Arnas aparatuko gaixotasunak ikertzeko irudi-teknika berriak

Artaetxebarria Artieda, Xabier

Telekomunikazio-ingeniaria

Enfisema, bronkitisa, infekzioak, minbizia... Biriketako gaixotasunak munduko hilgarrienen artean daude, bai herrialde aberatsetan eta baita txiroenetan ere. Sendagaiak bilatzeko orduan, oso erabilgarriak dira animalia txikiak, bereziki karraskariak. Baina arrazoi etikoak direla medio, ahalik eta animalia gutxien erabili behar da. Horrez gain, esperimentu bakoitzean ahalik eta informazio gehien lortu behar da, eta, horretarako, zehaztasun handiko irudi-teknika berriak garatzen dira. Animaliak hil beharrean, haiek bizirik direla X izpi bidezko eskanerrak erabil daitezke, eta irudiak aztertu, neurketak automatikoki egiten dituzten ordenagailu programen bitartez. Guk, Medikuntza Aplikatuaren Ikerketa Zentroko (CIMA) minbiziaren irudigintza-taldean, algoritmo berriak garatu ditugu irudi-teknika horiek hobetzeko.

Arnas aparatuko gaixotasunak ikertzeko irudi-teknika berriak
2011/06/01 | Artaetxebarria, Xabier | Telekomunikazio-ingeniaria
Irudia ordenagailu-programen bidez aztertzeko, biriketako atal ezberdinak banandu daitezke. Micro-CT irudi batetik abiatuta lortutako adibide honetan, urdin solidoak arnasbideak adierazten ditu, eta gorriz enfisemak jotako bolumena azaltzen da. Arg.: Xabier Artaetxebarria.

Birikak oinarrizko organoa dira airea arnasten duten animalientzat, gizakiok barne. Biriketako gaixotasunek eragin handia izan ohi dute gorputz osoan, zaildu egiten baitute zelulek energia lortzeko behar duten oxigenoa eta arnasketaren hondakin den karbono dioxidoa trukatzea.

Herrialde aberatsetan, biriketako gaixotasun obstruktibo kronikoa (ingelesez chronic obstructive pulmonary disease , COPD) da, infekzioak alde batera utzita, heriotza gehien sortzen duen biriketako gaixotasuna. Eritasun horrek mugatu egiten du aire-fluxua, eta bronkitis kronikoarekin eta enfisemarekin lotuta dago. Bronkitisa arnasbideen inflamazioa da, eta enfisemak biriketako ehunen degradazioa dakar. Bestalde, herrialde txiroenetan, biriketako infekzioak dira heriotza-eragile nagusiak, beste edozein gaixotasunen gainetik. Gainera, minbizi guztien artean mundu osoan heriotza gehien sortzen dituena biriketakoa da.

Beste edozein gaixotasunekin bezala, gai honen inguruan ikerketak egiteko aukera bat baino gehiago dago. Alde batetik, zelula mailan egin daiteke. Genetika, proteomika, eta beste hainbat arlotako azken garapenak erabiliz, gaixotasunaren osagai molekular eta mikroskopikoak azter daitezke. Bestalde, maila klinikoan ere egin daitezke ikerketak, esaterako, gaixo-talde ezberdinengan tratamendu ezberdinak aplikatuz eta emaitzak aztertuz. Hala ere, bi metodo horiek badituzte bere mugak. Zelula-mailako ikerketek zehaztasun handia izan dezaketen arren, ez dute gorputz osoko zelula eta ehunen arteko elkarrekintza azaltzen. Eta fase klinikoan egindako ikerketek arazo etiko nabariak planteatzen dituzte, hala nola gaixo-talde bati onuragarri izan daitekeen sendagai bat ez ematean edo kaltegarriak izan daitezkeen terapiak frogatzean. Bi metodo horien arteko hutsunea betetzeko, animaliekin egin ohi dira hainbat saiakuntza. Esate baterako, 1901etik 2006ra, medikuntzako Nobel saria irabazi zutenen artetik % 76k animaliak erabili zituen ikerketetan.

Fase klinikora pasatu aurretik, saguak, arratoiak eta halako animaliak erabiltzeak froga asko egitea errazten du; baina, jakina, arazo etikoak ez dira guztiz desagertzen. Hori dela eta, ingelesez "hiru R -en printzipioa" deiturikoa aplikatzen da: ahal den neurrian animalien erabilera murriztea ( reduce ), informazio bera eman dezaketen beste teknika batzuekin ordezkatzea ( replace ) eta animaliei ematen zaien tratua fintzea ( refine ).

Testuinguru horretan, irudi-teknika berriek zeresan handia dute. Bereizmen handiko erresonantzia magnetikoaren edo X izpietan oinarritutako eskanerraren (micro-CT deiturikoa) teknikekin, besteak beste, animalia txikien gorputza azter daiteke haiei minik eragin gabe; horixe da, hain zuzen, tratua fintzea. Gainera, esperimentuetan animaliak hil beharrik ez dagoenez, nabarmen murriztu daiteke erabilitako animalia-kopurua. Micro-CT-a bereziki egokia da animalia txikien birikak aztertzeko, 50 m (0,05 mm) inguruko bereizmena baitu, biriketako ehunen eta airearen arteko kontraste handia erakusteaz gain.

Irudia egiteko teknika edo nola lortu sagutxo baten biriken irudi bat

Bereizmen handiko micro-CT-ak azken hamarkadetan garatu dira gehienbat, baina haien printzipio nagusia XX. mendearen hasieratik da ezaguna. Lehen pausoan, aztertu nahi den objektuaren hainbat erradiografia egiten dira, zenbait angelutatik eta objektuaren inguruan zirkunferentzia bat osatuz. Ondoren, erradiografia horiek ordenagailu bidez prozesatu behar dira, objektuaren barneko egituraren hiru dimentsioko irudi bat lortzeko. Zenbat eta erradiografia gehiago egin lehenengo pausoan, orduan eta zuzenagoa izango da azken irudia.

Eskanerrean sartzeko, animaliak anestesiatuta egon ohi dira, baina arnasketaren mugimenduek arazoak sor ditzakete, bereziki biriketako irudietan. Izan ere, erradiografia bakoitzean birikak posizio ezberdin batean baldin badaude, ordenagailuak prozesatutako hiru dimentsioko irudiak zehaztasun gutxi izango du, gutxi gorabeherako birikak erakutsiko baititu nolabait. Hori ekiditeko, arnasketa eta irudia sinkronizatzeko teknika bat garatu dugu: behin anestesiatuta, eta irudia egin aurretik, animalia arnasgailu batera konektatzean datza. Horretarako, saguaren trakean, zeina milimetro bat baino estuagoa baita, kateter bat sartu behar da. Operazioa errazteko, kateter barnean zuntz optiko bidezko argiztapena erabiltzen dugu.

Enfisemaren jarraipena. Elastasaren eragina aztertzeko, sagu-talde baten jarraipena egin da enfisemaren garapenaren lehen ordu eta egunetan. Zutabe bakoitzak garapenaren une jakin bat adierazten du. Lehen lerroan, micro-CT ebakidurak azaltzen dira, gorriz enfisema adierazita. Ondorengo bi lerroetan, 3D irudiak azaltzen dira, aurretik eta atzetik ikusita, eta, azkenik, mikroskopio-irudiak. Horietan ikusten da enfisemak nola eragiten duen albeoloak handitzea. Oro har, gure esperimentuak frogatzen du micro-CT bidez enfisemaren garapenaren jarraipena egitea posible dela, animaliak hil beharrik gabe. Arg.: Xabier Artaetxebarria.

Animalia arnasgailura konektatuta dagoenean, eskanerrean sar daiteke. Biriken mugimenduak irudian eraginik izan ez dezan, arnasgailua eta eskanerra sinkronizatu behar dira. Seinale elektriko baten bidez, erradiografiak birikak beteta dauden unean soilik egitea lortzen da. Honela, angelu ezberdinetatik ateratako erradiografia guztietan birikak egoera berean daude, eta ordenagailuan kalkulatzen den hiru dimentsioko irudiak bereizmen askoz hobea izango du.

Irudia aztertzeko teknikak edo nola neurtu gaixotasun baten eragina sagutxo baten biriken irudian

Animalien biriken irudiei behatuz informazio garrantzitsua eskuratu dezakegu. Baina esperimentu batean, normalean, bi talderen edo gehiagoren artean aldeak bilatu nahi izaten dira: esate baterako, ea tratamendu batek gaixotasun baten garapena geldiarazi edo, gutxienez, geldotu duen. Horrelako ikerketetan oso erabilgarria da datu kuantitatibo eta objektiboak izatea, konparazioak bidezkoak izan daitezen. Beraz, oso garrantzitsua da irudietatik abiatuta neurri objektiboak lortzea. Horretarako, ordenagailu bidezko diagnosia erabili dugu. Hainbat algoritmo garatu ditugu, pausoz pauso hasierako iruditik abiatuta biriken egoera adierazten duten neurriak lortzeko.

Neurketa bat egin aurretik, interesatzen zaizkigun atalak banandu behar dira, segmentazio izeneko prozesuaren bidez. Kasu honetan, irudian birikak eta arnasbideak segmentatzea komeni da, haien gainean neurketak egin ahal izateko. Arnasbideen kasuan, eremu-hazkuntzan oinarritutako algoritmo bat garatu dugu. Ordenagailu-programa gai da automatikoki trakea aurkitzeko, eta handik hasita arnasbideei jarraituz doa, bronkio-zuhaitz osoa detektatu arte. Birikak bereizteko beste programa bat garatu dugu, hainbat pausotan irudiaren erdialdean eremu ilun bat bilatzen duena. Teknika automatiko horiek balioztatzeko, eskuz egindako segmentazioekin alderatu genituen.

Irudian arnasbideak eta birikak banatuta eta identifikatuta daudenean, neurketak egin daitezke. Arnasbideen kasuan, bronkioen diametroak neur daitezke automatikoki. Biriketan, bolumena eta intentsitatea dira neurri interesgarrienak, micro-CT irudien intentsitatea (pixel bakoitzaren argitasuna) aire-edukiarekin erlazionatuta baitago. Zenbat eta ilunago, orduan eta aire gehiago. Hala, birika hantuek intentsitate altua izan ohi dute, eta enfisema dutenek baxua, gaixotasunaren bereizgarri den ehunen degradazioak aire-proportzio handiagoa eragiten baitu.

Esperimentuak edo nola aplikatu teknika berri horiek benetako esperimentuetan

Saguen biriken irudi zehatzak lortzeko eta haietatik neurri objektiboak lortzeko garatutako teknikek badute aplikazio praktikoa; gaixotasunak aztertzeko esperimentuetan animalia gutxiago erabiltzeaz eta haien tratua fintzeaz gain, informazio aberatsa eskaintzen dute. Hori frogatzeko, hainbat esperimentu egin genituen, batez ere bi gaixotasunekin: biriketako hantura kronikoa eta enfisema.

Saguengan biriketako hantura kronikoa eragiteko zenbait teknika daude. Horietako bat gizakiengan gertatzen den silikosiarekin erlazionatuta dago, eta animaliaren biriketan silize-kristalak sartzean datza. Horrek hantura-prozesu kroniko bat eragiten du, zenbait fasekoa. Mundu osoan lehen aldiz, micro-CT teknika eta irudi-azterketa automatikoa erabili ditugu gaixotasun-eredu hori deskribatzeko, eta garapenari buruz datu berriak lortu ditugu. Laburbilduz, aurkitu dugu hanturak arnasbideak estutzen dituela, eta birikaren hantura-proportzioa hazi egiten dela hainbat hilabetean.

Hanturaren jarraipena. Silize-kristalek eragindako hantura duen sagu-talde baten jarraipena egin da micro-CT bidez, gaixotasunaren garapena aztertzeko. Zutabe bakoitzean, garapenaren puntu bat azaltzen da: hasiera, 4 aste, 14 aste eta 34 aste. Lehen lerroan, micro-CT iruditik lortutako segmentazioa ikusten da: arnasbideak horiz, birikak urdinez eta hantura duen bolumena gorriz. Bigarren lerroan, gaixotasunaren garapenaren puntu berean lortutako mikroskopio irudiak azaltzen dira, hematoxilina-eosina tindaketarekin. Hantura duen eremuaren azalera handitu egin dela ikus daiteke teknika guztien bidez. Arg.: Xabier Artaetxebarria.

Enfisemaren kasuan, biriketako ehunak desegiten dituen elastasaren bidez eragin genuen gaixotasuna saguengan. Aurreko lanetan, hainbat ikerlarik frogatu zuten micro-CT teknika erabil zitekeela enfisemaren garapena aztertzeko, baina beste teknika batzuekin ia alderatu gabe zegoen. Guk ikerketa zabal bat egin dugu hainbat teknika batera erabiliz, eta aurkitu dugu micro-CT-ak zehaztasun handiz erakusten duela gaixotasunaren garapena, animaliak hil beharrik gabe.

Ondorioa edo zer ikasi dugun honekin guztiarekin

Biriketako gaixotasunek heriotza asko eragiten dituzte mundu osoan. Haiek hobeto ikertu ahal izateko teknikak garatu ditugu gure lanean, karraskari txikiak erabiliz. Alde batetik, X izpi bidez zehaztasun handiko biriken irudiak lortzeko metodoa garatu dugu, arnasketa artifiziala eta erradiografiak sinkronizatuz. Bestalde, irudi horiek aztertzeko ordenagailu-programa automatikoak garatu ditugu, neurri objektiboak lortu ahal izateko. Teknika horien erabilgarritasuna hainbat esperimentutan frogatu dugu.

Animaliekin egindako esperimentuak azkartuz, finduz eta informazio aberatsagoa lortuz, teknika horiek errazagoa egingo dute biriketako gaixotasunak sendatzeko tratamenduak laborategitik fase klinikora pasatzeko bidea.

BIBLIOGRAFIA

Artaechevarria, X. et al.:
Airway segmentation and analysis for the study of mouse models of lung disease using micro-CT, Physics in Medicine and Biology, 2009ko azaroa.
Artaechevarria, X. et al.:
Evaluation of micro-CT for emphysema assessment in mice: comparison with non-radiological techniques, European Radiology, 2010eko urria.
Artaechevarria, X. et al.:
Longitudinal study of a mouse model of chronic pulmonary inflammation using breath hold gated micro-CT, European Radiology, 2010eko azaroa.
Shapiro, S. D.:
Animal models for COPD, Chest, 2000ko maiatza.
Johnson, K. A.:
Imaging techniques for small animal imaging models of pulmonary disease: micro-CT, Toxicologic Pathology, 2007ko urtarrila.
Namati, E.:
In vivo micro-CT lung imaging via a computer-controlled intermittent iso-pressure breath hold (IIBH) technique, Physics in Medicine and Biology, 2006ko abendua.
Cavanaugh, D. et al.:
Quantification pf bleomycin-induced murine lung damage in-vivo with microcomputed tomography, Academic Radiology, 2006ko abendua.
Sluimer, I. et al . :
Toward automated segmentation of the pathological lung in CT, IEEE Transactions on Medical Imaging, 2005eko abuztua.
Artaetxebarria, Xabier
3
276
2011
6
026
Medikuntza; Teknologia
Gai librean
59

Idatzi zuk zeuk Gai librean atalean

Gai librean aritzeko, bidali zure artikulua aldizkaria@elhuyar.eus helbidera
Hauek dira Gai librean atalean Idazteko arauak

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Webgune honek cookieak erabiltzen ditu zure nabigazio-esperientzia hobetzeko. Nabigatzen jarraitzen baduzu, ulertuko dugu cookie horien erabilera onartzen duzla. Ezeztatuz gero, ezingo duzu webgune honetan nabigatu. Onartu
Informazio gehiago
Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
FAGOR ELECTRÓNICA Koop. Elk.