Bilgisayarlı tomografi (BT) için photon-counting özelliğinin önemi sorulduğunda, photon-counting teknolojili BT’den sorumlu Program Müdürü Stefan Ulzheimer şu cevabı veriyor: “Bu gelişme, pikselli siyah beyaz televizyondan HD özelliğe sahip renkli TV’ye geçişle karşılaştırılabilir.”
Bununla birlikte, photon-counting teknolojisine sahip dedektörün ortaya çıkışı, BT tarayıcıları kullanarak kolay bir şekilde gelişmiş görüntüler elde etmekten çok daha fazlasını ifade ediyor. Bunlar arasında, daha ayrıntılı değerlendirmeler yapabilmek ve BT Konseptleri Başkanı Prof. Thomas Flohr’un deyişiyle “doktorların daha erken bir aşamada kesin tanı koymasına ve olası tedaviler için görüş alışverişinde bulunmasına olanak verebilecek değerli klinik bilgiler elde etmek” için bu “renklerin” kullanılması da yer alıyor. Bu ek bilgilere hızlı erişim sağlamak amacıyla araştırmacılar, bilgisayarlı tomografi alanındaki mevcut teknolojiyi tamamen baştan icat etmek için 20 yıl sürecek bir yolculuğa çıktı.
"Bu teknoloji, doktorların daha erken bir aşamada kesin tanı koymasına ve olası tedaviler için görüş alışverişinde bulunmasına olanak tanıyan değerli klinik bilgiler elde etmekle ilgili."
"Bu çok büyük! Siemens Healthineers'tan Photon Counting BT. NAEOTOM Alpha… Siyah beyaz TV'den renkli TV'ye geçmek gibi... Bundan sonra sadece yoğunluklar değil, spektral bilgiler de olacak. Anlamı; Azaltılmış radyasyon dozu, geliştirilmiş uzaysal ve kontrast çözünürlük, optimal iyot dozları, düzeltilmiş ışın sertleştirme artefaktları. Daha doğru görüntüleme hakkında konuşmaya başlayacağız. BT geri dönüyor ve fotonları sayıyor... Yeni bir çağın şafağına tanık oluyoruz..."
Photon Counting: bilgisayarlı tomografide yeni bir boyut
Bütün, kendisini oluşturan parçaların toplamından daha fazlasını ifade eder
Bilgisayarlı tomografi, yaklaşık 50 yıldır hastalıkları hızlı bir şekilde ve erken bir aşamada tespit ve teşhis etme konusunda vazgeçilmez bir araç olmaya devam ediyor. Bununla birlikte bazı durumlarda, BT taramaları doktorların net bir teşhis koymasını engelliyor, çünkü geleneksel bir BT taramasındaki ayrıntı seviyesi, mevcut teknolojiyle sınırlı ve mevcut teknolojinin sınırları da gelebilecek en son noktaya ulaşmış durumda. Bu durumun geleneksel tespit prensibiyle ilgisi var; bu prensibe göre bir taraftaki X-ışını tüpü çok sayıda küçük, enerji parçacığından, yani kuantadan oluşan radyasyon yayıyor. Bu radyasyon vücudun bir bölümünden geçerken zayıflıyor. Başka bir ifadeyle, belirli sayıda kuanta vücut dokusunda sıkışıp kalıyor. Parçacığın bu yolculuk sonunda kaybettiği enerji, bir dokunun ne kadar yoğun ya da şeffaf olduğuna ve parçacığın yolda hangi malzemelerle karşılaştığına bağlı olarak değişiyor.
X-ışını kaynağının karşısında ise hedef, yani dedektör bulunuyor. Bu dedektör, dokudan geçen mümkün olduğunca çok sayıda kuantayı absorbe etmekten ve ardından bunları görüntü oluşturmak için bir elektrik sinyaline dönüştürmekten sorumlu. Ancak, buradaki sorun, geleneksel bir dedektörün yalnızca bu kuantaların kümülatif etkisini kaydedebilmesi ve dolayısıyla gelen sinyal için yalnızca bir “yoğunluk değeri” vermesi. Dolayısıyla bilginin önemli bir kısmı kayboluyor, çünkü bu prensibe dayalı teknoloji, X-ışını kuantasının düşük enerjili bölümünü kaydetmiyor. Uygulama açısından bakıldığında bu prensip, geleneksel bir BT taramasında belirli bir dokunun, örneğin karaciğerdeki bir tümörün ya da koroner damarlardaki bir sorunun mevcut olduğunu gösterilebilse de doktorlara, bu durumun hasta için ne anlama geldiğine dair daha belirleyici bir sonuca varma olanağı tanınmadığı anlamına geliyor.
Her parçacıktan alınan daha fazla bilgi
Photon-counting özelliğine sahip bir dedektör, gelen X-ışını kuantasını doğrudan bir elektrik sinyaline dönüştürebiliyor. Ayrıca, adından da anlaşılacağı gibi her bir fotonu, yani dokudan geçmiş olan her bir enerji paketini sayıyor ve bu fotonların dedektöre ulaştığında sahip olduğu enerji seviyesi hakkında haberleşme sağlıyor. Kuantanın enerjileri bize X-ışını demetinin içinden geçtiği malzeme hakkında bilgi sağladığı için, artık bir BT görüntüsünden içerdiği farklı malzemelere göre bir kırılım elde etmek mümkün hale geldi. Dört adede kadar farklı enerji seviyesi tanımlanabiliyor ve renklerle kodlanabiliyor. Bu imkân, örneğin kemik metastazlarında daha önce görselleştirilmesi mümkün olmayan bir heterojenitenin görülmesini sağlayabiliyor.
Elektronik gürültü ortadan kaldırıldı
Fotonların enerjisinin ölçülebilmesi, bu teknolojinin gerçek bir sinyali herhangi bir elektronik gürültüden ayırt etmesini sağlıyor. Bu da başka bir önemli avantajın kilidini açıyor: İlk kez, rahatsız edici elektronik gürültü tamamen ortadan kaldırılarak, yalnızca düşük bir dedektör sinyaliyle yönetilmesi gereken tüm uygulamalarda gelişmiş görüntü kalitesi sağlanıyor. Hastayı korumak için başlangıçtan itibaren düşük seviyede X-ışını radyasyonu ile gerçekleştirilen tarama muayeneleri, bu tür uygulamalara örneklerden biri.
"Bu gelişme, pikselli siyah beyaz televizyondan HD özelliğe sahip renkli TV’ye geçişle karşılaştırılabilir."
Yeni bir dedektörden çok daha fazlası
Daha fazla uzaysal çözünürlük
Photon-counting özellikli dedektörlerde, ölçülen nesnenin daha yüksek bir uzaysal frekansla taranabilmesi için, dedektör piksellerinin boyutu önemli ölçüde azaltılabiliyor. Bu, konvansiyonel detektörlerle kıyaslandığında, uzaysal çözünürlükte bir artış ve örneğin, doktorların koroner arterleri net bir şekilde görmek istediği durumlarda, kalp hastalıklarının teşhisi açısından fayda sağlıyor. Alternatif olarak, taramalar sırasındaki radyasyon dozunu azaltmak için de kullanılabiliyor. Bu da hem önleyici muayeneler hem de takip muayeneleri açısından büyük avantaj sağlıyor.
Tüm bu özelliklerden yararlanmak için, bilgisayarlı tomografiyi çeşitli açılardan yeniden düşünmek gerekiyordu. Ne de olsa, photon-counting özelliği, sadece yeni bir dedektör kurmaktan daha fazlasını ifade ediyor. Bu nedenle Thomas Flohr ve Stefan Ulzheimer 2001 yılında, yaklaşık 20 yıl sürecek bir yolculuğa başladılar. Yaptıkları çalışmalar “Her foton önemlidir!” sloganıyla tanımlanacaktı.
Yeniden tanımlandı: Temel saptama ilkesi
Bir BT tarayıcısında, hastanın etrafında dairesel bir rota üzerinde hareket eden bir X-ışını kaynağı ve bir dedektör sistemi bulunuyor. Konvansiyonel dedektör sistemleri “enerjiyi entegre eden dedektörler” olarak biliniyor ve X-ışınlarının önce gözle görülür ışık sinyallerine ve daha sonra da fotodiyotlar tarafından elektrik sinyallerine dönüştürüldüğü bir sintilatör tabakası içeriyor. Bu sinyaller en sonunda dijitalleştiriliyor ve bir bilgisayarın yardımıyla vücudun iç kısmına ait görüntüler, birbirlerinin üstüne bindirilmeden oluşturuluyor. Buna karşılık photon-counting özellikli bir dedektör ise X-ışınlarını doğrudan elektrik sinyali darbelerine dönüştürebilen yarı-iletken bir malzemeden oluşuyor. Bunun sonucunda X-ışını kuantasından gelen enerji bilgisi artık kaybolmuyor ve bu doğrudan dönüşümün sonucunda, sürecin ara adımlarından biri ortadan kalkıyor. Bu nedenle yeni saptama prensibi son derece verimli olmakla birlikte konvansiyonel bir BT tarayıcısından daha fazla veri ve dolayısıyla daha fazla klinik veri üretiyor.
Yeniden Tanımlandı: BT ile görüntüleme dünyasında benzeri görülmemiş bilgi işlem gücü
Bu nedenle, photon-counting özelliğine sahip bir dedektör kısa sürede daha fazla bilgi sağlıyor. Bu ilave bilgiden yararlanmak için araştırmacılar donanım, yazılım ve veri iletimi olmak üzere BT sisteminin tüm konseptini gözden geçirdiler. Tıp teknolojisi alanında daha önce görülmemiş bir performansa sahip bilgisayarlar, artık sadece birkaç saniye içinde üç boyutlu görüntüler üretebiliyor. Teknolojinin özünde hız bulunuyor, çünkü doktorlar rutin klinik uygulamada alışkın oldukları performans düzeylerini görmeyi istiyor; başka bir ifadeyle, görüntülerin, muayeneden sonra mümkün olan en kısa sürede hazır olması gerekiyor. Bu, günümüzde bile muazzam düzeyde bir hesaplama (computing) kapasitesi gerektiriyor. Bu yüzden de mühendisler, kendilerini hem bu veri hacmini kısa sürede işleyebilen hem de pazarlanabilir bir fiyat aralığında olan bir bilgisayar geliştirmek gibi devasa bir görevle karşı karşıya buldular.
"Kristal yetiştirme süreçlerini öğrenmek ve kurmak için 400 metre kareden daha büyük bir alan oluşturmaya başladık."
Yeniden tanımlandı: Dedektör malzemesi
Dedektörün yapıldığı malzemenin üretilmesiyle ilgili bir başka büyük alt projenin konusu ise kadmiyum tellür (CdTe). Her ne kadar CdTe, 2001 yılında dedektör için umut verici bir madde olarak tanımlanmış olsa da o günlerde mevcut olan malzeme, tıpta kullanılan BT görüntüleme için gereken yüksek standartları karşılayamamıştı. Photo-counting özellikli X-ışını dedektörlerinin kullanımı artık rutin klinik uygulamanın bir parçası olarak kabul gördüğü için binlerce sistem için gerekli olan kristallerin büyük miktarlarda üretilmesi hayati önem taşıyor. Bu ayrıntılı süreç, geçtiğimiz 20 yıl boyunca önemli ortaklıklar kurulan şirketlerle yakın iş birliği içinde mükemmelleştirildi.
Sonuçta, söz konusu kristal üretimiyse her şey mükemmel olmak zorunda. Bu işlem, karbon kaplı ampullerin kadmiyum ve tellür ile doldurulmasını ve açık alev üzerinde kapatılmasını kapsıyor. Daha sonra malzeme, gerçek kristal büyütme işlemi için tohum görevi gören önceden büyütülmüş mükemmel bir kristalin bir parçası ile yeni bir ampule yerleştiriliyor. On haftalık bir süre boyunca ampuller ısı veren bir ortamdan geçerken, kristal de yavaş yavaş büyüyerek saflık seviyesi yüzde 99.9999’dan fazla olan kadmiyum tellür üretiyor.
"Yeni dedektörümüzün özellikleri sayesinde, farklı kontrast maddeler arasında ayrım yapmak mümkün oluyor. Bu, iş ortaklarımızı yeni gelişmeler ve inovasyonlar geliştirmeleri için teşvik edecektir. "
Yeniden tanımlandı: Radyasyonun ve kontrast maddelerin tasarruflu kullanımı
Sonuç olarak ortaya çıkan kadmiyum tellür kristalleri, dedektörün yapısının son derece ince olmasını sağlıyor. Bu da yüksek görüntü çözünürlüğünün, dolayısıyla maruz kalınan radyasyon dozunun ve kullanılan kontrast madde miktarının azaltılmasının yolunu açıyor. Bu avantajlar sayesinde bilgisayarlı tomografi, daha önce radyasyona veya kontrast maddelere maruz kalmalarının endişeye yol açtığı çocuklar veya böbrek hastaları gibi gruplar tarafından da kullanılabilecek. Kontrast maddeler daha etkin bir şekilde saptanabildiği için bizmut veya altın gibi diğer kontrast maddelerin görselleştirilmesi de artık mümkün hale geldi.
Yakın bir gelecekte, quantum-counting (kuantum sayma) özellikli dedektörün özelliklerine uygun hale getirilmiş yeni kontrast maddelerin kullanılması mümkün olursa görüntü kalitesinde daha da fazla iyileştirme sağlanabilir. Stefan Ulzheimer, bunu şu sözlerle ifade ediyor: “Daha önce farklı kontrast maddeleri arasında ayrım yapabilen hiçbir BT tarayıcısı olmadığı için üreticileri yeni kontrast madde geliştirme konusunda teşvik edecek bir şey yoktu. Artık bu alana yönelik büyük bir ilgi ve araştırma faaliyeti görüyoruz.”
Klinik dünyada bilgi paylaşımı ve daha güçlü ağlar oluşturma
Bilgisayarlı tomografiyi yeniden icat etme süreci birkaç aşamadan oluştu. Şimdiye kadar photon-counting teknolojisi ile ilişkili yüzlerce patent üretildi. Stefan Ulzheimer; “Çabalarımızı, mümkün olduğu kadar çabuk ve birbirimizin yoluna çıkmadan, makul ürünleri piyasaya sürme yönünde yoğunlaştırmak istiyoruz” diyor. Siemens Healthineers açısından “makul”, aynı zamanda klinik faydaların ölçülebilir olması gerektiği anlamına geliyor. Ulzheimer, geleceğe dair bir öngörüsünü dile getirirken şu açıklamada bulunuyor: “Beş ila on yıl içinde, ciddi seviyedeki stenozu ihtimaller arasından çıkarmak için koroner arterlerin diagnostik kateterizasyonuna artık ihtiyaç kalmayabilir… artık bu teknolojinin faydalarını ortaya koymak ve bunları ölçülebilir kılmak için bir planımız var.”