3D-bilder i medicinens tjänst

Vi människor ser lika olika ut på insidan som på utsidan. Med ny teknik öppnar sig nu möjligheter att ge en mycket realistisk bild av vårt innandöme. En kirurg kan få en uppfattning om precis vad som väntar innan han eller hon öppnar kroppen för ett ingrepp, något som kan leda till bättre och mer exakt behandling.

Några som redan upplevt detta är patienter med så kallat förmaksflimmer. Det elektriska retledningssystemet i hjärtat fungerar då inte normalt, vilket leder till ojämn hjärtrytm. Vissa former av förmaksflimmer går att behandla genom att man bränner av nervtrådar i hjärtats förmak i anslutning till mynningen av de vener som kommer med syrsatt blod från lungan.

– Men det finns många varianter av hur dessa vener ser ut, säger Anders Persson, chef för nyöppnade Center for medical image science and visualization (CMIV) vid Linköpings universitet.

Sekundsnabb röntgen

Han jämför med träd i naturen: inget är det andra likt när det gäller hur de förgrenar sig. På samma vis är det med lungvenerna. Samtidigt är det viktigt att man hittar och bränner bort rätt nervändar. Med hjälp av tredimensionella bilder kan läkarna nu redan före ingreppet konstatera hur det individuella hjärtat ser ut och förbereda ingreppet mer precist.

De nya hjärtbilderna är exempel på hur man kunnat utnyttja den snabba utvecklingen inom datortomografi de senaste åren. En undersökning som tog någon minut för bara några år sedan kan i dag genomföras på sekunder och med betydligt större noggrannhet.

Detta har lett till att man exempelvis kan leta efter tjocktarmscancer helt virtuellt. Tidigare genomfördes undersökningen oftast med röntgen och endoskopi, men numera räcker det med 30 sekunder i en datortomograf. I dag finns utrustning på fem svenska sjukhus där läkaren letar efter tumörer och förstadier till tumörer i en tredimensionell bild av tarmen.

Kroppen ses som voxlar

I datortomografi avbildas kroppen i millimetersmå bitar som kallas voxlar. Varje voxel får ett värde som motsvarar hur mycket strålning som passerade i just den delen av kroppen.

– Förut var voxlarna formade som tandpetare, men nu har de blivit liksidiga kuber, säger Anders Persson. Kuberna kan vara så små som fyra tiondels millimeter.

En fördel med att ha mer data är att de tunga beräkningarna blir färre. Förr kompenserade man brister i röntgenundersökningen med avancerade matematiska algoritmer. De tredimensionella bilder som visas numera har samma noggrannhet oavsett i vilket plan man tar fram en bild.

Det betyder också att det finns så mycket information att läkaren kan ställa olika frågor till materialet och få ut olika slags bilder. Om man bara är intresserad av en viss typ av vävnad eller ett visst begränsat område, kan man plocka bort det som är ointressant och ändå ha kvar ett överflöd av data att rita bilden utifrån.

Datortekniken som används för att rita bilderna är lik den som används i datorspel och animerade filmer. Principerna för hur ytor beräknas, hur objekt roteras eller hur man reser runt i en tredimensionell bild är desamma. De matematiska formlerna bakom en päls på en sagofigur i en tecknad film är likadana som de för tarmluddet i tjocktarmen.

Men även om datorerna klarar att rita fantastiska bilder är väntetiden ibland för lång. Den som spelar ett datorspel vill gärna att bilderna ritas så snabbt att väntetiderna inte blir störande. En läkare vill på samma vis slippa sitta och vänta på en ny bild efter att han eller hon har matat in en ny bildbeställning.

Ett sätt att minska väntetiden är att rita med olika noggrannhet på olika delar av bilden, så kallade multiresolution. Det ger snabbare bilder med tillräcklig noggrannhet där det är viktigt, men grovkornigare upplösning där noggrannheten spelar mindre roll. Ett annat sätt att öka hastigheten är att läkaren pekar ut ungefär vad olika delar i bilden föreställer, så att bildprogrammet slipper ägna tid åt att rita upp data som inte är nödvändiga.

Kokt ägg ger utslag

Tredimensionella bilder av kroppen kommer inte enbart från datortomografi. Det går utmärkt att göra liknande bilder från till exempel magnetresonanskameror och positronsemissionskameror. I vissa fall är dessa alternativ att föredra eftersom de inte utsätter patienten för röntgenstrålning, men i andra fall är datortomografens noggrannhet avgörande.

Varje avbildningsteknik har sina fördelar. Det går att se vissa typer av vävnader, flöden eller reaktioner bättre med en sorts kamera än en annan. Med en magnetresonanskamera kan man se vilken konsistens ett och samma material har, till exempel om ett hönsägg är rått, löskokt eller hårdkokt. Det går inte med data från en datortomograf.

Man kan även avbilda samma organ med flera olika tekniker och sedan kombinera dem i en och samma bild.

Ett hjärta som rör sig

Samtliga dessa avbildningstekniker använder sig av kameror som roterar runt kroppen och fotograferar den i skivor. Ett skäl till att upplösningen ökat dramatiskt på senare tid är att man numera tar flera bilder, flera skivor, på samma varv. De bästa datortomograferna tar nu 64 skivor samtidigt, och det är troligt att det snart rör sig om ännu fler. Tillverkarna koncentrerar sig dock mer på nästa stora steg, att ta samma skiva flera gånger och därmed ge bilden ett tidsförlopp.

– De första sådana apparaterna finns redan, och de kan till exempel visa ett hjärta som slår, berättar Anders Persson.

Ny utrustning gör det också möjligt att se sådant som man tidigare inte kunde se ens om man öppnade patienten, som töjning, elasticitet eller vilka delar av ett organ som är döda och vilka som fortfarande fungerar.

– Men det ställer nya krav på hur vi ska kunna visa all denna information i lättolkade bilder, säger Anders Persson. Vi talar nu om mer än en biljon byte data per patient.

Biljoner ger problem

Att apparaterna producerar så stora mängder data leder också till ett annat problem. Vad gör den läkare som vill se all tillgänglig information? Det är ju inte längre möjligt. Tidigare tog man de röntgenplåtar man kunde och granskade sedan samtliga. En läkare kunde säga att han eller hon vid granskningen funnit något eller inte funnit något. Men med tusentals bilder per patient måste man göra ett urval.

Tänk om en patient kommer in för provtagning och man gör en datortomografi. Läkaren tittar sedan på ett urval bilder men hittar inget. Fem år senare visar det sig att patienten har cancer. När man går tillbaka till bilderna ser man att detta faktiskt syns på några av bilderna. Det kan då vara svårt för läkaren att hävda att de bilder han eller hon tittade på var relevanta, trots att där ju inte syntes någon tumör.

Därför behövs det stöd för läkarna så att de på god grund ska kunna säga att de har gått igenom alla relevanta data. Dels givetvis rutiner som talar om vad man måste titta på för att en undersökning ska anses fullgod. Men dels också datorstöd som letar efter avvikelser och påtalar dem för läkaren.

– Datorer är bra på att hitta avvikelser, mycket bättre än människor eftersom de sällan missar något. Människor är däremot än så länge mycket bättre på att avgöra om avvikelserna är betydelsefulla eller inte, säger Anders Ynnerman, professor i vetenskaplig visualisering vid Linköpings universitet.

Läkaren reser i lungorna

Nästa steg efter de tredimensionella bilderna är alltså rörliga bilder och bilder som i högre utsträckning visar hur olika organ fungerar. Men även de etablerade tredimensionella bilderna hittar nya användningsområden.

Ett exempel är provtagningar i lungorna, så kallad bronkoskopi. Normalt utför man en sådan med ett böjligt rör som förs ner genom luftrören och som sedan styrs ut i bronkerna. Väl på plats kan man med speciella verktyg plocka bort oönskade objekt eller ta vävnadsprover.

Men den traditionella tekniken är i många fall för grov. Man kan se problemet på en röntgenbild, men inte komma åt att ta ett prov eller skära bort en sjuk del. Lösningen kommer oväntat från ett helt annat kunskapsområde, navigering av stridsrobotar. I Israel har ett företag kombinerat datortomografi, avancerad bildbehandling och positionsbestämning med hjälp av radiovågor, hämtad från just försvarsindustrin.

Först omvandlas röntgendata till en virtuell, tredimensionell bild av lungorna. Den läkare som ska utföra bronkoskopin kan använda den tredimensionella bilden som en karta för att bestämma en lämplig väg. Bilden används sedan tillsammans med positionsbestämningsutrustningen för att hela tiden kunna visa var i kroppen bronkoskopet verkligen befinner sig. På bildskärmen syns två bilder, dels den virtuella, dels en bild från en kamera i spetsen på bronkoskopet.

Metoden blev godkänd för användning i Europa förra året.

Virtuella lårben

Ett helt annat exempel är möjligheterna för kirurger att öva på virtuella patienter med hjälp av tredimensionella bilder och så kallade haptiska gränssnitt. Ett haptiskt gränssnitt ger återkoppling till känseln hos användaren, vilket i det här fallet betyder att kirurgen kan känna om något är mjukt eller hårt, glatt eller strävt. Med hjälp av sådana gränssnitt finns det redan i dag möjlighet att öva på låtsaspatienter.

Ett projekt som pågår vid Linköpings universitet i samarbete med företaget Melerit går dock ett steg längre – att kirurgen ska kunna öva på just den patient som han eller hon sedan ska utföra operationen på. Om en läkare kan provborra på en exakt kopia av det aktuella höftbenet, underlättar detta när det verkliga ingreppet sedan genomförs.

Anders Ynnerman har en vision om att man ska kunna komma in som patient på sjukhuset, gå igenom en undersökning som tar fram bilder och inom loppet av några timmar ha fått en diagnos, fått den återkopplad till en simulering som en kirurg kan pröva ingreppet på och sedan undergå operationen.

– Jag tror att det är möjligt inom några år, säger han.

I detta fall gäller det att det haptiska gränssnittet efterliknar verkligheten så bra som möjligt. Men det finns också en utveckling där man inte eftersträvar exakt realism. Likt en karikatyrteckning kan det ibland vara effektivare att överdriva eller förvanska vissa delar för att uppnå önskad effekt.

Det är till exempel erkänt svårt att känna hur starkt blodflödet är i en ven. Om man med hjälp av en magnetresonanskamera har exakta uppgifter, kanske det är bättre att antingen visa dem i form av färger i ett diagram, eller genom ett haptiskt gränssnitt som förmedlar kraften på ett overkligt men lättolkat och tydligt vis. En del forskare hoppas att detta är ett sätt att komma runt problemet med den stora mängden information som datortomografer, magnetresonanskameror och andra avbildningstekniker ger.

Människan bakom bilden

När provtagningstekniken går framåt kan man undra om det inte ligger en risk i att läkarna litar för mycket till tekniken och glömmer patienten.

– Visst finns det en fara i att man utför prov i onödan, säger Anders Persson. Att man tar ytterligare prover för att vara på den säkra sidan.

Men han tror att detta kommer att uppvägas av att man kan undvika många onödiga och felaktiga ingrepp.