Компьютерная томография
| Загрузить архив: | |
| Файл: hai-0050.zip (178kb [zip], Скачиваний: 88) скачать |
ВВЕДЕНИЕ
Древняя латинская поговорка гласит: "Diagnosis cetra - ullaetherapiae fundamentum"("Достоверныйдиагноз - основа любого лечения"). На протяжении многих веков усилия врачей были направленынарешение труднейшей задачи - улучшение распознавания заболеваний человека.
Потребность в методе, который позволил бы заглянуть внутрь чело-веческого тела,не повреждаяего,была огромной,хотя и не всегда осознанной. Ведь все сведения,касающиеся нормальной и патологической анатомии человека,были основаны только на изучении трупов. После того, как в Европе стали широко изучаться вскрытия трупов,врачи смогли изучить строение органов человека, а также изменения, которые они претерпевают при тех или иных заболеваниях.
Какую огромную пользупринес бы непосредственный осмотр челове-ческого организма,если бы он сталвдруг "прозрачным"!И врядли кто-нибудь изученых прошлого мог предположить,что эта мечта вполне осуществима.
Потребность увидеть не оболочку, а структуру организма живого человека, его анатомию и физиологию была столь насущной,что, когда чудесные лучи,позволявшие осуществитьэто на практике,были наконец открыты, обычно консервативные и часто недоверчивые к новшествам врачи почти сразу поняли, что в медицине наступила новая эра.
Уже в первые дни и недели после того,как стало известноо существовании и свойствах этих лучей, врачи различных стран начали применять их для исследования важнейших органовисистем человеческого тела. В течениепервогоже года появились сотни научных сообщений в печати, посвященных результатам таких исследований.
Количество сообщений впоследующие годы нарастало.Выяснялись все новые возможностирентгенологическогометода. Появилисьпервые книги, посвященные этому методу. Вскоре эта литература стала необозримой.
В 1946 г. известный советский клиницист и организатор здравоохранения Н.Н.Приоров на заседании,посвященном 50-летиюрентгенологии, говорил: "Что стало бы сегодня с физиатрией и урологией,гинекологией и отоларингологией,неврологией и онкологией, хирургией и ортопедией, офтальмологией итравматологией,если былишить их того,что дала рентгенология в области диагностики и лечения?"
Но процесснауки и техники неудержим.Не успели врачи полностью освоить возможности рентгеновских лучей в диагностике,как появились другие методы, позволяющие получить изображение внутренних органов человека, дополняющие данные рентгенологического исследования. К ним относятся радионуклеидное и ультразвуковое исследования,тепловидение, ядерно-магнитный резонанс, фотонная эмиссия и некоторые другие методы, еще не получившие широкого распространения.
Эти способы основаны на использовании близкихпо своейприроде волновых колебаний, для проникновения которых ткани человеческого тела не являются непреодолимым препятствием.Они объединяются и тем, что в результате взаимодействияволновых колебаний с органами и тканями ор-ганизма на различных приемниках - экране,пленке, бумаге и др. - возникают их изображения, расшифровка которых позволяет судить о состоянии различных анатомических образований.
Такими образом, все указанные методы принципиально близки рентгенодиагностике как по своей природе, так и по характеру конечного результата их применения.
Внедрение в практику этих методов (наряду с рентгенологией)привело к возникновению новой обширной медицинской дисциплины, получившей за рубежом название диагностической радиологии (от латинского radius - луч), а у нас - лучевой диагностики.
Возможности этой дисциплины в распознавании заболеванийчеловека весьма велики.Ей доступны практически все органы и системы человека, все анатомические образования, размеры которых выше микроскопических.
В отличие от классических медицинских методик (пальпации, перкуссии, аускультации) основным анализатором информации, получаемой способами лучевой диагностики,является орган зрения,при помощи которого мы получаем около 90%сведений об окружающем мире,и притом наиболее достоверных. Когдаширокая сеть медицинских учреждений будет оснащена высококачественной аппаратурой, позволяющей использовать все возможности лучевой диагностики, а врачи, работающие в этих учреждениях, будут обучены обращению с этой сложной аппаратурой и, главное, полноценной расшифровкеполучаемых с ее помощью изображений,диагностика основных заболеваний человека станет более ранней и достоверной не только вкрупных научно-исследовательских и клинических центрах,но и на передовом крае нашего здравоохранения-вполиклиникахи районных больницах. Вэтих учреждениях работает основная масса врачей. Именно сюда обращается подавляющее большинство больных при возникновениикаких-либо тревожных симптомов. От уровня работы именно этих лечебно-диагностических учреждений в конечном итоге зависит ранняя и своевременная диагностика, а следовательно во многом и результаты лечения подавляющего большинства болезней. [ № 1, стр. 3-6]
РАЗВИТИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
Изобретение рентгеновской томографии с обработкой получаемойинформации наЭВМ произвело переворот в области получения изображения в медицине. Впервые сообщил о новом методе инженер G.Hounsfield(1972). Аппарат, изготовленныйи опробованныйгруппойинженеров английской фирмы "EMI",получил название ЭМИ-сканера.Его применяли толькодля исследования головного мозга.
G.Hounsfield в своем аппарате использовал кристаллический детектор с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ),однако источником была трубка, жестко связанная с детектором, которая делала сначала поступательное, а затем вращательное (1O) движение при постоянном включении рентгеновского излучения.Такое устройство томографа позволялополучить томограмму за 4-20 мин.
Рентгеновские томографы с подобным устройством (I поколение) применялись только для исследования головного мозга.Это объяснялось как большим временем исследования (визуализации только неподвижныхобъектов), так и малым диаметром зоны томографирования до (24 см).Однако получаемое изображение несло большое количестводополнительнойдиагностической информации, что послужило толчком не только к клиническому применению новой методики,но и к дальнейшему совершенствованию самой аппаратуры.
Вторым этапом в становлении нового метода исследования был выпуск к 1974г.компьютерных томографов,содержащих несколько детекторов. После поступательного движения, которое производилось быстрее, чем у аппаратовI поколения,трубкас детекторами делала поворот на 3-10o, что способствовало ускорению исследования,уменьшению лучевой нагрузки на пациента и улучшению качества изображения. Однако время получения одной томограммы (20-60 с) значительно ограничивалоприменение томографовII поколения для исследования всего тела ввиду неизбежных артефактов,появляющихся из-за произвольных и непроизвольных движений. Аксиальные компьютерные рентгеновские томографы данной генерации нашли широкое применение для исследования головного мозга в неврологических и нейрохирургических клиниках.
Получение качественного изображения среза тела человека налюбом уровне сталовозможным после разработки в 1976-1977 гг.компьютерных томографов III поколения. Принципиальное отличие их заключалось в том, что было исключенопоступательное движение системы трубка—детекторы, увеличены диаметр зоны исследования до 50-70 сми первичнаяматрица компьютера (фирмы "Дженерал Электрик","Пикер", "Сименс","Тошиба", "ЦЖР"). Это привело к тому,что одну томограмму стало возможным получить за3-5спри обороте системы трубка—детекторы на 360O. Качество изображения значительно улучшилось и стало возможным обследование внутренних органов.
С 1979 г. некоторые ведущие фирмы начали выпускать компьютерные томографы IVпоколения.Детекторы (1100-1200шт.) в этих аппаратах расположены по кольцу и не вращаются. Движетсятолькорентгеновская трубка, чтопозволяет уменьшить время получения томограммы до 1-1,5 с при повороте трубки на 360o.Это, а также сбор информации под разными угламиувеличиваетобъем получаемых сведений при уменьшении затрат времени на томограмму.
В 1986г.произошел качественный скачок в аппаратостроении для рентгеновской компьютерной томографии. Фирмой "Иматрон" выпущен компьютерный томограф V поколения,работающий в реальном масштабе времени. В 1988 г.компьютерный томограф "Иматрон" куплен фирмой "Пикер" (США) и теперь он называется "Фастрек".
Учитывая заинтересованность клиникв приобретениикомпьютерных томографов, с1986г. определилось направление по выпуску "дешевых" компактных систем для поликлиникинебольших больниц(М250,"Меди- тек"; 2000Т,"Шимадзу"; СТ МАХ,"Дженерал Электрик").Обладая некоторыми ограничениями, связанными с числом детекторов или временеми объемом собираемой информации, эти аппараты позволяют выполнять 75-95% (в зависимости от вида органа) исследований, доступных "большим" компьютерным томографам. [№ 2, стр. 8-10]
ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОМОГРАФИИ
 |
Принципы образования послойного изображения
При выполнении обычнойрентгенограммытри компонента - пленка, объект и рентгеновская трубка - остаются в покое. Томографический эффект можно получить при следующих комбинациях:
1. неподвижный объект и движущиеся источник (рентгеновская трубка) и приемник(рентгенографическаяпленка, селеновая пластина,кристаллический детектор и т.п.) излучения;
2. неподвижный источник излучения идвижущиесяобъект и приемникизлучения;
Рис.1 Принцип образования послойного изображения.
F0,F1,F2-нулевое,исходное и конечное положение фокуса рентгеновской трубки; j-1/2 угла поворота трубки; S-поверхность стола; Т-объект исследования; О-точка выделяемого слоя; О1, О2-точки, находящиеся выше и ниже выделяемого слоя; О`, О``-проекции точки О на пленке при исходном и конечном положениях фокусарентгеновскойтрубки; О1`, O1``-проекции точки О1 на пленке при тех же положениях фокуса трубки; О2`, О2``-проекции точки О2 при тех же положенияхфокуса трубки; О```-проекции всех точек на пленке при нулевом положении рентгеновской трубки.
3. неподвижныйприемник излучения и движущиеся объект и источник излучения. Наиболее распространены томографы с синхронным перемещением трубки и пленки в противоположных направлениях при неподвижном объектеисследования. Рентгеновский излучатель и кассето-держательс приемникомизлучения(рентгеновская пленка,селеновая пластина) соединяют жестко с помощью металлического рычага. Ось вращения рычага (перемещения трубки и пленки) находится над уровнем стола и ее можно произвольно перемещать.
Как показано на рис.1, при перемещении трубки из положенияF1 вположение F2,проекция точки О, которая соответствует оси вращения рычага, будет постоянно находиться в одном и том же месте пленки. Проекция точки О неподвижна относительно пленки и, следовательно, ее изображение будет четким. Проекции точек О1 и О2,находящиеся вневыделяемого слоя, сперемещением трубкии пленки меняют свое положение на пленке и, следовательно, их изображение будет нечетким, размазанным. Доказано, что геометрическим местом точек, проекции которых при движении системы неподвижны относительно пленки,являетсяплоскость, параллельнаяплоскости пленки и проходящая через ось окончания системы.На томограмме,таким образом, будут четкими изображения всех точек, находящихся в плоскости на уровне оси вращения системы, то есть в выделяемом томографическом слое.
На рисунке показано перемещение трубкии пленкипотраектории прямая-прямая, то есть по параллельным прямолинейным направляющим. Такие томографы,имеющие самую простую конструкцию, получили наибольшее распространение. В томографахс траекториями дуга-дуга,дуга-прямая геометрическим местом точек, проекции которых при движении системы неподвижны относительно пленки,является плоскость,параллельные плоскости пленки и проходящая через ось качания системы; выделяетсяслой также плоской формы. Из-за более сложной конструкции эти томографы получили меньшее распространение.
Описанные выше аппараты относятся к линейным томографам (с линейными траекториями), так как проекции траекторий движения системы трубка-пленка на выделяемую плоскость имеют вид прямой линии,а тени размазывания имеют прямолинейную форму.
За угол поворота (качания) трубки 2j в таких томографах принимают угол ее поворота из одного крайнего положенияв другое;перемещение трубки от нулевого положения равно j.
В томографах с нелинейным размазыванием перемещение системы трубка - пленка происходит по криволинейным траекториям - кругу,эллипсу, гипоциклоиде,спирали. Приэтом отношение расстояний фокус трубки - центр вращения и центр вращения - пленка сохраняется постоянным.Ив этих случаях доказано, что геометрическим местом точек, проекции которых при движении системынеподвижныотносительно пленки,является плоскость,параллельная плоскости пленки и проходящая через ось качания системы. Размазывание изображения точек объекта, лежащих вне выделяемойплоскости,происходит посоответствующим кривым траекториям движения системы. Размазываемые изображения повторяют на пленке траекторию перемещения фокуса рентгеновской трубки.
При симультанной (многослойной) томографии в один прием (одно перемещение трубкиипленки в противоположных направлениях) получают несколько томограмм благодаря расположению в одной кассете нескольких пленок,расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Проекция изображения первого слоя,находящегося на оси вращения системы(избранной высоте слоя), получается на верхней пленке. Геометрически доказано, что на последующих пленках получают свое изображение нижележащие параллельные коси движения системы слои,расстояния между которыми примерно равны расстояниям между пленками. Основным недостатком продольной томографии является то, что расплывчатые изображения выше-инижележащих плоскостей с нежелательной информацией уменьшаютестественнуюконтрастность.Вследствие этого восприятие в выделяемом слое тканей с невысокой контрастностью ухудшается.
Указанного недостатка лишена аксиальная компьютерная рентгеновская томография.Это объясняется тем, что строго коллимированный пучок рентгеновского излученияпроходит только через ту плоскость,которая интересует врача. При этом регистрация рассеянного излучения сведена к минимуму, что значительно улучшает визуализацию тканей,особенно мало контрастных. Снижение регистрации рассеянного излучения при компьютерной томографии осуществляется коллиматорами,один из которых расположен на выходе рентгеновского пучка из трубки,другой — передсборкой детекторов.
Известно, что при одинаковой энергии рентгеновского излучения материал сбольшейотносительной молекулярноймассой будет поглощать рентгеновское излучение в большей степени,чем вещество с меньшей относительной молекулярноймассой.Подобное ослабление рентгеновского пучка может быть легко зафиксировано. Однако на практике мы имеем дело с совершенно неоднороднымобъектом- телом человека.Поэтому часто случается, что детекторы фиксируют несколько рентгеновских пучков одинаковой интенсивности в то время, как они прошли через совершенно различные среды.Это наблюдается,например, при прохождении через однородный объектдостаточной протяженности и неоднородный объект с такой же суммарной плотностью.
При продольнойтомографии разницумеждуплотностью отдельных участков определить невозможно, поскольку "тени" участков накладываются друг на друга. С помощью компьютерной томографии решена и эта задача, так как при вращении рентгеновской трубки вокруг тела пациента детекторы регистрируют1,5 - 6 млн сигналов из различных точек (проекций) и, что особенно важно,каждая точка многократно проецируется наразличные окружающие точки.
При регистрации ослабленного рентгеновского излучениянакаждом детекторе возбуждается ток,соответствующий величине излучения, попадающего на детектор.В системе сбора данных ток от каждогодетектора (500-2400 шт.)преобразуется в цифровой сигнал и после усиления подается в ЭВМ для обработки и хранения.Только послеэтогоначинается собственно процесс восстановления изображения.
Восстановление изображения среза по сумме собранных проекцийявляется чрезвычайно сложным процессом, и конечный результат представляет собой некую матрицу с относительными числами, соответствующую уровню поглощения каждой точки в отдельности.
В компьютерных томографах применяются матрицы первичного изображения 256х256,320х320, 512х512 и 1024х1024 элементов. Качество изображения растет при увеличении числа детекторов,увеличении количества регистрируемых проекций за один оборот трубки и при увеличении первичной матрицы. Увеличение количества регистрируемых проекций ведет к повышению лучевой нагрузки,применение большей первичнойматрицы —к увеличению времени обработки среза или необходимости устанавливать дополнительные специальные процессоры видеоизображения. [№ 2, стр. 10-13]
ПОЛУЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАММЫ
Получение компьютерной томограммы (среза)головына выбранном уровне основывается на выполнении следующих операций:
4. формирование требуемой ширины рентгеновского луча (коллимирование);
5. сканирование головыпучкомрентгеновскогоизлучения, осуществляемогодвижением (вращательнымипоступательным)вокруг неподвижной головы пациента устройства "излучатель — детекторы";
6. измерение излучения и определениеего ослабления с последующим преобразованием результатов в цифровую форму;
7. машинный (компьютерный) синтез томограммы по совокупности данных измерения,относящихся к выбранному слою;
8. построение изображения исследуемого слоя на экране видеомонитора (дисплея).
В системах компьютерных томографов сканирование и получение изображения происходят следующим образом.Рентгеновская трубкав режиме излучения"обходит"голову по дуге 240O, останавливаясь через каждые 3O этой дуги и делая продольноеперемещение.На одной осисрентгеновским излучателем закреплены детекторы - кристаллы йодистого натрия, преобразующие ионизирующее излучение в световое. Последнее попадает на фотоэлектронные умножители, превращающие эту видимую часть в электрические сигналы. Электрические сигналы подвергаютсяусилению, азатем преобразованию в цифры, которые вводят в ЭВМ. Рентгеновский луч, пройдя через средупоглощения,ослабляется пропорционально плотности тканей, встречающихся на его пути, и несет информацию о степени его ослабления в каждом положении сканирования. Интенсивность излученияво всех проекциях сравнивается с величиной сигнала, поступающего с контрольного детектора, регистрирующегоисходнуюэнергию излучения сразу же на выходе луча из рентгеновской трубки.
Следовательно, формирование показателейпоглощения (ослабления) для каждой точки исследуемого слоя происходит после вычисления отношения величины сигнала на выходе рентгеновскогоизлучателя кзначению его после прохождения объекта исследования (коэффициенты поглощения).
В ЭВМ выполняется математическая реконструкция коэффициентов поглощения и пространственное их распределение на квадратной многоклеточной матрице, а полученные изображения передаются для визуальной оценки на экран дисплея.
За одно сканирование получаютдва соприкасающихсямеждусобой среза толщиной 10 мм каждый. Картина среза восстанавливается на матрице размером 160х160.
Полученные коэффициенты поглощения выражают в относительных единицах шкалы, нижняя граница которой (-1000 ед.Н.) (ед.Н. — единицы Хаунсфильда или числакомпьютерной томографии) соответствует ослаблению рентгеновских лучей в воздухе,верхняя (+1000 ед.Н.) - ослаблению в костях, а за ноль принимается коэффициент поглощения воды. Различные ткани мозга и жидкие среды имеют разные по величине коэффициенты поглощения. Например коэффициент поглощения жира находится в пределах от-100 до 0 ед.Н.,спинно-мозговой жидкости - от 2 до 16 ед.Н., крови - от 28 до 62 ед.Н.Это обеспечиваетвозможностьполучать на компьютерных томограммахосновные структуры мозга и многие патологические процессы в них. Чувствительность системы в улавливании перепада рентгеновской плотностив обычном режиме исследования не превышает 5 ед.Н., что составляет 0,5%.
На экранедисплея высоким значениям плотности (например, кости) соответствует светлые участки, низким - темные.Градационная способность экрана составляет 15-16 полутоновых ступеней,различаемые человеческим глазом.На каждую ступень,таким образом,приходится около 130 ед.Н.
Для полной реализации высокой разрешающейспособности томографа по плотности в аппарате предусмотрены средства управления так называемой ширины окна и его уровня (положения), чтобы дать рентгенологу возможность анализировать изображение на различных участках шкалы коэффициентов поглощения.Ширина окна — это величина разности наибольшего и наименьшего коэффициентов поглощения, соответствующая указанному перепаду яркости.Положение или уровень окна (центр окна) — это величина коэффициентов ослабления, равная середине окна и выбираемая из условий наилучшего выявления плотностей интересующей группы структур илитканей. Важнейшей характеристикой является качество получаемого изображения.
Известно, что качество визуализации анатомических образований головного мозга и очагов поражения зависит в основном от двухфакторов: размера матрицы,на которой строится томограмма, и перепада показателей поглощения. Величина матрицы может оказывать существенное влияние на точность диагностики.Так, количество ошибочных диагнозов при анализе томограмм на матрице 80х80 клеток составляло 27%, а при работе на матрице 160х160 - уменьшилось до 11%.
Компьютерный томограф обладает двумя видамиразрешающей способности:пространственной и по перепаду плотности. первый тип определяется размером клетки матрицы (обычно - 1,5х1,5мм),второй равен5 ед.Н.(0,5%). Всоответствиис этими характеристиками теоретически можно различать элементы изображения размером 1,5х1,5 мм приперепаде плотности между ними не меньше 5 ед.Н. (1%) удается выявлять очаги величиной не менее 6х6 мм, а при разнице в 30 ед.Н. (3%) - детали размером 3х3 мм.Обычная рентгенография позволяет уловить минимальную разницу по плотности между соседними участками в 10-20%. Однако при очень значительном перепаде плотностей рядом расположенных структур возникают специфические для данного метода условия, снижающие его разрешающую способность, таккак при построении изображения в этих случаях происходит математическое усреднение и при этомочаги небольшихразмеров могут быть не обнаружены.Чаще это происходит при небольших зонах пониженной плотности, расположенных вблизи массивных костныхструктур (пирамиды височныхкостей)или костей свода черепа.Важным условием для обеспечения проведения компьютерной томографии являетсянеподвижное положение пациента,ибо движение во время исследования приводят к возникновению артефактов - наводок: полос темного цвета от образований с низким коэффициентом поглощения (воздух) и белых полос от структур с высоким КП (кость, металлические хирургические клипсы), что также снижает диагностические возможности. [№ 3, стр. 16-19]
УСИЛЕНИЕ КОНТРАСТНОСТИ
Для получения более четкого изображения патологическиизмененных участков в головном мозге применяют эффект усиления контрастности, которых достигается внутривенным введением рентгеноконтрастного вещества, Увеличение плотности изображения на компьютерной томограмме после внутривенного введения контрастного веществаобъясняетсявнутри- и внесосудистымикомпонентами. Внутрисосудистоеусилениенаходится в прямой зависимости от содержания йода в циркулирующей крови.При этом увеличение концентрации на 100 мг йода в 100 мл обусловливает величины абсорбции на 26 ед.Н. (ед.Н. - единицы Хаунсфильда или числакомпьютерной томографии). При компьютерно-томографических измерениях венозных проб после введения 60%контрастного вещества в дозе 1 млнакг массы тела,плотность потокаповышаетсяв среднем в течение 10 мин после инъекции,составляет 39,2 плюс-минус 9,8 ед.Н. Содержание контрастного веществав протекающейкрови изменяется в результате того, что относительно быстро начинается выделение его почками.Уже в течение первых 5 мин после болюсной инъекции концентрация вещества в крови в среднем снижается на 20%, в последующие 5 мин - на 13% и еще через 5 мин - на 5%.
Нормальное увеличение плотности мозга на компьютернойтомограмме после введенияконтрастноговещества связано с внутрисосудистой концентрацией йода.Можно получить изображение сосудов диаметром до1,5 мм, еслиуровень йода в крови составляет примерно 4 мг/мл и при условии, что сосуд расположен перпендикулярно к плоскости среза.Наблюдения привели к выводу,что контрастное вещество накапливается в опухолях. [№ 4, стр. 17-19]
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ :
1. Розенштраух Л.С.
Невидимое стало зримым (успехи и проблемы лучевой диагностики).—М.: Знание, 1987.- 64 с.
2. Томография грудной клетки / Помозгов А.И., Терновой С.К., Бабий Я.С., Лепихин Н.М. - К.:Здоровья,1992.- 288 с.
3. Компьютерная томография мозга. Верещагин Н.В., Брагина Л.К., Вавилов С.Б., Левина Г.Я.-М.:Медицина,1986.-256 с.
4. Коновалов А.Н., Корниенко В.Н.
Компьютерная томография в нейрохирургической клинике.—М.: Медицина,1988. - 346 с.
5. Физика визуализации изображенийв медицине:В2-х томах. Т.1:Пер. с англ./Под ред. С.Уэбба.-М.:Мир,1991.- 408 с.
6. Антонов А.О., Антонов О.С.,Лыткин С.А.//Мед.техника.-1995.- № 3 - с.3-6
7. Беликова Т.П.,Лапшин В.В.,Яшунская Н.И.//Мед.техника.-1995.- № 1-с.7