информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Сообщество LabData

Вход в систему

аватар: Ерёмина Наталья Александровна

Ерёмина Наталья Александровна, МИД-106
Компьютерная Томография
Каждое новейшее открытие в физике или технике неминуемо находит воплощение в медицине; ярким примером тому может служить открытие Рентгена и блистательное его внедрение во врачебную практику. Компьютерную томографию (КТ) можно рассматривать как новый виток в развитие рентгенологии.
Отцами – основателями компьютерной томографии являются американский физик Кормак, теоретически обосновавший возможность получения информации и построения КТ-изображения, и инженер – практик Хаунсфилд, реализовавший идею на практике.
Изобретение Годфри Хаунсфилдом (Godfrey Hounsfield) в начале семидесятых годов компьютерной томографии (КТ) было воспринято многими как самый крупный шаг вперед в радиологии с момента открытия рентгеновсих лучей. Хаунсфилду, вместе с Алленом Кормаком (Allen Cormack), за его достижение в 1979 г. была присуждена Нобелевская премия. Первые КТ были спроектированы только для обследования головы, однако вскоре появились сканеры для всего тела. В настоящее время КТ можно использовать для визуализации любой части тела.
Технологические достижения в области оборудования и программного обеспечения для КТ, достигнутые за последние годы, огромны. С момента появления в 1972 г. первого сканера (EMI-сканера) эти достижения привели к кардинальному расширению сферы применения КТ и улучшению качества изображений. Несмотря на конкуренцию со стороны ультрасонографии и магнитно-резонансной томографии, во многих случаях КТ по-прежнему остается методом выбора.

Компьютерная томография – метод исследования

Рентгеновская компьютерная томография является одним из самых эффективных методов современной диагностики. Компьютерная томография (KT) – метод исследования, при котором, как и при других рентгенологических методах, используются рентгеновские лучи (Х-лучи).
Однако, в отличие от обычной рентгенографии, КТ позволяет получить снимок определенного поперечного слоя (среза) человеческого тела. При этом организм можно исследовать слоями шагом в 1 мм. А главное, с помощью КТ можно увидеть структуры, которые не видны на обычных рентгенограммах. При обычном исследовании рентгеновские лучи проходят через тело и оставляют след на пленке, затем изображение на ней расшифровывает врач. Компьютерный томограф позволяет детально осмотреть органы человека по отдельности. В этом отличие его от рентгеновского снимка, представляющего собой проекционное изображение, на котором видны не органы и ткани человека, а лишь их тени, которые накладываются друг на друга. При КТ лучи попадают на специальную матрицу, передающую информацию в компьютер, который обрабатывает полученные данные о поглощении Х-лучей организмом человека и выводит изображение на экран монитора. Таким образом, фиксируются мельчайшие изменения поглощаемости лучей, что, в свою очередь, и позволяет увидеть то, что не видно на обычном рентгеновском снимке. Для усиления «видимости» в организм могут вводиться контрастные вещества, которые, заполняя определенные пространства, упрощают распознавание тех или иных патологических процессов.
Серийный компьютерный томограф состоит из четырех основных блоков: генератор рентгеновского излучения; сканирующий элемент (рентгеновская трубка и детектор); компьютер, рассчитывающий степень ослабления рентгеновского излучения вследствие его поглощения тканями; осциллоскоп с принтером, предназначенные для вывода полученных картин рентгеновского поглощения. Пациент при исследовании неподвижен, а источник излучения и сканирующий элемент вращаются вокруг его головы, делая при этом несколько сотен измерений поглощения лучей тканями головного мозга, на основании чего далее строится двухмерное изображение того или иного сечения. Для получения трехмерного изображения пациент постепенно смещается вдоль оси вращения, что позволяет сделать последовательное сечение, из которого затем реконструируется трехмерное изображение (в некоторых моделях имеется большое количество фиксированных по окружности детекторов и осуществляется лишь вращение источников излучения).

Рентгеновская трубка и детекторы размещены внутри окружающей пациента рамы (гентри). Гентри может поворачиваться относительно горизонтальной оси на угол примерно до 20 градусов. Обследование начинается с проекционного изображения (сканограммы): стол с пациентом пропускается в процессе экспозиции через гентри без вращения системы трубка-детектор. Вертикальное расположение системы трубка-детектор (трубка на 6 или 12 ч) дает фронтальные проекции, а горизонтальное расположение системы трубка-детектор (трубка на 3или 9 ч) дает боковые проекции. (Фототехнический отдел, Rikshospitalet, Oslo)

Физические принципы

В процессе прохождения через ткани рентгеновские лучи ослабляются, частично из-за поглощения энергии, частично из-за рассеивания. Ослабление можно описать следующим уравнением:I=I0e-md
  (1),
где I– интенсивность пропущенного излучения (т.е. излучения на выходе ткани), I0- интенсивность падающего излучения (на входе в ткани), m- так называемый коэффициент полного линейного ослабления для ткани, d- это расстояние, пройденное излучением через ткань (толщина ткани). Коэффициент ослабления обусловлен атомным номером и электронной плотностью ткани. Чем выше атомное число и плотность электронов, тем выше коэффициент ослабления. Таким образом, атомное число и плотность электронов – это два параметра, определяющих свойства ткани по ослаблению рентгеновского излучения. Необходимо учитывать, что коэффициент ослабления также зависит от энергии рентгеновских лучей.
Все технологии и методики визуализации с использованием рентгеновских лучей основываются на факте, что разные ткани ослабляют рентгеновские лучи в различной степени. Используемые в полноразмерной радиографии радиографические пленки имеют очень высокое пространственное разрешение в том случае, если у отображаемых структур есть значительные различия по степени ослабления. По данному показателю полноразмерная рентгенография находится впереди остальных радиологических методик. Один из главных недостатков пленки состоит в ее низкой чувствительности при небольших различиях в ослаблении, т.е. в плохом разрешении по контрастности. Радиографическая пленка может четко отобразить различия только между четырьмя различными «составляющими» тела: кость/обызвествление, мягкая ткань/жидкость, жир и газ (в порядке уменьшения ослабления). Невозможно распознать отличия между мягкими тканями и жидкостью. Возможность радиографической пленки показать детали структуры еще более ослабляется проекционной природой данной технологии, приводящей к частичному перекрытию структур. Традиционная томография может улучшить воспроизведение структурных деталей, но даже томографические изображения содержат «размытую» информацию от накладывающихся структур, что вносит свой вклад в уменьшение контрастного разрешения.
При КТ рентгеновскими лучами экспонируются только тонкие срезы ткани. Отсутствует мешающее наложение или размывание структур, расположенных вне выбранных срезов. В результате разрешение по контрастности значительно превышает характеристики проекционных рентгеновских технологий. Технические разработки в области КТ меняются от производителя к производителю; существует уже несколько поколений КТ.
Номер поколения (первое, второе, третье, четвертое и т.д.) связан с типом конструкции системы «трубка-детектор». Сегодня в большинстве томографов используется такая же базовая система трубка-детектор, как и представленная на рис.1 (третье поколение).

 

Трубка испускает тонкий, коллимированный, веерообразный пучок рентгеновских лучей, перпендикулярный длинной оси. Этот пучок может быть достаточно широким и охватывать весь диаметр тела. Регулировкой коллимации можно менять его толщину, например от 1 до 10 мм. Соответственно варьирует толщина исследуемого среза ткани. Пропускаемый через пациента пучок рентгеновских лучей фиксируется не пленкой, а системой специальных детекторов. Обычно используется около 700 детекторов, их расположение и распределение регулируется в зависимости от ширины веерообразного пучка (рис.1). В качестве детекторов используются либо кристаллы различных химических соединений (например, йодид натрий), либо полые камеры, наполненные сжатым ксеноном. Рентгеновские фотоны генерируют в детекторах электрические сигналы. Чем сильнее интенсивность достигшего детектора первичного луча, тем сильнее электрический сигнал. Фиксируя интенсивность пропущенного излучения ( в уравнении 1) можно рассчитать ослабление первичного луча. КТ-детекторы примерно в 100 раз чувствительнее рентгеновской пленки при определении различий в интенсивности излучения; таким образом, они точно так же чувствительнее и при определении различий в ослаблении.
КТ-обследование начинается с цифровой проекционной радиограммы («томограммы», «scout-view»), предназначенной для послойной визуализации анатомической области. Проекционное изображение получают перемещением стола для обследования с находящимся на нем пациентом через пучок лучей без вращения трубки или детекторов.
Проекционное изображение используется для выбора места расположения срезов, показанных в виде наложенных друг на друга линий («аннотация уровней срезов»).
Исследуемый срез ткани можно представить разделенным на набор ровных по объему элементов, так называемых вокселов.
Для расчета поглощения каждым вокселом рентгеновских лучей необходимо измерить в нескольких проекциях регистрируемое каждым детектором ослабление. Это реализуется одновременным вращением в процессе экспозиции рентгеновской трубки и массива детекторов в плоскости среза (рис.1). В плоском изображении среза ткани (КТ-томограмма) каждый воксел представляется плоскостным элементом (пикселом), а размер и расположение пиксела определяются размером и расположением воксела в плоскости сканирования. Результат сканирования выводится на монитор, где каждому пикселу присваивается определенное значение оттенка серой шкалы или яркости в зависимости от ослабления в соответствующем вокселе. Пикселы, отображающие сильно ослабляющие вокселы (например, кость) – яркие, а пикселы, слабо ослабляющие вокселы (например, жировая ткань) – относительно темные.
КТ позволяет просто измерить ослабление в ткани, и эти измерения могут иметь определенное значение для диагностики. Например, наличие жирового инфильтрата в печени можно диагностировать, выявив участок аномально низкого ослабления в паренхиме печени. Ослаблению обычно присваивается числовое значение: число ослабления, или КТ-число. Значение устанавливается по условной линейной шкале с диапазоном для современных КТ примерно от -1000 до +3000 (рис.2).

 
Единицу измерения КТ-ослабления называют единицей Хаунсфилда (HU). КТ калибруется таким образом, чтобы значение ослабления воды равнялось 0, а воздуха -1000. Поскольку в КТ используется компьютерная технология, то для шкалы ослабления применяли бинарную систему. Шкала охватывает 4096 чисел ослабления (12 бит, ), с границами диапазона от -1024 до +3071. (Старые системы КТ могут показать только 2048 значений в диапазоне от -1024 до +1023. при этом значения для воды и воздуха совпадают.) для костных структур значения ослабления располагаются в диапазоне от 800 HU для нормальной кортикальной кости до 3000 HU в пирамидах височной кости. Значения плотности для большинства паренхиматозных тканей составляют 40-80 HU, а для чисто жировых тканей – порядка -100 HU. теоретически эти условные числа должны быть прямо пропорциональны коэффициентам линейного ослабления тканей. Необходимо отметить, однако, что точность измерений сильно страдает от неточностей и несоответствий, вызываемых артефактами. Поэтому для диагностических целей следует использовать единицы Хаунсфилда с осторожностью.
Хотя КТ-томограммы имеют значительно более высокое разрешение по контрастности по сравнению с традиционной рентгенографией, их пространственное разрешение ниже. Пространственное разрешение определяется размером воксела, т.е. размером пиксела и толщиной среза. Чем меньше вокселы, тем выше пространственное разрешение. Обычно число вокселов (и пикселов) в квадратном поле изображения равно 256 256 или 512 512 (размер матрицы). Если отображаемая матрица 512 512 имеет размеры 250 250 мм, размер каждого пиксела будет 0,5 0,5 мм (250 мм : 512). Обычно толщина среза составляет 5-10 мм, но может равняться и 1мм. Тонкие срезы хороши по пространственному разрешению, но для сохранения качества изображения (соотношение сигнал/шум) они требуют более высокой дозы излучения. Такие тонкие срезы непрактичны при исследовании больших анатомических областей. Число срезов может оказаться весьма большим, что повлечет увеличение получаемой пациентом общей дозы облучения. С увеличением количества срезов возрастает также и продолжительность обследования. Таким образом, толщина среза – это компромисс между требованиями высокого пространственного разрешения, низкой дозы облучения и малой продолжительности обследования.
Недавно появившаяся новая концепция сканирования, названная спиральной КТ, значительно увеличила эффективность в плане скорости исследования выбранной анатомической области. В процессе исследования стол постоянно и линейно движется через первичный веерообразный луч с одновременным постоянным вращением трубки и массива детекторов. Результатом является спиралевидное движение веерообразного луча через тело пациента. Большая анатомическая область может быть просканирована за один период задержки дыхания пациентом. Обеспечивая получение тонких соприкасающихся «срезов» (плотно расположенных по спирали), спиральная КТ может обеспечить создание высококачественных трехмерных реконструкций. В комбинации с внутривенным болюсным контрастированием и субтракционной обработкой данных, можно реконструировать КТ-ангиограммы, воспроизводящие проекционные трехмерные изображения сосудистого русла.

Контрастные средства для КТ

Контрастность при КТ обусловлена различиями в ослаблении. Несмотря на более высокую чувствительность КТ при определении различий в ослаблении, эти различия зачастую слишком малы для использования в диагностических целях. При подавляющем большинстве КТ-обследований для усиления различий в плотности вводятся разнообразные контрастные средства.

Кино-КТ
Даже спиральные КТ слишком медленны для получения детального изображения сердечных структур. Существует, однако, особый вид Кт, обеспечивающий время экспозиции в 50 мс и сканирование со скоростью 17 изображений в секунду. Эта скорость достаточна для исследований движущегося сердца: четко очерченные изображения могут быть получены без использования синхронизации с ЭКГ. Такое сканирование называют кино-КТ, сверхбыстрой КТ, миллисекундной КТ. Источник рентгеновского излучения – большая электронная пушка с несколькими массивными параллельными анодными мишенями, расположенными в полупроводниковых кольцах вокруг пациента. Интенсивный электронный луч направляется вдоль вольфрамовых анодных колец. Созданный таким образом электронный луч в виде веера проходит через тело пациента и принимается фиксированным массивным детектором. «Трубка» и детекторы при этом остаются неподвижными.
Оборудование для кино-КТ дороже, чем для обычных КТ-систем. На настоящий момент оно не нашло широкого применения. Конкуренция со стороны спиральной КТ и МР-томографии, возможно, ограничит его использование в будущем. Малое время исследования приводит к устранению артефактов от движения пациента, что позволяет избежать использование наркоза и седации, необходимых при большинстве педиатрических КТ-обследований.

Заключение

Изобретение рентгеновской томографии с обработкой получаемой информации на ЭВМ произвело переворот в области получения изображения в медицине. Рентгеновская компьютерная томография является одним из самых эффективных методов современной диагностики.
Развитие радиологии привело не только к совершенствованию техники, но и к бурному развитию различных направлений в рентгенологии, а также методик исследования различных органов и систем. Стали зарождаться отрасли диагностики практически для кажлого раздела медицины: рентгеноостеология, рентгенокардио- и ангиология, рентгенопульмонология, рентгеногастроэнтерология, рентгеногепатология, нейрорентгенология, рентгеноурология и рентгенонефрология, акушерско-гинекологическая рентгенология, рентгеномаммология. Интересным является тот факт, что их зарождение происходило в первые 10-20 лет со дня открытия рентгеновских лучей в различных странах мира, а развитие, естественно, продолжается и сегодня. Невозможно было предвидеть поразительную быстроту вхождения научно-технического прогресса в классическую рентгенодиагностику, но именно новые цифровые технологии позволили в десятки снизить дозу облучения и во столько же раз повысить информативность изображения, улучшить его качество, расширить область применения и снизить стоимость процедуры. XXI век - период рентгенологии.

Список использованной литературы:
1. Саратников А.М., Бутусов П.Н. Ядерная физика в медицине. – М.: Наука, 2004.
2. Володин А.С. Компьютерная томография. – М.: Медицина, 2002.
3. Павлов И.В., Бердинских В.Г. Томография. – Ростов-н/Д.: Феникс, 2005.
4. Акимов П.Н. Компьютерный томограф. – СПб.: Невский проспект, 2006.  

 

Комментарии