τοιχώματα που περιέχουν, εκτός από κάποιους λείους μύες, ένα μεγάλο μέρος ελαστίνης και ινών κολλαγόνου. Κυρίως λόγω των ινών ελαστίνης, μπορούν να επιμηκυνθούν στο διπλάσιο μήκος τους, και να αποθηκεύσουν προσωρινά λίγο από το αίμα που αντλείται από την καρδιά κατά τη διάρκεια της συστολής και στη συνέχεια, με παθητική ανάκρουση, να εφοδιάζουν αυτό το αίματος προς τα όργανα κατά τη διάρκεια της διαστολής. Η αορτή είναι η μεγαλύτερη αρτηρία και έχει ένα εσωτερικό αυλό διαμέτρου περίπου 25 mm. Η αρτηριακή διάμετρος μειώνεται με κάθε διαδοχική διακλάδωση, με τις μικρότερες αρτηρίες να έχουν διάμετρο περίπου 0,1 mm. Το διαδοχικό αρτηριακή μοτίβο διακλάδωσης προκαλεί μια εκθετική αύξηση στον αριθμό των αρτηριών. Έτσι, ενώ τα αγγεία προοδευτικά γίνονται μικρότερα, η συνολική διαθέσιμη επιφάνεια διατομής για τη ροή του αίματος μέσα στο αρτηριακό σύστημα γίνεται μεγαλύτερη πολλές φορές από αυτή στην αορτή. Οι αρτηρίες αναφέρονται συχνά ως αγγεία αγωγοί επειδή έχουν σχετικά χαμηλή και αμετάβλητη αντίσταση στη ροή. Τα αρτηρίδια είναι μικρότερα και με διαφορετική δομή από τις αρτηρίες. Σε αναλογία για το μέγεθος του αυλού, τα αρτηρίδια έχουν πολύ παχύτερα τοιχώματα με πιο λείο μυ και λιγότερο ελαστικό υλικό από τις αρτηρίες. Επειδή τα αρτηρίδια είναι τόσο μυώδης, οι διάμετροι τους μπορούν να αλλάξουν τη ροή του αίματος στα περιφερειακά όργανα. Παρά το μικρό τους μέγεθος, τα αρτηρίδια είναι τόσο πολυάριθμα, που το συλλογικό εμβαδόν της διατομής τους είναι πολύ μεγαλύτερο από ότι σε οποιοδήποτε επίπεδο των αρτηριών. Τα αρτηρίδια συχνά αναφέρονται ως αγγεία αντίστασης λόγω της υψηλής 39

40 και μεταβαλλόμενης αντίστασή τους, η οποία ρυθμίζει την περιφερική ροή αίματος στα μεμονωμένα όργανα. Τα τριχοειδή είναι τα μικρότερα αγγεία στο αγγειακό σύστημα. Στην πραγματικότητα, τα ερυθρά αιμοσφαίρια με διαμέτρους περίπου 7 μm πρέπει να παραμορφωθούν για να περάσει μέσα από αυτά. Το τριχοειδές τοίχωμα αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ενδοθηλιακών κυττάρων, το οποίο διαχωρίζει το αίμα από το διάμεσο υγρό κατά 1 μm περίπου. Τριχοειδή δεν περιέχουν λείους μύες και ως εκ τούτου δεν έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν την διάμετρο τους ενεργά. Είναι τόσο πολλά ώστε η συνολική επιφάνεια διατομής όλων των τριχοειδών στα συστημικά όργανα είναι φορές μεγαλύτερη από εκείνη της ρίζας της αορτής. Δεδομένου ότι τριχοειδή είναι περίπου 0,5 mm σε μήκος, το συνολικό εμβαδόν επιφανείας που διατίθεται για την ανταλλαγή της ύλης μεταξύ αίματος και διάμεσου υγρού μπορεί να υπολογιστεί να υπερβαίνει τα 100 m 2. Για προφανείς λόγους, τα τριχοειδή θεωρούνται ως αγγεία ανταλλαγής του καρδιαγγειακού συστήματος. Εκτός από την διάχυση των διαλυμένων ουσιών που συμβαίνει στα τοιχώματα τους, μπορεί μερικές φορές να έχουμε μερικές φορές καθαρές κινήσεις ουσιών εντός και εκτός των τριχοειδών αγγείων. Για παράδειγμα, η διόγκωση των ιστών (οίδημα) είναι αποτέλεσμα της καθαρής κίνησης ρευστού από το πλάσμα στο διάμεσο χώρο. Μετά από τα τριχοειδή αγγεία, το αίμα συλλέγεται στα φλεβίδια και τις φλέβες και επιστρέφει στην καρδιά. Τα φλεβικά αγγεία έχουν πολύ λεπτά τοιχώματα σε αναλογία με τις διαμέτρους τους. Τα τοιχώματά τους περιέχουν λείες μυϊκές ίνες και οι διάμετροι των φλεβικών αγγείων μπορούν ενεργά να αλλάξουν. Λόγω των λεπτών τοιχωμάτων τους, τα φλεβικά αγγεία είναι αρκετά εύκαμπτα. Συνεπώς, οι διάμετροι τους αλλάζουν παθητικά σαν αποτέλεσμα των μικρών αλλαγών των διατοιχωματικών πιέσεων (δηλ., η διαφορά μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών πιέσεων κατά μήκος του τοιχώματος του αγγείου). Τα φλεβικά αγγεία, ιδιαίτερα τα μεγαλύτερα, έχουν επίσης μονόδρομες βαλβίδες που εμποδίζουν την αντίστροφη ροή του αίματος. Αυτές οι βαλβίδες είναι ιδιαίτερα σημαντικές στη λειτουργία του καρδιαγγειακού συστήματος κατά τη διάρκεια της ηρεμίας και κατά τη διάρκεια της άσκησης. Αποδεικνύεται ότι τα περιφερειακά φλεβίδια και οι φλέβες, περιέχουν περισσότερο από 50% του συνολικού όγκου του αίματος. Συνεπώς, είναι μπορούν να ονομαστούν και ως αγγεία χωρητικότητας. Ακόμη πιο σημαντικό, είναι οι αλλαγές στον φλεβικό όγκο επηρεάζουν σημαντικά την καρδιακή πλήρωση και επομένως την 40

41 καρδιακή άντληση. Έτσι, οι περιφερειακές φλέβες παίζουν πραγματικά ένα πολύ σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της καρδιακής εξόδου. 5.5 ΤΟ ΑΙΜΑ Το αίμα είναι ένα σύνθετο υγρό που χρησιμεύει κατά κύριο λόγο ως μέσο για τη μεταφορά ουσιών μεταξύ των ιστών του σώματος. Υπό φυσιολογικές συνθήκες περίπου το 40% του όγκου του αίματος καταλαμβάνεται από τα κύτταρα του αίματος που αιωρούνται στο πλάσμα, το οποίο αντιπροσωπεύει το υπόλοιπο του όγκου. Το κλάσμα του όγκου του αίματος που καταλαμβάνεται από τα κύτταρα είναι μία κλινικά σημαντική παράμετρος που ονομάζεται ο αιματοκρίτης: 5.6 ΑΙΜΟΣΦΑΙΡΙΑ Το αίμα περιέχει τρεις γενικούς τύπους σωματιδίων: τα ερυθρά αιμοσφαίρια, τα λευκά αιμοσφαίρια και τα αιμοπετάλια. Όλα σχηματίζονται στο μυελό των οστών από ένα κοινό βλαστοκύτταρο. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια (ή ερυθροκύτταρα) είναι μακράν τα πιο άφθονα. Είναι εξειδικευμένα για να μεταφέρουν οξυγόνο από τους πνεύμονες σε άλλους ιστούς με δέσμευση του οξυγόνου από την αιμογλοβίνη, μία σίδηρο-αιμοπρωτεΐνη συμπυκνωμένη μέσα στα ερυθρά κύτταρα του αίματος. Λόγω της παρουσίας της αιμογλοβίνης, το αίμα μπορεί να μεταφέρει από 50 έως 60 φορές την ποσότητα του οξυγόνου στο πλάσμα. Επιπλέον, το ιόν υδρογόνου της αιμογλοβίνης είναι ζωτικής σημασίας για την ικανότητα του αίματος να μεταφέρει το διοξείδιο του άνθρακα. Ένα μικρό, αλλά σημαντικό ποσοστό των κυττάρων στο αίμα είναι λευκά αιμοσφαίρια ή λευκοκύτταρα. Λευκοκύτταρα εμπλέκονται σε ανοσολογικές διαδικασίες και έχουν συγκεκριμένους ρόλους όπως υποδεικνύεται στην εικόνα 5.5. Τα αιμοπετάλια είναι μικρά θραύσματα κυττάρου που έχουν σημαντικές ιδιότητες για τη διαδικασία πήξης του αίματος. 41

42 Εικόνα 5.5: Λευκοκύτταρα 5.7 ΤΟ ΠΛΑΣΜΑ Το πλάσμα είναι το υγρό συστατικό του αίματος και, όπως υποδεικνύεται στον Πίνακα, είναι ένα σύνθετο διάλυμα ηλεκτρολυτών και πρωτεϊνών. Ο ορός είναι το υγρό που λαμβάνεται από ένα δείγμα αίματος αφού έχει πήξει. Για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, η σύνθεση του ορού είναι πολύ παρόμοια με εκείνη του πλάσματος εκτός του ότι περιέχει καμία από τις πρωτεΐνες της θρόμβωσης. Οι ανόργανοι ηλεκτρολύτες (ιόντα όπως νάτριο, κάλιο, χλωρίδιο, και δυανθρακικό) είναι οι πιο συμπυκνωμένες διαλυμένες ουσίες στο πλάσμα. Από αυτά, το νάτριο και το χλώριο είναι κατά πολύ άφθονα και, συνεπώς, είναι κατά κύριο λόγο υπεύθυνα για την κανονική ωσμωτικότητα του πλάσματος των περίπου 300 mosm / L. Σε μία πρώτη προσέγγιση, το πλάσμα είναι ένα 150-mΜ διάλυμα χλωριούχου νατρίου. Ένα τέτοιο διάλυμα ονομάζεται ισοτονικός αλατούχος ορός και έχει πολλές κλινικές χρήσεις ως ένα ρευστό το οποίο είναι συμβατό με τα κύτταρα. Το πλάσμα περιέχει συνήθως πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες. Οι περισσότερες πρωτεΐνες του πλάσματος μπορούν να ταξινομηθούν ως αλβουμίνες, γλοβουλίνες, ή ινωδογόνου βάσει των διαφορετικών φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών που χρησιμοποιούνται το διαχωρισμό τους. Περισσότερες από 100 διαφορετικές πρωτεΐνες του πλάσματος έχουν ταυτοποιηθεί και η καθεμία εξυπηρετεί πιθανώς κάποια συγκεκριμένη λειτουργία. Πολλές πρωτεΐνες του πλάσματος 42

43 εμπλέκονται στην πήξη του αίματος και στην ανοσολογική άμυνα. Πολλές άλλες πρωτεΐνες είναι σημαντικές φορείς για μία ποικιλία ουσιών, συμπεριλαμβανομένων των λιπαρών των οξέων, του σίδηρο, του χαλκό, και ορισμένων ορμονών. Οι πρωτεΐνες δεν διασχίζουν εύκολα τα τριχοειδή τοιχώματα και, σε γενικές γραμμές, οι συγκεντρώσεις τους στο πλάσμα είναι πολύ μεγαλύτερες από τις συγκεντρώσεις τους στο διάμεσο υγρό. Οι πρωτεΐνες παίζουν ένα σημαντικό ρόλο στην οσμωτική κίνηση του ρευστού και έτσι στη κατανομή του εξωκυττάριου όγκου μεταξύ του πλάσματος και των διάμεσων διαμερισμάτων. Η αλβουμίνη παίζει έναν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο από αυτή την άποψη απλώς και μόνο επειδή είναι κατά πολύ το πλέον άφθονο από τις πρωτεΐνες του πλάσματος. Το πλάσμα χρησιμεύει επίσης ως το όχημα για τη μεταφορά θρεπτικών ουσιών και των αποβλήτων προϊόντων. Έτσι, ένα δείγμα πλάσματος περιέχει πολλά μικρά οργανικά μόρια όπως γλυκόζη, αμινοξέα, ουρία, κρεατινίνη, ουρικό οξύ και του οποίου οι μετρούμενες τιμές είναι χρήσιμα στην κλινική διάγνωση. 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Για τις μετρήσεις τις εργασίας χρησσιμοποιήθηκε ένας 1,5 Tesla σαρωτής (Intera 1.5T, Philips Medical Systems, Best, the Netherlands) του Π.Γ.Ν. Αττικό (Β Εργαστήριο Ακτινολογίας). Η πειραματική διάταξη είναι ένα ομοίωμα αιματικής κυκλοφορίας που αποτελείται από μία αντλία με διάφραγμα θετικού εκτοπίσματος, σωλήνα PVC ως κύριο σωλήνα τροφοδοσίας και τρεις γυάλινοι σωλήνες ειδικής επεξεργασίας ώστε να σχηματίζουν στένωση σε τυχαίο σημείο στην έκτασή τους. 6.1 Η ΑΝΤΛΙΑ Η αντλία που χρησιμοποιήθηκε (Grundfos DMX 321-6, Grundfos, Denmark) μπορεί να παρέχει διαφορετικά ποσοστά ροής για την προσομοίωση της ροής του αίματος σε μικρές αρτηρίες, όπως οι στεφανιαίες, μεσαίου μεγέθους αγγεία, όπως οι καρωτίδες και τα μεγάλα αγγεία όπως οι πνευμονικές αρτηρίες και η αορτή. Η αντλία αποτελείται από δύο ξεχωριστές βαλβίδες, η βαλβίδα αναρρόφησης και η βαλβίδα απελευθέρωσης (εικόνα 6.1). Η βαλβίδα αναρρόφησης είναι ισοδύναμη με την ανθρώπινη κολποκοιλιακή (AV), και η βαλβίδα απελευθέρωσης είναι ισοδύναμη προς τις μηνοειδείς βαλβίδες (πνευμονική βαλβίδα και αορτική βαλβίδα) που τροφοδοτούν με αίμα την κυκλοφορικό σύστημα. Οι βαλβίδες της αντλίας, παρομοίως με τις βαλβίδες της καρδιάς, διατηρούν την μονοκατευθυντική ροή του αίματος απαγορεύοντας την οπισθοροή ρευστού. Η κεφαλή δοσομέτρησης της αντλίας και του συνημμένου κινούμενου διαφράγματος προσομοιώνουν την κοιλία του μυοκαρδίου. Ένα έκκεντρο κινεί το διάφραγμα, με τη βοήθεια ενός ελατηρίου εμβόλου, για να δημιουργήσει ένα κενό μέσα στο οποίο το ρευστό από μία δεξαμενή κάτω από την αντλία εισέρχεται στην κεφαλή δοσολογίας μέσω της βαλβίδας αναρρόφησης. Όταν το ρευστό εισέρχεται στην κεφαλή δοσομέτρησης, η βαλβίδα κλείνει αμέσως να απαγορεύσει την οπισθοροή. Στη συνέχεια, το διάφραγμα κινείται στην αντίθετη κατεύθυνση συμπιέζοντας το ρευστό και προκαλώντας την βαλβίδα απελευθέρωσης να ανοίξει. Το υγρό στη συνέχεια εκτινάσσεται μέσα στο κυκλοφορικό σύστημα και η βαλβίδα απελευθερώσεως κλείνει για να απαγορεύσει την περαιτέρω αντίστροφη ροή. Η ποσότητα του 44

45 ρευστού που εκτοξεύεται με το κυκλοφορικό σύστημα μπορεί να ρυθμίζεται από ένα κουμπί ρύθμισης ροής, η οποία ελέγχει το μήκος κίνηση του διαφράγματος. Η λειτουργία της αντλίας, ελέγχεται από μία γεννήτρια ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ). Εικόνα 6.1: Αντλία θετικού εκτοπίσματος Εικόνα 6.2: Αντλία και ECG 6.2 ΗΛΕΚΤΡΟΚΑΡΔΙΟΓΡΑΦΙΚΗ (ΗΚΓ) ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Προκειμένου να επιτευχθεί μια ρεαλιστική λειτουργία της αντλίας, μία ΗΚΓ γεννήτρια (MediCal 430B, MediCal Instruments Inc, Ohio, USA) είναι συνδεδεμένη με την αντλία μέσω ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα και έναν Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC), όπως 45

46 φαίνεται στην εικόνα 6.2. Το ΗΚΓ παράγει μία ρεαλιστική Ρ-QRS-T κυματομορφή, η οποία μετατρέπεται σε ένα 24 Volt τετραγωνικό παλμό από ένα ηλεκτρονικό set-up. Το PLC εισάγει μια ρυθμιζόμενη χρονική καθυστέρηση με τον παλμό. Το σήμα οδηγείται κατόπιν σε ένα ηλεκτρονόμο, ο οποίος είναι διαμορφωμένος, έτσι ώστε να κλείσει ανά πάσα στιγμή δεχθεί το σήμα, τη λειτουργία της αντλίας. Μέσω της πύλης του ΗΚΓ σήματος η αντλία μπορεί να προσομοιώσει με ακρίβεια την παλμική ροή ή την αρτηριακή ροή του αίματος. Εικόνα 6.3: Διάταξη στον μαγνητικό τομογράφο (άνω) και οι τρεις γυάλινες στενώσεις (κάτω). 6.3 ΣΩΛΗΝΩΣΗ Στην έξοδο της αντλίας, το υγρό εισέρχεται στον κύριο σωλήνα τροφοδοσίας, το οποίο είναι ένας διαφανές ελαστικός σωλήνας, κατασκευασμένος από PVC με μία εσωτερική διάμετρο 1 inch. Η κύρια 46

47 σωλήνα τροφοδοσίας συνδέεται με γυάλινη σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 1,1 cm που παρουσιάζει στένωση περίπου στο μέσο του μήκους της, προσομοιώνοντας έτσι μία μέση αρτηρία με στένωση. Για τις μετρήσεις μας χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 3 γυάλινες σωλήνες. Στην έξοδο της γυάλινης σωλήνας έχουμε μία δεύτερη PVC σωλήνα 1 inch που κλείνει το κύκλωμα. Η γυάλινη σωλήνα είναι πάντα στερεωμένη σε μια ξύλινη βάση για να εξασφαλιστεί η μηχανική σταθερότητα του συστήματος. Η στένωση «στριμώχνεται» μεταξύ δύο στρώσεων ζελατίνης που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση του υλικού του ιστού. Οι διαστάσεις των στρώσεων ζελατίνης είναι πάχους 4 cm και το μήκος και το πλάτος τους είναι ίσο με αυτό του ξύλινου της βάσης (30cm * 30cm). 6.4 ΟΜΟΙΩΜΑ ΑΙΜΑΤΟΣ (BMF) Για την προσομοίωση σε in vitro συνθήκες των ιδιοτήτων του αίματος χωρίς τα προβλήματα που σχετίζονται με το χρήση πραγματικού αίματος, χρησιμοποιείται συνήθως ένα ρευστό ομοίωμα αίματος (BMF). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιείται για απλότητα αποσταγμένο νερό ως BMF. Το δυναμικό ιξώδες του ισούται με 1 cp και η πυκνότητα του ισούται με 0,9982 g / ml σε θερμοκρασία δωματίου. Οι χρόνοι Τ1 και Τ2 του BMF σε 1,5 Tesla είναι 3000 ms. Περίπου 15 λίτρα του υγρού απαιτούνται σε κάθε πείραμα για να γεμίσει επαρκώς η δεξαμενή και το σύστημα των σωλήνων. 6.5 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΡΟΗΣ ΑΥΛΟΎ ΧΩΡΙΣ ΣΤΈΝΩΣΗ Πριν την εισαγωγή της διάταξης στον μαγνητικό τομογράφο, την σωστή επιλογή της παροχής και των bpm ώστε να προσεγγίζει η διάταξη μας την ανθρώπινη ροή και τους ανθρώπινους παλμούς, έγιναν μετρήσεις ογκομετρίας σε σωλήνα χωρίς στένωση ίδιας διαμέτρου με τις τρεις στενώσεις. Οι μετρήσεις έγιναν στα 5%, 10%, 15%, 20%, 25% και 30% της παροχής της αντλίας και με ρυθμούς παλμών 75 και 120 bpm. Χρησιμοποιήθηκε ο ευθύς σωλήνας από PVC χωρίς στένωση. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας της πίεσης της αντλίας και για χρόνο 30 sec για κάθε μία μέτρηση. Στην συνέχεια για κάθε διαλογή 10 μετρήσεων από κάθε συνδυασμό 47

48 αρχικών συνθηκών υπολογίστηκε ο μέσος όρος της ροής της αντλίας ανά δευτερόλεπτο 6.6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΤΟΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟ Η μαγνητικός τομογράφος είναι ένα σύστημα 1,5 Tesla σαρωτή (Intera 1.5T, Philips Medical Systems, Best, Netherlands), όπως προαναφέρθηκε. Η δεξαμενή και η αντλία είναι τοποθετημένα σε μια κινητή ξύλινη πλατφόρμα που βρίσκεται περίπου 4 m μακριά από τον σαρωτή για να εξασφαλίζει απουσία παρεμβολής μεταξύ του μαγνητικού πεδίου και των ηλεκτρονικών της αντλίας. Η ξύλινη βάση με το σταθεροποιημένο σωλήνα τοποθετείται στο κέντρο της οπής του σαρωτή. 6.7 MR ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ Οι μετρήσεις της ροής εκτελέστηκαν με τη χρήση της phase contrast ακολουθίας και χρήση ECG Gating. Χρησιμοποιήθηκαν οι SQF και η QFP ακολουθίες ώστε να έχουμε ταυτόχρονα και μία ανατομική εικόνα για τον χωρικό εντοπισμό της στένωσης αλλά και στο κάθετο επίπεδο την ταχύτητα ροής. Παράμετροι της ακολουθίας QFP ήταν: time repetition (TR) = 3.95 ms, echo time (ΤΕ) = 2.39 ms, ποσοστό FOV = 39.0*39.0, acquisition matrix = 144x144, πάχος τομής (ST) = 10mm, η κωδικοποίηση tταχύτητας (VENC) = εκατοστά / s σε AP (κάθετα προς την εικόνα) κατεύθυνση. Είναι σημαντικό η σωστή επιλογή της κωδικοποίησης της ταχύτητας ώστε να έχουμε καλύτερη αντίθεση δηλαδή την καλύτερη διαφορά φάσης, μεταξύ κινούμενων και στάσιμων ιστών ώστε να μην έχουμε φαινόμενα αναδίπλωσης συχνοτήτων (aliasing). Οι παράμετροι που επιλέχθηκαν για την αντλία ήταν το 10% της παροχής της και 75 bpm παλμούς. Οι εικόνες των τομών ελήφθησαν στην περιοχή από 7,5 cm πριν την στένωση έως 7,5 cm μετά την στένωση με βήμα 1,5 cm. H επεξεργασία των δεδομένων έγινε με τα λογισμικά EVORAD και ImageJ στο σταθμό εργασίας (ViewForum, Philips Medical Systems, Netherlands). 48

49 Εικόνα 6.4: Εικόνες αυλού με στένωση. Αριστερά η τομή πριν την στένωση, δεξιά η τομή μέσα στην στένωση 6.8 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑΣ Η επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων έγινε με την χρήση των λογισμικών EVORAD και ImageJ. Στο EVORAD μετά την εισαγωγή των εικόνων έγινε ο σχεδιασμό ελλειπτικών εμβαδών που περιέκλειαν την τομή των στενωτικών σωλήνων και από τα οποία εξήχθησαν οι ποσότητες των u min, u max και u mean για τομές από +7.5cm έως -7,5cm πριν και μετά την στένωση και με βήμα 1,5cm. Χρησιμοποιώντας τις τιμές των u mean και τo εμβαδόν των επιφανίων (ROI) υπολογίστηκε η μέση ροή στους γυάλινους σωλήνες από τη σχέση (1), όπου u mean είναι η μέση ταχύτητα ροής στην τομή και A roi είναι το εμβαδό της περιοχής ενδιαφέροντος που σχεδιάστηκε στις εικόνες της μαγνητικής τομογραφίας. Στην συνέχεια βρίσκοντας την u max από την εικόνα που έχουμε την μέγιστη u mean και καταγράφουμε τις μετρήσεις σε φύλλο excel. Εισάγουμε στο λογισμικό ImageJ την ανατομική εικόνα στην οποία έχουμε την μέγιστη u mean και στην συνέχεια σχεδιάζουμε την γραμμή ενδιαφέροντος (LOI). Στη συνέχεια από τα στοιχεία από τη μήτρα της εικόνας της γραμμής ενδιαφέροντος, μπορούμε να 49

50 υπολογίσουμε τις ταχύτητες σε συνάρτηση με την απόστασή από το κέντρο της τομής από την σχέση (2) όπου y είναι μονάδες μήτρας εικόνας, y είναι τα pixel τις εικόνας, rs και ri είναι τα στοιχεία width και level τις εικόνας. Στα προφίλ ταχυτήτων βρίσκουμε το βέλτιστο παραβολικό προφίλ καθώς και το R2 της κάθε βέλτιστης παραβολής. Το % ποσοστό στένωσης υπολογίστηκε από την σχέση ( ) (3) καθώς και το SNR RATIO από την σχέση (4) Εικόνα 6.5: Εξαγωγή μεγεθών umin, umax, umean για κάθε εικόνα ανά κάθε ακολουθία τομής με το λογισμικό EVORAD 50

51 Εικόνα 6.6: Εξαγωγή μεγεθών τόνων του γκρι για κάθε τομή και μετατροπή τους σε αριθμούς μήτρας εικόνας για τον σχεδιασμό των προφίλ ταχυτήτων με το λογισμικό ImageJ 6.9 ΕΠΕΞΕΡΓΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΞΟΝΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Το ποσοστό των στενώσεων υπολογίστηκαν και με την χρήση αξονικού τομογράφου. Ο αξονικό τομογράφος που χρησιμοποιήθηκε ήταν ένας Philips Brilliance 64. Οι απεικονιστικοί παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: πάχος τομής 0.9 mm, διαφορά δυναμικού 120 kv, ρεύμα λυχνίας 389 ma, χρόνος ακτινοσκόπησης 0,6 s, FOV 5,0 cm*5,0 cm. Η μέτρηση του ποσοστού έγινε με την χρήση του λογισμικού EVORAD, υπολογίζοντας το ποσοστό από τις σχέσεις ( ) (5), όπου Α roiout είναι το εμβαδόν ενδιαφέροντος με διάμετρο ίση με την διάμετρο της τομής του αυλού, για τομή μακριά από την στένωση και A roiin το εμβαδόν ενδιαφέροντος με διάμετρο ίση με την διάμετρο της τομής του αυλού, για τομή μέσα στην στένωση και 51

52 ( ) (6) όπου Dloiout είναι η διάμετρος ενδιαφέροντος που είναι ίση με την διάμετρο της τομής του αυλού, για τομή μακριά από την στένωση και Dloiin είναι η διάμετρος ενδιαφέροντος που είναι ίση με την διάμετρο της τομής του αυλού, για τομή μέσα στην στένωση. Εικόνα 6.7: Οι στενώσεις στον αξονικό τομογράφο Εικόνα 6.8: Εικόνες αυλού με στένωση. Αριστερά η τομή πριν την στένωση, δεξιά η τομή μέσα στην στένωση 52