Рентгенология. Реферат Монахова А.А.. Алгоритмы реконструкции и обработки изображений
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
Эмиссионная компьютерная томография. Подобно РКТ, у радионуклидной визуализации есть своя томографическая технология. Применяются 2 основных томографических метода — ОФЭКТ и ПЭТ. ПЭТ и ОФЭКТ — методы медицинской визуализации, основанные на применении РФП и позволяющие в томографическом режиме изучать биохимические процессы на молекулярном уровне (ПЭТ) и перфузию тканей (ОФЭКТ). В настоящее время ПЭТ и ОФЭКТ применяются главным образом в трех областях медицины: кардиологии, неврологии, онкологии. ПЭТ-диагностика более эффективна в сочетании с анатомическими изображениями, которые создаются при помощи КТ. Современные ПЭТ-сканеры имеют интегрированные КТ-сканеры. Совмещение ПЭТ и КТ (или ПЭТ/КТ) позволяет получить изображения не только метаболических процессов, но и самих тканей, внутренних органов и участков скелета. Преимущество ПЭТ/КТ состоит в том, что одновременно проводятся 2 обследования. Ультразвуковое исследование. УЗИ широко используется для диагностики заболеваний различных органов и систем: сердечно-сосудистой, пищеварительной (печень, желчный пузырь, желчевыводящие протоки, поджелудочная железа, толстая кишка), мочеполовой (почки, надпочечники, мочевой пузырь, мошонка, матка, яичники, предстательная железа), поверхностно расположенных органов и тканей (молочные железы, лимфатические узлы различной локализации). Ультразвук — механическая продольная волна с частотой колебания частиц среды более 20 кГц, т. е. выше порога слышимости для человека. В ультразвуковой диагностике наиболее часто используются частоты в диапазоне 2–10 МГц. Ультразвук используется в лучевой диагностике для решения двух основных задач: формирования секционных изображений и измерения скорости тока крови. Методику ультразвуковой визуализации называют УЗИ, или ультрасонографией. Технологию измерения скорости потоков называют допплерографией, допплеровской сонографией, или допплеровской флуометрией. Ультразвук генерируется датчиком, помещенным на кожу пациента над обследуемой анатомической областью. Наиболее его важная часть — пьезоэлектрические кристаллы, расположенные на поверхности датчика. Эти кристаллы обладают двумя свойствами: подача электрического потенциала на кристалл приводит к его механической деформации (прямой пьезоэлектрический эффект), а механическое сжатие кристалла генерирует электрический потенциал (обратный пьезоэлектрический эффект). Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приемником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером, или датчиком. Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от ее плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс». Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом. Чем больше акустическое сопротивление, тем больше отражение ультразвука. Очень большое различие в акустическом сопротивлении существует на границе «мягкая ткань–газ», и почти весь ультразвук отражается от нее. Этим объясняется применение в качестве прослойки между кожей пациента и преобразователем геля для устранения воздуха, который может полностью задержать ультразвуковую волну. Поэтому ультрасонография не может отобразить скрытые кишечным газом области или заполненную воздухом легочную ткань. Существует также достаточно большое различие в акустическом сопротивлении между мягкой тканью и кортикальной костью. Большинство костных структур таким образом мешает проведению УЗИ. В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. В данном формате эхо с различной глубины отражается в виде вертикальных пиков на горизонтальной линии, отображающей глубину (или реальное время). Сила эха определяет высоту или амплитуду каждого из полученных пиков, отсюда и термин «амплитудный режим», или А-режим (от англ. amplitude). Этот метод крайне редко используется для диагностики. 23Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу. В настоящее время наиболее часто в клинической практике используется так называемый В-режим (от англ. brightness — яркость) (рис. 9).  Данный термин означает, что эхо изображается на экране в виде ярких точек, и яркость определяется силой эха. датчик объект изображение. Это привычное для нас плоскостное (секционное) изображение органов и тканей в режиме реального времени. Формирование изображения определяется тем, что различные ткани по-разному проводят УЗ-волны: некоторые ткани полностью отражают их, другие — рассеивают. Если УЗ-волна (рис. 9, стрелки) свободно проходит через ткань, не отражаясь от нее, на экране это место будет черным, «эхопрозрачным» (рис. 9, а). Если ткань умеренно поглощает УЗ-волны, а часть их отражает, то эта ткань «средней эхогенности», на экране она выглядит серой (рис. 9, б). Если же ткань полностью отражает УЗ-волны, то на экране визуализируется только граница такого объекта в виде линии «высокой эхогенности» белого цвета, более глубоко расположенные органы и ткани рассмотреть нельзя (рис. 9, в). Соответственно, ткани, отражающие УЗ-волны, называются эхоплотными, или эхогенными, а ткани, пропускающие — эхопрозрачными, или анэхогенными. Чем более светлым выглядит объект, тем выше его эхогенность. Современные ультразвуковые аппараты могут регистрировать 512 (и даже 1024) оттенков серого цвета, что позволяет получить очень реалистичное изображение органов. Жидкости (кровь, моча, ликвор, желчь и др.), а также хрящевая ткань пропускают УЗ-волны, почти их не искажая, поэтому на экране УЗ-сканера эти структуры выглядят практически черными или анэхогенными, гипоэхогенными. Получаемые изображения динамичны, на них можно наблюдать такие явления, как респираторные движения, пульсация сосудов, сердечные сокращения, движения плода, движения в суставе и др. Датчик подключается к ультразвуковому оборудованию гибким кабелем, что позволяет располагать его в любом положении и под любым углом. Основные термины, используемые при описании результатов исследования: – эхонегативная (анэхогенная, гипоэхогенная) структура — структура хорошо проводящая УЗ-волны, на экране монитора выглядит черной или темной (любая жидкость — кровь, моча, выпот, отек, а также хрящевая ткань); – эхопозитивная структура (эхогенная, гиперэхогенная) — структура, обладающая высоким акустическим сопротивлением, на экране монитора выглядит светлой или белой (конкремент); – акустическая тень — пространство позади гиперэхогенного объекта, в которое УЗ-лучи не проникают, и оценить содержимое которого невозможно, на экране имеет вид черной полосы (например, участок позади конкремента или область позади костной структуры). Современные аппараты для ультразвуковых исследований используют цифровые технологии. Генерируемый в датчике аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и создается цифровая матрица изображения, в основе которой лежит сила сигнала. Окончательно изображение получают на мониторе и сонограмме. Допплерография — ультразвуковой метод исследования, позволяющий характеризовать потоки крови в сосудах. В основе этой способности лежит эффект Доплера, согласно которому частота восприятия звука, издаваемого движущимся объектом, изменяется при ее восприятии неподвижным приемником. При допплеровском исследовании кровеносных сосудов через тело пропускается генерируемый допплеровским датчиком направленный ультразвуковой луч. При пересечении УЗ-лучом сосуда или сердечной камеры небольшая часть ультразвука отражается от эритроцитов. Частота волн эха, отраженного от этих клеток, движущихся в направлении датчика, будет выше, чем у волн, испускаемых им самим. Разница между частотой принятого эха и частотой генерируемого датчиком ультразвука называется допплеровским сдвигом. Данный частотный сдвиг прямо пропорционален скорости кровотока. При измерении потока частотный сдвиг непрерывно измеряется прибором. По сдвигу частот колебаний судят о скорости потока крови. Эти результаты могут быть выражены в виде количественных показателей скорости кровотока, в виде кривых и аудиально (сигналами). Двухмерная допплерография в масштабе реального времени позволяет изучить форму, контуры и просвет кровеносных сосудов, обнаружить сужение и тромбы, отдельные атеросклеротические бляшки, нарушение кровотока, состояние коллатерального кровообращения, сокращения сердца, направление кровотока в камерах сердца и др. Ограничения метода: 1. УЗ-волны не проникают через кость, следовательно, внутрикостные или прикрытые костями структуры эхографически визуализировать невозможно. 2. УЗ-волны не распространяются через газ, т. е. структуры, прикрытые газом или содержащие газ и воздух, недоступны для исследования. Магнитно-резонансная томография. МРТ — метод исследования пациента в условиях магнитного поля, который отражает распределение атомов водорода (протонов) в тканях. В организме водород встречается в основном в молекулах воды. Так как человек по весу более чем на две трети состоит из воды, этот сигнал является достаточно интенсивным для получения изображения. Вода может быть свободной или связанной с липидами, протеинами или другими биологическими макромолекулами и обмениваться между этими состояниями. От соотношения этих компонентов и их подвижности зависит амплитуда MP-сигнала, которая заметно отличается для различных тканей и этим обеспечивает высокую контрастность мягких тканей. МРТ — самый современный универсальный метод получения медицинских изображений. Его преимущества перед другими методами: – безвредность для организма в связи с отсутствием ионизирующего излучения; – возможность воспроизведения изображения в любой плоскости и под любым углом; – возможность реконструкции трехмерного изображения; – высокая контрастность при воспроизведении мягких тканей; – получение изображения с контрастом по количеству атомов водорода (протонная плотность), временам релаксации или коэффициенту диффузии; – селективное изображение сосудов (МР-ангиография); – количественное определение скорости и профиля течения крови; – изучение процессов метаболизма с помощью in vivo MP-спектроскопии (МРС). Мировой практический опыт показал, что в клинической практике для повседневной диагностической работы оптимальными являются MP-системы со средней напряженностью магнитного поля. Поля в пределах 0,2–0,5 Тл дают достаточно высокой интенсивности сигнал оптимальной контрастности, что позволяет решать большинство задач в реальной клинико-диагностической работе. Основная область применения МРТ в клинике — центральная нервная система (головной и спинной мозг). Изображения получают в сагиттальных, фронтальных и других срезах. При исследовании спинного мозга очень эффективным методом является быстрая МР-миелография с селективной визуализацией спинномозговой жидкости и спинного мозга. Для контрастного усиления изображения исследуемых органов используются диагностические парамагнитные среды, например, магневист (Schering) и др. В отличие от других диагностических сред магневист характеризуется хорошей переносимостью и используется при проведении МРТ всего тела, в том числе органов грудной клетки (легкие, средостение), брюшной полости (печень, селезенка, поджелудочная железа), тазовых органов (мочевой пузырь, репродуктивные органы), забрюшинного пространства (почки, надпочечники, лимфатические узлы), опорно-двигательного аппарата (суставы, мышцы) и др. Уникальная возможность МРТ — получение селективного изображения сосудов без введения контрастного вещества (МР-ангиография). Современные модели аппаратов для МРТ используются также при исследовании органов брюшной полости, органов дыхания и костно-суставного аппарата с четким изображением костной ткани, хрящей, связок, менисков и других анатомических структур. МРТ-аппараты открытого типа удобны для проведения исследований детей. Реконструкция накопленной в ПК информации позволяет воспроизводить трехмерные MP-изображения. Аппараты с более высокими магнитными полями (2, 3, 4 Тл) создают условия для быстрых и сверхбыстрых методов получения изображения за время менее секунды. Основными областями применения сверхбыстрых методов, таких как мгновенное градиентное эхо (Snapshot FLASH) и эхопланарная томография (EPI), являются динамическая и функциональная томография. Очень важным клиническим применением динамической томографии является МР-маммография. МРТ используется так же для неинвазивной (без введения контрастного вещества) визуализации функциональных особенностей состояния головного мозга. Перспективную область применения МРТ в медицине с магнитными полями высокой напряженности (2–4 Тл) представляет in vivo MPС, позволяющая изучать и измерять биохимические процессы в живом организме на молекулярном уровне. Новые возможности МРТ тесно связаны с быстрым прогрессом в области вычислительной техники и программного обеспечения. К проведению МРТ имеются следующие противопоказания: Абсолютные: – кардиостимуляторы; – ферромагнитные или электронные имплантаты; Относительные: – другие стимуляторы (инсулиновые насосы, нейростимуляторы); – не ферромагнитные или электронные имплантаты, протезы клапанов сердца; – кровоостанавливающие клипсы; – клаустрофобия. Аналоговая и цифровая рентгенография Все виды медицинской визуализации включают три этапа формирования изображения: 1. Образование пространственного изображения с наилучшими характеристиками. 2. Фиксация и воспроизведение пространственного изображения. При этом характеристики воспроизводящих устройств приходится оптимальным образом приспосабливать к клиническим требованиям. 3. Запись и архивация изображений. Изображение необходимо записывать в форме удобной для наблюдения, хранения и передачи на расстояния. Эволюция радиологии в течение двух последних десятилетий огромна, в значительной мере это связано с внедрением компьютерной томографии (КТ) и ультрасонографии (УС) в семидесятых и магнитно-резонансной томографии (МРТ) в восьмидесятых годах. Эти новые методики создают секционные изображения, т. е. двухмерные отображения срезов тканей. Однако большинство обследований, проводимых в радиологических отделениях по-прежнему базируется на традиционных проекционных изображениях. Используемые в проекционной рентгеновской визуализации технологии можно разделить на три основные группы: 1. прямые аналоговые технологии; 2. непрямые аналоговые технологии; 3. цифровые технологии. Стандартные рентгеновские системы осуществляют формирование и отображение информации аналоговым путем. Прямые аналоговые технологии. При данной технологии окончательное рентгеновское изображение создается непосредственно в среде-детекторе, т. е. без каких-либо усложняющих промежуточных шагов. В качестве среды может использоваться радиографическая пленка или флюоресцирующий экран. Как пленка, так и экран являются аналоговыми детекторами рентгеновских лучей, т. е. их реакция на постоянную и непрерывно увеличивающуюся дозу излучения также постоянна и непрерывна, в противоположность пошаговой, дискретной реакции. Рентгеновская пленка реагирует потемнением, флюоресцентный экран – испусканием видимого света (флюоресценция). Существует два основных направления прямой аналоговой технологии: а)прямая рентгенография; б) прямая флюороскопия. Прямая рентгенография. Фотографическая эмульсия пленки содержит мельчайшие кристаллы бромида серебра, каждое зерно имеет диаметр порядка 1мкм. Полноразмерная рентгенография обеспечивает получение статических изображений с наивысшим из всех возможных методик пространственным разрешением (среднее линейное разрешение составляет примерно 1мкм=0,001мм). Комбинации усиливающий экран-пленка соответствует характеристическая кривая, показывающая зависимость потемнения (плотности), фотографической эмульсии от экспозиции (рис.2). При радиографии изучаемые структуры должны находиться в средней, линейной части кривой. Здесь эффект усиления контрастности пленкой достигает максимума. Наклон линейной части кривой называется гаммой, и комбинации экран-пленка с большими значениями гаммы дают высококонтрастные изображения. Такие параметры как чувствительность, пространственное разрешение и шум в значительной мере определяются усиливающими экранами. Прямая рентгеноскопия Традиционная рентгеноскопия (или просвечивание) использовалась для изучения динамических процессов до середины шестидесятых годов. С тех пор традиционную рентгеноскопию сменила непрямая рентгеноскопия, использующая усилители изображения и телевизионную технику. Непрямые аналоговые технологии. В современной рентгеноскопии первичная проекция изображения создается на флюоресцентном экране, в целом также, как это делается при прямых технологиях. Однако изображение на экране не наблюдается непосредственно. Экран – это часть усилителя рентгеновских изображений (УРИ), увеличивающего яркость (свечение) первичного изображения примерно в 5 000 раз. В состав УРИ входит рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП) и замкнутая телевизионная система (рис.8-1). РЭОП состоит из вакуумной колбы с люминисцентным экраном на кождом из ее концов, фотокатода и электронно-оптической системы. Поступающее с преобразователя уменьшенное и усиленное изображение через систему зеркал и линз можно записать малоформатной камерой (формат пленки 70, 100 или 105 мм) или кинокамерой (формат пленки 16 или 35 мм (см. рис.8-1)). Запись малоформатной камерой также называют выборочной съемкой, или флюорографией, а выборочный фильм – флюорограммой. При флюорографии получаемая пациентом доза составляет примерно 1/10 дозы при полноразмерной радиографии, однако качество изображения (особенно пространственное разрешение) заметно ниже. Кинофлюорография создает похожие на кино изображения с частотой, например, 50 кадров в секунду. Кинофлюорография с 35-мм пленкой в ангио - и кардиологических исследованиях еще применяется (хотя цифровые технологии постепенно замещают аналоговые). С помощью указанной оптической системы изображение может быть записано телевизионной камерой и показано на мониторе. Изображение будет иметь лучшее качество в случае непосредственной оптической связи выходного экрана усилителя и телекамеры с помощью волоконной оптики. Конкретный выбор телекамеры (видикон, плюмбикон, кремникон) зависит от ее назначения. Возникающий в телекамере электрический видеосигнал поступает на экран видеоконтрольного устройства, монитор. Флюоресценция или рентгеноскопия с помощью РЭОПа позволяет наблюдать на экране монитора изображение в реальном масштабе времени, в том числе и двигательные функции организма, при меньшей лучевой нагрузке на пациента. Изображение, регистрируемое телекамерой, может храниться на магнитной пленке видеомагнитофона. |