Anatomy & Physiology

Mikroskopi är det tekniska området där man använder mikroskop (förstoringsinstrument) för att se objekt och områden av objekt som inte kan ses med blotta ögat (objekt som inte ligger inom det normala ögats upplösningsområde).17 Mikroskop är en anordning som använder en lins eller ett system av linser för att producera en kraftigt förstorad bild av ett objekt. Modern mikroskopi använder numera programvaror som ImageJ, CellProfiler, NeuronStodio för att förvärva och analysera bilder.1

Det finns två grenar av mikroskopi.1,18

1. Ljusmikroskop (enkelt, sammansatt mikroskop, dissektionsmikroskop (stereomikroskop), jämförelsemikroskop, inverterat mikroskop, kirurgiskt och digitalt mikroskop.
2. Elektronmikroskop (transmissions- och svepelektronmikroskop)

Ljusmikroskop

Detta kallas också optiskt mikroskop och är en typ av mikroskop som använder synligt ljus och ett system av linser för att förstora bilder av små prover.17 Optiska mikroskop är den äldsta utformningen av mikroskop och uppfanns möjligen i sin nuvarande sammansatta form på 1600-talet. Grundläggande optiska mikroskop kan vara mycket enkla, även om det finns många komplexa konstruktioner som syftar till att förbättra upplösningen och kontrasten hos proverna, t.ex. sammansatta mikroskop, dissektionsmikroskop och kirurgiska mikroskop.19 Moderna mikroskop gör det möjligt att observera mer än bara en bild av ett prov i genomsläppligt ljus; det finns många tekniker som kan användas för att utvinna andra typer av data. De flesta av dessa kräver ytterligare utrustning utöver ett grundläggande sammansatt mikroskop.17 Optisk mikroskopi används i stor utsträckning inom histologi, histopatologi, mikroelektronik, nanofysik, bioteknik, läkemedelsforskning, mineralogi och mikrobiologi.20

Simpelt mikroskop: Ett enkelt mikroskop använder en lins eller en uppsättning linser för att förstora ett objekt enbart genom vinkelförstoring, vilket ger betraktaren en upprätt förstorad virtuell bild.21 Användningen av en enda konvex lins eller grupper av linser återfinns fortfarande i enkla förstoringsanordningar, t.ex. förstoringsglas, lupor och okular för teleskop och mikroskop.22

Sammansatt mikroskop: Ett sammansatt mikroskop använder en lins (objektivlins) nära objektet som betraktas för att samla in ljus som fokuserar en verklig bild av objektet i mikroskopet. Denna bild förstoras sedan av en andra lins eller grupp av linser (kallad okular) som ger betraktaren en förstorad inverterad virtuell bild av objektet.18 Användningen av en kombination av ett sammansatt objektiv/okular möjliggör en mycket högre förstoring (upp till 1000-2000 gånger) (figur 7). Ett sammansatt mikroskop möjliggör också mer avancerade belysningsuppställningar, t.ex. faskontrast.21,22

Stereomikroskop: Stereomikroskop: Ett stereomikroskop är ett mikroskop med låg effekt som ger en stereoskopisk bild av ett prov (upp till en förstoring på upp till 100 gånger) och som vanligen används för dissektion (figur 8).18

Inverterat mikroskop: För att studera prover underifrån; användbart för cellkulturer i vätska eller för metallografi (figur 9).18

Kompatibelt mikroskop: Det är en anordning som används för att analysera prover sida vid sida. Det består av två mikroskop som är förbundna med en optisk bro, vilket resulterar i ett delat betraktningsfönster som gör det möjligt att betrakta två separata objekt samtidigt. Det har två separata ljusvägar som gör det möjligt att direkt jämföra två prover via en bild i varje öga (figur 10). Detta gör att observatören inte behöver förlita sig på minnet när han eller hon jämför två objekt i ett konventionellt mikroskop.27

Digitalt mikroskop: Det är en variant av ett traditionellt optiskt mikroskop som använder optik och en digitalkamera för att skicka ut en bild till en bildskärm, ibland med hjälp av programvara som körs på en dator.20 Ett digitalt mikroskop har ofta en egen inbyggd LED-ljuskälla och skiljer sig från ett optiskt mikroskop genom att det inte finns någon möjlighet att observera provet direkt genom ett okular. Eftersom bilden är fokuserad på den digitala kretsen är hela systemet utformat för bildskärmsbilden (figur 11). Okularet för det mänskliga ögat är utelämnat.20

Kirurgiskt mikroskop: De används för att öka kirurgens förstoring (upp till 4-40 gånger) under kirurgiska ingrepp.29 De användes ursprungligen för öron-, näs- och halskirurgi. De sätter dock fortfarande nya standarder inom allmän kirurgi, oftalmologi, ortopedisk kirurgi, gynekologisk kirurgi, otolaryngologi, neurokirurgi, mun- och käkkirurgi, plastikkirurgi, fotkirurgi och barnkirurgi (figur 6).29

Elektronmikroskop

Den övergripande utformningen av ett elektronmikroskop liknar den av ett ljusmikroskop. Ljus ersätts med elektroner, glaslinser ersätts med elektromagnetiska och elektrostatiska linser. Elektronmikroskop har elektronoptiska linsystem som är analoga med glaslinserna i ett optiskt ljusmikroskop. Det finns två huvudtyper av elektronmikroskop: transmissionselektronmikroskop (TEM) och svepelektronmikroskop (SEM), varav TEM är det vanligaste (figur 12).22 Den största fördelen är att de har en högre upplösning än ljusmikroskop och därför också kan förstoras högre (upp till 2 miljoner gånger).31 Elektronmikroskop gör det möjligt att visualisera strukturer som normalt sett inte skulle vara synliga med optisk mikroskopi.32 Elektronmikroskop används för att undersöka ultrastrukturen hos ett stort antal biologiska och oorganiska prover, inklusive mikroorganismer, celler, stora molekyler, biopsiprover, metaller och kristaller (figur 13).31 Moderna elektronmikroskop producerar elektronmikrografer med hjälp av specialiserade digitalkameror och bildtagningsenheter för att fånga bilden.

Transmissionselektronmikroskop (TEM)

Transmissionselektronmikroskopi är en teknik som utvecklats för att erhålla förstoring och därmed detaljer av ett prov, på en mycket bättre nivå än de konventionella optiska mikroskopen34,35. Vid TEM skickas en elektronstråle genom ett ultratunt prov och interagerar med provet när den passerar. Bilden förstoras och fokuseras på en avbildningsanordning, t.ex. en fluorescerande skärm, på ett lager fotografisk film eller för att detekteras av en sensor, t.ex. en CCD-kamera.2 I ett TEM tränger elektroner in i ett tunt prov och avbildas sedan med hjälp av lämpliga linser, i stor utsträckning i likhet med det biologiska ljusmikroskopet.22 TEM består av ett belysningssystem, en provbänk, ett avbildningssystem och ett vakuumsystem. Transmissionselektronmikroskopi är en viktig analysmetod inom de fysikaliska, kemiska och biologiska vetenskaperna. TEM används inom cancerforskning, virologi och materialvetenskap samt inom forskning om föroreningar, nanoteknik och halvledare.36

Scanningselektronmikroskop (SEM)

Ett scanningselektronmikroskop har en liknande struktur som TEM, men kolonnen är betydligt kortare, eftersom de enda linser som behövs är de som finns ovanför provet och som används för att fokusera elektronerna till en fin fläck på provexemplarets yta.37 Det finns inga linser under provet. Provkammaren är å andra sidan större eftersom SEM-tekniken inte medför någon annan begränsning av provets storlek än den som fastställs av provkammarens storlek.38 SEM producerar bilder av ett prov genom att skanna ytan med en fokuserad elektronstråle. Elektronerna interagerar med atomer i provet och producerar olika signaler som innehåller information om provets yttopografi och sammansättning.39 Elektronstrålen skannas i ett rasterskanningsmönster, och strålens position kombineras med den detekterade signalen för att producera en bild. SEM kan uppnå en upplösning som är bättre än 1 nanometer.40

Ultrasonografi

Ultrasonografi kallas också dopplerstudie eller ultraljudsundersökning som används för medicinsk diagnostik, det är en smärtfri och icke-invasiv teknik som använder en ultraljudsmaskin med tysta högfrekventa ljudvågor (1 till 5 megahertz) för att producera levande bilder av kroppens inre strukturer som också kallas sonogram. Det gör det möjligt för läkare att visualisera sjuka eller normala organ eller vävnader (t.ex. urinblåsa, livmoder, njurar och äggstockar) i kroppen utan att göra ett snitt. Ultraljud är den rekommenderade medicinska tekniken för att visualisera ett foster hos gravida kvinnor/djur eftersom den inte ger upphov till strålning som andra medicinska avbildningstekniker.2

Ultraljudsteknik innebär att man använder en flytande gel och en handhållen transducersond på kroppens yta. Sonden, som innehåller en akustisk transducer, sänder och tar emot miljontals pulser och ekon i kroppen per sekund. Ljudvågorna tränger in i kroppen och träffar en gräns mellan vävnader (t.ex. mjukvävnad och ben), vågorna reflekteras tillbaka till transducersonden och överförs sedan till den centrala bearbetningsenheten (CPU) (figur 14-16). Processorn är en maskin som levererar elektrisk ström till transduktorn, beräknar vågens reflektionstid och djupet av det vävnadsgränssnitt som orsakar vågen för att konstruera en tvådimensionell bild på monitorn. Proceduren tar vanligtvis minst 30 minuter.41,42

Nedan visas de olika typerna av ultraljud

2D ultraljudsbild: Detta är den vanligaste typen av ultraljudsbild, det är en serie platta, tvådimensionella tvärsnittsbilder av den skannade vävnaden. Detta skanningssätt är fortfarande standard för många diagnostiska och obstetriska situationer efter ett halvt sekel av användning.43-46

3D Ultraljudsbild: Detta är en tredimensionell bild (3D) som erhålls från ett tvärsnitt av vävnad som skannas i flera vinklar och de mottagna uppgifterna rekonstrueras till en tredimensionell bild. Detta ultraljud används vanligen för att ge ett mer fullständigt och realistiskt sonogram (bild) av ett foster och vid diagnos av läppspalt.44-47

4D Ultraljudsbild: Använder ljudvågor för att producera en livevideo av fostret i livmodern.43-46 3D- och 4D-ultraljud ger en realistisk bild av ett foster i livmodern som rör sig eller håller på att utvecklas, vilket inte är lätt att se på en 2D-ultraljudsbild.43-46

Dopplerultraljudsbild: Tekniken innebär att reflekterade ljudvågor används för att avslöja blodflödets mönster och sätt i blodkärlet, vilket inte kan ses på en 2D-, 3D- och 4D-ultraljudsbild. Doppler ultraljud kan användas för att diagnostisera flera avvikelser i hjärtat och blodkärlen, t.ex. venös insufficiens, artärförträngning, blodproppar, aneurysm och medfödda sjukdomar i hjärtat. Under ett Doppler-ultraljud förflyttas transducern över huden längs blodkärlen för att sända och reflektera ljudvågor, högfrekventa ljudvågor studsar mot cirkulerande blodkroppar, vilket i sin tur förändrar frekvensen på de reflekterade vågorna, hänvisar till en Dopplereffekt och i avsaknad av blodflöde sker inga förändringar i de reflekterade ljudvågorna. Data från de reflekterade ljudvågorna med dopplereffekter används för att konstruera ett diagram som representerar mönstret och sättet för blodflödet genom blodkärlen på CPU:n. Det finns tre typer av Doppler ultraljud nämligen; Färgdoppler, Spektraldoppler och Effektdoppler.43-46

Färgdoppler: Denna typ av ultraljud använder det traditionella 2D ultraljudet för att skapa en bild av ett blodkärl och använder en dator för att förändra Doppler ljudvågorna till färger som representerar blodflödets riktning och hastighet på bilden av blodkärlet.43-46

Power doppler: Detta är en känsligare typ av färgdoppler som används för att generera detaljer om blodflödet i ett fast organ som inte kan visualiseras med en konventionell färgdoppler. Det är dock omöjligt att se blodflödets riktning med hjälp av power doppler ultraljud. 43-46

Spektradoppler: Detta är en typ av ultraljud som använder en graf för att representera blodflödet och blodets riktning. Det kan visa graden av blockering i ett blodkärl. 43,45

Continuous wave doppler: Detta ultraljud använder ljudvågor som sänds och reflekteras kontinuerligt. Denna typ av ljudvågor används för att upptäcka blockering i blodkärlen och för att noggrant mäta snabbt strömmande blod.43-46

Radiografi

Detta är den äldsta och vanligaste diagnostiska avbildningstekniken.3 Det är en icke-invasiv teknik som ultraljudet, men den använder en mycket liten mängd joniserande eller icke-joniserande strålning (röntgenstrålar) som alstras av en röntgenapparat för att producera en latent bild av kroppens inre strukturer på en röntgenfilm (projektionsradiografi). En röntgenapparat kan vara fast, mobil eller bärbar (figur 17-19).48-51 Under radiografin riktas röntgenstrålningen mot kroppen så att den passerar genom målorganet och sedan fångas bakom den platta röntgenfilmen för att producera en 2D-bild (figur 20). Röntgenundersökningen kan göras med eller utan kontrastmedel (t.ex. barium eller jod) beroende på tätheten hos det organ som ska undersökas. Röntgen kan användas för att diagnostisera flera tillstånd, t.ex. benbrott och cancer, brösttumör och tuberkulos.48 Det finns vissa risker som är förknippade med överexponering för röntgenstrålar, t.ex. cancer, håravfall och brännskador på huden. Men i de flesta fall överväger fördelarna riskerna.3,52

Computertomografi (CT)

En CT-skanning är en typ av röntgenundersökning som också använder röntgenstrålar, till skillnad från projektionsröntgen använder CT-skanning en större mängd röntgenstrålar och ger en mer detaljerad 3D-bild, men på senare år har vissa CT-skanningar utvecklats för att använda en mindre mängd röntgenstrålar. CT-maskinen består av en munkformad CT-scanner, ett bord, ett röntgenrör, en röntgendetektor och en dator (figur 21).54,55 Patienten ligger på bordet innan han eller hon glider in i CT-scannern, röntgenröret och kameran rör sig runt patienten i 360° för att skanna och producera flera bilder av kroppens inre organ, beroende på vilket organ som är av intresse kan ett kontrastmedel ges antingen genom munnen, ändtarmen eller injiceras i en ven för att lyfta fram det skannade organet.55 Skanningen utförs i ett separat datorrum där bilderna visas och teknikern kommunicerar med patienten med hjälp av högtalare och mikrofoner.56 Den stora fördelen med datortomografi är att man snabbt får fram tydligare diagnostiska bilder av en större del av kroppen.56,57

Det finns specialiserade veterinärmedicinska CT-skannrar såsom den uppladdningsbara veterinärmedicinska CT-skannern, denna skanner är utrustad med ett röntgenkabinett för att göra det möjligt för veterinären att hålla sig nära djuret under skanningen, vilket innebär att det inte krävs ett separat rum som vid konventionell CT-skanning av människor (figur 22).57 Under skanningen kommer djuret att bedövas och övervakas, placeras och stödjas på ett mobilt bord innan det glider in i CT-skannern (figur 23).60,61

Magnetisk resonanstomografi (MRT)

Magnetisk resonanstomografi (MRT) är en smärtfri, icke-invasiv diagnostisk avbildningsteknik som använder kraftiga magnetfält och radiovågor för att skapa en 3D-bild av kroppens inre organ. MRI innebär inte strålning som vid radiografi (projektilradiografi, CT och PET-scanning).4 MRI-maskinen ser likadan ut som CT- och PET-maskinen, även om tekniken tar längre tid och ger upphov till högre ljud (figur 24).5,61,63

Under skanningen ligger patienten (med eller utan kontrastmedel) på ett bord som glider in i röret som innehåller en stor magnet som genererar ett magnetfält och radiovågor runt patientens kropp vilket gör att vävnaden i kroppen vibrerar. Dessa vibrationer omvandlas till en detaljerad bild på datorn (figur 25).5

Positronemissionstomografi (PET)

PET är en funktionell 3D-bildteknik som i motsats till datortomografi och röntgen visar de fysiologiska aktiviteterna i kroppens vävnader och organ med hjälp av en radiotracer (18F-FDG). Administrationsvägen (oral, venös eller nasal) för radiotrakern beror på vilken vävnad eller vilket organ som är av intresse.64 Den injicerade radiotrakern koncentreras i en vävnad som visas på en dator som en 3D-bild. Maskinen liknar CT och MRI, och moderna PET-skanningsbilder kan kombineras med CT- eller MRI-skanningar för att skapa en unik vy (figur 26).66

PET-skanning används i huvudsak vid undersökning och diagnostisering av tumörer och störningar som är kopplade till hjärna och hjärta. Tekniken är också smärtfri och icke-invasiv, men den rekommenderas inte för gravida kvinnor, ammande mödrar på grund av den strålning som avges av 18F-fluoro-2-deoxyglukos (18F-FDG) radiotracer (tabell 1). PET-skanningsbilden är en färgglad bild som visar de mest aktiva områdena i organet eller vävnaden, beroende på hur mycket radiotracer den har absorberat (figur 27).5,68-70