לראות את הנסתר מהעין

דימוּת (Imaging) הוא השם שניתן לכל התהליכים שבהם יוצרים או משחזרים ייצוג חזותי של עצם כלשהו. אם ההגדרה הזאת נשמעת כללית, זה משום שהיא אכן כוללת מגוון גדול מאוד של פעולות וטכנולוגיות: בכל פעם שאנו מצלמים משהו בטלפון שלנו אנחנו מבצעים פעולה של דימות.

דימות משמש לצרכים רבים: החל במחקר מדעי באמצעות מיקרוסקופים וטלסקופים, דרך שימושים תעשייתיים וצבאיים, וכמובן ברפואה – התחום שבו נתמקד כאן. כשמדברים על דימות רפואי מתייחסים בדרך כלל למגוון טכניקות בדיקה לא פולשניות שמספקות תמונה של חלקים פנימיים בגוף. הטכניקות הללו מסייעות לאבחון מצבים רפואיים ומשמשות גם למחקר מדעי של תהליכים פיזיולוגיים ומחלות.

טכניקות דימות שונות מספקות נתונים שונים, בהתאם לאופן שבו התמונה נוצרת, לכן פעמים רבות הן משלימות זו את זו ובשילוב יחד מאפשרות לקבל מידע רב ומלא יותר. אף שאלה שיטות לא פולשניות, חלקן עלולות להיות מסוכנות במקצת בשימוש מופרז, בעיקר אם משתמשים בהן לאורך זמן ממושך וללא אמצעי מיגון מתאימים.

יש להקפיד על מיגון מתאים. טכנאי בחלוק עופרת המגן מפני קרני רנטגן | צילום: wavebreakmedia, Shutterstock

השיטה הישנה והטובה: צילום רנטגן

צילום רנטגן נעשה באופן דומה מאוד, אבל במקום להציג גלי אור בתדירות של אור נראה, באורך גל של 700-400 ננומטר, התמונה נוצרת מגלים אלקטרומגנטיים בתדירות של קרני רנטגן (קרני X), כלומר באורך גל של 10-0.01 ננומטר, שהאנרגיה שלהם גבוהה משמעותית מזאת של האור הנראה.

גלי הרנטגן יוצאים ממחולל, פוגעים באזור בגוף שרוצים לצלם, מקיימים איתו אינטראקציה, ומגיעים לסרט צילום או לגלאי דיגיטלי שנמצא מאחוריו. כך נוצרת תמונה דו-ממדית שמייצגת את הצל של קרינת הרנטגן, כלומר הקרניים שלא נבלעו בדרך.

גלי הרנטגן מושפעים בדרכים שונות מהרקמות שדרכם הם עוברים, בהתאם לצפיפותן ולסוג האטומים שבהן. התדירות הגבוהה של קרני הרנטגן מאפשרת להן לעבור בקלות דרך רקמות עם צפיפות נמוכה ומולקולות המכילות אטומים קלים – למשל רקמת שריר, אך הן עדיין נבלעות ברקמות צפופות יותר ובמולקולות שיש בהן אטומים כבדים יחסית. על כן צילומי הרנטגן שימושיים מאוד לדימות של רקמות קשות, כלומר עצמות ושיניים.

אפשר להשתמש בצילום רנטגן גם לדימות רקמות אחרות, למשל כלי דם, אך לשם כך צריך להשתמש בחומר ניגוד. לחומרי ניגוד יש שני מאפיינים: הם מקיימים אינטראקציה עם קרני רנטגן, ולכן ייראו אחרת מסביבתם בצילום רנטגן, ויכולים להגיע באופן ספציפי לרקמה שמעניינת אותנו מבחינה רפואית. מאחר שהבדלי הצפיפות בין רקמות רכות שונות בגוף קטנים מאוד, חייבים להשתמש בחומר ניגוד כדי להבחין ביניהן בצילום רנטגן. לדוגמה הזרקה של יוד למחזור הדם מאפשרת לזהות כלי דם בצילום, שכן האטומים שלו כבדים יחסית ובולעים קרינת רנטגן. כך אפשר לאתר דליפות וחסימות במערכת הדם.

קרינת רנטגן עלולה להיות מסוכנת בחשיפה ארוכה ובכמויות גדולות. היא נחשבת קרינה מייננת, כלומר שיש לה מספיק אנרגיה כדי להוציא אלקטרונים מאטומים ומולקולות ובכך לפגוע ביציבותם הכימית. מעבר לנזק בטווח הקצר שקרינה מייננת עלולה לגרום, כמו כוויות מחשיפה ממושכת לשמש ישירה ללא קרם הגנה, היא עלולה לאורך זמן לפגוע ב-DNA של תאי הגוף ולחולל מוטציות סרטניות.

שיטה שימושית מאוד לדימות רקמות קשות. כף ידו של החוקר השווייצרי אלברט פון-קוליקר בצילום שעשה וילהלם רנטגן ב-1896 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

חתכים וריטואליים: טומוגרפיה ממוחשבת (CT)

טומוגרפיה היא פעולה של דימות על ידי חלוקה ל"פרוסות". טומוגרפיה ממוחשבת (Computerized Tomography, או CT בקיצור) היא בדרך כלל מערכת שמבצעת סדרה של הדמיות רנטגן דו-ממדיות מזוויות רבות, שמשתלבות באמצעות אלגוריתם ממוחשב לתמונה תלת-ממדית של האיבר המתועד.

עולם הרפואה מרבה להשתמש ב-CT, בין השאר לאיתור דימומים פנימיים, גידולים, מחלות ריאה, בעיות בוורידים ובעורקים, מחלות לב, בעיות במערכת העיכול, ובעיות אורתופדיות מורכבות כגון שברים במפרקים. השיטה מספקת תמונות תלת-ממדיות ברמת הפרדה (רזולוציה) גבוהה שמאפשרות אבחון מדויק.

החיסרון העיקרי של שיטת הדימות הזאת הוא נזקי הקרינה. מכיוון שה-CT מורכב מסדרה של צילומי רנטגן, המשתמשים בקרינה מייננת, האדם המצולם נחשף לרמות קרינה גבוהות יחסית, שעלולות, כאמור, ליצור מוטציות סרטניות בחשיפה גבוהה ותכופה. כמות הקרינה שהמטופל סופג במהלך הבדיקה תלויה בגודל האזור שנבדק, במספר הצילומים שמהם תורכב התמונה הסופית, המכונה "טומוגרמה", ובאיכות התמונה הדרושה. כשרופא שולח מטופל לבדיקת CT, עליו להעריך את הסיכונים ולהחליט אם התועלת מאבחון בעזרת תוצאות הדימות עולה על הסכנה.

סיכון נוסף בבדיקות CT הוא תגובה אלרגית של המטופל לחומרי הניגוד שבהם משתמשים. התסמינים הנפוצים של התגובות האלרגיות האלה הם בחילות, הקאות ופריחה. במקרים נדירים חומרי ניגוד מסוימים עלולים לגרום נזק לכליות.

בדיקת CT מאפשרת לזהות את דלקת הריאות של חולה COVID-19 (הכתם האדום משמאל למרכז התמונה) | מקור: VSEVOLOD ZVIRYK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

למגנט את המים: דימות תהודה מגנטית (MRI)

דימות תהודה מגנטית (Magnetic Resonance Imaging, או בקיצור MRI) היא שיטת דימות לא פולשנית, שלא משתמשת בקרינה מייננת. MRI מאפשר דימות של רקמות רכות בגוף, משום שהוא משתמש במולקולות המים הרבות שנמצאות בגוף כמעין משדרים קטנים שמדווחים על סביבתם. עקב תכונה קוונטית המכונה ספין גרעיני, אטומי מימן מתנהגים כמו מגנטים קטנים (ובלשון מדעית יש להם מומנט דיפול מגנטי). אומנם המגנטיות של אטומי המימן חלשה מאוד, אך ה-MRI מנצל את העובדה שמימן הוא האטום הנפוץ ביותר בגוף. בכל מולקולת מים יש שני אטומי מימן, ומים הם המולקולה הנפוצה ביותר בגוף האדם.

אילו יכולנו למדוד את השדה המגנטי של כל אטום מימן יכולנו ללמוד הרבה על סביבתו. מכיוון שאיננו יכולים, מכשיר ה-MRI מודד בפועל את השדה המגנטי הכולל שיוצרים ביחד אטומי מימן רבים. במצב רגיל, ה"מגנטים הפנימיים" באטומים פונים לכל הכיוונים באקראי, ולכן השדה המגנטי הכולל שהם יוצרים הוא אפס. לכן הסריקה מתחילה בהכנסת הנבדק לתוך שדה מגנטי גדול וקבוע. מגנטים נוטים להתיישר בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, בדיוק כפי שמחט של מצפן מתיישרת לפי השדה המגנטי של כדור הארץ, כך שגם ה"מגנט הפנימי" של אטומי המימן מתאים את עצמו לשדה החיצוני החזק שפועל עליו.

בשלב הבא מכשיר ה-MRI יוצר פעימה אלקטרומגנטית קצרה שמסתובבת בניצב לשדה המגנטי הקבוע בתדירות סיבוב מסוימת. הפעימה הזאת הופכת את כיוונם של חלק מה"מגנטים הפנימיים" וגורמת לשדה המגנטי של כולם להסתובב בכיוון ובתדירות של הפעימה.

התנועה הזאת מסונכרנת - כלומר כל המגנטים הפנימיים מסתובבים בתיאום ויוצרים יחד שדה מגנטי משותף ניתן למדידה שמסתובב בניצב לכיוון השדה המגנטי הקבוע. את השדה המשתנה הזה אפשר לקרוא באמצעות המתח החשמלי שהוא יוצר כשהוא עובר בלולאה מוליכה.

עם הזמן המגנטים הפנימיים יוצאים בהדרגה מסנכרון והשדה המגנטי שהם יוצרים דועך. זמן הדעיכה הזה קשור לסביבה שבה המים נמצאים, כך שלכל רקמה יש זמן דעיכה אופייני לה. לדוגמה זמן הדעיכה של השדה בריאות ובכבד מהיר יותר מרקמות שמכילות יותר מים, כמו כלי דם. גורמים נוספים, כמו ריכוזים של ברזל ומולקולות ענק כמו חלבונים, רב-סוכרים ופוספוליפידים, יכולים להשפיע גם הם על זמן הדעיכה. כך אפשר ליצור תמונה שמבוססת על זמני הדעיכה ולקבל דפוסים שונים ברקמות שונות.

בנוסף, מכיוון שכל אותו זמן השדה המגנטי החזק והקבוע ממשיך לפעול ואילו הפעימה הקצרה נעלמת מהר, היפוך הכיוון שחוללה הפעימה מתפוגג והמגנטים הפנימיים יתיישרו בהדרגה בחזרה לפי השדה המגנטי הקבוע. גם הזמן הדרוש לתהליך ההתיישרות הזה תלוי בסביבתם של אטומי המימן, וגם הוא מאפשר להבחין בין רקמות. מכשיר ה-MRI מסוגל ליצור תמונות המבוססות על זמני הדעיכה השונים וכך להציג רקמות רכות כמו המוח, חוט השדרה, כלי דם, גידים וסחוסים בקרבת מפרקים ועוד.

החלל הצר והרעש עשויים לעורר אי נוחות. רופא מדריך מטופלת לפני בדיקת MRI. צילום: ALPA PROD, Shutterstock

לראות את המוח בפעולה: MRI תפקודי 

אפשר להשתמש ב-MRI גם כדי למדוד פעילות מוחית בשיטה שנקראת MRI תפקודי (Functional MRI, או fMRI). חלבון ההמוגלובין, שתפקידו לשאת את החמצן בדם, משנה את תכונותיו המגנטיות לפי כמות החמצן שהוא נושא וכך הוא משפיע על השדה המגנטי בסביבתו ועל חתימת ה-MRI של המים סביבו. כך אפשר להבדיל בין אזורים במוח שיש בהם פעילות עצבית – ולכן צורכים יותר חמצן ויש בהם ריכוז גבוה יותר של המוגלובין שנושא אותו, לבין אזורים פחות פעילים. אם משווים בין תמונות fMRI של מוחם של אנשים שמבצעים פעולות אלה ואחרות לתמונות שלהם במנוחה, אפשר להסיק מהם האזורים במוח ששותפים לתפקוד המוחי הנבדק – למשל עיבוד מידע או כיפוף אצבע. זהו כלי חשוב מאוד לחקר המוח.

גם בסריקות MRI עושים לפעמים שימוש בחומרי ניגוד, כדי להבליט את ההבדלים שרואים בין רקמה לרקמה. בדרך כלל משתמשים לשם כך בתרכובות שמכילות את המתכת גדוליניום. האינטראקציה של המתכת עם מולקולות המים בסביבתה מאיצה את קצב ההתיישרות של "המגנטים הפנימיים" באטומי המימן עם השדה המגנטי החיצוני, כך שזמן הדעיכה של אטומי מימן במים שיש בסביבתם חומר ניגוד יהיה שונה מזמן הדעיכה של אטומי מימן אחרים, ותיווצר ניגודיות בתמונה בין רקמות שמכילות גדוליניום לרקמות הסמוכות.

השדה המגנטי הקבוע שפועל ב-MRI חזק בערך פי 10,000 מהשדה המגנטי של כדור הארץ. המגנט אינו מסוכן לכשעצמו, אבל אסור לקרב אליו חפצים שמושפעים משדות מגנטיים כמו קוצבי לב, תכשיטים ומוצרים אחרים ממתכות פרומגנטיות (כמו ברזל), וכן כרטיסי אשראי, כוננים ואמצעים מגנטיים אחרים לשמירת נתונים, שעלולים להימחק. פרט לכך הטכנולוגיה בטוחה לחלוטין, גם בשימוש רב, ומתאימה גם לילדים. עם זאת, הרעשים שהמכשיר יוצר בזמן פעילותו והחלל הצר של המכונה עלולים ליצור חוויה לא נעימה לחלק מהנבדקים.

בעזרת חומרי הניגוד. תמונה ברורה של הוורידים במוח בסריקת MRI | צילום: samunella, Shutterstock

רואים את הקולות: אולטרסאונד

גלי קול הם הפרעות מחזוריות בצפיפות האוויר שמתקדמות במרחב. האוזניים שלנו מסוגלות לקלוט הפרעות כאלה בטווח תדירויות של 20,000-20 הֶרְץ (פעימות בשנייה), ומוחנו מפרש אותן כקול.

אולטרסאונד היא צורת דימות שמתבססת על גלי קול בתדירות גבוהה יותר מיכולת הקליטה האנושית, כלומר מעל 20 אלף הרץ. כדי ליצור את התמונה שולחים פעימות של גלי קול לעבר האזור הרלוונטי בגוף הנבדק. עקב התכונות הפיזיקליות הייחודיות לכל רקמה, גלי הקול מוחזרים מהן באופן שונה, ומכשיר האולטרסאונד מעבד את הגלים המוחזרים ויוצר מהם תמונה.

אולטרסאונד הוא כלי יעיל לדימות של רקמות רכות. הוא מספק מידע מפורט על מצב השרירים והגידים, תקינות פעילות הלב וכלי הדם אחרים, התפתחות העובר אצל נשים הרות. רוב השימושים באולטרסאונד הם חיצוניים, אך יש בדיקות שמחייבות להחדיר לגוף מכשיר אולטרסאונד קטן כדי לקבל תמונה ברזולוציה גבוהה וברמת ביטחון גבוהה. האולטרסאונד נותן תוצאות מיידיות ולא נשקפת ממנו סכנה של קרינה מייננת. החיסרון העיקרי שלו הוא שקשה לראות באמצעותו מבנים שמסתתרים מאחורי עצמות או בועות גזים.

את גלי הקול יוצר בדרך כלל גביש פיאזואלקטרי, כלומר גביש שמשנה את צורתו בתגובה למתח חשמלי. כשמשנים את המתח החשמלי בתדירות מסוימת, צורת הגביש משתנה באותה תדירות, והגביש רוטט ויוצר כך גלי קול. באמצעות מבנה המכשיר, אופן השימוש בו ועדשות אקוסטיות שממקדות גלי קול בדומה לאופן שבו עדשות זכוכית ממקדות גלי אור, אפשר למקד את הגלים לאזור ולעומק הרצויים.

שיטת דימות נפוצה במעקב היריון. שלושה עוברים ברחם נראים בסריקת אולטרסאונד תלת-ממדית | מקור: DR NAJEEB LAYYOUS / SCIENCE PHOTO LIBRARY

בדרך כלל המכשיר מצופה בגומי ונוהגים למרוח ג'ל על העור כדי שגלי הקול יעברו היטב ולא יתפזרו לפני שיגיעו לעומק הרצוי. כאשר הגלים מגיעים לרקמת היעד הם מוחזרים ממנה למכשיר האולטרסאונד. כעת קורה התהליך ההפוך: הגביש הפיאזואלקטרי רוטט מפגיעת גלי הקול ומתרגם את הרטט הזה לשינויים במתח החשמלי. המתח החשמלי עצמו מתורגם במכשיר לתמונה שמייצגת את מבנה הרקמה שממנה הוחזרו גלי הקול, בתהליך שנסביר מיד.

כל פעם שיש הבדל בצפיפות הרקמות, חלק מהגלים מוחזר. ככל שהפרש הצפיפויות גדול יותר כך ההד החוזר חזק גדול יותר – לכן לכן קשה מאוד לדמות רקמות שנמצאות מאחורי גז דליל או עצם קשה. מכשיר האולטרסאונד מודד את עוצמת ההדים החוזרים אליו ומחשב את הפרש הזמנים בין הזמן שבו גל הקול נשלח ועד שההד נקלט בחזרה. חישוב הפרש הזמנים הזה מאפשר לדעת מהו עומקו של המקום שבו היה שינוי בצפיפות הרקמה. בשילוב עם ידיעת עוצמת ההד אפשר להרכיב מהנתונים תמונה.

מכשירי אולטרסאונד משתמשים בדרך כלל בתדרים של 18-2 מגה-הרץ. תדרים גבוהים אומנם מאפשרים ליצור תמונות מפורטות יותר בזכות אורך הגל הקצר שלהם, אך הם גלים כאלה גם דועכים מהר ולכן לא מסוגלים לחדור עמוק. עבור איברים שונים משתמשים בתדירויות שונות.

אולטרסאונד יכול לסייע גם למדידת הזרימה בכלי דם על ידי אפקט דופלר. כשגל פוגע בעצם נע, תדירות הגל החוזר ממנו משתנה. דוגמה מוכרת לאפקט דופלר בגלי קול היא התופעה שמתרחשת כשאמבולנס חולף על פנינו עם צופרים פועלים. התדר שבו נשמע את הצופר כשהאמבולנס מתקרב אלינו יהיה שונה מהתדר שנשמע כשיעבור אותנו ויתרחק, משום שמהירותו היחסית כלפינו השתנתה. באופן דומה, כשגלי קול פוגעים ברקמה נעה, למשל דם בעורקים, תדירות גלי הקול המוחזרים תשתנה ונוכל להסיק מכך את מהירות התנועה. בדיקת אולטרסאונד דופלר משמשת למשל לבדיקת דופק של עובר, לבדיקת תקינות של שסתומי לב, זרימת דם ועוד.

דימות רדיואקטיבי: טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET)

PET (קיצור של Positron Emission Tomography) היא שיטת דימות שמסוגלת לעקוב אחרי תהליכים פיזיולוגיים שונים באמצעות שימוש בחומר רדיואקטיבי. בניגוד לשיטות דימות כגון צילום רנטגן, שמספקות מידע על תקינות מבנית של הרקמה הנבדקת, דימות PET מסוגל לתת מידע על תקינות תפקוד הרקמות.

כדי לבצע דימות של תהליך ביולוגי מסוים ב-PET מזריקים לנבדק סמן ("טרייסר"). הסמן יכול להיות סוכר, חלבון, הורמון או כל תרכובת כימית אחרת המשתתפת בתהליך הביולוגי אחריו מעוניינים לעקוב. הסמן המוזרק מכיל אטום רדיואקטיבי, כך שכאשר הוא מגיע למקום בגוף שבו הוא אמור למלא את תפקידו, אפשר למצוא את מיקומו. מציאת מיקום הסמן מבוססת על כך שהגרעין של האטום הרדיואקטיבי בסמן אינו יציב. חוסר יציבות זה גורם לאטום הרדיואקטיבי לפלוט חלקיק בשם פוזיטרון, בעל מסה זהה לאלקטרון, אבל מטען חיובי, בניגוד לאלקטרון השלילי. כאשר פוזיטרון פוגש אלקטרון, סמוך למקום היווצרותו, נפלטים גלים אלקטרומגנטיים לשני כיוונים מנוגדים ונקלטים בגלאי שהנבדק שוכב בתוכו. מחשב המנתח את הגלים הנקלטים מרכיב תמונה תלת מימדית של מיקום הסמן הרדיואקטיבי בגוף הנבדק. אחד הסמנים הנפוצים ביותר בדימות PET הוא FDG, גרסה שונה מעט של הסוכר גלוקוז. הוא משמש לסימון רקמות בעלות ספיגה וצריכה גבוהה של גלוקוז, מאפיין בולט של גידולים סרטניים.

רופאים עושים שימוש נרחב ב-PET לצורך איתור גידולים סרטניים, אבחון מחלות במוח ותכנון ניתוחי ראש, תכנון ניתוחי מעקפים בלב, אבחון וטיפול במחלות זיהומיות ועוד. אפשר להשתמש ב-PET גם בתהליך פיתוח תרופות חדשות כדי לבחון את התפשטות התרופה בגוף וקצב ספיגתה, או למחקרים אחרים. פעמים רבות נעשה דימות משולב של PET ו-CT כדי לקבל מידע מקיף אודות הנבדק.

כמות הקרינה שאליה נחשפים בבדיקת PET דומה לכמות בבדיקת CT (כמובן שהכמות המדוייקת תלויה במאפיינים המדוייקים של הבדיקה). הסמן הרדיואקטיבי מפסיק לפלוט פוזיטרונים תוך שעות אחדות מרגע ייצורו.

בדיקה רדיואקטיבית המאפשרת לבחון תפקוד רקמות. גו של אדם בסריקת PET, מבט מאחור (למעלה) ומלמעלה | צילום: springsky, Shutterstock

עם הפנים קדימה 

אף על פי ששיטות הדימות שסקרנו כאן מבוססות על עקרונות מדעיים שונים, בבסיסן עומדת היכולת ליצור ניגודיות ולהבחין בין האובייקט שבו מעוניינים לבין היתר. בעוד שחלק מהשיטות שתארנו הומצאו לפני יותר ממאה שנה, עולם הדימות לא שוקט על השמרים. חוקרים מפתחים כל הזמן את טכנולוגיות הדימות הקיימות, מוצאים להן שימושים שונים, וממציאים טכנולוגיות חדשות. מדענים מפתחים סמנים חדשים עבור בדיקות PET וחומרי ניגוד לבדיקות CT ו-MRI. רק לאחרונה פותח מכשיר מבוסס לייזר לדימות אולטרסאונד, והתגלה כי MRI משפר את אבחון סרטן השד בקרב נשים שעברו דימות רנטגן (ממוגרפיה) בלבד. פיתוח דימות מתקדם יותר יאפשר אבחון מוקדם ומדויק יותר של בעיות רפואיות, טיפול טוב יותר, וסיכון מופחת לנבדקים.