Anatomi og fysiologi

Mikroskopi er det tekniske område, hvor man bruger mikroskoper (forstørrelsesinstrument) til at se objekter og områder af objekter, der ikke kan ses med det blotte øje (objekter, der ikke ligger inden for det normale øjes opløsningsområde).17 Mikroskopet er en anordning, der bruger en linse eller et system af linser til at producere et stærkt forstørret billede af et objekt. Moderne mikroskopi anvender nu softwares som ImageJ, CellProfiler, NeuronStodio til at erhverve og analysere billeder.1

Der findes to grene af mikroskopi.1,18

1. Lysmikroskop (simpelt, sammensat mikroskop, dissektionsmikroskop (stereomikroskop), sammenligningsmikroskop, inverteret mikroskop, kirurgisk mikroskop og digitalt mikroskop.
2. Elektronmikroskop (transmissions- og scanningelektronmikroskop)

Lysmikroskop

Dette kaldes også for optisk mikroskop, er en type mikroskop, der bruger synligt lys og et system af linser til at forstørre billeder af små prøver.17 Optiske mikroskoper er den ældste udformning af mikroskoper og blev muligvis opfundet i deres nuværende sammensatte form i det 17. århundrede. De grundlæggende optiske mikroskoper kan være meget enkle, selv om der findes mange komplekse konstruktioner, som har til formål at forbedre opløsningen og prøvekontrasten, f.eks. sammensatte mikroskoper, dissektionsmikroskoper og kirurgiske mikroskoper.19 Moderne mikroskoper giver mulighed for mere end blot at observere et billede af en prøve i transmitteret lys; der findes mange teknikker, som kan bruges til at uddrage andre former for data. De fleste af disse kræver yderligere udstyr ud over et grundlæggende sammensat mikroskop.17 Optisk mikroskopi anvendes i vid udstrækning inden for histologi, histopatologi, mikroelektronik, nanofysik, bioteknologi, farmaceutisk forskning, mineralogi og mikrobiologi.20

Enkle mikroskoper: Et simpelt mikroskop anvender en linse eller et sæt linser til at forstørre et objekt alene ved hjælp af vinkelforstørrelse, hvilket giver beskueren et oprejst forstørret virtuelt billede.21 Brugen af en enkelt konveks linse eller grupper af linser findes stadig i simple forstørrelsesanordninger som for eksempel forstørrelsesglas, luper og okularer til teleskoper og mikroskoper.22

Sammensat mikroskop: Mikroskop, der anvendes til at forstørre et objekt ved hjælp af en enkelt konveks linse eller grupper af linser: Et sammensat mikroskop anvender en linse (objektivlinse) tæt på den genstand, der skal ses, til at opsamle lys, som fokuserer et reelt billede af genstanden inde i mikroskopet. Dette billede forstørres derefter af en anden linse eller gruppe af linser (kaldet okularet), som giver beskueren et forstørret, omvendt virtuelt billede af objektet.18 Brugen af en kombination af et sammensat objektiv/okular giver mulighed for en meget højere forstørrelse (op til 1000-2000 gange) (figur 7). Et sammensat mikroskop muliggør også mere avancerede belysningsopsætninger, f.eks. fasekontrast.21,22

Stereomikroskop: Et stereomikroskop er et mikroskop med lav effekt, der giver et stereoskopisk billede af en prøve (op til en forstørrelse på op til gange 100), og som almindeligvis anvendes til dissektion (figur 8).18

Inverteret mikroskop: Til undersøgelse af prøver nedefra; nyttigt til cellekulturer i væske eller til metallografi (figur 9).18

Sammenligningsmikroskop: Det er en anordning, der anvendes til at analysere prøver ved siden af hinanden. Det består af to mikroskoper, der er forbundet med en optisk bro, hvilket resulterer i et delt visningsvindue, der gør det muligt at se to separate objekter samtidig. Det har to separate lysveje, der gør det muligt at foretage en direkte sammenligning af to prøver via et billede i hvert øje (figur 10). Herved undgår observatøren at skulle stole på hukommelsen, når han sammenligner to objekter under et konventionelt mikroskop.27

Digitalt mikroskop: Et digitalt mikroskop er en variant af et traditionelt optisk mikroskop, der anvender optik og et digitalt kamera til at udsende et billede til en skærm, undertiden ved hjælp af software, der kører på en computer.20 Et digitalt mikroskop har ofte sin egen indbyggede LED-lyskilde og adskiller sig fra et optisk mikroskop ved, at der ikke er mulighed for at observere prøven direkte gennem et okular. Da billedet er fokuseret på det digitale kredsløb, er hele systemet designet til monitorbilledet (figur 11). Okularet til det menneskelige øje er udeladt.20

Kirurgisk mikroskop: De bruges til at øge kirurgens forstørrelse (op til 4-40 gange) under kirurgiske indgreb.29 De blev oprindeligt brugt til øre-, næse- og halskirurgi. De sætter dog stadig nye standarder inden for almen kirurgi, oftalmologi, ortopædisk kirurgi, gynækologisk kirurgi, otolaryngologi, neurokirurgi, mund- og kæbekirurgi, plastikkirurgi, fodkirurgi og børnekirurgi (figur 6).29

Elektronmikroskop

Den overordnede udformning af et elektronmikroskop ligner den for et lysmikroskop. Lys er erstattet med elektroner, glaslinser er erstattet med elektromagnetiske og elektrostatiske linser. Elektronmikroskoper har elektronoptiske linsesystemer, der svarer til glaslinserne i et optisk lysmikroskop, og der findes to hovedtyper af elektronmikroskoper: Transmissions-Elektronmikroskop (TEM) og Scanning-Elektronmikroskop (SEM), hvoraf TEM er det mest anvendte (figur 12).22 Den største fordel er, at de har en højere opløsning end lysmikroskop og derfor også er i stand til en højere forstørrelse (op til 2 millioner gange).31 Elektronmikroskoper gør det muligt at visualisere strukturer, der normalt ikke ville være synlige ved optisk mikroskopi.32 Elektronmikroskoper anvendes til at undersøge ultrastrukturen af en lang række biologiske og uorganiske prøver, herunder mikroorganismer, celler, store molekyler, biopsiprøver, metaller og krystaller (figur 13).31 Moderne elektronmikroskoper producerer elektronmikrografer ved hjælp af specialiserede digitalkameraer og frame grabbers til at optage billedet.

Transmissionselektronmikroskop (TEM)

Transmissionselektronmikroskopi er en teknik, der er udviklet til at opnå forstørrelse og dermed detaljer af en prøve på et meget bedre niveau end de konventionelle optiske mikroskoper.34,35 I TEM sendes en stråle af elektroner gennem en ultratynd prøve, der interagerer med prøven, mens den passerer igennem. Der dannes et billede af vekselvirkningen mellem de elektroner, der sendes gennem prøven; billedet forstørres og fokuseres på en billeddannelsesanordning, f.eks. en fluorescerende skærm, på et lag fotografisk film, eller detekteres af en sensor, f.eks. et CCD-kamera.2 I et TEM trænger elektroner ind i en tynd prøve og afbildes derefter af passende linser, i bred analogi med det biologiske lysmikroskop.22 TEM består af et belysningssystem, en prøvescene, et billeddannelsessystem og et vakuumsystem. Transmissionselektronmikroskopi er en vigtig analysemetode inden for de fysiske, kemiske og biologiske videnskaber. TEM finder anvendelse inden for kræftforskning, virologi og materialevidenskab samt forurening, nanoteknologi og halvlederforskning.36

Scanningselektronmikroskop (SEM)

Et scanningselektronmikroskop har en lignende opbygning som TEM, men søjlen er betydeligt kortere, fordi der kun er brug for linser over prøven, som bruges til at fokusere elektronerne i et fint punkt på prøvens overflade.37 Der er ingen linser under prøven. Prøvekammeret er til gengæld større, fordi SEM-teknikken ikke pålægger nogen anden begrænsning af prøvestørrelsen end den, der er fastsat af størrelsen af prøvekammeret.38 SEM producerer billeder af en prøve ved at scanne overfladen med en fokuseret stråle af elektroner. Elektronerne interagerer med atomerne i prøven og frembringer forskellige signaler, der indeholder oplysninger om prøvens overfladetopografi og sammensætning.39 Elektronstrålen skannes i et rasterscanningsmønster, og strålens position kombineres med det detekterede signal for at frembringe et billede. SEM kan opnå en opløsning bedre end 1 nanometer.40

Ultrasonografi

Ultrasonografi kaldes også for en Dopplerundersøgelse eller ultralydsscanning, der anvendes til medicinsk diagnose, det er en smertefri og ikke-invasiv teknik, som anvender en ultralydsmaskine med en lydløs højfrekvent lydbølge (1 til 5 megahertz) til at producere levende billeder af kroppens indre strukturer også kendt som sonogram. Det giver lægerne mulighed for at visualisere syge eller normale organer eller væv (f.eks. blære, livmoder, nyre og æggestokke) i kroppen uden at foretage et snit. Ultralydsscanning er den anbefalede medicinske teknik til at visualisere et foster hos gravide kvinder/dyr, fordi den ikke producerer stråling som andre medicinske billeddannelsesteknikker.2

Ultralydsteknik indebærer anvendelse af en flydende gel og en håndholdt transducersonde på kroppens overflade. Sonden, som indeholder en akustisk transducer, sender og modtager millioner af impulser og ekkoer ind i kroppen pr. sekund. Lydbølgerne trænger ind i kroppen og rammer en grænse mellem væv (f.eks. blødt væv og knogle), bølgerne reflekteres tilbage til transducersonden og sendes derefter til den centrale procesenhed (CPU) (figur 14-16). CPU’en er en maskine, der leverer elektrisk strøm til transduceren, beregner bølgens refleksionstidspunkt og dybden af den vævsgrænseflade, der forårsager bølgen, for at konstruere et todimensionalt billede på skærmen. Proceduren tager normalt mindst 30 minutter.41,42

Nedenfor er de forskellige typer af ultralyds

2D ultralydsbillede: Dette er den mest almindelige type ultralydsbillede, det er en serie af flade, todimensionelle tværsnitsbilleder af det scannede væv. Denne skanningsform er stadig standard i mange diagnostiske og obstetriske situationer efter et halvt århundredes brug.43-46

3D ultralydsbillede: Dette er et 3-dimensionelt billede (3D), der opnås fra et tværsnit af væv, der skannes i flere vinkler, og de modtagne data rekonstrueres til et 3-dimensionelt billede. Denne ultralyd anvendes almindeligvis til at give et mere fuldstændigt og realistisk sonogram (billede) af et foster og til diagnosticering af læbespalte.44-47

4D Ultralydsbillede: anvender lydbølger til at producere en live-video af fosteret i livmoderen.43-46 3D- og 4D-ultralyd giver et realistisk billede af et foster i bevægelse eller under udvikling i livmoderen, som ikke umiddelbart kan ses på et 2D-ultralydsbillede.43-46

Et Doppler-ultralydsbillede: Teknikken indebærer brug af reflekterede lydbølger til at afsløre mønsteret og måden, hvorpå blodet strømmer i blodkarrene, hvilket ikke kan ses på et 2D-, 3D- og 4D-ultralydsbillede. Dopplerultralyd kan bruges til at diagnosticere adskillige abnormiteter i hjertet og blodkarrene som f.eks. venøs insufficiens, arterieforsnævring, blodpropper, aneurismer og medfødte sygdomme i hjertet. Under en Doppler-ultralydsundersøgelse bevæges transduceren hen over huden langs blodkarrene for at sende og reflektere lydbølger, højfrekvente lydbølger preller af på cirkulerende blodceller, hvilket til gengæld ændrer frekvensen af de reflekterede bølger, hvilket betegnes som en Dopplereffekt, og i fravær af blodgennemstrømning sker der ingen ændringer i de reflekterede lydbølger. Data fra de reflekterede lydbølger med Doppler-effekt anvendes til at konstruere en graf, der viser mønsteret og måden, hvorpå blodet strømmer gennem blodkarrene på CPU’en. Der findes tre typer Doppler-ultralyd, nemlig; Color Doppler, Spectral Doppler og Power Doppler.43-46

Color Doppler: Denne type ultralyd anvender den traditionelle 2D-ultralyd til at skabe et billede af et blodkar og bruger en computer til at ændre Doppler-lydbølgerne til farver, som repræsenterer blodstrømmens retning og hastighed på billedet af blodkarret.43-46

Power Doppler: Dette er en mere følsom type farvedoppler, der bruges til at generere detaljer om blodgennemstrømningen i et fast organ, som ikke kan visualiseres ved hjælp af en konventionel farvedoppler. Det er dog umuligt at se blodstrømmens retning ved hjælp af power Doppler-ultrasonografi. 43-46

Spektradoppler: Dette er en type ultralyd, der anvender en graf til at repræsentere blodets strømning og retning. Den er i stand til at vise graden af blokering i et blodkar.43,45

Continuous wave doppler: Denne ultralyd anvender lydbølger, der sendes og reflekteres kontinuerligt. Denne type lydbølger bruges til at påvise blokering i blodkarrene og til nøjagtigt at måle hurtigt strømmende blod.43-46

Radiografi

Dette er den ældste og mest almindelige diagnostiske billeddannelsesteknik.3 Det er en ikke-invasiv teknik ligesom ultralydsundersøgelsen, men den bruger en meget lille mængde ioniserende eller ikke-ioniserende stråling (røntgenstråler), der genereres af en røntgenmaskine, til at producere et latent billede af kroppens indre strukturer på en røntgenfilm (projektionsradiografi). En røntgenmaskine kan være fastmonteret, mobil eller bærbar (figur 17-19).48-51 Under radiografien rettes røntgenstrålerne mod kroppen, så de passerer gennem målorganet og derefter opfanges bag den flade røntgenfilm for at producere et 2D-billede (figur 20). Røntgenundersøgelsen kan foretages med eller uden et kontrastmiddel (f.eks. barium eller jod) afhængigt af tætheden af det organ, der skal undersøges. Radiografi kan bruges til at diagnosticere flere tilstande som f.eks. knoglebrud og kræft, brysttumor og tuberkulose.48 Der er visse risici forbundet med overdreven eksponering for røntgenstråler som f.eks. kræft, hårtab og forbrændinger i huden. Men i de fleste tilfælde opvejer fordelene risiciene.3,52

Computertomografi (CT)

En CT-scanning er en type radiografi, der også bruger røntgenstråler, men i modsætning til projektionsradiografi bruger CT-scanning en større mængde røntgenstråler, og den giver et mere detaljeret 3D-billede, men i de senere år er nogle CT-scanninger blevet udviklet til at bruge en mindre mængde røntgenstråler. CT-maskinen består af en doughnutformet CT-scanner, et bord, et røntgenrør, en røntgendetektor og en computer (figur 21).54,55 Patienten ligger på bordet, inden han glider ind i CT-scanneren, røntgenrøret og kameraet bevæger sig 360° rundt om patienten for at scanne og producere flere billeder af kroppens indre organer, og afhængigt af det pågældende organ kan der indgives et kontraststof enten gennem munden, endetarmen eller indsprøjtes i en blodåre for at fremhæve det scannede organ.55 Scanningen udføres i et separat computerrum, hvor billederne vises, og hvor teknologen kommunikerer med patienten ved hjælp af højttalere og mikrofoner.56 Den store fordel ved CT-scanning er den hurtige erhvervelse af klarere diagnostiske billeder af en større del af kroppen.56,57

Der findes specialiserede CT-scannere til veterinær brug, f.eks. den genopladelige CT-scanner til veterinær brug, denne scanner er udstyret med et røntgenkabinet, så dyrlægen kan forblive tæt på dyret under scanningen, og der er således ikke behov for et separat rum som ved den konventionelle CT-scanning af mennesker (figur 22).57 Under scanningen bliver dyret bedøvet og overvåget, placeret og støttet på et mobilt bord, inden det glider ind i CT-scanneren (figur 23).60,61

Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)

Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er en smertefri, ikke-invasiv diagnostisk billeddannelsesteknik, der anvender kraftige magnetfelter og radiobølger til at skabe et 3D-billede af kroppens indre organer. MRI indebærer ikke stråling som ved radiografi (projektilradiografi, CT og PET-scanning).4 MRI-maskinen ligner CT- og PET-maskinen, selv om teknikken tager længere tid og larmer mere (figur 24).5,61,63

Under scanningen ligger patienten (med eller uden kontrastmiddel) på et bord, der glider ind i et rør, som indeholder en stor magnet, der genererer et magnetfelt og radiobølger omkring patientens krop, som lader vævet i kroppen vibrere. Disse vibrationer omdannes til et detaljeret billede på computeren (figur 25).5

Positronemissionstomografi (PET)

PET er en 3D-funktionel billeddannelsesteknik, I modsætning til CT og røntgen viser den de fysiologiske aktiviteter i kroppens væv og organer ved hjælp af en radiotracer (18F-FDG). Indgivelsesvejen (oral, venøs eller nasal) for radiotracerstoffet afhænger af det pågældende væv eller organ.64 Den injicerede radiotracerstof koncentreres i et væv, som vises på en computer som et 3D-billede. Maskinen ligner CT og MRI, og moderne PET-scanningsbilleder kan kombineres med CT- eller MRI-scanninger for at skabe et unikt billede (figur 26).66

PET-scanning anvendes hovedsageligt til undersøgelse og diagnosticering af tumorer og sygdomme i forbindelse med hjerne og hjerte. Teknikken er også smertefri og ikke-invasiv, men den anbefales dog ikke til gravide kvinder og ammende mødre på grund af den stråling, der udsendes af radiotracer 18F-fluoro-2-deoxyglucose (18F-FDG) (tabel 1). PET-scanningsbilledet er et farverigt billede, som viser de mest aktive områder i organet eller vævet, afhængigt af mængden af radiotracerer, som det har absorberet (figur 27).5,68-70