Компьютерная томография

Введение 

В 1895 г. научное сообщество было потрясено  первым медицински рентгеновским снимком. Эти посредственного качества рентгенограмм  позволяли увидеть ранее невидимые  для человеческого глаза структур, Первые рентгеновские снимки вызвали революционное развитие рентгенологии как важнейшего метода медицинской диагностики. Врачи, физики, биологи, химики объединились ради общей цели - возможности получав высококачественное прижизненное изображение органов и тканей человека для ранней диагностики различных заболеваний человека.

За последние  годы современная технология получения  медицински) изображений пошла значительно  дальше рутинного рентгеновского метода. Рассматриваемые в этой книге технические и методологические прин-ципы являются основой учения о формировании компьютерно-томографи-ческого (КТ) изображения при различных клинико-диагностических ситуациях. На этих принципах базируются все другие, дополнительные методики визуализации в компьютерной томографии, являясь их производными.

Известно, что чем больше мы познаем, тем больше осознаем, как много непознанного еще остается. Не существует простого решения проблемы получения качественных медицинских изображений. Чем глубже становится на ше представление о физическо-математических принципах, лежащих в основе формирования КТ-изображения, тем полнее осознание практической невозможности создания «идеального» изображения при различных состояниях пациента. Сама аппаратно-техническая сущность оборудования и материалов, используемых для визуализации, требует компромиссного методологического подхода для получения КТ-изображения. Имеющийся в наличии аппаратно-технический ассортимент следует рассматривать как некое «меню» возможностей, из которого следует выбирать наиболее подход? дие технические и материальные средства решения конкретной задачи.

Совмещая  в повседневной практике деятельность врача и специалиста в области  КТ-визуализации, мы должны так использовать все имеющиеся современные технические  возможности, чтобы обеспечить получение  оптимально информативного диагностического изображения при минимальных времени обследования и лучевой нагрузке на пациента. Поэтому всюду где это возможно, важнейшие положения текста сопровождаются соответствующими рисунками, схемами и таблицами.

Целью данной книги является стремление дать специалисту по визуализации знания, помогающие принимать квалифицированные решения, которые обеспечат высокоинформативное КТ-изображение при минимальном облучении пациента.

Эта книга  написана, исходя из практических и  образовательных потребностей врачей, рентгенолаборантов, студентов медицинских институтов и медико-технических факультетов, а также других работников здравоохранения. 

Технологические основы рентгеновской  компьютерной томографии 

Диагностика заболеваний внутренних органов  всегда представляла большой интерес для врача. Длительное время для постановки диагноза основой были рентгеновские снимки, дополненные по показаниям продольной томографией и рентгеноскопией. С момента начала применения рентгеновских лучей в диагностическом процессе прошло более 100 лет. За этот период в классической рентгенологии был накоплен колоссальный опыт их применения. Однако недостаточно высокие для современных требований точность, чувствительность и специфичность общерентгенологического метода (связанные как с самой рентгеновской пленкой, так и способом получения изображения) оставались серьезным препятствием для ранней диагностики заболеваний органов

и систем человека.

Научно-технический  прогресс способствовал появлению  принципиально новых методов лучевой диагностике, таких, как компьютерная томография (КТ), сонография, сцинтиграфия, ангиография, магнитно-резонансная томография с возможностью спектроскопии. Из этих направлений наиболее революционным достижением в развитии рентгенологии стало появление нового быстроразвивающегося метода - получение изображения органов и тканей по данным измерения степени поглощения рентгеновского излучения объектом исследования, получившего название рентгеновская компьютерная томография (РКТ).

Впервые методику определения рентгенологической плотности объектов с использованием движущейся рентгеновской трубки предложил нейрорентгенолог W. Oldendorf (1961). Математические принципы реконструкции изображения были разработаны Frank (1918) и Cormarck П969). Первые томографические изображения головного мозга были получены инженером английской фирмы электромузыкальных инструментов (EMI) G. Hounsfield, который создал первый прототип рентгеновского компьютерного томографа. Результаты первых экспериментов исследовании структур головы были настолько оптимистичны, что в августе 1970 г. он приступил к работе по изготовлению прототипа аппарата для клинического применения. В 1971 г. была создана установка сканирования, получившая название EMI-Scaner. Эта установка представляла сложную механико-электрическую рентгеновскую систему, основанную на принципе линейно вращательного движения блока «рентгеновская трубка - детектор полученного излучения» вокруг стола с пациентом. С пульта управления EMI-Scaner цифровые данные исследования направлялись в специализированный вычислительный центр в котором в течение 6 ч производилась обработка информации. Тогда же, в 1971 г., EMI-Scaner был установлен в английском госпитале «Аткин сон Морли», где 4 октября было выполнено первое в мире КТ-исследо вание головного мозга человека в условиях медицинского учреждения И уже весной 1972 г. были опубликованы первые результаты клинического применения компьютерной томографии для диагностики заболеваний головного мозга.

Главной заслугой G. Hounsfield можно считать внедрение экспериментальной компьютерной томографии в клиническую практику.

Развитие  электронно-вычислительной техники  позволило в 1973 отказаться от отдельно стоящего сложного вычислительного  комплекса и оснастить EMI-Scaner встроенным специализированным процессором (аппарат II поколения), что не только сократило время обследования пациента, но и позволило создать модель компьютерного томографа для обследования органов и тканей всего тела. Время сбора данных с последующим преобразованием их в КТ-изображение составляло 4,5 мин на один КТ-срез. Эта система стала базовой для последующих поколений компьютерных томографов.

На рис. 1 схематически показан принцип действия аппарата III поколения, основанный на вращении жестко связанной между собой системы «рентгеновская трубка - система детекторов» вокруг поступательно двигающегося стола с пациентом.

Преимущества  компьютерной томографии в сравнении  с рентгенографией:

1. КТ-изображение  непосредственно не связано с  принятым излучением, являясь результатом измерений показателей ослабления излучения только выбранного слоя.

2. Картина  среза органа не имеет теней,  содержащихся в других слоях.

3. Результаты  представляются в цифровой форме  в виде распределения коэффициентов ослабления излучения.

4)Исследование тканей, незначительно различающихся между собой по поглощающей способности.

Присуждение Нобелевской премии по медицине (1979) G. Hounsfield и A. Cormarck за внедрение КТ в практику стало высшим признанием значения метода. Изображение, получаемое при КТ, значительно отличается от привычного рентгеновского снимка. Основное достоинство этого метода исследования в том, что КТ-изображение является результатом измерений показателей ослабления излучения коллимированного рентгеновского пучка, а картина среза не содержит суммационных теней. КТ позволяет различать ткани, отличающиеся между собой по способности поглощать рентгеновское излучение (по коэффициенту абсорбции) и дифференцировать различные анатомические структуры (органы и ткани).

Несмотря  на успехи современной лучевой диагностики, задачи раннего выявления заболеваний и оценки эффективности проводимых лечебных мероприятий в настоящее время полностью не решены. 

Устройство  рентгеновского компьютерного  томографа 

1. Штатив (гентри), в который вмонтированы рентгеновская трубка, коллиматор, система детекторов, система сбора и передачи информации на персональный компьютер. В штативе имеется отверстие, внутри которого перемещается стол с пациентом. Сканирование производится перпендикулярно (либо под углом) к продольной оси тела.

2. Стол, оборудованный транспортером для  перемещения пациента.

3. Консоли  управления установкой.

4. Персональный  компьютер для обработки и  хранения информации,

представляющий  собой единый комплекс с консолью управления и штативом.

Принцип работы рентгеновского компьютерного томографа 

В основе работы рентгеновского компьютерного  томографа лежит просвечивание  тонким рентгеновским лучом объекта  исследования с последующими регистрацией не поглощенной части прошедшего через этот объект излучения и выявлением распределения коэффициентов поглощения излучения в структурах полученного слоя. Пространственное распределение этих коэффициентов преобразуется компьютером в изображение на экране дисплея, доступное для визуального и количественного анализа.

В процессе развития компьютерной томографии было создано несколько поколений  компьютерных томографов.

В томографах I поколения (упомянутый выше EMI-Scaner, впервые установленный в 1971 г. в английском госпитале «Аткинсон Морли») основу системы сканирования исследуемого объекта составляли рентгеновская трубка (как источник излучения) и один детектор, расположенные друг напротив друга. Блок рентгеновская трубка - детектор совершал только поступательное движение в плоскости среза.

В томографах II поколения использован аналогичный принцип сканирования. Модификацией были увеличение количества детекторов (до 100) и более широкий спектр ракурсов просвечивания, что позволило сократить время сканирования.

Аппараты  III поколения стали дальнейшим развитием системы сканирования. В этих моделях был применен вращательный тип движения сканирующей системы (см. рис. 1) с большим количеством детекторов. Томографы III поколения позволили сканировать все тело пациента и получили широкое распространение. (Они до настоящего времен i используются во многих медицинских учреждениях). Однако имеются 2 обстоятельства технического свойства, на которые следует обратить внимание. Прежде всего, необходимо отметить основной недостаток аппаратов III поколения: жесткое крепление системы рентгеновская трубка - блок детекторов, которое при сбое работы одного из детекторов (или в измерительном канале) проявляется на изображении в виде кольцевого артефакта, вызывая проблемы последующей визуализации объекта исследования. Все это послужило основанием для создана следующего - IV поколения компьютерных томографов.

В компьютерных томографах IV поколения используется принципиально новый вид технического решения системы рентгеновская трубка - детекторы. В этом случае детекторы неподвижно размещены по всей внутренней поверхности кольца, внутри которого вращается источник излучения. При этом количество детекторов составляет 4 тыс., а на некоторых моделях и 4,8 тыс. (фирма Picker, США), что позволяет добиться разрешения 22 пар линий/см. При этом при спиральном сканировании (об этом режиме речь пойдет далее. - Прим. авт.) на оборудовании этого производителя разрешающая способность аппаратов остается неизменной.

Большое количество детекторов позволяет обеспечить максимально плотное их размещение (минимизируя попадание излучения в промежутки между детекторами), что повышает эффективность использования источника излучения и снижает лучевую нагрузку на пациента. В аппаратах IV поколения цикл сканирования соответствует обороту рентгеновской _Трубки (360°) с экспонированием от 1,0 до 0,25°, в результате чего собираются данные от 360 до 1440 проекционных профилей соответственно.

В V поколении компьютерных томографов источником электронов является электронная пушка. Поток электронов попадает на тормозные пластины, образуя рентгеновское излучение. Для визуализации изображения требуется 5 мл/с с последующей трехмерной реконструкцией. Апертура компьютерного томографа V поколения более 1 м, что позволяет укладывать пациента самым разным образом. Следует отметить, что во всем мире используется около 100 томографов V поколения -из-за высокой стоимости и сложности технического обслуживания широкого применения они не получили.

В настоящее  время имеются два варианта КТ-сканирования - аксиальное и спиральное. На аппаратах II поколения возможно только аксиальное сканирование. Применение КТ-аппаратов последующих поколений позволяет использовать как аксиальное, так и спиральное сканирование. Различия между этими видами обработки информации заключаются в следующем.

При аксиальном сканировании получается такой вид изображения, который ограничивает качество последующей реконструкции.

Спиральное  сканирование - новый этап в развитии КТ. В этом случае продуцируется один непрерывный массив информации, что дает новые возможности для последующей реконструкции изображения. (С каждого витка спирали можно получить множественные срезы. При этом параметры обработки данных можно выбрать до и после получения информации). Спиральное сканирование в отличие от аксиального осуществляется при непрерывном движении стола через поле сканирования, которое образует постоянно вращающаяся рентгеновская трубка.