5. Рентгеновская компьютерная томография, сцинтиграфия,ОФЭКТ. Компьютерная томография. Сцинтиграфия и офэкт. Введение
 Скачать 208 Kb.
|
Компьютерная томография. Сцинтиграфия и ОФЭКТ. Введение. В настоящее время известно большое количество методов измерений, достаточно полно и достоверно описывающих исследуемые объекты и процессы. Однако возрастающие требования к ускорению научно-технического прогресса, повышению эффективности научных исследований приводят к необходимости разработки новых методов и средств измерений. Проблема исследования внутренней структуры широкого класса объектов и процессов всегда выдвигалась как одна из основных в различных областях науки, техники и медицины. Она решалась методами интроскопии при диагностике изделий и спектроскопии при исследовании состава объектов. Как правило, результаты носили либо качественный характер (локализация дефектов), либо позволяли определять значение физической величины в малом объеме. Значительный интерес представляют исследования пространственно-временных распределений (полей) физических величин внутри объектов. Как мы уже говорили, первым шагом на этом пути можно назвать метод диагностики, предложенный К. Рентгеном, который основан на зондировании объекта лучами, названными его именем, и регистрации прошедшего излучения. Он первый и обратил внимание на основной недостаток этого метода – образование суммарной картины изображений различных слоев объекта. Естественно, возникла задача получения изображения каждого изолированного слоя объекта — томограммы (от греческого tomos — слой). На протяжении 70 лет предпринимались различные попытки решения этой задачи. В медицинской диагностике наибольшую известность и распространение получила томография, которая была предложена Е. Бокажем в 1921 г. и называется сейчас классической или традиционной. Однако это было лишь частичное решение проблемы, так как изображение сечения оставалось затененным другими слоями объекта. Получение неискаженного изображения сечения объекта оказалось возможным лишь с появлением вычислительной томографии, которая представляет собой двухступенчатый метод исследований. На первом этапе объект зондируется проникающим излучением с различных направлений, и прошедшее поле регистрируется, т. е. формируется набор проекций. На втором этапе вся совокупность полученной информации обрабатывается в каком-либо процессоре. Таким образом, томографические измерения являются косвенными — измеряемая величина связана с исследуемой некоторым функциональным отношением. Обработка усложняется еще и тем, что для восстановления томограммы необходимо решать обратную задачу. Очевидно, что это выдвигает высокие требования к системе обработки данных. Математическим фундаментом томографии является интегральная геометрия, основы которой были заложены в работах И. Радона в 1917 г., а затем в начале 60-х годов развиты в трудах И. М. Гельфанда и его школы. Предмет изучения интегральной геометрии составляет преобразование функций, заданных на одних геометрических объектах, к функциям, заданным на других геометрических объектах. Например, переход от функций, определенных на плоскости, к функциям на прямых осуществляется интегрированием исходной функции по каким-либо поверхностям в области ее задания (в нашем примере — по прямым). Данное преобразование во многом напоминает проецирование, и иногда полученную функцию называют проекцией. Одним из таких применений впоследствии стала томография, основанная на решении обратной задачи интегральной геометрии — восстановлении многомерных функций по их интегральным характеристикам. Но методы решения некорректных обратных задач не были еще достаточно развиты. Наиболее полно они были разработаны А. Н. Тихоновым в 60-х годах, а применительно к обратным задачам интегральной геометрии — М. М. Лаврентьевым и его учениками. Аналогичными исследованиями занимались и зарубежные ученые, среди которых можно выделить А. Кормака. Таким образом, в конце 60-х — начале 70-х годов была создана прочная математическая основа для появления томографических систем. Задача восстановления изображений по их интегральным характеристикам носит гораздо более общий характер, чем диагностика внутренней структуры объектов, поэтому необходимость ее решения возникла в самых различных областях науки. Это привело к тому, что методы, которые сейчас объединены под общим названием томография, были независимо открыты и использовались целым рядом ученых, начиная с середины 50-х годов. Так, в 1956 г. Р. Брейсуэлл использовал их при формировании СВЧ-изображений солнца по результатам измерения поля линейной антенной. В конце 60-х годов томография стала применяться в электронной и рентгеновской микроскопии для получения изображений скрытых структур кристаллов и макромолекул. Открытия, сделанные А. Клугом с использованием указанного метода, были удостоены в 1982 г. Нобелевской премии по химии. Самую большую популярность и самую широкую область применения томография нашла в медицинской диагностике. Компью́терная томогра́фия Компью́терная томогра́фия - метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, был предложен в1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями. Физической основой метода является экспоненциальный закон ослабления излучения, который справедлив для чисто поглощающих сред. В рентгеновском диапазоне излучения экспоненциальный закон выполняется с высокой степенью точности, поэтому разработанные математические алгоритмы, были впервые применены именно для рентгеновской компьютерной томографии. В 1963 году американский физик А. Кормак повторно (но отличным от Радона способом) решил задачу томографического восстановления, а в 1969 году английский инженер-физик Г. Хаунсфилд из фирмы «EMI Ltd.» сконструировал «ЭМИ-сканер» (EMI-scanner) - первый компьютерный рентгеновский томограф, клинические испытания которого прошли в 1972 году. В 1979 году «за разработку компьютерной томографии» Кормак и Хаунсфилд были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Современный компьютерный томограф представляет собой сложный программно-технический комплекс. Номер поколения томографов (первое, второе, третье, четвертое и т.д.) связан с типом конструкции системы "трубка-детектор". Трубка испускает тонкий, коллимированный, веерообразный пучок рентгеновских лучей, перпендикулярный длинной оси тела. 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 и толщина исследуемого среза ткани. Пропускаемый через пациента пучок рентгеновских лучей фиксируется не пленкой, а системой специальных детекторов. В качестве детекторов используются либо кристаллы различных химических соединений (например, йодид натрия), 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 можно рассчитать ослабление первичного луча. КТ-детекторы примерно 100 раз чувствительнее рентгеновской пленки при определении различий в интенсивности излучения; таким образом, они точно так же чувствительнее и при определении различий в ослаблении. При изготовлении КТ томографов предъявляются самые жесткие требования к рентгеновским излучателям. Неотъемлемой частью аппарата является обширный пакет программного обеспечения, позволяющий проводить весь спектр компьютерно-томографических исследований (КТ-исследований) с оптимальными параметрами, проводить последующую обработку и анализ КТ-изображений. Как правило, стандартный пакет программного обеспечения может быть значительно расширен с помощью узкоспециализированных программ, учитывающих особенности сферы применения каждого конкретного аппарата. Регистрируемые детектором данные — это результат взаимодействия рентгеновского излучения и вещества, из которого состоит исследуемый объект. При прохождении через объект энергия фотонов уменьшается из-за действия фотоэлектрического эффекта (поглощения) и эффекта Комптона (рассеивания). Коэффициент поглощения фотонов узкого рентгеновского пучка при прохождении через материал зависит от коэффициента линейного ослабления этого материала: I(x)=I0e-μd; где d - толщина объекта; I0 - интенсивность рентгеновских лучей, испускаемых источником; Ix - регистрируемая детектором интенсивность излучения; μ - коэффициент линейного ослабления материала. Строго коллимированный пучок рентгеновского излучения проходит только через ту плоскость, которая интересует врача (рис. 1). 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 - перед сборкой детекторов.  Рис. 1 Схема рентгеновской компьютерной томографии. 1 – излучатель; 2 – круговой ячеистый детектор; 3 – компьютер; 4 – система получения изображения. Известно, что при одинаковой энергии рентгеновского излучения материал с большей относительной молекулярной массой будет поглощать рентгеновское излучение в большей степени, чем вещество с меньшей относительной молекулярной массой. Подобное ослабление рентгеновского пучка может быть легко зафиксировано. Однако на практике мы имеем дело с совершенно неоднородным объектом - 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 объект достаточной протяженности и неоднородный объект с такой же суммарной плотностью. Поколения компьютерных томографов: от первого до четвёртого. Прогресс КТ томографов напрямую связан с увеличением количества детекторов, то есть с увеличением числа одновременно собираемых проекций. Аппарат 1-го поколения появился в 1973 г. КТ аппараты первого поколения были пошаговыми. Была одна трубка, направленная на один детектор. Сканирование производилось шаг за шагом, делая по одному обороту на слой. Один слой изображения обрабатывался около 4 минут. Во 2-м поколении КТ аппаратов использовался веерный тип конструкции. На кольце вращения напротив рентгеновской трубки устанавливалось несколько детекторов. Время обработки изображения составило 20 секунд. 3-е поколение компьютерных томографов ввело понятие спиральной компьютерной томографии. Трубка и детекторы за один шаг стола синхронно осуществляли полное вращение по часовой стрелке, что значительно уменьшило время исследования. Увеличилось и количество детекторов. Время обработки и реконструкций заметно уменьшилось. 4-е 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. Многослойная компьютерная томография (МСКТ). Многослойная («мультиспиральная») компьютерная томография с внутривенным контрастным усилением и трёхмерной реконструкцией изображения. Многослойная («мультиспиральная», «мультисрезовая» компьютерная томография МСКТ) была впервые представлена компанией Elscint Co. В 1992 году. Принципиальное отличие мсКТ томографов от спиральных томографов предыдущих поколений в том, что по окружности гентри расположены не один, а два и более ряда детекторов. Для того, чтобы рентгеновское излучение могло одновременно приниматься детекторами, расположенными на разных рядах, была разработана новая — объёмная геометрическая форма пучка. В 1992 году появились первые двухсрезовые (двухспиральные) МСКТ томографы с двумя рядами детекторов, а в 1998 году четырёхсрезовые (четырёхспиральные), с четырьмя рядами детекторов соответственно. Кроме вышеотмеченных особенностей, было увеличено количество оборотов рентгеновской трубки с одного до двух в секунду. Таким образом, четырёхспиральные МСКТ томографы пятого поколения на сегодняшний день в восемь раз быстрее, чем обычные спиральные КТ томографы четвертого поколения. В 2004—2005 годах были представлены 32-, 64- и 128-срезовые МСКТ томографы, в том числе — с двумя рентгеновскими трубками. Сегодня же в некоторых клиниках уже имеются 320-срезовые компьютерные томографы. Эти томографы, впервые представленные в 2007 году компанией Toshiba, являются новым витком эволюции рентгеновской компьютерной томографии. Они позволяют не только получать изображения, но и дают возможность наблюдать почти что «в реальном» времени физиологические процессы, происходящие в головном мозге и в сердце. Особенностью подобной системы является возможность сканирования целого органа (сердце, суставы, головной мозг и т.д.) за один оборот рентгеновской трубки, что значительно сокращает время обследования, а также возможность сканировать сердце даже у пациентов, страдающих аритмиями. Несколько 320-срезовых сканеров уже установлены и функционируют в России.\ Контрастное усиление. Для улучшения дифференцировки органов друг от друга, а также нормальных и патологических структур, используются различные методики контрастного усиления (чаще всего, с применением йодсодержащих контрастных препаратов). Двумя основными разновидностями введения контрастного препарата являются пероральное (пациент с определенным режимом выпивает раствор препарата) и внутривенное (производится медицинским персоналом). Главной целью первого метода является контрастирование полых органов желудочно-кишечного тракта; второй метод позволяет оценить характер накопления контрастного препарата тканями и органами через кровеносную систему. Методики внутривенного контрастного усиления во многих случаях позволяют уточнить характер выявленных патологических изменений (в том числе достаточно точно указать наличие опухолей, вплоть до предположения их гистологической структуры) на фоне окружающих их мягких тканей, а также визуализировать изменения, не выявляемые при обычном («нативном») исследовании. В свою очередь, внутривенное контрастирование можно проводить двумя способами: «ручное» внутривенное контрастирование и болюсное контрастирование. При первом способе контраст вводится вручную рентгенлаборантом или процедурной медсестрой, время и скорость введения не регулируются, исследование начинается после введения контрастного вещества. Этот способ применяется на «медленных» аппаратах первых поколений, при МСКТ «ручное» введение контрастного препарата уже не соответствует значительно возросшим возможностям метода. При болюсном контрастном усилении контрастный препарат вводится внутривенно шприцем-инжектором с установленными скоростью и временем подачи вещества. Цель болюсного контрастного усиления — разграничение фаз контрастирования. Время сканирования различается на разных аппаратах, при разных скоростях введения контрастного препарата и у разных пациентов; в среднем при скорости введения препарата 4–5 мл/сек сканирование начинается примерно через 20–30 секунд после начала введения инжектором контраста, при этом визуализируется наполнение артерий (артериальная фаза контрастирования). Через 40–60 секунд аппарат повторно сканирует эту же зону для выделения портально-венозной фазы, в которую визуализируется контрастирование вен. Также выделяют отсроченную фазу (180 секунд после начала введения), при которой наблюдается выведение контрастного препарата через мочевыделительную систему. КТ-перфузия. Перфузией в медицине называется прохождение через ткани (например, головной мозг, печень) какой-либо жидкости, в частности, крови. Таким образом, перфузия головного мозга — это прохождение потоков крови сквозь него, а перфузионные исследования головного мозга – это исследование особенностей кровотока в тканях мозга. Перфузионные исследования позволяют произвести количественные измерения параметров мозгового кровотока. Эти исследования в массе своей основаны на измерении плотности мозговой ткани с помощью компьютерной или магнитной томографии. Непременным условием является внутривенное введение контрастного вещества. Указанные исследования востребованы в диагностике поражений головного мозга при инсультах, черепно-мозговых травмах, они позволяют оценить характер поражения и сделать относительно точный прогноз по степени дальнейшего восстановления нервной ткани. Показания к компьютерной томографии. Компьютерная томография широко используется в медицине для нескольких целей: Как скрининговый тест — при следующих состояниях: Головная боль Травма головы, не сопровождающаяся потерей сознания Обморок Исключение рака легких. В случае использования компьютерной томографии для скрининга, исследование делается в плановом порядке. Для диагностики по экстренным показаниям — экстренная компьютерная томография Тяжелые травмы Подозрение на кровоизлияние в мозг Подозрение на повреждение сосуда (например, расслаивающая аневризма аорты) Подозрение на некоторые другие острые повреждения полых и паренхиматозных органов (осложнения как основного заболевания, так и в результате проводимого лечения) Компьютерная томография для плановой диагностики Большинство КТ исследований делается в плановом порядке, по направлению врача, для окончательного подтверждения диагноза. Как правило, перед проведением компьютерной томографии, делаются более простые исследования — рентген, УЗИ, анализы и т. д. Для контроля результатов лечения. Для проведения лечебных и диагностических манипуляций, например пункция под контролем компьютерной томографии и др. Некоторые абсолютные и относительные противопоказания. Без контраста Беременность Масса тела более максимальной для прибора С контрастом Наличие аллергии на контрастный препарат Почечная недостаточность Тяжёлый сахарный диабет Беременность (тератогенное воздействие рентгеновского излучения) Тяжёлое общее состояние пациента Масса тела более максимальной для прибора Заболевания щитовидной железы Миеломная болезнь
Вопросы для подготовки. На чем основан метод компьютерной томографии? Кто разработал первый математический алгоритм? Что представляет собой КТ? Поколения КТ Мультиспиральная КТ. Для чего используется контрастное усиление? В чем заключается метод КТ перфузии? Показания и противопоказания КТ. |
