Utjecaj zračenja na organizam

ČIMBENICI KOJI UTJEČU NA STUPANJ OŠTEĆENJA ORGANIZMA

Stupanj oštećenja organizma zbog izloženosti ionizirajućem zračenju ovisi o nekoliko čimbenika. Energija koja se prolazom zračenja kroz materiju predaje toj materiji jest 1 eV (elektron volt). Omjer te energije i mase nazivamo apsorbiranom dozom. Apsorbirana doza jest količina energije predana jediničnoj masi tvari tijekom prolaska zračenja kroz nju. Što je apsorbirana doza veća, to će biološki učinak biti veći. Fizikalna jedinica kojom se izražava apsorbirana doza jest grej (Gy). Efektivna doza jest proračunom modificirana apsorbirana doza kojom se izražava rizik izlaganja ionizirajućem zračenju uzimajući u obzir različitu biološku učinkovitost različitih vrsta ionizirajućeg zračenja i različitu osjetljivost tkiva i organa ljudskog tijela s obzirom na ionizirajuće zračenje. Fizikalna jedinica kojom se izražava efektivna doza jest jedan sivert (Sv). U terminu efektivne doze dane su sve granice koje se propisuju u zaštiti od zračenja za cijelo tijelo. Efektivna doza za cijelo tijelo dobije se zbrajanjem efektivnih doza za sva tkiva. Efektivna doza se izračunava, a apsorbirana doza se mjeri dozimetrima. Jednaka apsorbirana doza različitih vrsta zračenja uzrokuje u istom tkivu različite učinke. Zbog toga, da bi dobili mjeru koja uvažava različiti učinak pojedinih vrsta zračenja, apsorbiranu dozu množimo faktorom karakterističnim za tu vrstu zračenja. Tako dobivenu veličinu zovemo ekvivalentna doza.

U biološkim sustavima zračenje ovisi o količini apsorbirane energije i o njenoj prostornoj raspodjeli. Osjetljivost pojedine vrste tkiva ovisi o diobi stanica u tom tkivu. Stanice koje grade mišićna, živčana i koštana tkiva vrlo se rijetko, gotovo nikad ne dijele, te su stoga slabo osjetljive na izloženost zračenju. Nasuprot njima, na ionizirajuće zračenje su puno osjetljivije nediferencirane stanice, odnosno matične stanice koje susrećemo u krvotvornom tkivu i spolnim žlijezdama, odnosno stanice kože i sluznica koje se neprekidno dijele. Zbog toga rizik od izloženosti zračenju za sve dijelove ljudskog tijela nije isti. On varira od organa do organa. To je izraženo kroz veličinu koju nazivamo težinski koeficijent za pojedino tkivo ili organ. Veličina koja uvažava sve navedene čimbenike naziva se efektivna doza. Izračunava se tako da se zbroje umnošci ekvivalentnih doza i težinskih koeficijenata za ozračena tkiva i organe.

Brzina primanja doze je također jedan od čimbenika koji utječu na stupanj oštećenja organizma. Ako je brzina doze dovoljno mala ili je primljena u dijelovima između kojih su razmaci dovoljno dugi, tkivo će biti u mogućnosti normalnom mitozom nadomjestiti izgubljene stanice. Zbog toga, doza koja bi primljena odjednom imala letalni učinak, primljena kroz duže vremensko razdoblje neće nužno imati za posljedicu smrt. Relativno velike doze primljene kroz duže vremensko razdoblje mogu ostaviti male ili nikakve vidljive posljedice.

Oštećenja u znatnoj mjeri ovise o veličini dijela tijela koje je ozračeno (raspodjela doze). Učinak zračenja na tijelo će biti to manji što je ozračeni dio manji.

Na stupanj oštećenja tijela utječe i Linearni prijenos energije (LET). Visoko LET zračenje za istu ukupnu dozu je letalnije od niskog LET zračenja. Jako LET zračenje deponira veće količine energije po jedinici tvari kroz koju prođe te je mogućnost višestrukih lezija u blizini u kratkom vremenu vrlo visoka.

Stupanj oštećenja organizma ovisi i o životnoj dobi i spolu osobe: mlađe osobe su u pravilu osjetljivije na zračenje od starijih (fetus je daleko najosjetljiviji), žene su nešto manje osjetljive na zračenje u odnosu na muškarce (3-7).

MEHANIZAM OŠTEĆENJA I POPRAVKA DNA MOLEKULE

U molekuli DNA događaju se različite kemijske promjene, bilo spontano bilo kao posljedica izloženosti kemikalijama ili zračenju. Budući da DNA služi kao jedinstvena, trajna kopija staničnoga genoma, promjene njezine strukture imaju znatno veće posljedice nego promjene drugih staničnih komponenti, poput RNA ili proteina. Precizna replikacija DNA i popravak oštećenja DNA nužni su za održanje genetičke informacije i osiguranje njezina točnog prijenosa s roditelja na potomstvo.

Ionizirajuće zračenje može DNA molekulu oštetiti na dva načina: izravnom interakcijom ili neizravno, putem slobodnih radikala. Izlaganje stanica zračenju dovodi do unosa energije u stanice, što uzrokuje niz različitih promjena kemijskih i bioloških strukturnih elemenata ovisno o količini i vrsti energije zračenja. Učinci djelovanja zračenja su posljedica ionizacije u procesu interakcije zračenja i atoma/molekula koji su strukturni dijelovi stanica. Sve promjene na živim stanicama koje nastaju djelovanjem zračenja nazivaju se skupnim imenom biološko djelovanje ionizirajućeg zračenja.

Postoje dvije mogućnosti oštećenja: a) pogodak vitalnih struktura (karioreksa, karioliza, stvaranje vakuola u citoplazmi, pucanje stanične membrane itd.) - izravno djelovanje zračenja (teorija izravnih pogodaka) i b) neizravna oštećenja: nastaju u srazu zračenja s molekulama vode (koje čine 70-80% tjelesne mase). Najveći broj oštećenja događa se posljednjim mehanizmom, a samo oko 5% izravnim djelovanjem zračenja.

Stanične membrane su veoma važne za uredno funkcioniranje stanica i tkiva. Oštećenja zračenjem se ispoljavaju i pucanjem stanične membrane koja postaje abnormalno propusna.

Zračenje također usporava i inhibira diobu. Ako se stanice koje se dijele ozrače, ovisno o dozi zračenja, tipu stanica i stadiju ciklusa, može doći do: a) trenutne smrti (smrt za vrijeme ozračivanja), b) stanice umiru nakon nekog vremena nakon ozračivanja (interfazna smrt), c) stanica preživi, ali ima mutaciju.

Današnji živi organizmi rezultat su duge evolucije u svijetu u kojem smo stalno izloženi brojnim kemijskim i fizičkim čimbenicima, u koje ubrajamo i ionizirajuće zračenje. Ova izloženost uzrokuje svakodnevna oštećenja stotina nukleotida sadržanih u stanicama. Takva oštećenja DNA mogu blokirati replikaciju ili transkripciju, a mogu i rezultirati visokom učestalošću mutacija čije su posljedice neprihvatljive s gledišta stanične reprodukcije.

Da bi održale integritet svojega genoma stanice su morale razviti mehanizme za popravak oštećene DNA. Mehanizmi popravka DNA mogu se podijeliti u dvije opće skupine: a) izravni obrat kemijske reakcije odgovorne za oštećenje DNA i b) uklanjanje oštećenih baza nakon čega slijedi njihova zamjena s novosintetiziranom DNA. U slučajevima kad zataje oba mehanizma popravka DNA, evolucija je razvila dodatne mehanizme koji stanici pomažu da se nosi s oštećenjima.

Većina oštećenja DNA popravlja se uklanjanjem oštećene baze nakon čega slijedi ponovna sinteza uklonjenog područja (izravni obrat oštećenja DNA). Premda je izravni popravak učinkovit za određeni tip oštećenja DNA, popravak izrezivanjem je općenitiji način popravka široke skupine kemijskih promjena molekule DNA. Prema tome, različiti tipovi popravka izrezivanjem predstavljaju najvažnije mehanizme popravka DNA. U popravku izrezivanjem, oštećena DNA biva prepoznata i uklonjena bilo u obliku slobodnih baza ili nukleotida. Nastala pukotina se zatim popunjava sintezom novog lanca DNA korištenjem neoštećenoga komplementarnog lanca kao kalupa. Tri tipa popravka izrezivanjem – izrezivanje baza, izrezivanje nukleotida i popravak pogrešno sparenih baza (engl. mismatch repair) – omogućuju stanicama da se bore sa širokim spektrom različitih oštećenja DNA.

Većina mehanizama popravka DNA molekule sastoji se od slijedeća tri koraka: a) izrezivanje (oštećeni dio biva prepoznat i uklonjen uz pomoć specijaliziranog enzima nukleaze, ostavljajući pukotinu od 3 do 4 nukleotida), b) sinteza (polimeraza tijekom druge faze nadomješta izrezani dio s novim dijelom načinjenim na osnovu informacije uzete s neoštećenog lanca DNA), c) spajanje (novo sintetizirani lanac se spaja s neoštećenim dijelom djelovanjem enzima ligaze).

Sadržaj stanice možemo smatrati vodenom otopinom jer ga čini preko 80% vode u slobodnoj formi ili u spoju s drugim molekulama. Tijekom izlaganja stanice zračenju, radiolizom vode nastaju ioni i slobodni radikali. Ukoliko difuzijom dospiju do DNA molekule najčešće reagiraju s njom što uzrokuje promjene. Tijekom difuzije radikali reagiraju i s drugih molekulama, a i međusobno, zbog čega se znatno smanjuje mogućnost njihove reakcije s DNA molekulom.

Prolaskom kroz materiju, zračenje gubi energiju. Gubitak energije u blizini dvostruke DNA uzvojnice najčešće uzrokuje oštećenje samo jednog od lanaca. Takvo oštećenje nazivamo jednolančani lom. Postoji vjerojatnost da takav događaj ili više istodobnih događaja u blizini DNA molekule uzrokuje podudarna oštećenja na oba lanca. Takvo oštećenje nazivamo dvolančani lom.

Ako je oštećenje ograničeno samo na jedan lanac, takav jednolančani prekid može biti popravljen brzo i efikasno bez grešaka. Ovo je moguće jer uključeni enzimatski sistemi, tijekom procesa staničnog popravka, koriste dijelove na neoštećenom lancu kao kalup za izradu novog dijela kojim će se zamijeniti oštećeni. Ako su prekinuta oba lanca DNA molekule unutar vremena koje je potrebno stanici da popravi jednolančani lom, a lomovi su nastali na udaljenosti manjoj od tri para baza, nastaju dvolančani lomovi. Dio tih lomova će se popraviti, ali popravci neće biti bez greške. Prekidi lanaca DNA se događaju na spojevima šećera i fosfornih veza ili između šećera i purinskih ili pirimidinskih baza, a posljedica su oštećenja enzima koji kontroliraju procese sinteze i reduplikacije. Pogreška u popravku dvolančanog loma dovodi do nastanka različitih tipova kromosomskih aberacija poput terminalnih delecija, translokacija, prstenastih kromosoma te acentričnih i dicentričnih kromosoma. Ovi posljednji su ujedno i najspecifičnije vrste kromosomskih aberacija uzrokovanih zračenjem (7-9).

KARCINOGENEZA

Djelovanja vanjskih faktora koja uzrokuju promjenu u genomu nazivaju se mutagenost i genotoksičnost. Mutagenost je sposobnost neke tvari da u stanicama živog organizma izazove stalne promjene strukture genetičkog materijala (mutaciju), dok je genotoksičnost općenitiji pojam koji se odnosi na sve promjene genoma in vitro uzrokovane vanjskim faktorima. Mutagen je tvar koja može uzrokovati promjenu u genetičkom materijalu stanice (mutaciju). Mutageneza je proces nastajanja mutacije djelovanjem mutagene tvari. Mutacije su promjene u molekuli DNA koje nastaju unutar same stanice djelovanjem određenih kemijskih, fizikalnih i bioloških čimbenika. Nastale genetičke promjene su trajne (ireverzibilne).

Nastanak tumora je proces koji se sastoji od više koraka tijekom kojih stanice zbog niza progresivnih promjena postupno postaju zloćudne:

1. Inicijacija tumora je prvi korak. Genetičke promjene u stanici vode k njenoj abnormalnoj

proliferaciji i nastanku početne monoklonalne populacije tumorskih stanica. 2. Drugi korak je progresija tumora tijekom kojeg se nakupljaju dodatne mutacije u tumorskim stanicama što dovodi do selekcije onih stanica koje sve brže rastu. Time tumorske stanice postaju sve zloćudnije. 3. Zadnji korak u procesu nastanka tumora je metastaziranje. Dolazi do širenja tumorskih stanica s

mjesta nastanka u susjedna normalna tkiva, te putem krvi i limfe po cijelom organizmu.

Karcinogen je tvar koja uzrokuje ili se smatra da uzrokuje rak kod čovjeka ili životinja, a karcinogeneza je proces u kojem dolazi do nastanka raka. Karcinogenost je svojstvo neke tvari da izazove nekontroliranu proliferaciju i metastaziranje.

S obzirom na njihovu ulogu u karcinogenezi, karcinogene tvari možemo podijeliti na:

1. Genotoksične karcinogene – tvari koje uzrokuju oštećenja DNA na razini gena (mutacije gena) ili

kromosoma (aneuploidija, translokacija, inverzija, delecija) ili dovode do amplifikacije gena.

2. Negenotoksične karcinogene – tvari koje ne djeluju direktno na DNA, ali povećavaju mogućnost maligne transformacije kroz mnoge druge mehanizme djelovanja (uključujući proliferaciju stanica, hormonske poremećaje, supresiju imunološkog sustava, poremećaje DNA metilacije).

3. Kompletne karcinogene – tvari koje mogu izazvati sva tri stadija karcinogeneze (inicijacija,

progresija i metastaziranje).

Izloženost karcinogenim i mutagenim tvarima može dovesti do oštećenja stanice i do procesa koji mogu rezultirati malignom transformacijom te potencijalno neoplastičnim rastom i razvojem raka. Mnogi fizički, kemijski i biološki čimbenici koji se nalaze u životnom i radnom okolišu imaju karcinogene i mutagene učinke, a genetska predispozicija, životne navike i prisutnost takvih tvari u radnom okolišu mogu uvelike pridonijeti pokretanju štetnih procesa u ljudskom tijelu koji dovode do nastanka neoplastičnih bolesti s ozbiljnim posljedicama na ljudsko zdravlje.

Zračenje i mnogo kemijskih karcinogena djeluje tako da oštećuju DNA i induciraju mutacije. Drugi karcinogeni ne uzrokuju mutacije, već pridonose nastanku raka stimulirajući proliferaciju stanica. Takve spojeve nazivamo promotorima tumora. Uzrokuju povećanje broja dioba stanica što omogućuje staničnoj populaciji koja proliferira da u ranim fazama razvoja tumora preraste ostale stanične klonove.

Kako bi spriječili štetne učinke karcinogenih i mutagenih tvari na ljudsko zdravlje, potrebno je utvrditi njihovu prisutnost na radnom mjestu i poduzeti odgovarajuće mjere zaštite. Prevencija i rano otkrivanje tih tvari najvažniji su faktori u smanjivanju učestalosti mutacija i posljedica njihovih učinaka.

Testovi za procjenu karcinogenog i mutagenog potencijala određene tvari temelje se na spoznajama da je DNA ciljna molekula za sve mutagene, a vjerojatno i većinu karcinogenih tvari. DNA je nasljedni materijal svih staničnih organizama te svaka tvar koja promijeni DNA bilo kojeg višestaničnog organizma predstavlja potencijalnu opasnost za čovjeka. Procjena karcinogenog i mutagenog potencijala određene tvari temelji se na četiri razine složenosti:

1. In vitro testovi mutagenosti i genotoksičnosti neophodni za procjenu mehanizma djelovanja

tvari.

2. Duga istraživanja na životinjama nepohodna za procjenu potencijala povećavanja rizika od nastanka zloćudnog tumora kod netaknutih složenih organizama i procjene odnosa doza- odgovor.

3. Epidemiološke studije na ljudima za procjenu potencijala povećavanja rizika od nastanka

zloćudnog tumora kod ljudi.

4. Analiza strukturalne sličnosti tvari s već poznatim karcinogenom. (4,7-11)

STOHASTIČKI I DETERMINISTIČKI UČINCI IONIZIRAJUĆEG ZRAČENJA

Biološke učinke zračenja možemo podijeliti u dvije grupe. Jedni su deterministički (nestohatički), a drugi su stohastički učinci. Deterministički su učinci posljedica gubitka velikog broja stanica, nastaju primjenom velikih doza zračenja (jačina im je ovisna o efektivnoj dozi) i vidljivi su brzo nakon ozračenja. Da bi učinak bio vidljiv potrebna je određena količina ("prag") zračenja.

Gubitak stanica ne predstavlja velik problem za čovječji organizam u kojem svakodnevno umire preko milijun stanica. Smrću stanice onemogućuje se prijenos izmijenjene genetičke informacije na stanicu kćerku. Ukoliko je postotak uništenih stanica u nekom organu ili tkivu velik, tada funkcija organa ili tkiva može biti oslabljena, a u pojedinim slučajevima gubitak stanica dovest će i do smrti organizma.

Greške u popravku važnih DNA regija kod preživjelih stanica mogu rezultirati stabilnim genetskim promjenama. Stohastički učinci, kao što su mutacije, nasljedne promjene, te tumori vidljivi su tek nakon određenog vremena latencije, za njih nema praga, tj. može ih izazvati i veoma mala doza zračenja. Stoga ih se niti ne može predvidjeti, kao što se to može učiniti za točno određeni - determinirani učinak, nego ih se može samo statistički predvidjeti. Stohastički učinci mogu nastati u somatskim, ali i u spolnim stanicama, pa se promjene mogu prenijeti na potomstvo (nasljedne promjene, indukcija leukemija, mentalna retardacija, malformacije, smrt ploda). Ako se takove stanice nastave dijeliti, nastat će klonovi izmijenjenih stanica. Većina ovako izmijenjenih stanica ne napreduje do karcinoma jer gotovo ni jedna ne ostaje sposobna za život nakon nekoliko dijeljenja. One koje su sposobne za više dijeljenja često se diferenciraju u funkcionalne stanice koje se dalje ne dijele, može izostati slijed događaja iz okruženja stanice potreban za poticanje stanične diobe ili dolazi do programirane stanične smrti (apoptoza).

Zračenje može izazvati čitav spektar nasljednih promjena koje mogu biti veoma male, poput promjene u pojedinom genu, veće, poput onih nastalih lomovima kromosoma i spajanjem preostalih

dijelova, do veoma opsežnih kada se mijenja i broj kromosoma. Jasno je da će i biološke posljedice biti to teže što su promjene genoma opsežnije, a veoma velike promjene, uslijed odumiranja stanica, tkiva, te organa, nespojive su sa životom jedinke.

Mada vrlo djelotvorni, opisani mehanizmi ne mogu u svim slučajevima spriječiti daljnju diobu stanica čiji genetski zapis ne odgovara stanici od koje su nastale. Takve stanice može potaknuti na daljnju diobu i agens čiji je karcinogenetski potencijal vrlo nizak. Koncentracija agensa ili doza potrebna za poticaj diobe kod kronične izloženosti ne mora biti tako visoka kao za nastanak osnovne promjene.

Promjene u organizmu čiji nastanak povezujemo s promjenama u genetskom materijalu pojedinih stanica mogu se, ali i ne moraju dogoditi pa se može govoriti samo o vjerojatnosti njihova nastanka i zato ih nazivamo stohastičkim. Vjerojatnost nastanka tih promjena u organizmu ovisna je o efektivnoj dozi. Što je doza manja i vjerojatnost nastanka promjena je to manja, ali ne postoji tako mala doza za koju bi vjerojatnost nastanka promjena bila jednaka nuli.

Cilj zaštite od ionizirajućeg zračenja je spriječiti nastanak determinističkih učinaka koji su posljedica izlaganja zračenju i ograničiti pojavu stohastičkih učinaka na najmanju moguću mjeru te osigurati da pri obavljanju djelatnosti kod kojih dolazi do izlaganja ionizirajućem zračenju to izlaganje bude opravdano, odnosno da korist od tog izlaganja uvijek bude veća od štete (4,7,9).

POSLJEDICE IZLAGANJA IONIZIRAJUĆEM ZRAČENJU

Zbog odlaganja energije ionizirajuće zračenje u tkivu može uzrokovati oštećenje ili smrt stanica. Zračenje može direktno djelovati na ozračenu osobu i na potomke ozračene osobe, prijenosom genetskog materijala. Biološki učinci zračenja ovise o djelotvornosti pojedinih vrsta zračenja i osjetljivosti pojedinih tkiva na zračenje. Kad stanica apsorbira zračenje, moguća je nekoliko ishoda. Stanica može biti toliko oštećena da prestane normalno funkcionirati i odumre, može izgubiti sposobnost reprodukcije i dalje živjeti, genetski materijal unutar stanice (DNA) može biti oštećen tako da su buduće kopije stanice promijenjene. Ako je promijenjena stanica tkiva ili organa, daljnjim razmnožavanjem može takva stanica biti inicijator raka ako su ozračenjem izazvane mutacije DNK reproduktivnih stanica, mutacija se može, ali ne mora očitovati kao nasljedni učinak zračenja kod potomstva izložene osobe. Mutacije se obično ne vide u prvih potomaka, jer svaka osoba ima za isto svojstvo dva gena, svaki od jednog roditelja, a mutirani gen je u pravilu recesivan. Štetna posljedica mutacija nastaje ako se slučajno za isto svojstvo nađu oba gena mutirana. Većinu oštećenja stanice poprave zato što je sustav za sprječavanje promjena u genomu vrlo djelotvoran i u većini slučajeva stanica popravlja nastala oštećenja. Od 1000 oštećenja popravi se njih 999. Od 1000 oštećenih stanica, koje stanica nije uspjela popraviti, njih 999 umire, tako da u konačnici tek jedna od 100 000 oštećenih stanica s promijenjenim genetskim kodom preživi. Još nije posve razjašnjeno na koji se način mutirana stanica brani od daljnje tijeka prema razvoju karcinoma. Pretpostavlja se da je to uloga i imunološkog aparata, ali i neimunoloških mehanizama otklanjem preneoplastičnih stanica. Ostali mehanizmi koji štite organizam od začetka i stvaranja tumora, uključuju popravak DNK, apoptozu (programiranu smrt stanice), terminalnu diferencijaciju i fenotipsku supresiju. Svi ti mehanizmi zajedno umanjuju vjerojatnost razvoja oštećene stanice u tumorsku, ali je vrlo teško procjenjivati kolika je točno uloga pojedinog od navedenih mehanizma.

Na kraju se može dogoditi da zračenje uopće nije uzrokovalo oštećenje stanice. Da li će stanica biti oštećena ili ne ovisi i o razini i o brzini zračenja. O dozi koja ne izazove više od jednog kritičnog oštećenja po stanici u vremenu u kojem su mehanizmi popravka stanice učinkoviti, govorimo kao o maloj dozi (procjenjuje se da je gornja granica male doze 200 mSv ukupnog ozračenja odnosno 0,1 mSv po minuti za brzinu doze). Po nekim autorima, osim negativnog učinka na stanice, ionizirajuće zračenje može imati i koristan učinak (hormeza). Neke studije pokazuju da niske doze zračenja na neki način mogu stabilizirati stanicu te postaje otpornija na zračenje. Taj je adaptivni mehanizam ograničenog trajanja i vjerojatno je posljedica stimuliranja staničnih mehanizama popravka kod opetovanih izlaganja.

Nisu sva tkiva jednako osjetljiva na zračenje te kod ocjene štetnosti određene vrste zračenja treba uzeti u obzir i tu osjetljivost. Osim toga bitan je i način ozračenja; bitno je da li se radi o ozračenju izvana ili o unutarnjem ozračenju, dakle onom koje nastaje kada je izvor tračenja progutan, udahnut ili je izvor zračenja implantiran u tijelo.

PATOGENEZA RADIJACIJSKIH OZLJEDA

Stupanj oštećenja ionizirajućim zračenjem ovisi o vrsti ionizirajućeg zračenja, brzini zračenja, apsorbiranoj dozi, dakle bitna je količina energije i vrijeme u kojem i kojom brzinom prima jedinična masa neke tvari energiju zračenja. Učinak zračenja na stanicu ovisi o vrsti i mjestu oštećenja, vrsti i funkciji ozračene stanice i broju oštećenih stanica. Kada je brzina primanja doze mala ili je doza primana tako da su razmaci između primljenih pojedinačnih doza dovoljno dugi, tkivo normalnom mitozom nadomješta izgubljene stanice. Zbog toga, ista primljena doza kada se primi odjednom, može imati i letalni učinak, a doza primljena kroz duže vremensko razdoblje neće nužno za posljedicu imati smrt. Na ionizirajuće zračenje daleko su osjetljivije nediferencirane stanice, odnosno matične stanice krvotvornog tkiva i spolnih žlijezda, stanice kože i sluznica, a osobito crijevnih resica, dakle one stanice koje se neprekidno i brzo dijele. Mišićne stanice, živčanog sustava, koštanog i solidnih tkiva koja se rijetko, odnosno nikad ne dijele, slabo su osjetljiva na izloženost zračenju. Visoke lokalne doze zračenja mogu zbog strukturnog oštećenja stanične membrane ili citoplazme izazvati izravnu smrt stanice. Kada je genetski kod stanice oštećen, a stanica preživjela, budući potomci tj. “kopije stanice” su tako promijenjene da se to može očitovati neoplastičnim rastom, kromosomskim aberacijama, aktivacijom onkogena (podloga za nastanak leukemije ili limfomi), ili gubitkom supresorskih gena što dovodi do pojave solidnih tumora. Na tim mjestima nastaje tkivna hipoplazija ili se stanice tkiva zamijene fibrozim odnosno manje vrijednim tkivom. Relativno velike doze primljene kroz duže vremensko razdoblje mogu ostaviti male ili nikakve vidljive posljedice. Učinak zračenja na tijelo će biti to manji što je ozračeni dio tijela manji bez obzira na veličinu primljene doze.

Izloženost ionizirajućem zračenju može biti kronična i akutna. Kronična izloženost predstavlja kontinuiranu izloženost niskim dozama zračenja kroz dugi vremenski period, a učinci se mogu vidjeti nakon niza godina. Ti učinci uključuju genetske promjene, razvoj malignih i benignih tumora, razvoj katarakte i oštećenja kože.

AKUTNA RADIJACIJSKA BOLEST (radijacijska bolest, radijacijski sindrom, akutna bolest

radijacije, akutni sindrom zračenja, trovanje zračenjem)

Akutna radijacijska bolest je oštećenje tkiva ili organa prekomjernom dozom ionizirajućeg zračenja u vrlo kratkom vremenskom periodu (sekunde ili minute). Ova bolest u početku liči prehladi i ima sva obilježja akutne febrilne bolesti. Uzrokovana je ozračenjem cijelog tijela (ili većeg dijela tijela) visokom dozom zračenja u vrlo kratkom vremenskom razdoblju tj. obično nekoliko minuta. Javlja se obično kod svih izloženih kada je akutna apsorbirana doza oko 1 Gy. Ovisno o razini ozračenja, tijek je predvidiv, a traje od nekoliko sati do nekoliko tjedana. Nema specifičnog liječenja, već se poduzimaju mjere za prevladavanje oštećenja pojedinih sustava, nadoknada tekućine i krvnih preparata, antibakterijske, gljivične i antivirusne zaštite od infekcije bakterijama, gljivama i virusima i potpore oporavka oštećenih organskih sustava. Ova bolest je u pravilu posljedica zračenja iz vanjskih izvora, a iznimno je posljedica ozračenja radionuklidima inkorporiranim u tijelu. Od apsorbirane doze ovisi i klinička slika bolesti. Akutna radijacijska bolest je vrlo rijetka bolest koja obično u profesionalnoj ekspoziciji nastaje nakon nuklearnih nesreća na radu. Poznati primjeri iz bliske prošlosti su onaj iz 1986. godine kada je požar oštetio nuklearnu elektranu u Černobilu ili onaj iz 2011. godine kada je potres oštetio nuklearnu elektranu Fukushima na istočnoj obali Japana. Klinička slika i simptomi radijacijske bolesti ovise o apsorbiranoj dozi i površini izlaganja, načinu kontaminacija (unutarnja ili vanjska) te osjetljivosti tkiva pogođenog zračenjem. Simptomi kod jednokratnih pojedinih efektivnih

doza/ozračenje cijelog tijela su različiti. Tako apsorbirana doza od 0.05 do 0.2 Gy ne izaziva nikakvih akutnih simptoma, a nakon četrdesetak dana pri ovim dozama može se javiti prolazna oligospermija i postoji mogućnost razvoja karcinoma godinama kasnije. Subkliničkim oblikom naziva se oštećenje pri apsorbiranoj dozi približno 0.4 Gy, a višoj od 0.2 Gy. U tom obliku nema uobičajenih znakova bolesti, tek su ponekad primijećene promjene na koži kao posljedica lokalne radijacijske ozljede. Kod ozračenja cijelog tijela dozom od 0.5 Gy javljaju se znaci oštećenja koštane srži, a to se očituje prolaznom limfopenijom. Pravi znakovi i simptomi radijacijske bolesti obično se pojavljuju kada cijelo tijelo apsorbira dozu od najmanje 1 Gy. Prema nekim autorima ozračenja cijelog tijela dozama višim od 6 Gy smatraju se smrtonosnim u roku od dva dana do dva tjedna. Kod ozračenja velikog dijela, ali ne i cijelog tijela, postoje podaci o preživljavanju i kod apsorbiranih doza višim od 8 Gy. Različita tkiva različito reagiraju na različite apsorbirane doze, te je klinička slika kod različitih akutno apsorbiranih doza različita, iako može sadržavati elemente oštećenja više organskih sustava. Ipak se u literaturi se klinička slika obično prema prevladavajućim simptomima dijeli u tri oblika/sindroma. Pri akutno apsorbiranoj dozi od 0.7 do 7.0 Gy dolazi prvenstveno do oštećenja hematopoetskog sustava. Javlja se tzv. hematopoetski sindrom u kojem prevladavaju simptomi vezani uz oštećenje krvnih stanica od kojih najveću radiosenzitivnost pokazuju limfociti, slijede eritroblasti pa onda mijeloblasti. Kako se eritrociti u cirkulaciji zadržavaju 120 dana oni se dugo nakon ozračenja nalaze u cirkulaciji i tek se kasnije vide posljedice ozračenja u vidu pada broja eritrocita, naravno ukoliko se eritrociti nisu gubili krvarenjima u ranijim stadijima bolesti. Ovaj sindrom karakteriziraju granulocitopenija, trombocitopenija i supresija imunosnog sustava, a očituje se hemoragičnom dijatezom, povišenim temperaturama, bakterijemijom, zimicom i tresavicom. Javljaju se i pneumonije, upale različitih organa, gljivična oboljenja, te krvarenja u desni i sl. Uz to ozračeni se tuži na opću slabost. Kod ozračenja cijelog tijela dozama od približno 7 Gy uz sliku oštećenja hematopoetskog sustava javlja se i slika tzv. gastrointestinalnog sindroma. Naime, poslije stanica hematopoetskog sustava po visoku osjetljivost na zračenje pokazuju stanice sluznice tankog i debelog crijeva. Uzrok ovom sindromu je zaustavljanje mitoze nediferenciranih stanica sluznice tankog i debelog crijeva te posljedičnog gubitka tekućine i elektrolita. U normalnim se uvjetima epitel crijevnih resica zamijeni u tri do četiri dana, što se ne događa kod zračenjem oštećene sluznice. Povoljan učinak za preživljavanje nakon akutnog ozračenja kod navedenih razina ozračenja je djelomično ozračeno tijelo, mlađa dob, produljeno ozračenje i dostupnost pravodobnog liječenja, a nepovoljni su čimbenici velika brzina doze, pobol od kroničnih bolesti, velika ozračena površina i kronične infekcije. CNS sindrom/ cirkulacijsko- neurovegetativni sindrom javlja se pri ozračenju cijelog tijela dozama većim od 20 Gy ili dozama od 40 Gy u područje same glave. Svi navedeni sindromi imaju nekoliko stadija. Najprije se, neposredno po ozračenju javlja prodromalna faza. U njoj se javljaju simptomi i promjene unutar prvih nekoliko sati do dva tri dana, a zatim se simptomi povlače. Javljanje simptoma i promjena u laboratorijskim nalazima ovisi o apsorbiranoj dozi, ozračenoj površini te brzini doze. Nakon ove faze nastaje latentna faza. U njoj nema simptoma, ali se događaju promjene na hematopoetskom aparatu i na sluznici crijeva koje će se kasnije u manifestnoj fazi očitovati kliničkom slikom koja odgovara razini ozračenja. Ukoliko je ozračeni preživio ranije faze ulazi nakon manifestne faze u kasnu fazu (faza oporavka i/ili smrti). U ovoj fazi se većina pacijenata ili oporave ili umire. Kod preživjelih proces oporavka traje od nekoliko tjedana do dvije godine, a prestanak simptoma je postepen. Na tablicama 1. do 5. prikazan je tijek akutne radijacijske bolesti kod različitih razina apsorbirane doze. Vidljivo je da može doći do preklapanja simptoma oštećenja više organskih sustava, što ovisi o brzini apsorpcije, ozračenoj površini, dobi i prisustvu ili odsustvu kroničnih bolesti. Liječenje akutne radijacijske bolesti ovisi o kliničkoj slici i tijeku bolesti. Nema specifičnog liječenja već su terapijske mjere usmjerene na prevladavanje depresije koštane srži i oštećenja crijevnog epitela. Infekcije se sprječavaju izolacijom ozračenih, antibioticima, antivirusnim lijekovima, sprječavaju infekcije gljivicama, daje potporna terapija epitelu crijeva, vrši transplantacija koštane srži ako je indicirana. Daje se transfuzija trombocita kada im se broj smanji ispod 20000/μL, a anemija se korigira koncentratom eritrocita. Ako se radi presađivanje koštane srži ono se radi isključivo u prvom tjednu nakon ozračenja. Ozračenima se uz to nadoknađuje tekućina, elektroliti, daje parenteralna prehrana. Liječenje CNS sindroma je isključivo simptomatsko.

KASNI UČINCI ZRAČENJA

Javljaju se kliničkim simptomima mjesecima i godinama nakon izloženosti zračenju. Glavni su kasni učinci zamućenje i katarakta leće, kronični radiodermitis, sterilitet, deformacije novorođenčadi ranije izloženih roditelja, usporenje rasta i fizičkog ili psihičkog razvoja djece, genetske promjene uključujući i fiksirane kromosomske aberacije te povećana incidencija pojedinih malignih bolesti.

Leća je vrlo osjetljiva na zračenje. Koagulacija proteina (opaciteti) se javlja već pri jednokratnoj apsorbiranoj dozi višoj od 2 Gy, iako su opisani i opaciteti kod jednokratne izloženosti od 0.5 Gy. Opaciteti su zabilježeni i kod osoba koji su kronično bili izloženi dozi višoj od 0.1 Sv/godišnje kroz duži niz godina. Počinje kao plak u subkapsularnom stražnjem polu leće i širi se prema prednjem dijelu korteksa. Slične se promjene vide kod dijabetesa i infracrvenog zračenja. Dvije odvojene studije objavljene u 2010. godini utvrdile su da interventni kardiolozi imaju povećan relativni rizik od razvoja katarakte, a kumulativna efektivna doza bila je oko 6.0 Sv. Kod ostalih zdravstvenih radnika izloženih kumulativnoj efektivnoj dozi od 1.5 zabilježena je katarakta. Na temelju tih podataka, u 2011. godini Međunarodna komisija za zaštitu od zračenja (ICRP) smanjila je prag za jednokratnu absorbiranu dozu za kataraktu sa 5,0 Gy na 0,50 Gy. Latentno razdoblje za nastanak promjena na leći iznosi više od 10 godina. Kronični radiodermitis nastaje nakon radijacijske opekline. Karakterizira ga atrofična, suha koža, bez dlaka i kose, teleangiektazije i pigmentacije. Promjene uzrokuje akutna lokalna doza viša od 10 Gy ili prolongirana izloženost ukupnoj dozi višoj od 20 Gy. Kromosomske aberacije koje mogu perzistirati desetljećima posljedica su dijagnostičkih postupaka, akcidentalnih situacija i u linearnoj su ovisnosti s apsorbiranom dozom. U uvjetima profesionalne izloženosti, uz primjenu mjera zaštite na radu ne očekuju se kromosomske aberacije.

Zloćudni tumori općenito nemaju veću incidenciju među izloženim radnicima u odnosu na opću populaciju, ako izloženost nije prelazila 0.1 Gy. Iako ovo vrijedi za skupinu svih izloženih, pojedina istraživanja upućuju na jasnu povezanost veće učestalosti pojedinih karcinoma u izloženih. Prema Znanstvenom komitetu Ujedinjenih naroda za učinke atomskog zračenja (UNSCEAR) male doze zračenja imaju nizak kancerogeni potencijal, a gotovo nema dokaza da uzrokuju nasljedne bolesti. Prema UNSCEAR-u samo 4% oboljenja od karcinoma treba pripisati ionizirajućem zračenju s tim da je ozračenje niskom dozom (ispod 200 mSv), uzrok manje od 1% od tih 4% karcinoma za koje se pretpostavlja da ga izaziva ionizirajuće zračenje. UNSCEAR-ovim modelom procijenjeno je da je vjerojatnost da osoba dugotrajno izlagana niskoj dozi od 1 mSv/godinu oboli od malignoma iznosi od 0,5% tijekom cijelog životnog vijeka. Neke vrste karcinoma koje se povezuju s visokim dozama zračenja su leukemija, karcinom dojke, mjehura, debelog crijeva, jetre, pluća, multipli mijelom. Vremenski period između izloženosti zračenju i pojave karcinoma naziva se latentni period. Za leukemiju, minimalni vremenski period između izloženosti zračenju i pojave bolesti iznosi 2 godine. Za čvrste tumore latentni period iznosi više od 5 godina. Američka nacionalna akademija znanosti objavila je 1998. izvještaj odbora BEIR VI (Biological Effects of Ionizing Radiation) o učinku izloženosti radonu na zdravlje. Taj izvještaj je najkonkretniji skup znanstvenih podataka o radonu i potvrđuje da je radon drugi po redu uzrok karcinoma pluća u Sjedinjenim Američkim Državama. Studija procjenjuje da radon uzrokuje otprilike 15000 smrti od raka pluća godišnje. Tu su u prvom redu malignomi koštane srži (osim kronične limfatičke leukemije), rak dojke, pluća, štitne žlijezde i kostiju. U djece čije su majke za vrijeme trudnoće primile više od 0.05 Sv efektivne doze u 2. i 3. trimestru trudnoće statistički su značajno češće leukemije nego u njihovih vršnjaka čije majke nisu bile ozračene. Fetus koji je između 8. i 15. tjedna trudnoće primio dozu od 0.1Gy ima značajnu mogućnost razvoja blage mentalne retardacije.

OSTALI UČINCI ZRAČENJA

Do deformacija fetusa ili embrija može doći ako je u ranoj trudnoći zračena zdjelica majke. Kod visokih doza nerijetko se javljaju nakaznosti djece. Zaostali razvoj koštanog sustava zabilježen je kod djece izložene terapijskom zračenju ili kod one djece čije su majke bile u području izvođenja nuklearnih pokusa. To je vrlo bitno znati jer kod ozračenja embrija u ranom preembrionalnom razdoblju (0. do 3. tjedan) odnosno embrionalnom razdoblju ( od 4. do 8. tjedna trudnoće) ili u fetalnom razdoblju (od 9. tjedna trudnoće do kraja trudnoće) može doći do malformacija djeteta. Iznimno, pri ozračenju u preembrionalnoj i embrionalnoj fazi može uništavanje nekih stanica u vrijeme razvoja pojedinih organa, ako embrij, a kasnije fetus preživi, izazvati teške kliničke slike kod novorođenčeta, a i kasnije u životu. Zato se učinci ozračenja embrija promatraju kao izdvojena kategorija. Ozračenje ploda u maternici može uzrokovati smrt djeteta, tjelesne deformacije, mentalnu zaostalost i pojavu raka. Ozračenje fetusa u periodu između 8. i 15. tjedna trudnoće dovodi do snižene inteligencije djece čije su majke bile ozračene u tom periodu. Teratogeni učinci opisani su već iznad praga od 0.01 Sv, ako je fetus bio ozračen u prvih 12 tjedana od začeća. Nacionalno vijeće za zaštitu od zračenja i mjerenja (NCRP) preporuča da fetus profesionalno izloženih majki ne dobije dozu veću od 5,0 mSv tijekom cijele trudnoće, da dnevna granica izlaganja ne prelazi 0.025 mSv, a da mjesečna ozračenost bude niža od 0,5 mSv . International Commission on Radiological Protection) - ICRP preporuča da 1,0 mSv bude ukupna fetalna izloženost tijekom cijele trudnoće. U cjelini, prema preporukama ICRP granice su ostvarive uz odgovarajuće mjere zaštite na radnom mjestu.

Literatura:

1. Hrvatska enciklopedija (on-line izdanje), Leksikografski zavod Miroslav Krleža,

http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=51477 (pristupljeno 30.08.2014.) 2. Kopjar N, Kašuba V, Milić M, et al. Normalne i granične vrijednosti mikronukleus-testa na limfocitima periferne krvi u ispitanika opće populacije republike hrvatske. Arh Hig Rada Toksikol 2010;61:219-234 3. Zakon o radiološkoj i nuklearnoj sigurnosti (NN 28/10) 4. Zakon o zaštiti od ionizirajućeg zračenja i sigurnosti izvora ionizirajućeg zračenja (NN 64/06) 5. Pravilnik o poslovima s posebnim uvjetima rada (NN 5/84) 6. Pravilnik o granicama izlaganja ionizirajućem zračenju te o uvjetima izlaganja u posebnim

okolnostima i za provedbe intervencija u izvanrednom događaju (NN 125/06) 7. Lomax ME, Folkes LK, O’Neill P. Biological Consequences of Radiation-induced DNA Damage:

Relevance to Radiotherapy. Clin Oncol 2013;25:578-585 8. Cooper GM, Hausman RE. Stanica-molekularni pristup (V. izdanje), Medicinska naklada,

Zagreb, 2010. 9. Manning G, Rothkamm K. Deoxyribonucleic acid damage-associated biomarkers of ionising radiation: current status and future relevance for radiology and radiotherapy. Br J Radiol 2013;86:20130173. 10. Pravilnik o zaštiti radnika od rizika zbog izloženosti karcinogenim i/ili mutagenim tvarima (NN

40/07) 11. Garaj-Vrhovac V. Karcinogenost i mutageneza: analiza somatskih mutacija. Arh Hig Rada

Toksikol 2000;51 Supp: 115–124

Kompjuterizirana tomografija (CT)

     CT (engl. Computed Tomography), digitalna je tehnika slikovnog prikaza koja koristi suženi (kolimirani) snop rendgenskoga zračenja usmjeren okomito na uzdužnu os snimanog objekta, što rezultira poprečnim (aksijalnim) presjekom odabranog sloja. Nakon prolaska kroz tijelo, oslabljeno (atenuirano) zračenje mjeri se detektorima.

     Računalo CT uređaja pohranjuje veliku količinu podataka (atenuacijskih vrijednosti) iz izabranog sloja tijela koji čine matricu atenuacijskih vrijednosti prikazanih u različitim rasponima sive ljestvice, stvarajući tako prostornu (spacijalnu) sliku skeniranog objekta.

     Broj atenuacije, CT broj ili Hounsfieldova jedinica (HU), predstavlja širok raspon mjerljivih stupnjeva atenuacije od –10 000 do +30 000 u odnosu na vodu čiji je atenuacijski broj 0. Iskustveno je saznanje da su za računalnu obradu najpogodniji poprečni (transverzalni, aksijalni) presjeci tijela pa svi CT uređaji rade na tom principu.
   

     Spiralni CT skener (1989. god.) uređaj je s mogućnošću kontinuirane rotacije rendgenske cijevi i detektora u jednom smjeru pri čemu za vrijeme ekspozicije opisuje spiralu oko snimanog objekta na stolu CT uređaja koji se linearno pomiče kroz primarni rendgenski snop. Tom tehnologijom podaci prikupljeni iz određenog volumena tijela bolesnika računalno se obrađuju rekonstrukcijskim algoritmima za spiralu i daju mogućnost analize pojedinih slojeva i trodimenzionalne snimke pojedinih anatomskih struktura i krvnih žila.

Prednost spiralnog CT uređaja u odnosu na prethodne generacije CT uređaja jest dobar prikaz organa s fiziološkim pokretima, mogućnost analize finih struktura (npr. plućnog intersticija), brzi kontrastni prikaz
krvnih žila (angio CT) te mogućnost virtualne endoskopije. Najsuvremeniji višeslojni spiralni CT uređaji (VII. generacija, MSCT) daju najveći stupanj vremenske i prostorne rezolucije. Mogu imati do 320 detektorskih kanala, vrijeme rotacije gentrija je 0,25 sekunda, a kolimacija iznosi 0,24 mm.
   

      Dvoizvorni CT uređaji (engl. Dual Source CT, DSCT) posljednjih nekoliko godina sve su više u uporabi. Ti uređaji imaju kao izvor zračenja dvije rendgenske cijevi koje se gibaju po kutu od 90° te njima nasuprot
dva niza detektora.Takva konstrukcija uređaja omogućuje rekonstrukciju slike u četvrtini rotacijskog vremena kućišta (330 milisekundi) te popravlja temporernu rezoluciju na 82,5 milisekundi. Uporabom isključivo rekonstrukcijskog algoritma za pojedini segment, temporerna rezolucija nije ovisna o srčanoj akciji te nema potrebe za konstantnim pitchom (engl. pitch, omjer pomaka stola tijekom jedne rotacije rendgenske cijevi i registriranog zračenja kolimiranog rendgenskog snopa na efektivno uključenim detektorima) koji treba
biti prilagođen srčanoj frekvenciji.

Za razliku od CT-a s jednom rendgenskom cijevi, DSCT poboljšava kvalitetu slike jer smanjuje artefakte pokreta, osobito srčane akcije. CT s jednim izvorom rendgenskog zračenja, čak i ako je 64-slojni, previše je spor da bi prikazao srce bez artefakata pokreta. DSCT ujedno daje bolje mogućnosti analize mekih tkiva. Promjena energijske razine rendgenskog zračenja rezultira u promjenama atenuacijskog broja i ovisi o vrsti tkiva. DSCT na taj način olakšava razlikovanje npr. različitih tipova aterosklerotskog plaka (npr. kalcificiranog i mekog plaka).
   
   

   PET/CT skener (1992. god.) uređaj je koji ujedinjuje tehnologiju pozitronske emisijske tomografije (PET) s 18 fluor-deoksiglukozom i tehnologiju CT-a.PET/CT-om se detektiraju promjene u funkciji stanica, sukladno tome kako stanice organizma troše metabolite kao što su šećer (glukoza) i kisik. Registrirajući promjene u funkciji stanica koje su patološki promijenjene u odnosu na normalne zdrave stanice, dobiva se informacije o promjenama u funkciji zdravih i bolesnih stanica, tkiva i organa. Patološki promijenjene stanice pokazuju pojačanu metaboličku aktivnost i pojačano nakupljaju radioaktivno označenu glukozu u odnosu na zdravo tkivo. Nakupljanje radioaktivnog izotopa snima se gama-kamerom.

Nedostatak metode mogu biti lažno pozitivni rezultati kod upalnih procesa te lažno negativni rezultati kod hiperglikemije i biološki slabo aktivnih tumora. PET skener može detektirati vrlo male promjene (npr. tumore), ali nije suviše precizan u lokalizaciji tumora. CT skener daje informacije oizgledu i lokalizaciji procesa te se kombinacijom obiju metoda dobiva vrlo moćan sustav u otkrivanja patoloških procesa. Prednost je ovog integriranog sustava rana dijagnostika, precizno utvrđivanje stadija maligne bolesti (engl. staging) i lokalizacije tumorskih tvorbi, kao i praćenje bolesnika s već poznatim dijagnozama.

   

Dijelovi CT uređaja su kućište (engl. gantry) što predstavlja jedinicu za skeniranje s rendgenskom cijevi, detektorskim sustavom te sustavom hlađenja, zatim visokofrekvencijski generator, stol za prihvat bolesnika pomičan u svim smjerovima (plivajući stol), upravljački stol i radna stanica s računalom, procesorom za rekonstrukciju slike i uređajima za pohranu slike.Kućište CT uređaja sadrži posebno građenu rendgensku cijev, detektore, transformatore, kolimatore i filtre. 

     U sredini kućišta je otvor promjera 50 do 70 cm u koji se prilikom snimanja uvlači stol s bolesnikom. Rotacija rendgenske cijevi i detektora omogućena je električnim motorom koji se pokreće preko remena ili linearnim motorom kod kojeg je kućište stator, a rendgenska cijev i detektori rotor. Moderne rendgenske cijevi CT uređaja imaju snagu 20 do 60 kW pri naponu od 140 kV, rotirajuće anode visokog toplinskog kapaciteta, specijalno građene anode od molibdena na debelom grafitnom sloju, sa žarištem od volframa i renija. Osim rotacijom, cijev se dodatno hladi posebnim sustavom hlađenja (ulje, ulje i voda). Nove generacije CT uređaja trebat će zadovoljiti još zahtjevnije uvjete kao što su veća snaga rendgenskih cijevi, manje žarište, kraće vrijeme rotacije, kraće vrijeme hlađenja itd.
     

     Nova tehnologija izrade nevakuumiranih rotirajućih rendgenskih cijevi koja zadovoljava navedene uvjete rezultirala je proizvodnjom STRATON cijevi. CT uređaji koji koriste takve cijevi imaju najkraće vrijeme skeniranja oko 0,37 sekundi. Detektorski sustavi igraju značajnu ulogu u interakciji komponenti CT uređaja. Nakon prolaska kroz tijelo bolesnika prihvaćaju rendgensko zračenje različitog intenziteta i pretvaraju ga u električne signale koji se potom digitaliziraju i služe za slikovni prikaz. 
     Detektori su postavljeni linearno ili lučno (detektorski kanali, detektorske banane). Mogu biti scintilacijski (građeni od cezijevog jodida,
kadmijeva volframata ili ultrabrzi keramički detektori) i plinski (ksenonski) ionizacijski detektori ili fotodiode.

     Scintilacijski detektori su osjetljiviji na rendgensko zračenje što ne zahtjeva visoki napon za rad detektora i rezultira manjom dozom zračenja. Osjetljiviji su i na temperaturne promjene i skuplji su. Rade na principu scintilacije, tj. nakon izlaganja ionizirajućem zračenju neki materijali scintiliraju, a količina tako emitiranog svjetla u pravilu je razmjerna količini apsorbirane energije rendgenskih zraka u detektorskom materijalu.
Plinski detektori rade na principu ionizacije plemenitih plinova. Imaju slabiju sposobnost detekcije rendgenskog zračenja pa je za njihov rad potreban visoki napon između ploča detektorske banane.

     Jeftiniji su, nije im potrebno umjeravanje, ali trebaju povremeno obnavljanje plemenitog plina. Višeslojni detektorski sustav sadrži dva osnovna tipa detektora: matrične detektore i adaptivne detektore. Matrični detektorski sustav ima višestruke detektorske nizove identične širine, obično oko 1,25 mm tako da svaki detektorski niz pokriva područje od 1,25 mm u centru polja skeniranja. Npr. 8-slojni CT uređaj daje polja od 8 mm × 1,25 mm i 8 mm × 2,5 mm kolimacije, a 16-slojni skener koristi hibridni detektor s područjem kolimacije 16 mm × 0,63 mm i 16 mm × 1,25 mm. Prilagodljiv detektorski sustav sastoji se od niza detektora čija se širina postupno povećava od središta prema periferiji. Smanjivanjem broja pregrada u perifernim regijama detektorskog niza povećava se njegova geometrijska učinkovitost. Po centimetru detektorskog luka nalazi se do 8 detektora, a u prilagodljivom detektorskom nizu širina rendgenskog snopa prilagođava se širini detektora bez prekida (engl. gap) što znatno utječe na kvalitetu prostorne rezolucije CT uređaja.

     Detektorski kanali služe međusobnom povezivanju detektorskih elemenata, predpojačala signala i integratora ili analognog filtera te analogno-digitalnog pretvarača.

     CT detektorski moduli modernim uređajima apsorbiraju više od 90% energije rendgenskog zračenja, ali zbog neizbježnog slobodnog prostora između detektora njihova efikasnost je oko 45%. Svaki se modul sastoji od detektora sa 40 × 16 piksela i odgovarajućim elektroničkim komponentama.

     Svaki CT uređaj opskrbljen je kolimatorima i filterima koji definiraju izgled snopa rendgenskog zračenja (uski, gotovo monokromatski snop ili lepezasti snop) i apsorbiraju niskoenergijske dijelove spektra rendgenskog zračenja. Kolimatori su najčešće od olova ili volframa i nalaze se na prozoru rendgenske cijevi, a u nekim generacijama CT-a (II. i IV.) i iza bolesnika, a ispred detektora (pretežno između nizova detektora u smjeru z-osi) čime se prevenira nastanak artefakata zbog varijabilnog položaja izvora rendgenskog zračenja.

     

     Za rad CT uređaja mrežni izmjenični napon 400 V/50 Hz ispravlja se u istosmjerni napon od 250 do 400 V s minimalnim valovanjem (pad napona manji je od 1%). Izmjenični napon iz visokofrekvencijskog generatora frekvencije 5 do 20 kHz dovodi se na visokonaponski transformator te osigurava kontinuiran napon i jakost istosmjerne struje za rad rendgenske cijevi. Visokofrekvencijski generatori omogućavaju postizanje vrlo kratkih ekspozicija, a u odnosu na klasične generatore znatno su manjih dimenzija. Stol za pregled bolesnika oslonac je bolesniku za vrijeme skeniranja. Građen je od radiotransparentnih i čvrstih ugljičnih vlakana. Za dobivanje kvalitetnih snimaka pri CT skeniranju bitan je niz parametara. Nagibanje (angulacija) kućišta CT uređaja potrebno je za dobivanje kosih presjeka, najčešće u rasponu +/– 30°. Kod MSCT-a nagibanje kućišta nije nužno budući da se naknadnom multiplanarnom rekonstrukcijom slike može postići isti nagib. 

     Debljina CT sloja regulira se kolimacijom rendgenskog snopa uz uvažavanje divergencije snopa zbog koje je rendgenski snop na ulazu u sloj uži nego na izlazu prema detektorima. S obzirom da žarište nije točkasto, javlja se polusjena (penumbra). Efektivna debljina sloja (engl. section width) kod konvencionalnih skenera odgovara kolimaciji snopa zračenja (engl. section colimation, SC), ali se razlikuje kod spiralnih skenera. 

     Kolimacija snopa zračenja (engl. section collimation) odabire se prema vrsti objekta koji se skenira. Ako se radi o manjem organu uzima se kolimacija snopa 3 mm do 5 mm. Još tanja kolimacija potrebna je za detaljnu analizu plućnog intersticija (1mm do 2 mm). 

     Kod MSCT-a tanka kolimacija je standardna, a deblji slojevi dobiju se rekonstrukcijom iz tanjih. Parcijalni volumni efekt (engl. partial volume effect) javlja se kad tkiva različite gustoće zauzimaju dijelove iste volumne jedinice (engl. voxel). Taj je efekt minimalan kod okomitog smjera rendgenskog snopa na anatomsku strukturu, a raste kod objekata koji su paralelni sa smjerom rendgenskog zračenja. Pomak stola (engl. table feed) u sekvencionalnom skeniranju najčešće odgovara debljini sloja što znači da se nakon završenog skeniranja jednog sloja stol pomiče za jednaku debljinu sloja. U tijeku snimanja može doći do preklapanja slojeva i pojačanog izlaganja bolesnika zračenju. 

     Rekonstrukcijski algoritam (engl. convolution kernel) primjenjuje se kod rekonstrukcije slike iz neobrađenih podataka. Da bi slika bila kvalitetna, vrlo je bitan omjer signala i šuma (SNR, engl. Signal to Noice Ratio). Taj omjer ovisi o rekonstrukcijskom algoritmu koji odabire radiološki tehnolog, a koji mora biti najprimjereniji snimanom tkivu. Algoritmi visoke rezolucije (engl. High Resolution Kernels - HRK, sharp kernels) povećavaju prostornu rezoluciju neproporcionalno povećavajući šum. 

     Šum ograničava kontrastnu rezoluciju te ometa razlučivanje struktura koje su drugačije gustoće u odnosu na svoju okolinu. To ne smeta analizi koštane strukture ili plućnog parenhima gdje su prirodni kontrasti susjednih tkiva veliki. Za parenhimske organe treba koristiti algoritme za meka tkiva (engl. soft or smooth kernels) koji smanjuju šum, ali i prostornu rezoluciju. Parametri skeniranja kod MSCT-a su također kolimacija snopa, pomak sloja po jednoj rotaciji cijevi i pitch. Kod 16-slojnih skenera, uska kolimacija je uobičajena. Za 3D rekonstrukcije preklapanje susjednih rekonstruiranih slojeva mora biti 50% da bi rekonstrukcija slike bila dobra u svim ravninama. Pojedini MSCT uređaji namještaju struju (miliampersekunde) automatski, ovisno o pitchu, čime održavaju ekspoziciju i šum konstantnim. Kod MSCT-a prikladna je uporaba pojmova fast spiral scanning i volumetric imaging. Obzirom na veliki broj slika kod MSCT-a, potrebna je vrlo brza rekonstrukcija od nekoliko slika u sekundi da bi se omogućio protok bolesnika. Za uobičajeni pregled slika radiološki tehnolog mora pripremiti MPR i MIP-ove kod vaskularnih pretraga i 3D pregled za kosti.U prikazu presjeka kroz tijelo u nekoj drugoj ravnini osim ravnine
skeniranja koristi se multiplanarno reformatiranje (MPR) skeniranog volumena uz 3D rekonstrukcije.

     Rekonstrukcija slike izvodi se nakon pretvorbe količine zračenja koje je prošlo određenim slojem ljudskog tijela u atenuacijske vrijednosti pri čemu se dobivaju podaci koje nazivamo sirovi podaci (engl. row data). Rekonstrukcija slike započinje već odabirom FOV-a (engl. Field of View) jer samo ono rendgensko zračenje koje prolazi kroz njega služi za stvaranje slike. 

     Atenuacijski koeficijent jedne točke na slici (pixel) određuje se kao prosjek atenuacijskih vrijednosti svih rendgenskih zraka koje prođu kroz odgovarajući volumni element (voxel). Takva nefiltrirana povratna projekcija daje neoštru sliku zamućenih rubova. Ta se slika podvrgava filtriranju poznatom kao proces konvolucije. CT brojevi (atenuacijski koeficijenti, haunsfild, H, engl. HU, hounsfield unit, hounsfield) predstavljaju numeričku vrijednost koja se pridodaje svakom vokselu u tijeku rekonstrukcije slike, a koja ovisi o stupnju atenuacije rendgenskog zračenja kojeg taj dio tkiva uzrokuje. Svaki sloj CT skena podijeljen je u matricu koja sadrži do 1024 × 1024 voksela, a svaki je voksel podijeljen brojnim fotonima. 

     CT broj se izražava u relativnom omjeru prema vodi čiji je radiodenzitet konstantan i iznosi 0 (zrak – 1000, mast – 120, krv + 30 do + 45, mišić + 40, kontrastno sredstvo + 130, koštano tkivo + 400 i više, bez gornjeg limita). Ljudsko oko može razlikovati samo ograničen raspon nijansi sive ljestvice (40 do 100 HU, ovisno o uvjetima gledanja). Da bi se mogla uočiti manja razlika za određeni objekt treba koristiti prikladni segment sive ljestvice, tvz. prozor (engl. window), a središte ljestvice treba namjestiti prema atenuacijskim vrijednostima koje su od najvećeg interesa, na razinu koja utječe na svjetloću slike. Obrada i analiza slike podrazumijeva različita mjerenja koja se mogu vršiti na dobivenoj CT snimci. Od jednostavnih mjerenja postoji mjerenje duljine u milimetrima te gustoće nekog tkiva u HU. Na nekim se uređajima može određivati i volumen nekog patološkog procesa.

      Dokumentacija CT slike na konvencionalnim skenerima obično je na filmu.Početkom devedesetih godina 20. st. u upotrebi je jedinstveni protokol i norma u digitalnoj komunikaciji medicinskih uređaja koji se naziva DICOM (engl. Digital Imaging and Communications in Medicine). Analogni signal koji nastaje na detektorima pretvara se u digitalni signal preko analogno-digitalnog pretvarača. On se nadalje obrađuje u računalu te se preko digitalno-analognog pretvarača prenosi na monitor. Digitalne radiološke mreže koje su sastavljene od uređaja koji razmjenjuju digitalne slike nazivaju se PACS ( engl. Picture Archiving and Communication System). 

     Da bi digitalna radiološka mreža bila u funkciji, potrebno je odrediti mrežni računalni program. Radne stanice predstavljaju samostalna računala s monitorom i odgovarajućim aplikacijskim programom za obradu slike i podataka koji mogu biti povezani u mrežu s mrežnim programom. Kao osnovni dio svakog PACS sustava nalazi se i laserska kamera. To je uređaj koji na film laserom ispisuje slikovne podatke s radnih stanica ili uređaja povezanih u mrežu. 

     Artefakti pri CT snimanju općenito se mogu razvrstati u artefakte koji nastaju na fizikalnim osnovama, artefakte vezane uz bolesnike, artefakte vezane uz sam uređaj i artefakte helikalnog i višeslojnog uređaja. Artefakti na fizikalnim osnovama nastaju kao rezultat apsorpcije fotona različite energije pri prolazu kroz snimani objekt. Snop rendgenskog zračenja koji se sastoji od fotona različite energije prolaskom kroz objekt postaje "tvrđi" tj. njegova energija raste zato što se fotoni niže energije apsorbiraju puno više od fotona više energije. Na taj način nastaju artefakti koji se nazivaju artefakti tvrdog snopa (engl. beam hardening)

ili kupasti artefakti (engl. cupping),

budući da prolaskom kroz cilindrične strukture stvaraju formu šalice. Mogu se izbjeći primjenom filtracije i korekcije u ugađanju (kalibriranju) i posebnim računalnim programom za korekciju tvrdoće snopa. Drugi tip artefakta je formiranje tamnih rubova na granici dvaju tkiva s vrlo velikom razlikom gustoće (npr. kost i zrak u prsištu, te na rubu krvnih žila nakon primjene kontrastnog sredstva), a posljedica su neadekvatnog omjera signala i šuma. Artefakti parcijalnog volumnog efekta nastaju lošom procjenom gustoće kod tkiva s velikom razlikom u gustoći u z-osi (npr. područje stražnje lubanjske jame). Pojavljuju se kao hipodenzne ili hiperdenzne horizontalne linije. Mogu se izbjeći uporabom tanjih slojeva. Artefakti bolesnika nastaju od raznih metalnih predmeta u ili na tijelu bolesnika (klipse, metalni ukrasi, proteze). 

     Artefakti onih predmeta koje se ne mogu odstraniti mogu se ponekad ublažiti angulacijom kućišta. Postoje i posebni računalni programi za minimaliziranje artefakata metalnih predmeta.Artefakti zbog micanja bolesnika mogu se izbjeći kod suradljivih bolesnika pravilnim uputama o zadržavanju daha kod snimanja. Kod bolesnika koji ne mogu surađivati, mora se primijeniti sedacija ili anestezija. Artefakti vezani uz CT uređaj nastaju ako je jedan od detektora treće generacije CT uređaja izvan umjeravanja. Artefakt kružnog efekta prikazuje se kao prstenasta struktura ili niz koncentričnih krugova iznad snimanog dijela tijelaArtefakti stožastog snopa (engl. cone beam) nastaju zbog rotacije detektora i cijevi oko bolesnika. Podaci prikupljeni od pojedinog detektora odgovaraju volumenu između dvaju stožaca umjesto idealne ravnine. Ovi se artefakti pogoršavaju što su slojevi tanji. Za izbjegavanje istih koriste se multidimenzionalne adaptivne filtracijske tehnike.

     Kod multiplanarnih i 3D rekonstrukcija nastaju tzv. artefakti stepenica ili artefakt zebre u slučaju širokog kolimacijskog snopa ili debljih slojeva, zbog nepreklapanja slojeva. Kod modernih uređaja s vrlo tankim slojevima, ovi su artefakti elimirani. 

     

     Primjena kontrastnih sredstava pri CT snimanju nužno je za procjenu prokrvljenosti anatomskih i patoloških struktura. CT je osobito osjetljiv na kontrastna sredstva i može njihovom primjenom otkriti abnormalnosti uzrokovane patološkim procesima. Optimalno kontrastno sredstvo za parenteralnu primjenu je jodno, neionsko, niskoosmolarno, urotropno i vodotopivo kontrastno sredstvo (npr. Iopromid s koncentracijom joda od 240 do 370 mg/mL), uz pažljivi odabir bolesnika i pravilno postavljenu indikaciju. Čimbenici koji određuju prožimanje (imbibiciju) patološke lezije su: volumen i raspodjela kontrastnog sredstva u intravaskularnom sustavu, vaskularizacija i permeabilnost krvnih žila pataloške lezije, volumen intravaskularnog i ekstravaskularnog prostora lezije, itd. 

     Karakteristika spiralnog CT-a je volumetrijska akvizicija i kontinuirano skeniranje u određenoj brzini što omogućuje pregled većeg tjelesnog volumena u apneji. Važno je vremenski uskladiti (vremenska sinkronizacija, engl. timing) trenutak davanja kontrasta i početak skeniranja. U prosjeku, potrebno je oko 30 sekundi od primjene kontrastnog sredstva do optimalnog kontrastnog
prikaza arterija, a oko 50 sekundi do kontrastnog prikaza vena.

Magnetska rezonancija (MR)

     Magnetska rezonancija je digitalna tehnika slikovnog prikaza koja funkcionira na principu nuklearne magnetske rezonancije, a za stvaranje slike zahtjeva jako, homogeno i stabilno magnetsko polje glavnog magneta za magnetizaciju snimanog uzorka, gradijentne zavojnice za magnetizaciju uzduž x, y i z-osi, radiofrekvencijske zavojnice za odašiljanje i prihvat signala, računala za procesiranje i pohranu dobivenih podataka. 


     Glavni magnet uređaja za MR stvara snažno, homogeno i stabilno magnetsko polje, magnetizira u organizmu male biološke "magnete“  – protone u jezgri atoma vodika.

 

       Magnetizirano tijelo izloži se djelovanju radiovalova čija je frekvencija sukladna jakosti magnetnog polja što uzrokuje rezonanciju atoma u ljudskom tijelu. Po isključivanju radiofrekvencijskih impulsa, atomi nastavljaju s titranjem, a tijelo ispitanika emitira višak energije koje je primilo djelovanjem radiovalova u obliku signala. Signal se zatim procesuira kroz računalo uređaja za MR i konvertira u slikovni prikaz tijela ispitanika. 

Glavni magnet smješten je u kućištu uređaja, oblikovan poput tunela, stvara osnovno magnetsko polje longitudinalnog smjera sjeverni pol – južni pol 

     Osnovno magnetsko polje dovodi do paralelnog svrstavanja osjetljivih jezgara (to su jezgre s neparnim brojem protona, neutrona ili njihovim zbrojem) i male prevage protona nižeg energijskog stanja, odnosno, osnovno magnetsko polje inducira mjerljivu tkivnu magnetizaciju čitavog tijela usmjerujući je po uzdužnoj osi. Rezultirajući magnetski vektor tijela smještenog unutar jezgre uređaja predstavlja zbroj magnetskih momenata osjetljivih jezgara. Pod djelovanjem radiofrekvencijskih impulsa taj se vektor pomiče prema transverzalnoj ravnini. 

     Magnetski se momenti tkivnih protona ne postavljaju točno u z-osi, nego se kreću oko te osi poput zvrka određenom kutnom brzinom, precesijskom frekvencijom. Brzina precesije ovisi o jakosti osnovnog magnetskog polja i konstanti koja ovisi o vrsti atoma što znači da je precesijska frekvencija vodikovih atoma na magnetu zadane magnetske indukcije konstantna. Prema magnetnoj indukciji polja koje razvijaju, uređaji za MR razvrstavaju se na uređaje niske snage (magnetske indukcije 0,1 T do 0,3 T), uređaje srednje snage (0,5 T do 1,00 T) i uređaje visoke snage (1,5 T do 4 T). U dijagnostičke svrhe koriste se uređaji s magnetskom indukcijom od 0,2 T do 3 T, dok se uređaji s magnetskom indukcijom većom od 4 T koriste samo u istraživačkim institucijama i bolnicama u sklopu takvih institucija. Prema građi magneti se razvrstavaju na stalne, otporne, hibridne i supravodljive magnete. Stalni (permanentni) magnet ima najjednostavniji način stvaranja magnetskog polja. Izrađen je od keramike ili rijetkih zemljinih elemenata, lantanida (engl. rare earth minerals) i ima ograničenu magnetsku indukciju polja (0,02 T do 0,3 T). Da bi se postigla odgovarajuća magnetska indukcija i odgovarajuća širina otvora kućišta, potrebno je znatno povećanje mase magneta, čak do 11 tona. Ipak, relativno mali magneti, s manjim popratnim uređajima i bez potrebe sustava za hlađenje s helijem prikladni su za smještanje u manje prostore i povoljnijih su cijena. Otporni (rezistivni) magnet (elektromagnet sa zavojnicom na temperaturi okruženja, stoga ima neki električni otpor) sa zračnom jezgrom sastoji se od navoja bakrene žice kroz koje protječe električna struja i stvara magnetsko polje potrebne homogenosti. Idealna konfiguracija za stvaranje homogenog magnetskog polja jest kugla sa žicom omotanom na njenoj površini te su ti magneti najčešće konstruirani od dvije veće i dvije manje zavojnice koje obavijaju zamišljeni oblik kugle. Magnetska indukcija otpornog magneta ograničena je na 0,15 T do 0,25 T. Iako jednostavne i u osnovi jeftinije izvedbe, ti magneti zahtijevaju veliku količinu električne energije (od 80 kWh), a zbog zagrijavanja i dodatnog hlađenja povećavaju se troškovi korištenja i održavanja tih uređaja. Hibridni magnet kombinacija je stalnog i otpornog magneta. Supravodljivi magnet (elektromagnet sa supravodljivom zavojnicom na vrlo niskoj temperaturi) građen je od navoja žice od metala ili njihovih slitina koji uronjeni u tekući helij i na temperaturi bliskoj apsolutnoj nuli (– 273 °C) postaju supravodljivi. Ovim magnetom postiže se jako, homogeno i stabilno magnetno polje magnetske indukcije do 3 T. 

   

 Tekući helij hladi zavojnice, koje također mogu biti otporne ili supravodljive, na temperaturu blizu apsolutne nule. Gradijentni magnet čine gradijentne zavojnice građene od otpornog materijala koje stvaraju linearni gradijent, uravnoteženi, linearni poremećaj osnovnog magnetskog polja uzduž vlastite osi (x-laterolateralno, y-anteroposteriorno, z-kraniokaudalno usmjeren uzduž osi magneta). Sjecište svih triju osi predstavlja izocentar magneta koji zadržava uvijek istu, osnovnu magnetsku indukciju polja. Kad je gradijentna zavojnica uključena, vodikove jezgre (protoni) osjete minimalnu, ali dovoljnu razliku indukcije osnovnog magnetskog polja, ovisno o njihovoj udaljenosti od izocentra pa je njihova precesijska frekvencija minimalno različita u odnosu na susjedni sloj. Gradijentne zavojnice se uključuju i isključuju vrlo brzo tijekom dobivanja slike, određujući sloj snimanja, fazno i frekvencijsko kodiranje i odgovorne su za kvalitetu slike. Sloj možemo odabrati u bilo kojoj ravnini prikladnim namještanjem gradijenata. Optimalni učinak imaju gradijentne zavojnice koje uzrokuju 10 mT/m i više 

     Radiofrekvencijske antene (radiofrekvencijske zavojnice), mogu se koristiti kao dvije – odašiljačka i prijemna antena i kao jedna radiofrekvencijska antena koja je dio vremena odašiljač, a dio vremena prijamnik.

Veličina radiofrekvencijske antene određuje širinu polja snimanog dijela. Odašiljačka antena odašilje elektromagnetske valove frekvencije koja pobuđuje isključivo vodikove jezgre (rezonancija), ali neselektivno s obzirom na dio tijela koji želimo prikazati u sloju. Budući da se radiofrekvencijski impuls aplicira na čitavo tijelo, samo vodikove jezgre jednog sloja smiju imati istu precesijsku frekvenciju da bi taj sloj mogao biti selektivno pobuđen. Prijamna antena mjeri signal koji dolazi iz tkiva. Te antene veličinom variraju od velikih za cijelo tijelo do malih površinskih zavojnica. Zavojnice koje priliježu uz pretraživanu anatomsku regiju imaju mali domet, no povoljniji omjer signala i šuma. Odabir zavojnice prvenstveno ovisi o dijelu tijela i udaljenosti objekta kojeg želimo prikazati u odnosu na površinu. Računala za procesiranje, kontrolu sekvencija snimanja, obradu i pohranu podataka su najmanje dva u sustavu uređaja za MR. Računala koja služe procesiranju podataka, nadziranju sekvencija snimanja određivanjem duljine gradijentnih i radiofrekvencijskih impulsa, vremena i broja slojeva, vremena ponavljanja signala i vremena odjeka kao i drugih parametara, velikog su kapaciteta zbog golemog broja podataka i nalaze se neposredno uz MR uređaj u radnoj stanici radiološkog tehnologa i radiologa. Oslikavanje MR-om (engl. Magnetic Resonance Imaging, MRI) temelji se na pobudi jezgara atoma vodika u tkivima elektromagnetnim valovima, uz primjenu jakog osnovnog magnetnog polja. Zbog široke rasprostranjenosti u ljudskom tijelu i prisutnog jednog protona u jezgri sa snažnim magnetnim momentom, atomi vodika su izvor signala u dijagnostičkoj primjeni. 

     

     Proton u jezgri atoma vodika rotira oko vlastite osi (spin) i ima vlastito magnetno polje čija se osovina opisuje magnetnim momentom. Magnetni momenti protona prikazuju se vektorima koji su orijentirani paralelno ili antiparalelno sa smjerom polja, tako da je malen suvišak protona usmjeren paralelno. Taj suvišak protona proizvodi neto magnetni moment, odnosno longitudinalni magnetizacijski vektor (LMV). On se rotira, odnosno precesira oko smjera osnovnog magnetnog polja frekvencijom što je prikazano sljedećom jednadžbom (Larmorova jednadžba): ω =B0γ (B0 - snaga osnovnog magnetnog polja; γ - giromagnetni indeks tvari) Elektromagnetnim valom, odnosno radiofrekventnim (RF) impulsom frekvencije jednake frekvenciji precesije protona dolazi do ekscitacije tkiva, odnosno rezonancije protona, čime oni prelaze u stanje više energije i LMV mijenja smjer. RF puls dovoljnog trajanja i amplitude uzrokuje pomak LMV tako da postaje okomit na osnovno magnetno polje, a takav se impuls naziva 90º RF impuls. Time nastaje mjerljiva transverzalna magnetizacija koja je izvor signala u MRI. 


     Nastankom transverzalnog magnetnog vektora (TMV) protoni vodika su fazno koherentni, odnosno magnetni momenti protona u tom trenutku su na istom mjestu precesijske staze. Kontrast na snimci posljedica je različite brzine oporavka longitudinalne magnetizacije i nestanka transverzalne magnetizacije pojedinih tkiva što se naziva T1 i T2 relaksacijskim vremenom. T1 relaksacija je konstanta koja predstavlja oporavak longitudinalne magnetizacije nakon prestanka djelovanja RF impulsa, predajom energije protona okolini. Nakon T1 vremena longitudinalna magnetizacija doseže 63 % svoje početne vrijednosti. T2 relaksacija je konstanta, predstavlja nestajanje transverzalne magnetizacije (63 %) zbog gubitka fazne koherencije protona. Manipulacijom parametara snimanja, kao što su vrijeme ponavljanja (TR, engl. Repetition Time) i vrijeme odjeka (TE, engl. Echo Time), do izražaja dolaze T1 ili T2 vremena relaksacije tkiva, čime nastaju razlike signala pojedinih tkiva. TR je vrijeme između ponavljanja RF impulsa, a njegovim produžavanjem omogućujemo potpuniju T1 relaksaciju i smanjujemo utjecaj T1 vremena na intenzitet signala. TE je vrijeme između središnjeg djelovanja RF impulsa i maksimalnog odjeka, odnosno mjerenja signala. Njegovim skraćenjem smanjuje se učinak T2 relaksacije na kontrast različitih tkiva. K-prostor (matrica) je apstraktni, matematički prostor iz kojeg se računalnim algoritmom konstruira snimka iz signala prikupljenih određenim sekvencijama. Taj prostor olakšava usporedbu različitih tehnika snimanja. Svaki impuls snima drugi dio prostora (red, liniju) i to se ponavlja dok se ne ispuni čitav k-prostor. Impulsne sekvencije, spin-eho, gradijent-eho, koje se koriste pri MR snimanju predstavljaju računalno proizvedene mape prostornih razlika u T1 i T2 relaksacijskim karakteristikama protona vodika različitih tkiva. Klasična i najstarija sekvencija nastala korištenjem samog spina je spin-eho sekvencija (SE, engl. Spin-Echo) koja se sastoji od 900 RF impulsa i 1800 RF impulsa, koji je refazirajući impuls i kojim se poništavaju učinci neizbježne inhomogenosti magnetnog polja u tkivima. Karakteristične slike se nazivaju T1 i T2 snimke.T1 snimke daju visok signal masti, dok T2 snimke daju visok signal vode. Prema ovim snimkama se uspoređuju ostale snimke te se govori da je snimka T1-mjerena ili T2-mjerena.

     Fast spin-eho ili turbo spin-eho (FSE, engl. Fast Spin-Echo; TSE, Turbo Spin-Echo), je obično T2 mjerena snimka koja nastaje kad se zbog ubrzavanja snimanja dio k-prostora svakog sloja snima "prije" vremena. Na taj se način dobiva manje ili više artefakt T1 snimke u T2 snimci, odnosno dio signala masti je također snimljen iako bi na snimci svijetli dijelovi bili samo od signala vode. Inversion recovery (IR) sekvencije, kao podvrsta SE sekvencije, posebne su zbog aplikacije početnog inverznog impulsa. Njime se tkivo "pripremi" prije samog snimanja sloja. Na taj se način može dobiti veći kontrast i razlikovanje tkiva prema raznim svojstvima, uglavnom količini vode. Ta sekvencija započinje sa 180° inverznim impulsom koji pomiče magnetski vektor vodikovih protona u potpunu saturaciju, nakon čega slijedi povratak ka početnoj magnetskoj orijentaciji (longitudinalnoj). Ekscitacijski 90° impuls se aplicira u TI vremenu (TI, engl. Time from Inversion) koji određuje kontrast slike. Budući da je brzina relaksacije masti i vode različita, može se izračunati TI sukladno vremenu  prolaska kroz transverzalnu magnetizaciju pojedinih tkiva kad je longitudinalna komponenta jednaka nuli. Na taj način možemo eliminirati signal pojedinih tkiva. Sekvencija STIR (engl. Short Thau Inversion Recovery) eliminira signal masti iz tkiva. Sekvencija FLAIR (engl. fluid attenuated inversion recovery) poništava signal vode iz tkiva 


     Prednosti IR su izvrstan odnos signala i šuma (SNR, engl. Signal to Noice Ratio) zbog dugog TR, te izvrstan T1 kontrast. Nedostaci IR su dugo vrijeme skeniranja, osim ako se koristi brza opcija IR-a. Sekvencije nastale korištenjem gradijenata su gradijent-eho, T2*, EPI i ME sekvencije. Gradijent-eho sekvencije (GE, engl. Gradient-Echo) načelno mogu koristiti koherentnu magnetizaciju s podjednakim doprinosom longitudinalne i transverzalne magnetizacije (npr. true FISP, engl. Fast Imaging With Steady Precession) i nekoherentnu longitudinalnu magnetizaciju (npr. FLASH, engl. Fast Low Angle Shot). To je općenit naziv za sekvencije kod kojih se pomoću gradijenata primijenjenih na osnovno magnetno polje mijenja dinamika relaksacije protona i time postiže drugačija snimka i/ili se smanjuje vrijeme snimanja. T2* sekvencija (T2 zvjezdica, engl. T2 star) vrsta je T2 snimanja kod koje se snimanje vrši kad je više od 66% protona relaksirano. Koristi se uglavnom kod snimanja kosti, zglobova i sl. 3DCISS GE sekvencije (engl. Three-dimensional (3D) Constructive Interference in Steady State) su vrlo brze tehnike snimanja pomoću kojih je moguće snimati i vrlo brze kretnje, kao npr. kod srca.

     EPI sekvencije (engl. Echo Planar Imaging) koriste se u funkcionalnim pretragama organa ili tkiva kod kojih je vremenska rezolucija važnija od prostorne. Za takve sekvencije je potrebna veća osnovna snaga magnetnog polja. 

     ME sekvencije (engl. Multi Echo) su sekvencije kod kojih se prikupljanje signala temelji na jednoj ekscitaciji i višestrukom očitavanju, a primjenjuje se u SE i GE sekvencijama. Kada se nakon samo jedne ekscitacije istodobno popune sve linija k-prostora radi se o single-shot tehnikama (SS, engl. Single Shot). Tipičan predstavnik single-shot SE sekvencije je HASTE (engl. Half-Fourier Acquisition Single-shot Turbo Spin Echo), a tipičan predstavnik GRE sekvencije je EPI. Posebne sekvencije su DW, DTI, MRS, MRCP, fMRI, MRA. Difuzijski mjereno oslikavanje (DWI, engl. Diffusion Weighted Imaging) je tehnika snimanja kod koje se poništava sav signal iz tkiva, tako da se prikazuje jedino signal iz onih molekula koje se kreću zbog difuzije. Ova se tehnika svakodnevno koristi za utvrđivanje dijela moždanog tkiva koje je doživjelo infarkt, odnosno ishemiju.

     Tehnika snimanja duž vlakana neurona (DTI, engl. Diffusion Tenzor Imaging) predstavlja tehniku snimanja uzduž neuronskih vlakana, čime se dobivaju korisni podaci o tijeku snopova neurona u mozgu što je korisno kod nekih operativnih zahvata ili analize bolesti i stanja. Magnetna spektroskopija (MRS, engl. Magnetic Resonance Spectroscopy) se temelji na dobivanju spektara iz odabranih dijelova moždanog parenhima pomoću kojih se može odrediti koncentracija pojedinih metabolita. Zahtijeva dopunsku opremu (spektralni analizator).

   

 Magnetna kolecistopankreatografija (MRCP, engl. Magnetic Resonance Cholecysto-pancreatography) predstavlja prikaz žučnih i pankreatičnih vodova T2 mjerenom tehnikom. Posljednjih godina uvodi se pretraga funkcionalnog MR-a mozga (fMRI). To je metoda koja pomoću MR tehnologije dijagnosticira vrlo diskretne metaboličke promjene u aktivnim dijelovima mozga

     Metoda se bazira na procjeni povećane metaboličke aktivnosti tkiva koja uključuje ekspanziju krvnih žila, kemijske promjene, promjene u oksigenaciji koje se pohranjuju i analiziraju te omogućuje komparativnu analizu funkcije zdravog mozga i mozga oštećenog traumom, upalnim, degenerativnim ili tumorskim promjenama. Također, omogućuje i precizno određivanje (engl. mapping) dijelova mozga koji su bitni za proces razmišljanja i zaključivanja, pokrete i osjet. Princip metode MR angiografije temelji se na pojačanju signala iz mobilnih protona u krvnoj struji i/ili supresiji signala iz stacionarnih spinova u tkivima. Svježi spinovi ulaze u sloj (engl. entry slice fenomenon ili in-flow efect), a stacionarno je tkivo saturirano, primjerice vrlo kratkim TR-om. 


     Postoje tri osnovne akvizicijske tehnike u MR angiografiji koje ovise o protoku krvi. Prva je Time of Flight (TOF), druga je Phase-Contrast (PC) tehnika, a treća Velocity Encoding (VENC). TOF koristi TR daleko ispod T1 vremena stacionarnih tkiva čime dovodi do njihove saturacije. Svježi, potpuno magnetizirani putujući spinovi stvaraju snažan signal krvne struje. Izrazitim skraćenjem TR-a ili smanjenjem brzine krvne struje ispod kritične točke, spinovi u krvnoj struji će također postati saturirani te će izgubiti signal. PC tehnika koristi razlike u brzini spinova (u sistoli i dijastoli), a može se generirati i između stacionarnih i putujućih spinova pomoću bipolarnog gradijenta. Preporučuje se za dijagnostiku AV malformacija, aneurizmi, venske okluzije. Artefakti pri MR snimanju mogu nastati na fizikalnim osnovama magnetskih polja i uređaja i mogu biti vezani uz bolesnika. Artefakti sa stvaranjem šiljka šuma (engl. spike artefact) nastaju od gradijentne zavojnice koja se koristi kod dugotrajnih snimanja (kao što je EPI), pri čemu diolazi do izbijanja šiljaka šumova u k-prostoru, a što rezultira stvaranjem vertikalnih tamnih pruga na snimkama. 


     Artefakt zatvarača (engl. zipper artefact) je artefakt opreme za MR koji se javlja zbog "istjecanja" elektromagnetske energije u prostoriji za MR (sl. 58). Pojavljuje se kao područje povećanog šuma sa širinom od 1-2 piksela. Sve su prostorije za MR priređene kako bi se eliminirale interference lokalnih radio frekvencija radio-stanica ili elektronske opreme koja emitira signale s mogućom interferencom. Obično nastaju nepažnjom, tj. unosom elektronske opreme u prostoriju za MR.

     Artefakti povezani s gibanjem (engl. motion artefacts) nastaju zbog gibanja bolesnika tijekom snimanja, npr. disanje bolesnika tijekom snimanja abdomena, stvara zamućenje slike i dvostruke konture organa. Ovi artefakti izbjegavaju se zadržavanjem daha. Respiratorni pokreti, pulsacije krvnih žila i srca također uzrokuju nastanak artefakata u smjeru faznog kodiranja. Posljedica su također dvostruke konture ili zrcalne slike organa ili dijelova organa. Ako ih nije moguće izbjeći zbog stanja bolesnika, treba ih svakako uzeti u obzir i prepoznati te uključiti u interpretaciju slike.

     Artefakte protoka (engl. flow artefacts) uzrokuje krv koja cirkulira u krvnim žilama. Protok krvi se manifestira kao područje bez signala u smjerovima faznog kodiranja. U SE sekvencijama krv se prikazuje kao "crno područje" unutar lumena krvne žile. Ti se artefakti mogu smanjiti uporabom kompenzacije ili anuliranjem gradijentnog momenta. Kao posljedica je produljeno vrijeme skeniranja. Artefakti podložnosti (engl. susceptibility artefacts) nastaju kao efekt tkivne magnetizacije koja blago alterira lokalno magnetsko polje. Razlika u podložnosti magnetizaciji za pojedina tkiva uzrokuje inhomogenost polja na granici pojedinih tkiva i organa. Gubitak signala je osobito težak na granici zraka i tkiva i kosti i meke česti. Kao posljedice nastaju geometrijske distorzije osobito kod sekvencija s dugim vremenom skeniranja. Dobro poznavanje anatomije i patologije i vrsta tkiva koja su uključena u snimanja mogu reducirati pogreške u interpretaciji. 


     Artefakti koji nastaju zbog prisutnosti metalnih implantata iste su prirode, samo što su mnogo ozbiljniji i teži. Ta se područja manifestiraju kao potpun gubitak signala zato jer je lokalno magnetsko polje tako snažno da se spinovi gotovo istog trena defaziraju.


     Artefakti kemijskog pomaka (engl. chemical shift artefacts) nastaju jer protoni u vodi i protoni u masti imaju značajno različit kemijski okoliš što uzrokuje razliku u frekvenciji njihovog rezoniranja. Kemijski pomak između vode i masti može uzrokovati artefakte u smjeru frekvencijskog kodiranja. Ti su artefakti bili vrlo česti u T2 mjerenim snimkama prije uvođenja brzih SE sekvenci. 



     Kao posljedica ovog artefakta može nastati dominacija signala iz masti i supresija kontrasta između patološki promijenjenog i normalnog tkiva, osobito na MR snimkama abdomena. Artefakti prebacivanja (engl. aliasing artefacts) uobičajeni su artefakti na MR oslikavanju. Događaju se kad je polje oslikavanja (engl. Field of View, FOV) manje od anatomske regije koja se snima. Tada se na rubovima obično stvaraju bizarne polukružne formacije (franc. moiré uzorak) koje također treba prepoznati i pravilno interpretirati.

Primjena kontrastnih sredstava pri MR snimanju 

   

mijenja vrijeme relaksacije protona, a time i intenzitet kontrasta (signala), što značajno pridonosi dijagnostičkoj efikasnosti. Kontrastna sredstva koja se koriste pri MR snimanju na osnovi su gadolinijuma, u uporabi od 1988. godine. Gadolinijum (Gd) je paramagnetna tvar koja je u slobodnom obliku toksična pa se veže za helate čime joj je reducirana toksičnost. Efekti kontrastnog sredstva ovisni su o dozi i pulsnim sekvencijama. Pozitivna ili paramagnetska kontrastna sredstva poput gadolinijuma u malim dozama pojačavaju signal u T1 sekvenci. Negativna ili superparamagnetna kontrastna sredstva poput čestica željeznog oksida skraćuju T2 i dovode do slabljenja signala u T2 mjerenoj slici. U gastrointenstinalnom sustavu kontrastna sredstva služe za markaciju lumena crijevnih vijuga, za prikaz zadebljanja stijenke crijeva i ekstramuralnih komplikacija kod upalnih bolesti crijeva.

Kontraindikacije za provođenje Magnetske rezonance su slijedeće:

- instaliran srčani elektrostimulator /pace-maker/

- postojanje paramagnetskih metalnih tijela (stentova,proteza, gelera, i sl) u organizmu, osim stentova i proteza testiranih na pretragu.