Компьютерная томография КТ томография рентгеновская

История

Всё началось с открытия рентгеновского излучения Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном (Рентген) в 1985 г (в 1901 году получил Нобелевскую премию по физике). Иногда называют икс-излучение от англ. X-ray.

В 1897 г. Вильям Мортон первым сделал рентгеновский снимок всего тела.

В 1916 г. Кэрол Майер получила изображения, используя двигающуюся плёнку при стационарном источнике.

В 1963 г. Аллан МакЛеод Кормак решил задачу томографического восстановления (до этого другим способом её решил И. Родон).

В 1969 г. Годфри Ньюболд Хаунсфилд сконструировал первый томограф «ЭМИ-сканер» (EMI-scanner). В 1979 году «за разработку компьютерной томографии» Кормак и Хаунсфилд были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

В 1971 г. неврологи Джэймс Амброс и Луис Крэл провели клинические испытания прототипа сканера для головы EMI Mark I scanner.

В 1973 г. первый коммерческий сканер EMI CT 1000 был выпущен на рынок.

В 1976 г. был разработан первый сканер с веерообразным лучом.

В 1989 г. был изобретён первый спиральный (spiral or helical) сканер, в котором гентри вращалось без остановки.

obchon_r8.3.jpg

С 1989 по 2004 гг были изобретены многосрезовый спиральный сканер.

Современные томографы чаще всего делают 64 среза. Но новейшие сканеры способны создавать 320 слоёв за 200 милисекунд.

Основные принципы

Компьютерный томограф основан на использовании рентгеновских лучей и позволяет получить посрезовое изображение объекта. Основные компоненты томографа это источник излучения и приёмник, между которыми помещается объект исследования.

Все методики визуализации с использованием рентгеновских лучей используют проекционные технологии (излучение проецируется на пленку после прохождения через массив тканей) и основываются на факте, что разные ткани ослабляют рентгеновские лучи в различной степени.

При традиционной томографии рентгеновская трубка и кассета с рентгеновской пленкой во время исследования перемещаются вместе таким образом, что проекция всех точек в интересующей плоскости остаются на пленке неподвижными.

Рис. 8.3. Принципы получения изображения при традиционной томографии (объяснения в тексте).

Таким образом, традиционная томография может улучшить воспроизведение, но из-за уменьшения контрастного разрешения содержит «размытую» информацию от накладывающихся структур.

При РКТ воздействию рентгеновским лучам подвергаются только тонкие срезы ткани. Отсутствует мешающее наложение или размывание структур, расположенных вне выбранных срезов, то есть задача выделения слоя решается несравненно более эффективно, чем при обычной томографии.

Последняя, однако, имеет и преимущества перед РКТ: обычные томограммы можно выполнять в сагитальной, фронтальной и промежуточных плоскостях, что недостижимо при стандартной рентгеновской компьютерной томографии.

В большинстве томографов используется сканирующий модуль (гентри), включающий базовую систему: рентгеновская трубка-детектор, вращательный двигатель и коллиматор. Трубка испускает узкий (колпимированный) пучок рентгеновских лучей, перпендикулярный длинной оси тела и охватывающий весь его диаметр, чем обеспечивается изображение в аксиальной (поперечной) плоскости, недоступной в рентгенодиагностике (рис 8.4).

Рис. 8.4. Принципы получения изображения при компьютерной томографии [Шотемор, 2001]. Показано четыре положения рентгеновской трубки (РТ) в процессе ее вращения вокруг исследуемого объекта (затенен). Из каждого положения можно получить новую проекцию аксиального слоя тела.

На основе сотен таких проекций компьютер воссоздает изображение слоя. Выделение слоя достигается узким коллимированием (ограничением) пучка рентгеновского излучения.Регулировкой коллимации можно менять ширину лучей (от 1 до 10 мм) и, соответственно, варьировать и толщину исследуемого среза ткани.

Пропускаемый через пациента пучок рентгеновских лучей фиксируется не пленкой, а системой специальных детекторов в нескольких проекциях плоскости среза РКТ-детекторы примерно в 100 раз чувствительнее рентгеновской пленки при определении различий в интенсивности излучения.

В качестве детекторов используются либо кристаллы различных химических соединении (например, йодид натрия), либо полые камеры, наполненные сжатым ксеноном. Рентгеновские фотоны генерируют в детекторах электрические сигналы.

Предлагаем ознакомиться:  Какими симптомами сифилис проявляется у женщин и мужчин

Чем сильнее интенсивность достигшего детектора первичного луча, тем сильнее электрический сигнал. Последние вводятся в компьютер, где с помощью специальных программ реконструируется изображение данного слоя и результат сканирования выводится на монитор.

В течение относительно короткого периода существования метода РКТ в процессе технического совершенствования созданы разные типы томографов, которые принято называть «поколениями». Они различаются характеристиками источника рентгеновского излучения, числом, расположением и методикой взаимных перемещений сканера и детекторов.

Если томографы первого поколения содержали один источник и один детектор рентгеновского излучения, то в томографах пятого поколения обычно используется около 700 детекторов. Большое число детекторов (более 500) обеспечивает чрезвычайно быстрое получение информации, позволяя на некоторых моделях проводить исследования в реальном масштабе времени.

obchon_r8.4.jpg

Реконструкция изображения осуществляется компьютером на основании оценки интенсивности рентгеновского излучения, регистрируемого каждым детектором в процессе сканирования. При этом возможно судить о степени поглощения (ослабления) лучей тканями, через которые проходит рентгеновский пучок.

Поскольку биологические ткани в зависимости от плотности и атомной массы в разной степени поглощают излучение, для каждой из них в норме и патологии присваивается числовое значение: число ослабления, или КТ-число.

Рис. 8.5. Шкала единиц Хаунсфилда. Показано примерное расположение на шкале различных веществ (под «тканью» подразумеваются мягкие ткани с наименьшим содержанием жира и паренхиматозные органы). Контрольные точки -1000 HU — воздух, 0 HU — вода.

Единицу измерения КТ-ослабления называют единицей Хаунсфилда (HU). Томограф калибруется таким образом, чтобы значение ослабления воды равнялось 0, а воздуха — -1000 HU. Исходя из этого, для каждого органа выработан средний показатель HU.

Так, для костей он составляет от 200 до 1000 ед. HU, печени — от 40 до 75, почек — от 25 до 50, поджелудочной железы — от 10 до 50, селезенки — от 35 до 75, матки и предстательной железы — от 35 до 70, крови — от 25 до 60.

obchon_r8.5.jpg

Рентгеновская компьютерная томография позволяет дифференцировать отдельные органы и ткани по плотности в пределах до 0,2%. Минимальная величина патологического очага, определяемого с помощью РКТ, составляет 5-10 мм при условии, что КТ-число пораженной ткани отличается от такового здоровой на 10-15 ед. HU.

Необходимо отметить, однако, что точность измерений сильно страдает от несоответствий, вызываемых артефактами Поэтому для дифференциально-диагностических целей единицы HU следует использовать с осторожностью.

Хотя КТ-томограммы имеют значительно более высокое разрешение по контрастности по сравнению с традиционной рентгенографией, их пространственное разрешение ниже

Обычно толщина среза составляет 5-10 мм, но может равняться и 1 мм. Тонкие срезы хороши по пространственному разрешению, но для сохранения качества изображения они требуют более высокой дозы излучения.

Такие тонкие срезы непрактичны при исследовании больших анатомических областей, поскольку число срезов будет 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 дозой облучения и малой продолжительностью обследования.

Для повышения разрешающей способности компьютерной томографии (КТ) предложена методика «усиления» изображения. Она основана на внутривенном введении рентгеноконтрастных препаратов, в результате чего увеличивается денситометрическая разность между здоровой тканью и патологическим образованием вследствие их разного кровоснабжения.

Методика усиления широко используется в дифференциальной диагностике доброкачественных и злокачественных опухолей, для выявления опухоли и метастазов в печени, гемангиом, патологических образований головного мозга, средостения и малого таза.

Спиральная КТ — это недавно появившаяся новая концепция сканирования. Она значительно увеличила эффективность диагностики в плане скорости и качества исследования выбранной анатомической области. В процессе спиральной КТ стол постоянно линейно движется через первичный веерообразный луч с одновременным постоянным вращением трубки и массива детекторов.

Результатом является спиралевидное движение веерообразного луча через тело пациента Поэтому больший объем тканей (анатомическая область) может быть просканирована за один период задержки дыхания пациентом.

Предлагаем ознакомиться:  Какие таблетки от герпеса самые эффективные

В комбинации с внутривенным болюсным контрастированием можно реконструировать КТ-ангиограммы, воспроизводящие проекционные трехмерные изображения сосудистого русла, выполнять исследования больших анатомических зон в различные фазы прохождения контраста.

Электронно-лучевая томография — разновидность КТ с очень малым временем получения изображения одного среза, что дает возможность одновременно получать динамические изображения нескольких параллельных срезов без артефактов от дыхания, сокращений сердца и пульсации сосудов.

Это дает возможность изучать быстро протекающие процессы (например, перфузия сердца, головного мозга и др.). Метод идеально подходит для выполнения КТ-ангиографии.

В заключение необходимо указать, что на компьютерных томографах последних поколений при исследовании всего тела при максимальном количестве срезов, включая получение сагиттального изображения, суммарная поглощенная доза составляет 0,07 Гр.

Реконструкция и преобразование Радона (filtered back projection)

Рентгеновский луч, проходя сквозь объект, поглощается тканями с различной интенсивностью (в зависимости от плотности ткани). Суммарное поглощение луча, прошедшего сквозь объект равно сумме поглощений в каждой точки на пути луча и обычно измеряется по шкале Хаунсфилда (за ноль принимается степень поглощения излучения дистиллированной водой).

Сканируя объект с разных сторон можно затем найти значение коэффициента поглощения в каждой точки объекта с помощью обратного преобразования Радона (по имени австрийского математика). В английской литературе в контексте компьютерное томографии преобразование Радона называется filtered back projection.

Преобразование Радона это интегральное преобразование функции. Оно имеет простой геометрический смысл — это интеграл от функции вдоль заданной прямой.

Таким образом, сканирование объекта с разных сторон это получение значения интеграла функции, которая задаёт распределение коэффициента поглощения вдоль заданной линии (рентгеновского луча). Чтобы получить значение коэффициента поглощения (что практически эквивалентно плотности) в каждой точке сканируемого объекта необходимо воспользоваться обратным преобразованием Радона.

Реконструированное КТ изображение представляет собой трёхмерный объём, состоящий из дискретного набора вокселей (трёхмерный аналог пикселей). Исходными данными для процедуры реконструкции является набор проекций объекта, сделанный под разными углами.

Для получения реконструированного изображения каждому вокселю присваивается значение, равное сумме интегралов коэффициентов поглощения вдоль всех линий множетсва полученных проекций, проходящих через этот воксель.

После обратного преобразование с помощью программного обеспечения изображение также подвергается фильтрации для улучшения его качества.

После этого реконструированный трёхмерный объём можно посрезово проецировать на плоскость для визуализации на мониторе или печати на плёнке или бумаге. Срезы могут быть сделаны в любом направлении, но чаще всего используют сагиттальный (sagittal), фронтальный и аксиальный срезы

Проекция максимальной интенсивности

Метод реконструкции трёхмерного объёма и проекции на плоскость для визуализации. Основная идея в том, чтобы на плоскость спроецировать зоны с максимальной интенсивностью, которые распределены между различными слайсами.

При таком проецировании хорошо просматривается структура костей, но теряется ощущение объёма. Поэтому используется несколько проекций максимальной интенсивности с разных сторон и затем просматривается в виде анимированного крутящегося объекта.

Поглощённая доза

Поскольку ионизирующее излучение, к которому относится и рентгеновское, является опасным для человека, необходимо учитывать и контролировать получаемую пациентом дозу облучения. Существует несколько способов измерения поглощённой дозы радиации.

Поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название — грэй (русское обозначение: Гр; международное: Gy).

Эффективная доза это сумма доз всех органов и тканей, с учётом их радиочувствительности. Эффективная поглощённая доза измеряется в зивертах (Зв) и учитывает различную чувствительность к излучению в зависимости от органа или ткани.

В среднем человек получает дозу 2-3 микро зиверта в год от естественных источников, как солнце и радиоактивные породы. Во время КТ человек получает 1-5 микро зиверта в зависимости от части тела и модели сканера. Например, для головы – 2, для живота – 5 микрозиверта.

Предлагаем ознакомиться:  Аюрведа грибок ногтей лечение

Эквивалентная доза (H), также измеряемая в зивертах, отражает биологический эффект облучения. Это поглощённая доза в органе или ткани, умноженная на коэффициент качества данного вида излучения, отражающий его способность повреждать ткани организма.

Керма, измеряемая в грэях – сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, освобождённых незаряженным ионизирующим излучением (таким как фотоны или нейтроны) в образце вещества, отнесённая к массе образца.

В КТ используется Индекс дозы компьютерной томографии (Computed Tomography Dose Index (CTDI)), который характеризует поглощённую дозу одиночного среза тела пациента, и произведение дозы на длину Dose Length Product (DLP), измеряется в Гр*см.

Компьютерная томографическая установка

Для установки компьютерного томографа необходима отдельная просторная комната, подготовленная специальным образом. Пол должен иметь антистатическое нескользкое покрытие. Стены должны содержать материал, поглощающий рентгеновское излучение.

Для радиолога (специалиста, проводящего томографию) должна быть предусмотрена отдельная комната, которая отделена специальным стеклом, содержащим свинец для поглощения ионизирующего рентгеновского излучения.

Аппарат состоит из кольцевидной части (гентри), содержащей в себе рентгеновскую трубку, детекторов излучения и кровати, которая движется внутри гентри. Излучатель вращается внутри гентри вокруг пациента и генерирует очень тонкий веерообразный пучок рентгеновских лучей.

Перед началом процедуры пациент укладывается на кровать и позиционируется с помощью лазерных красных лучей таким образом, чтобы нужная область тела (орган) находился в области видимости томографа. Затем начинается процесс получения данных.

Когда получение данных закончено, программное обеспечение реконструирует изображения срезов (слайсов) исследуемого объёма тела. ПО позволяет просматривать различные срезы: сагиттальный (sagittal) (разрез, идущий в плоскости двусторонней симметрии тела), фронтальный, или коронарный (coronal) (разрез, идущий вдоль передне-задней оси тела перпендикулярно сагиттальному), аксиальный (axial or transverse) (разрез, идущий в поперечной плоскости тела).

Эволюция сканеров

Существует несколько вариантов разделения томографов на поколения. Ниже приводится один из них.

В первом поколении компьютерных томографов использовался параллельный пучок лучей, соответственно назывался он «система с параллельными лучами» (a parallel-beam system). Использовалась одна рентгеновская трубка, направленная на один детектор.

Второе поколение использовало веерообразный пучок лучей, отсюда название «система с веерообразными лучами» (a fan-beam system). Напротив рентгеновской трубки устанавливается несколько детекторов. Сканирование проходит быстрее, чем с первым поколением томографов за счёт того, что за один такт сканирования покрывается большая площадь тела пациента.

Третье поколение томографов появилось за счёт устранения горизонтального перемещения трубки и детекторов, его называют «непрерывно вращающийся сканер» (continuous rotation scanner).
Чётвёртое поколение ввело понятие спиральной компьютерной томографии (spiral computed tomography). Форма пучка лучей стала конической.

Пятое поколение имеет 1088 люминесцентных датчиков, расположенных по всему кольцу гентри. Вращается лишь рентгеновская трубка. Благодаря этому методу время вращения сократилось до 0,7 секунд. Но существенного отличия в качестве изображений с КТ аппаратами 3-го поколения не имеет.

Шкала Хаунсфилда

КТ позволяет измерять степень поглощения рентгеновских лучей в каждой точке объекта. Точка называется вокселем. Каждому вокселю ставится в соответствие чило по Шкале Хаунсфилда (денситометрические показатели – Hounsfield unit HU или КТ-число – CT numbers), которое показывает ослабление излучения по отношению к дистиллированной воде.

КТ сканеры способны получать изображения объектов с ослаблением от -1000 до 1000 HU. Имеются сканеры, которые позволяют получать изображения объектов до 4000 HU (очень твёрдый металл).

Диапазон значений по шкале Хаунсфилда, который томограф позволяет заснять, называется окном. При увеличении ширины окна контраст уменьшается, т.е. хорошо будет видно и кости и мягкую ткань, но мягкая ткань будет однородной.

Если уменьшить ширину окна, то, например, кости будут засвечены, а мягкие ткани станут контрастными. Середина окна устанавливается на значении, которое соответствует исследуемому органу в среднем. Т.о. можно сделать, чтобы хорошо контрастировались либо кости, либо мягкие ткани.

Ссылка на основную публикацию

Adblock detector