5 WOJSKOWY SZPITAL KLINICZNY

Fantom przełyku do symulacji dynamicznych badań scyntygraficznych tranzytu przez przełyk

Cel pracy

Celem pracy było opracowanie prototypu fantomu przełyku z regulowaną prędkością przesuwu pokarmu mogącego znaleźć zastosowanie w ocenie poprawności obliczania czasu tranzytu przez przełyk oraz wielkości refluksów żołądkowo- przełykowych przez gammakamerę współpracującą z systemem diagnostycznym.

Wprowadzenie

Przełyk jest elastycznym kanałem mięśniowym łączącym gardło z żołądkiem. Jego długosć wynosi 21-30 cm u dorosłego mężczyzny oraz 20-26 cm u dorosłej kobiety

Tab. 1. Referencyjne wartości długości przełyku dla ludzi w różnym wieku [1]

W przebiegu przełyku są trzy miejsca zwężone:

• zwężenie górne - zwieracz gardłowo-przełykowy UES (ang. Upper Esephagus Sphincter),
• zwężenie środkowe,
• zwężenie dolne - dolny zwieracz przełyku LES (ang. Lower Esephagus Sphincter)
  

W połykaniu bierze udział jama ustna, gardło i przełyk. Wyróżnia się trzy fazy połykania:

• ustną - charakter dowolny
• gardłową - charakter odruchowy
• przełykową - charakter odruchowy

W fazie połykania przełykowego wyróżnia się pierwotną perystaltykę przełyku, stanowiącą kontynuację fali perystaltycznej gardła, oraz perystaltykę wtórną, spowodowaną zatrzymaniem pokarmu w dowolnej części przełyku.
Prędkość przechodzenia pokarmu przez przełyk zależy od jego rodzaju oraz od aktywności skurczowej mięśni przełyku. Zaburzenia tej aktywności mogą prowadzić do przyspieszenia lub opóźnienia tranzytu pokarmu przez przełyk, a nawet do zalegania pokarmu w przełyku lub do częściowego refluksu.

Tab. 2 Referencyjne czasy tranzytu przez przełyk treści pokarmowej różnego rodzaju dla ludzi w różnych grupach wiekowych [1].

* frakcja treści pokarmowej, która przechodzi bezpośrednio przez przełyk do żołądka
** frakcja treści pokarmowej, która pozostaje na ścianach przełyku po połknięciu pokarmu
*** treść pokarmowa bez rozróżnienia pod względem konsystencji

W chorobach przełyku badania izotopowe służą do ilościowej oceny wielkości refluksu żołądkowo-przełykowego oraz badania motoryki przełyku i szybkości pasażu przełykowego, co pomaga w różnicowaniu bólów w klatce piersiowej oraz objawów dysfagii, a także w sklerodermii.
Jako znacznika promieniotwórczego używa się koloidu siarczkowego połączonego z 99mTc, który podaje się pacjentowi do połknięcia. Następnie tranzyt radioznacznika jest rejestrowany poprzez gammakamerę planarną.

Projekt fantomu przełyku

W celu badania patologii motoryki przełyku opisanych we wprowadzeniu opracowano prototyp fantomu przełyku.

Opis fantomu. Fantom ma 65 cm wysokości i składa się z aluminiowej podstawy w kształcie prostopadłościanu (15 cm wysokości), zawierającej obwód elektroniczny do zasilania i sterowania silnikiem krokowym, oraz mosiężnej prowadnicy o długości 50 cm. Wewnątrz prowadnicy na dwóch rolkach rozciągnięty jest pas. Do pasa przymocowany jest specjalnie wyprofilowany element ruchomy zawierający uchwyt umożliwiający zawieszenie dwóch probówek o średnicy 6mm. Ruch pasa jest wywoływany przez silnik krokowy połączony poprzez przekładnię z dolną rolką. Prowadnica otoczona jest przez aluminiową obręcz, która może być umieszczona na dowolnej wysokości.
Górne położenie uchwytu symuluje jamę ustną, dolne - żołądek. Na prowadnicy zaznaczono dwa punkty. Pierwszy jest odległy od górnego położenia o 9 cm a drugi o 17 cm i odpowiadają one lokalizacji zwieraczy przełyku - mięśni, których uszkodzenie jest przyczyną wielu zaburzeń motoryki. Punkty te służą umieszczaniu wspominanej obręczy.
Pokarm imitowany jest przez fiolki z radioaktywnym roztworem zawierającym 99mTc. W zależności od potrzeby używa się jednej lub dwóch fiolek. W przypadkach gdy konieczne jest posłużenie się dwoma fiolkami (zaleganie i refluksy) są one tak ustawiane aby leżały w jednej linii z gammakamerą. W ten sposób gammakamera widzi je jako jeden obiekt symulujący kęs pokarmu.

Fantom przełyku

Sterowanie fantomem. Do napędzania fantomu użyto silnika krokowego. W silnikach tego rodzaju częstość obrotów zależy od częstotliwości sygnału podawanego na wejście. Tym samym częstotliwość sygnału określała prędkość ruchu fiolek. Sygnał jest generowany przez komputer przy pomocy aplikacji stworzonej do to tego w programie LabView Students Edition. Aplikacja pozwala wybrać jeden z trzech przypadków:

• prosty tranzyt z zadaną prędkością - tylko ruch w dół,
• zaleganie - jedna z dwóch poruszających się fiolek zaczepia się na aluminiowej obręczy i pozostaje na pewnej wysokości
• refluks - ruch wsteczny na zadaną wysokość po osiągnięciu przez fiolkę dolnego położenia odpowiadającego żołądkowi.

Wybór jednego z tych przypadków definiuje sekwencję sygnału jaki ma być wygenerowany i użytkownik musi jedynie wpisać: zakładaną długość przełyku (wartość domyślna 25 cm), żądany czas przejścia pokarmu, wysokość na jakiej ma zajść zaleganie, czas przetrzymania w dolnym położeniu, wysokość na jaką pożywienie cofa się w refluksie i użyte aktywności w obu fiolkach (potrzebne do obliczenia procentu zalegającego lub cofniętego w refluksie pożywienia). Algorytm aplikacji przelicza podane wartości na ilość kroków silnika i częstotliwość sygnału jaki ma być podany na wyjście szeregowe RS-232.
Drugie wyjście RS-232 zostało użyte do kontroli kierunku ruchu fiolek wykonywanej także przez aplikację. Ruch w dół zachodzi gdy na wyjście to nie jest podawany sygnał - logiczne 0, natomiast ruch w górę zachodzi gdy sygnał jest podawany - logiczne 1. Aplikacja na podstawie wartości wprowadzonych przez użytkownika oblicza ilość kroków silnika potrzebnych do pokonania zadanej odległości przez fiolki i po wykonaniu tylu kroków zmienia stan logiczny na drugim porcie szeregowym powodując zmianę kierunku ruchu fiolek. W ten sposób wybór przypadku z refluksem powoduje automatyczną zmianę stanu logicznego na drugim wyjściu RS-232 po osiągnięciu dolnego położenia przez uchwyt z fiolkami co oznacza ruch w górę po odczekaniu zadanego czasu przetrzymania.
W trakcie wykonywania wszystkich prób aplikacja zlicza wykonaną przez silnik ilość kroków w jednym i w drugim kierunku co jest wykorzystane do automatycznego powrotu fiolek do położenia wyjściowego po zakończeniu próby i zapisaniu raportu. Raporty zapisywane są automatycznie w plikach tekstowych.

Wykonanie pomiarów

Wykonane próby można podzielić na dwie grupy. Pierwsza z nich obejmuje przypadki prostego tranzytu bez refluksów i zalegania. Na podstawie tych doświadczeń badano poprawność określania czasów przejścia przez system diagnostyczny. W niektórych z tych przypadków system wykazał jednak obecność niewielkich refluksów których w rzeczywistości nie było. Ich wskazanie przez system spowodowane było niedokładnościami w zaznaczaniu tzw. regionów zainteresowania (ROI - a zng. Region Of Interest).
Drugą grupę stanowią doświadczenia w których założono występowanie refluksu lub zalegania. Oba te przypadki odróżnia od siebie obraz skondensowany oraz przebieg krzywych tranzytu przez poszczególne części przełyku. Testy te posłużyły do oceny poprawności określania procentowej wartości refluksu i zalegania poprzez porównanie wyników otrzymanych przy pomocy systemu diagnostycznego z wartościami znanymi określonymi jaki stosunki aktywności 99mTc w używanych fiolkach.

Przeprowadzono pięć serii prób:

• tranzyt normalny
• tranzyt przyspieszony
• tranzyt spowolniony
• zaleganie części pokarmu przy spowolnionym tranzycie
• refluks części pokarmu przy spowolnionym tranzycie
  

Badanie tranzytu pokarmu przez przełyk

• Tranzyt normalny - fiolka wykonywała jedynie ruch w dół z prędkością tak dobraną aby uzyskać żądany czas pokonania odległości 25 cm. Wykonano próby dla czasów: 6 s, 7 s, 8 s, 9 s i 10 s czyli czasów mieszczących się w zakresie fizjologicznej normy
• Tranzyt przyspieszony - fiolka wykonywała jedynie ruch w dół z prędkością tak dobraną aby uzyskać czas pokonania odległości 25 cm krótszy niż fizjologiczna norma: 5 s, 3 s i 2 s.
• Tranzyt spowolniony - fiolka wykonywała jedynie ruch w dół z prędkością tak dobraną aby czas przejścia 25 cm był dłuższy niż fizjologiczna norma: 15 s, 20 s, 25 s, 30 s, 35 s

Badanie zalegania pokarmu

Zaleganie - posłużono się dwoma fiolkami, które wspólnie poruszały się w dół z prędkością tak obliczoną aby czas przejścia wynosił 20 s. Na żądanej wysokości -9 cm od góry lub 17 cm od góry co odpowiada umiejscowieniu zwieraczy przełyku a więc miejsc patologicznego zalegania pokarmu w różnych schorzeniach motoryki przełyku- umieszczona była aluminiowa obręcz obejmująca prowadnicę. Jedna z fiolek wysunięta ku przodowi zaczepiała się na obręczy i pozostawała na tej wysokości symulując pokarm zalegający podczas, gdy druga fiolka poruszała się do dolnego położenia.

Badanie refluksu

Refluksy - posłużono się dwoma fiolkami, które wspólnie poruszały się w dół z prędkością tak obliczoną aby czas przejścia wynosił 35 s. Obie fiolki przemieszczały się do dolnego położenia symulującego żołądek, gdzie jedna z nich podobnie jak w przypadku zalegania zaczepiała się o aluminiową obręcz i pozostawała na dole, podczas gdy druga po zadanym czasie przetrzymania, wynoszącym 5 lub 10 sekund, rozpoczynała ruch w górę do położenia odpowiadającego umiejscowieniu zwieraczy przełyku.

Wyniki

Działanie opisanego fantomu sprawdzono przy pomocy cyfrowej gammakamery MEDISO-Nucline współpracującej z systemem diagnostycznym DIAG.

Przy pomocy fantomu przełyku uzyskano przeprowadzono symulacje badań scyntygraficznych przełyku dla zadanych początkowych parametrów badania takich jak: czas tranzytu, długość przełyku, procent aktywności cofanej w refluksie, procent aktywności zalegającej na zadanej wysokości. No uzyskanych obrazach scyntygraficznych przy pomocy oprogramowania diagnostycznego zaznaczono regiony zainteresowania i wykreślono dla nich przywe tranzytu znacznika. Na ich podstawie obliczone zostały czasy tranzytu znacznika oraz procent aktywności cofanej w refluksie lub zalegającej.

Regiony zainteresowana ROI zaznaczone na obrazaach scyntygraficznych: A - scyntygram pacjenta, B - scyntygram fantomu

Na 110 opracowanych wyników, czas tranzytu radioizotopu przez przełyk wyznaczony za pomocą programu diagnostycznego różnił się, co najwyżej 2 s od wartości oczekiwanej. Czas obliczony przez program diagnostyczny był podawany w zaokrągleniu do całych sekund, dlatego dla małych wartości czasu tranzytu istniała możliwość uzyskania dużego odchylenia od wartości oczekiwanej. Dla czasu tranzytu 2 s względna niepewność pomiarowa mogła wynosić nawet 50%.
Miedzy parametrami zadanymi fantomowi przełyku a parametrami obliczonymi przy pomocy programu diagnostycznego uzyskano wysokie współczynniki korelacji - bliskie jedności. Zgodność wykazano zarówno między wynikami czasu tranzytu jak i procentu aktywności cofanej w refluksie oraz procentu aktywności zalegającej.
Jedynym mankamentem, który zaobserwowano podczas opracowywania wyników uzyskanych za pomocą fantomu przełyku jest to, że program diagnostyczny nie potrafi odróżnić zalegania od refluksu. Dla pomiarów zalegania program podawał procent aktywności zalegającej jako procent aktywności cofanej w refluksie. Zaleganie od refluksu można rozróżnić jedynie poprzez analizę obrazów skondensowanych.

Wnioski

• zadane fantomowi przełyku parametry takie jak: czas tranzytu radioizotopu przez przełyk, procent aktywności cofanej w refluksie lub zalegającej na zadanej wysokości, były realizowane z dużą precyzją, pozwalającą uzyskać wartościowa informację do analizy za pomocą programów diagnostycznych
• za pomocą fantomu przełyku zamodelowano ruch radioizotopu podczas scyntygraficznego badania przełyku,
• wartości czasu tranzytu radioizotopu przez przełyk, procentu aktywności cofanej w refluksie lub zalegającej na zadanej wysokości wyznaczone, przy pomocy programu diagnostycznego pokrywały się z parametrami zadanymi fantomowi przełyku w module sterowania - współczynniki korelacji między wartościami wyznaczonymi przez program diagnostyczny a wartościami zadanymi fantomowi były bliskie jedności,
• dla małych wartości czasu tranzytu (poniżej 5 s) wyniki obliczone przez program diagnostyczny na podstawie danych uzyskanych za pomocą fantomu przełyku są obarczone dużą niepewnością,
• program diagnostyczny nie potrafi odróżnić zalegania od refluksu - dla pomiarów zalegania program podawał procent aktywności zalegającej jako procent aktywności cofanej w refluksie

Literatura

[1] REM Task Group ICRP Committee 2, Draft Report: Basic Anatomical and Physiological Data for Use in Radiological Protection: Reference Values, 2001 - http://www.icrp.org/pdf/g_REM_Chapter_6_Alimentary_System.pdf

Wykonane pomiary, ich wyniki i opracowanie znalazły się w pracy magisterskiej p. Marcina Sikory zrealizowanej, pod opieką dr hab. Marty Wasilewskej-Radwańskej, prof. AGH, na Wydziale Fizyki i Techniki Jądrowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, zatytułowanej "Badania modelowe motoryki przełyku i żołądka"

Webdesign Marcin Sikora
Webmaster Urszula Jeleń