Wszyscy je znamy, ale jak w zasadzie działają? Termometr, EKG, USG, rezonans,

Wykorzystywanie specjalistycznych urządzeń pomagającym lekarzom w diagnostyce rozpoczęło odkrycie promieniowania rentgenowskiego przez Wilhelma Röntgena w 1895 roku. Podczas II wojny światowej potrzeba szybkiej diagnostyki żołnierzy przyspieszyła ich rozwój. Inne urządzenia, takie jak CT czy rezonans magnetyczny, przyniosły integrowanie techniki komputerowej z wszystkimi sferami naszego życia. Komputery umożliwiają analizę ogromnej ilości danych w ciągu kilku chwil.

Jak działa termometr?

Co: termoskop (termometr)
Kiedy: 1579

Temperatura ciała pacjenta to podstawowa wartości, którą kontroluje się podczas diagnostyki lekarskiej. Starożytni medycy musieli zadowolić się przykładaniem dłoni do czoła pacjenta i subiektywną oceną. Sam ojciec medycyny, grecki lekarz Hipokrates (460 p.n.e.–377 p.n.e.), pisał: Jeżeli jakaś część ludzkiego ciała jest cieplejsza lub chłodniejsza od sąsiadujących części, należy poszukiwać ogniska choroby właśnie w tym miejscu. Technikę przykładania dłoni zmieniło dopiero wynalezienie termoskopu przez toskańskiego fizyka Galileusza (1564–1642) na początku XVII wieku i jego następne udoskonalanie. Galileusz wykorzystał w nim rozszerzalność cieplną cieczy.

W 1631 roku francuski lekarz Jean Rey skonstruował pierwszy termometr do celów medycznych, który do wskazywania temperatury wykorzystywał wodę. Niestety przez małą rozszerzalność cieplną nie sprawdziła się. Najbardziej odpowiednimi cieczami do mierzenia temperatury ciała okazał się alkohol i rtęć. Pierwsze termometr alkoholowe wykonał książę Toskanii Ferdynand II Medyceusz (1610–1670). Termometry jednak były przez różnych naukowców opatrzone różnymi skalami, dlatego należało brać to pod uwagę.

Ten problem rozwiązała skala wprowadzona przez szwedzkiego fizyka Andersa Celsjusza (1701–1744) i która jest najczęściej wykorzystywana także współcześnie, mimo że Amerykanie wolą skalę niemieckiego fizyka i wynalazcy termometru rtęciowego Daniela Fahrenheita (1686–1736).

Zobacz też: "Straszna" sieć 5G. Czy jest się czego bać?
2034442

W naszej części świata rtęciowy termometr lekarski był wyposażony w skalę Celsjusza w zakresie od 35 do 45°C. Do momentu zakazania używania do tych celów rtęci termometry te należały do najdokładniejszych. W dzisiejszych czasach zamieniono je głównie na termometry cyfrowe, które w ciągu kilku sekund wyświetlają na ekranie zmierzoną temperaturę. Pomiar odbywa się za pomocą termoelementu znajdującego się w końcówce urządzenia. Działa na zasadzie zmiany oporu elektrycznego metali w zależności od temperatury.

Temperatura najczęściej mierzona jest pod pachą, ponieważ jest to miejsce o dostatecznym ukrwieniu, w którym nie ma ryzyka przeniesienia się infekcji. Innymi możliwymi miejscami są uszy, usta, a w przypadku małych dzieci i zwierząt domowych – odbyt. Oczywiście różne części ciała mają inną temperaturę i należy się z tym liczyć, dokonując pomiaru.

Temperaturę można także mierzyć bezdotykowo dzięki podczerwieni. Czujniki tego urządzenia wychwytują przepływ fotonów, które emituje ciało (tzw. emisyjność). Pomiar przebiega poprzez przyłożenie urządzenia do czoła pacjenta. Pierwszy taki termometr opracowano w NASA na potrzeby kosmonautów.

Mierzenie ciśnienia krwi

Co: tonometr *
*Kiedy: 1896–1905

Pierwszy tonometr naramienny, którego można było używać i działa dzięki rtęci, skonstruował w 1896 roku włoski lekarz Scipione Riva-Rocci (1863–1937). Był nim w stanie zmierzyć jedynie ciśnienie skurczowe – najwyższą wartość ciśnienia krwi, które powstaje w momencie skurczu serca. Riva-Rocci nie używał jeszcze fonendoskopu, czyli instrumentu lekarskiego do osłuchiwania i badania pacjentów, poprzednika używanych dzisiaj stetoskopów. W 1905 roku metodę mierzenia ciśnienia krwi zapoczątkowaną przez Rivę dokończył rosyjski chirurg Nikołaj Korotkow (1874-1920), który zaczął używać fonendoskopu, dzięki czemu można było obliczyć wartości ciśnienia skurczowego i rozkurczowego.

Rtęciowy tonometr (sfigmomanometr) składa się z manometru i pompki tłoczącej powietrze (balonik z zaworem). Na rękę badanej osoby zakłada się mankiet, a lekarz pod nim, w zgięciu łokcia, umieszcza głowicę fonendoskopu. Przez pompowanie mankietu podwyższy ciśnienie i zatamuje przepływ krwi przez tętnicę. Następnie dzięki wentylkowi stopniowo wypuszcza powietrze z mankietu. Metoda ta używana jest do dzisiaj, ponieważ jest dokładniejsza niż pomiar nadgarstkowymi urządzeniami cyfrowymi. Mierzą one ciśnienie na podstawie częstotliwości ciśnienia w tętnicy podczas największych zmian ciśnienia. Dzisiaj mamy do dyspozycji także cyfrowe ciśnieniomierze, gdzie rtęć została zastąpiona chipem. Nie ma to wpływu na dokładność pomiaru.

Jak działa EKG?

Co: EKG – elektrokardiograf *
*Kiedy: 1903

Badania za pomocą elektrokardiografu wprowadził holenderski lekarz Willem Einthoven (1860–1927), który za zasadę działania tego urządzenia otrzymał w 1904 roku nagrodę Nobla. Einthoven rejestrował sygnał EKG za pomocą galwanometru strunowego umieszczonego pomiędzy kończynami górnymi w tzw. trójkącie Einthovena. Podstawą tego kanału jest podłączenie zawsze dwóch aktywnych elektrod, których polaryzacja jest z góry określona.

Poszczególne kanały rejestrują następnie różnice w potencjale między elektrodami i pokazują krzywą różnic maksymalnych i minimalnych wartości (amplitudę). Dzisiaj za pomocą elektrod umieszczonych na skórze rejestruje się aktywność elektryczną serca w postaci elektrokardiogramu (czasowy zapis krzywych elektrokardiograficznych), który jest interpretowany przez lekarzy.

Podczas kurczenia się poprzecznie prążkowanego mięśnia sercowego w obszarach granicznych odmiennego potencjału powstają prądy elektryczne, co prowadzi do powstania pola elektromagnetycznego. Płyny ustrojowe działają jak przewodniki, dzięki czemu można dość dobrze zarejestrować owe prądy także na powierzchni ciała.

Zmiany w EKG mogą pojawiać się we wszystkich kanałach lub tylko w jednym oraz grupie, która jest od siebie zależna ze względu na anatomię serca. Na przykład lekarze są w stanie zlokalizować zawał mięśnia sercowego dzięki znajomości jego ukrwienia oraz projekcji poszczególnych stref.

Mierzenie aktywności mózgu

Co: EEG – elektroencefalograf
Kiedy: 1924

Niemiecki neurolog i psychiatra Johannes Berger (1873–1941) systematycznie studiował aktywność elektryczną mózgu i na tej podstawie opracował urządzenie do jej mierzenia. Dziś EEG należy do najważniejszych metod diagnostycznych w neurologii. Służy do wykrywania mian w aktywności elektrycznej mózgu przy podejrzeniach jego uszkodzenia. Wykonywane jest zazwyczaj przy zaburzeniach napadowych (epilepsja), utracie świadomości, po udarze mózgu i przy zapaleniach, urazach czy wstrząsach mózgu.

Elektroencefalograf zazwyczaj się składa z 16–25 elektrod, które są połączone za pomocą drutu z urządzeniem analizującym. Elektrody rejestrują na powierzchni głowy prądy elektryczne generowane przez mózg. Urządzenie wzmacnia sygnały kilkakrotnie. Wynik badania (krzywa EEG) pojawia się na monitorze i można go wydrukować.

Kształt i charakter krzywej zależny jest od aktualnej aktywności mózgu. Na krzywej EEG widnieje kilka różnych fal. Fale alfa pojawiają się w stanie spoczynku – przy zamkniętych powiekach i zaczynającym się śnie. Szybsze fale beta są standardowo obecne w stanie czuwania. Fale delta są najwolniejsze i pojawiają się w śnie głębokim.

Podczas snu pojawiają się także wolne theta fale. W normalnych okolicznościach zapis EEG dorosłego człowieka w stanie czuwania pokazuje jedynie fale beta i alfa w obu półkulach. Zapis z problematycznych części ukazuje jedynie powolne fale lub płaską linię, która oznacza, że dana część mózgu jest na tyle uszkodzona, iż nie wykazuje żadnej aktywności.

Jak działa USG?

Co: Ultrasonografia (USG)
*Kiedy: lata 60. XX wieku *

Ultradźwięki to fale mechaniczne o częstotliwości powyżej 20 kHz, co sprawia że są niesłyszalne dla człowieka. W medycynie najczęściej wykorzystywane są ultradźwięki o częstotliwości od 2 do 40 MHz. Ultradźwięki o niskiej częstotliwości plasują się w paśmie 0,02–0,1 MHz i wykorzystuje się je w chirurgii podczas operacji lub czyszczenia urządzeń. Ultradźwięki o wysokiej częstotliwości to pasmo od 1 do 3 MHz i służy do fizykoterapii, a pasmo 2–40 MHz do diagnostyki tkanek miękkich na przykład podczas badania piersi, tarczycy, jamy brzusznej czy stawów.

Większość ludzi łączy ultrasonograf z ciążą, kiedy to urządzenie służy do badania płodu. Położnicy i ginekolodzy mogą dzięki temu kontrolować rozwój płodu i jego organów oraz wykryć ewentualne anomalie.

Ultradźwięki wykorzystywane są także podczas narkozy, do wprowadzania substancji do konkretnych miejsc w ciele. Aparat USG składa się z komputera z odpowiednim oprogramowaniem oraz sondy, która działa jako nadajnik i odbiornik fal ultradźwiękowych. Zasada działania polega na tym, że podczas przechodzenia fal ultradźwiękowych dochodzi do ich odbicia. Te odbicia nie są zawsze takie same i zależne są od otoczenia przez które przechodzi fala. Sonda przyjmuje zwrotne fale, a oprogramowanie na podstawie różnic w odbiciach potrafi zrekonstruować obraz.

USG zaczęto wykorzystywać w medycynie do diagnostyki w latach 60. XX wieku. Jego przodkiem był sonar, opracowany do celów wojskowych. Pierwsze pasywne urządzenie działające na zasadzie sonaru wynalazł amerykański architekt morski Lewis Nixon (1861–1940) w 1906 roku. Aktywny sonar został wynaleziony w 1915 roku przez francuskiego fizyka Paula Langevina (1872–1946) i używano go w czasie I wojny światowej.

Jak dzała rezonans magnetyczny?

Co: rezonans magnetyczny (MR< MRI – magnetic resonance imaging)
*Kiedy: 1973 *

Badanie za pomocą rezonansu magnetycznego umożliwia zobrazowanie tkanek i organów pacjentów, zwłaszcza mózgu i rdzenia kręgowego. Działa, wykorzystując bardzo silne pole magnetyczne. Uzyskuje obraz struktur ludzkiego ciała, które łączy w obraz 3D.

W 2003 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny otrzymali amerykański chemik o luksemburskich korzeniach Paul Christian Lauterbur (1929–2007) oraz angielski fizyk Peter Mansfield (1933–2017) za naukowe badania prowadzące do powstania tego urządzenia. Rezonans magnetyczny może pracować tylko z tkankami zawierającymi wodę. Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Jądro wodoru tworzy jedyny proton, który bardzo szybko obraca się, co tworzy pole magnetyczne.

Protony te po umieszczeniu w stałym polu magnetycznym ustawiają się wzdłuż linii tego pola (ulegają magnetyzacji). Efekt namagnesowania protonów jest osiągany przez umieszczenie pacjenta w cylindrycznym urządzeniu, którego głównym elementem jest silny elektromagnes.

src="https://d.wpimg.pl/387942184--127297091/21-wiek-extra.jpg"/>

Niektóre z atomów wyrównają swoją oś względem kierunku pola wewnętrznego, inne w przeciwnym. Ich pole magnetyczne jest wzajemnie sprzeczne. Dlatego też rezonans magnetyczny może pracować jedynie z atomami, których pola magnetyczne się nie zakłócają. Ni milion atomów przypada ich kilka. Wystarczy to jednak do tego, aby doskonale zobrazować tkanki człowieka. Skaner urządzenia jest w stanie odebrać je jako fale radiowe.

Skaner TK ma anteny nadające i odbierające. Oba zadania spełniają zwojnice umieszczone bardzo blisko ciała pacjenta. Zwojnice to anteny wysyłają fale o specyficznej częstotliwości, których energię absorbują atomy wodoru. Wprawia to atomy w ruch wirowy o zupełnie innej częstotliwości. Kiedy anteny przestają działać, atomy wracają do pierwotnego położenia (zmusza je do tego silne wewnętrzne pole magnetyczne) i w tym momencie atomy emitują zaabsorbowaną energię.

Tę niezwykłą ilość bardzo słabych sygnałów o wysokiej frekwencji wychwycą zwojnice, które zamieniły się w detektory. Sygnały elektromagnetyczne są analizowane komputerowo i przerabiane są na ostateczny obraz. Wykorzystuje się do tego szeroką skalę szarych odcieni, aby dało się rozróżnić poszczególne organy i tkanki.