Anatomia ja fysiologia

Mikroskooppi on tekninen ala, jolla käytetään mikroskooppeja (suurentavia instrumentteja) sellaisten kohteiden ja kohteiden alueiden tarkastelemiseksi, joita ei voida nähdä paljain silmin (kohteet, jotka eivät ole normaalin silmän erottelukyvyn alueella).17 Mikroskooppi on laite, joka käyttää linssiä tai linssijärjestelmää tuottamaan voimakkaasti suurennettua kuvaa kohteesta. Nykyaikaisessa mikroskopiassa käytetään nykyään ohjelmistoja, kuten ImageJ, CellProfiler, NeuronStodio, kuvien hankkimiseen ja analysointiin.1

Mikroskopiassa on kaksi haaraa.1,18

1. Valomikroskooppi (yksinkertainen, yhdistelmämikroskooppi, leikkuumikroskooppi (stereomikroskooppi), vertailumikroskooppi, käänteismikroskooppi, kirurginen ja digitaalinen mikroskooppi.
2. Elektronimikroskooppi (Transmissioelektronimikroskooppi ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi)

Valomikroskooppi

Sitä käytetään myös nimitystä optinen mikroskooppi, on mikroskooppityyppi, joka käyttää näkyvää valoa ja linssijärjestelmää pienten näytteiden kuvien suurentamiseen.17 Optiset mikroskoopit ovat mikroskooppien vanhimpia malleja, ja ne keksittiin nykyisessä yhdistelmämuodossaan mahdollisesti 1600-luvulla. Optiset perusmikroskoopit voivat olla hyvin yksinkertaisia, vaikka on olemassa monia monimutkaisia malleja, joilla pyritään parantamaan erottelukykyä ja näytteen kontrastia, kuten yhdistelmä-, leikkely- ja kirurginen mikroskooppi.19 Nykyaikaiset mikroskoopit mahdollistavat muutakin kuin näytteen läpäisevän valon kuvan havainnoinnin; on olemassa monia tekniikoita, joita voidaan käyttää muunlaisen tiedon keräämiseen. Useimmat näistä vaativat perusyhdysmikroskoopin lisäksi lisälaitteita.17 Optista mikroskopiaa käytetään laajalti histologiassa, histopatologiassa, mikroelektroniikassa, nanofysiikassa, bioteknologiassa, farmaseuttisessa tutkimuksessa, mineralogiassa ja mikrobiologiassa.20

Yhdysmikroskooppi: Yksinkertainen mikroskooppi käyttää linssiä tai linssijoukkoa kohteen suurentamiseen pelkän kulmasuurennuksen avulla, jolloin katsoja saa pystysuoraan suurennetun virtuaalisen kuvan.21 Yksittäisen kuperan linssin tai linssijoukkojen käyttöä tavataan edelleen yksinkertaisissa suurennuslaitteissa, kuten suurennuslasissa, luupeissa sekä kaukoputkien ja mikroskooppien okulaareissa.22

Yhdistelmämikroskooppi: Yhdistelmämikroskooppi käyttää tarkasteltavaa kohdetta lähellä olevaa linssiä (objektiivia) keräämään valoa, joka fokusoi kohteen todellisen kuvan mikroskoopin sisällä. Tätä kuvaa suurennetaan sitten toisella linssillä tai linssiryhmällä (jota kutsutaan okulaariksi), joka antaa katsojalle kohteen suurennetun käänteisen virtuaalisen kuvan.18 Yhdistelmäobjektiivin ja okulaarin yhdistelmän käyttö mahdollistaa paljon suuremman suurennuksen (jopa 1000-2000-kertaisen) (kuva 7). Yhdistelmämikroskooppi mahdollistaa myös kehittyneemmät valaistusasetelmat, kuten faasikontrastin.21,22

Stereomikroskooppi: Stereomikroskooppi on pienitehoinen mikroskooppi, joka antaa stereoskooppisen näkymän näytteestä (jopa 100-kertainen suurennos), ja sitä käytetään yleisesti leikkelyssä (kuva 8).18

Käännetty mikroskooppi: näytteiden tutkimiseen alhaalta päin; käyttökelpoinen nestemäisissä soluviljelmissä tai metallografiassa (kuva 9).18

Vertailumikroskooppi: Se on laite, jota käytetään vierekkäisten näytteiden analysointiin. Se koostuu kahdesta mikroskoopista, jotka on liitetty toisiinsa optisella sillalla, jolloin saadaan jaettu näkymäikkuna, jonka avulla kahta erillistä kohdetta voidaan tarkastella samanaikaisesti. Siinä on kaksi erillistä valoreittiä, jotka mahdollistavat kahden näytteen suoran vertailun yhden kuvan avulla kummassakin silmässä (kuva 10). Näin havainnoitsijan ei tarvitse turvautua muistiin vertaillessaan kahta kohdetta tavanomaisessa mikroskoopissa.27

Digitaalinen mikroskooppi: Digitaalinen mikroskooppi on perinteisen optisen mikroskoopin muunnelma, jossa käytetään optiikkaa ja digitaalikameraa kuvan antamiseksi näytölle, joskus tietokoneella toimivan ohjelmiston avulla.20 Digitaalisessa mikroskoopissa on usein oma sisäänrakennettu LED-valonlähde, ja se eroaa optisesta mikroskoopista siinä, että siinä ei ole mahdollisuutta tarkkailla näytettä suoraan okulaarin läpi. Koska kuva kohdistetaan digitaaliseen piiriin, koko järjestelmä on suunniteltu monitorikuvaa varten (kuva 11). Ihmissilmän okulaari on jätetty pois.20

Kirurginen mikroskooppi: Niitä käytetään kirurgin suurennuksen tehostamiseen (jopa 4-40-kertaiseksi) kirurgisten toimenpiteiden aikana.29 Niitä käytettiin alun perin korva-, nenä- ja kurkkukirurgiassa. Ne asettavat kuitenkin edelleen uusia standardeja yleiskirurgiassa, silmäkirurgiassa, ortopedisessä kirurgiassa, gynekologisessa kirurgiassa, otolaryngologiassa, neurokirurgiassa, suu- ja leukakirurgiassa, plastiikkakirurgiassa, jalkateräkirurgiassa ja lastenkirurgiassa (kuva 6).29

Elektronimikroskooppi

Elektronimikroskooppi on rakenteeltaan yleisesti ottaen samankaltainen kuin valomikroskooppi. Valo korvataan elektroneilla, ja lasilinssit korvataan sähkömagneettisilla ja sähköstaattisilla linsseillä. Elektronimikroskoopeissa on elektronioptiset linssijärjestelmät, jotka vastaavat optisen valomikroskoopin lasilinssejä. Elektronimikroskooppeja on kahta päätyyppiä: transmissioelektronimikroskooppi (TEM) ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM), joista TEM on yleisimmin käytetty (kuva 12).22 Suurimpana etunaan elektronimikroskooppien korkeampi resoluutio kuin valomikroskoopin, ja ne pystyvät näin ollen myös korkeampaan suurennoskykyyn (jopa kaksimiljoona-kertaiseen suurentamiseen).31 Elektronimikroskoopit mahdollistavat rakenteiden havainnollistamisen, jotka normaalisti jäävät optisella mikroskoopiakäsittelyllä näkymättömiksi.32 Elektronimikroskooppeja käytetään monenlaisten biologisten ja epäorgaanisten näytteiden, kuten mikro-organismien, solujen, suurten molekyylien, biopsianäytteiden, metallien ja kiteiden, ultrastruktuurin tutkimiseen (kuva 13).31 Nykyaikaiset elektronimikroskoopit tuottavat elektronimikroskooppikuvia, joissa käytetään erikoisdigitaalikameroita ja kuvankaappauslaitteita kuvan tallentamiseen.

Transmissioelektronimikroskooppi (TEM)

Transmissioelektronimikroskooppi on tekniikka, joka on kehitetty tavanomaisia optisia mikroskooppeja huomattavasti paremman suurennoksen ja siten yksityiskohtien saamiseksi näytteestä.34,35 TEM:ssä elektronisäde johdetaan ultraohuen näytteen läpi, ja se on vuorovaikutuksessa näytteen kanssa sen läpi kulkiessaan. Näytteen läpi kulkevien elektronien vuorovaikutuksesta muodostuu kuva; kuva suurennetaan ja tarkennetaan kuvantamislaitteelle, kuten fluoresoivalle kuvaruudulle, valokuvausfilmikerrokselle tai havaittavaksi anturilla, kuten CCD-kameralla.2 TEM:ssä elektronit läpäisevät ohuen näytteen, joka sitten kuvataan sopivilla objektiiveilla pitkälti analogisesti biologisen valomikroskoopin kanssa.22 TEM:ssä on seuraavat osatekijät: valaistuslaitteisto, näytteen asetinlaite, kuvantamislaitteisto ja tyhjiöjärjestelmä. Transmissioelektronimikroskopia on tärkeä analyysimenetelmä fysikaalisissa, kemiallisissa ja biologisissa tieteissä. TEM:iä käytetään syöpätutkimuksessa, virologiassa ja materiaalitieteissä sekä saastumisen, nanoteknologian ja puolijohteiden tutkimuksessa.36

Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM)

Pyyhkäisyelektronimikroskooppi on rakenteeltaan samankaltainen kuin TEM:n mikroskooppi, mutta pylväs on huomattavasti lyhempi, sillä näytteen yläpuolella tarvitaan vain linssit, joita käytetään kohdistamaan elektroneja hienoon täpläpisteeseen näytteen pinnalla.37 Näytteen alapuolella ei ole lainkaan linssejä. Näytekammio on toisaalta suurempi, koska SEM-tekniikka ei aseta näytteen koolle muita rajoituksia kuin näytekammion koon.38 SEM tuottaa kuvia näytteestä skannaamalla näytteen pintaa fokusoidulla elektronisuihkulla. Elektronit ovat vuorovaikutuksessa näytteen atomien kanssa ja tuottavat erilaisia signaaleja, jotka sisältävät tietoa näytteen pinnan topografiasta ja koostumuksesta.39 Elektronisuihku skannataan rasteripyyhkäisykuviona, ja säteen sijainti yhdistetään havaittuun signaaliin kuvan tuottamiseksi. SEM:llä voidaan saavuttaa parempi resoluutio kuin 1 nanometri.40

Ultrasonografia

Ultrasonografiasta käytetään myös nimitystä Doppler-tutkimus tai ultraäänitutkimus, jota käytetään lääketieteelliseen diagnostiikkaan, se on kivuton ja ei-invasiivinen tekniikka, jossa käytetään ultraäänilaitetta, jossa äänettömillä korkeataajuisilla ääniaalloilla (1-5 megahertsiä) tuotetaan elävää kuvaa elimistön sisärakenteista, josta käytetään myös nimitystä sonogrammi. Sen avulla lääkärit voivat visualisoida sairaat tai normaalit elimet tai kudokset (kuten virtsarakon, kohdun, munuaiset ja munasarjat) kehossa tekemättä viiltoa. Ultraäänitutkimus on suositeltava lääketieteellinen tekniikka sikiön visualisoimiseksi raskaana olevilla naisilla/eläimillä, koska se ei tuota säteilyä kuten muut lääketieteelliset kuvantamistekniikat.2

Ultraäänitekniikassa käytetään nestemäistä geeliä ja kädessä pidettävää anturisondia kehon pinnalla. Akustisen anturin sisältävä anturi lähettää ja vastaanottaa miljoonia pulsseja ja kaikuja kehoon sekunnissa. Ääniaallot tunkeutuvat kehoon ja osuvat kudosten (esim. pehmytkudoksen ja luun) väliseen rajaan, jolloin aallot heijastuvat takaisin anturiin ja välittyvät sitten keskusyksikköön (CPU) (kuva 14-16). Keskusyksikkö on kone, joka syöttää sähkövirtaa anturiin, laskee aallon heijastumisajan ja aallon aiheuttavan kudosrajapinnan syvyyden ja muodostaa kaksiulotteisen kuvan näytölle. Toimenpide kestää yleensä vähintään 30 minuuttia.41,42

Alhaalla on esitetty erityyppisiä ultraäänikuvia

2D-ultraäänikuva: Tämä on yleisin ultraäänikuvatyyppi, se on sarja litteitä, kaksiulotteisia poikkileikkauskuvia skannatusta kudoksesta. Tämä skannaustapa on edelleen standardi monissa diagnostisissa ja synnytystilanteissa puolen vuosisadan käytön jälkeen.43-46

3D-ultraäänikuva: Tämä on kolmiulotteinen kuva (3D), joka saadaan useista eri kulmista skannatusta kudoksen poikkileikkauksesta, ja vastaanotettu tieto rekonstruoidaan kolmiulotteiseksi kuvaksi. Tätä ultraäänikuvaa käytetään yleisesti täydellisemmän ja realistisemman sonogrammin (kuvan) saamiseksi sikiöstä ja huulihalkion diagnosoinnissa.44-47

4D-ultraäänikuva: Käyttää ääniaaltoa tuottamaan suoraa videokuvaa kohdussa olevasta sikiöstä.43-46 3D- ja 4D-ultraääni tuottaa realistisen kuvan kohdussa liikkuvasta tai kehittyvästä sikiöstä, jota ei voida helposti nähdä 2D-ultraäänikuvassa.43-46

Doppler-ultraäänikuva: Tekniikkaan liittyy heijastuneiden ääniaaltojen käyttö verisuonessa tapahtuvan verenkierron kuvion ja tavan paljastamiseksi, mikä ei näy 2D-, 3D- ja 4D-ultraäänikuvassa. Doppler-ultraääntä voidaan käyttää useiden sydämen ja verisuonten poikkeavuuksien, kuten laskimoiden vajaatoiminnan, valtimoiden ahtaumien, verihyytymien, aneurysmien ja synnynnäisten sydänsairauksien diagnosoinnissa. Doppler-ultraäänitutkimuksen aikana anturia liikutetaan ihon päällä verisuonia pitkin ääniaaltojen lähettämiseksi ja heijastamiseksi, korkeataajuiset ääniaallot kimpoavat verenkierrossa olevista verisoluista, mikä puolestaan muuttaa heijastuneiden aaltojen taajuutta, mistä käytetään nimitystä Doppler-ilmiö, ja jos verenkiertoa ei ole, heijastuneissa ääniaalloissa ei tapahdu muutoksia. Doppler-ilmiön kanssa heijastuneista ääniaalloista saatuja tietoja käytetään kuvaajan muodostamiseen, joka kuvaa verenkierron mallia ja tapaa prosessorin verisuonissa. Doppler-ultraääntä on kolmea eri tyyppiä, nimittäin: väridoppler, spektridoppler ja tehodoppler.43-46

Väridoppler: Tässä ultraäänityypissä käytetään perinteistä 2D-ultraääntä verisuonen kuvan luomiseksi ja käytetään tietokonetta muuttamaan doppler-ääniaallot väreiksi, jotka edustavat veren virtaussuuntaa ja -nopeutta verisuonen kuvassa.43-46

Tehodoppler: Tämä on herkempi väridoppler-tyyppi, jota käytetään tuottamaan yksityiskohtia verenkierrosta kiinteässä elimessä, jota ei voida visualisoida perinteisellä väridopplerilla. Veren virtaussuuntaa on kuitenkin mahdotonta tarkastella tehodoppler-ultraäänitutkimuksella. 43-46

Spektridoppler: Tämä on eräänlainen ultraäänitutkimus, jossa käytetään kuvaajaa veren virtauksen ja suunnan esittämiseen. Se pystyy osoittamaan verisuonen tukkeutumisasteen.43,45

Jatkuva-aaltodoppler: Tässä ultraäänitutkimuksessa käytetään ääniaaltoja, joita lähetetään ja heijastetaan jatkuvasti. Tämäntyyppisiä ääniaaltoja käytetään verisuonten tukosten havaitsemiseen ja nopeasti virtaavan veren tarkkaan mittaamiseen.43-46

Radiografia

Tämä on vanhin ja yleisin diagnostinen kuvantamistekniikka.3 Se on ei-invasiivinen tekniikka kuten ultraäänitutkimus, mutta siinä käytetään kuitenkin hyvin pientä määrää ionisoivaa tai ei-ionisoivaa säteilyä (röntgensäteilyä), jota tuotetaan röntgenlaitteistolla ja joka tuottaa piilevän kuvan elimistön sisärakenteiden rakenteiden kuvaamisesta röntgenfilmeille (projektiivinen röntgenkuva). Röntgenlaite voi olla kiinteä, siirrettävä tai kannettava (kuva 17-19).48-51 Radiografian aikana röntgensäteet suunnataan kehoon, jolloin ne kulkevat kohde-elimen läpi ja jäävät sitten litteän röntgenfilmin taakse tuottamaan 2D-kuvan (kuva 20). Röntgentutkimus voidaan tehdä kontrastiaineen (kuten bariumin tai jodin) kanssa tai ilman sitä tutkittavan elimen tiheydestä riippuen. Röntgenkuvausta voidaan käyttää useiden sairauksien, kuten luunmurtuman ja syövän, rintakasvaimen ja tuberkuloosin diagnosoinnissa.48 Liialliseen röntgenaltistukseen liittyy joitakin riskejä, kuten syöpä, hiustenlähtö ja ihon palovammat. Useimmissa tapauksissa hyödyt ovat kuitenkin riskejä suuremmat.3,52

Tietokonetomografia (CT)

Tietokonetomografia on eräänlainen röntgenkuvaus, jossa käytetään myös röntgensäteilyä, mutta toisin kuin projektiivisessa röntgenkuvauksessa, tietokonetomografiassa käytetään enemmän röntgensäteilyä ja sillä saadaan yksityiskohtaisempi 3D-kuva, mutta viime vuosina joitakin tietokonetomografiakuvauksia on kuitenkin kehitetty niin, että niissä käytetään pienempää röntgensäteilymäärää. Tietokonetomografialaite koostuu donitsin muotoisesta tietokonetomografialaitteesta, pöydästä, röntgenputkesta, röntgenilmaisimesta ja tietokoneesta (kuva 21).54,55 Potilas makaa pöydällä ennen kuin hän liukuu tietokonetomografialaitteeseen, ja röntgenputki ja kamera liikkuvat potilaan ympärillä 360°:n kulmassa skannatakseen ja tuottaakseen monitahoisen kuvan elimistön sisäelimistä, ja kiinnostuksen kohteena olevasta elimistöstä riippuen kontrastiainetta saatetaan antaa joko suun kautta, peräsuoleen tai ruiskuttaa laskimoon, jotta se korostaisi skannattua elimistöä.55 Kuvaus suoritetaan erillisessä tietokonehuoneessa, jossa kuvat näytetään ja teknikko kommunikoi potilaan kanssa kaiuttimien ja mikrofonien avulla.56 TT-kuvauksen suurimpana etuna on se, että siitä saadaan nopeasti selkeämpiä diagnostisia kuvia laajemmasta osasta kehoa.56,57

On olemassa erikoistuneita eläinlääketieteellisiä tietokonetomografiakuvauslaitteita, kuten ladattava eläinlääketieteellinen tietokonetomografiakuvauslaite, joka on varustettu röntgenkaapilla, jonka avulla eläinlääkäri voi pysyä lähellä eläintä kuvauksen aikana, jolloin erillistä huonetta ei tarvita, kuten tavanomaisessa ihmisen tietokonetomografiakuvauksessa (kuva 22).57 Skannauksen aikana eläin nukutetaan ja valvotaan, asetetaan ja tuetaan liikkuvalle pöydälle ennen kuin se liukuu CT-skanneriin (kuva 23).60,61

Magneettiresonanssikuvaus (MRI)

Magneettiresonanssikuvaus (MRI) on kivuton, ei-invasiivinen diagnostinen kuvantamistekniikka, joka käyttää voimakkaita magneettikenttiä ja radioaaltoja luodakseen 3D-kuvan kehon sisäelimistä. Magneettikuvauksessa ei käytetä säteilyä, kuten radiografiassa (projektioradiografia, tietokonetomografia ja PET-kuvaus).4 Magneettikuvauslaite näyttää samankaltaiselta kuin tietokonetomografia- ja PET-kuvauslaite, vaikka tekniikka viekin pidemmän aikaa ja pitää kovempaa ääntä (kuva 24).5,61,63

Tutkimuksen aikana potilas (kontrastiaineen kanssa tai ilman) makaa pöydällä, joka liukuu putkeen, jossa on suuri magneetti, joka synnyttää magneettikentän ja radioaaltoja potilaan kehon ympärille, jolloin kehon kudokset värähtelevät. Radioaktiivisen merkkiaineen antotapa (suun kautta, laskimoon tai nenään) riippuu kiinnostuksen kohteena olevasta kudoksesta tai elimestä.64 Ruiskutettu radioaktiivinen merkkiaine konsentroituu kudokseen, joka esitetään tietokoneella 3D-kuvana. Laite on samanlainen kuin CT- ja MRI-kuvaus, ja nykyaikaiset PET-kuvauskuvat voidaan yhdistää CT- tai MRI-kuvauksiin ainutlaatuisen näkymän luomiseksi (kuva 26).66

PET-kuvausta käytetään pääasiassa aivoihin ja sydämeen liittyvien kasvainten ja sairauksien tutkimiseen ja diagnosointiin. Tekniikka on myös kivuton ja ei-invasiivinen, mutta sitä ei kuitenkaan suositella raskaana oleville naisille eikä imettäville äideille 18F-fluoro-2-deoksiglukoosin (18F-FDG) radioaktiivisen merkkiaineen aiheuttaman säteilyn vuoksi (taulukko 1). PET-kuva on värikäs kuva, jossa näkyvät elimen tai kudoksen aktiivisimmat alueet sen mukaan, kuinka paljon radiosädettä se on absorboinut (kuva 27).5,68-70