Виды компьютерной томографии

Указанного недостатка лишена аксиальная компьютерная рентгеновская  томография. Это объясняется тем, что строго коллимированный пучок  рентгеновского излучения проходит 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 — перед  сборкой детекторов.

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.

При продольной томографии разницу между плотностью 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  регистрируют 1,5 - 6 млн сигналов из различных  точек (проекций) и, что особенно важно, каждая точка многократно проецируется на различные окружающие точки.

При регистрации ослабленного рентгеновского излучения на каждом детекторе возбуждается ток, соответствующий  величине излучения, попадающего на детектор. В системе сбора данных ток от каждого детектора (500-2400 шт.) преобразуется в цифровой сигнал и после усиления подается в ЭВМ  для обработки и хранения. Только после этого начинается собственно процесс восстановления изображения.

Восстановление изображения  среза по сумме собранных проекций является 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 первичной матрицы —  к увеличению времени обработки  среза или необходимости устанавливать  дополнительные специальные процессоры видеоизображения. [4]

3. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАММЫ.

Получение компьютерной томограммы (среза) головы на выбранном уровне основывается на выполнении следующих  операций:

• формирование требуемой ширины рентгеновского луча (коллимирование);
• сканирование головы пучком рентгеновского излучения, осуществляемого движением (вращательным и поступательным) вокруг неподвижной головы пациента устройства "излучатель — детекторы";
• измерение излучения и определение его ослабления с последующим преобразованием результатов в цифровую форму;
• машинный (компьютерный) синтез томограммы по совокупности данных измерения, относящихся к выбранному слою;
• построение изображения исследуемого слоя на экране видеомонитора (дисплея).

В системах компьютерных томографов сканирование и получение изображения  происходят следующим образом. Рентгеновская  трубка в режиме излучения "обходит" голову по дуге 240°, останавливаясь через каждые 3° этой дуги и делая продольное перемещение. На одной оси с рентгеновским 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 подвергаются усилению, а затем преобразованию в цифры, которые вводят в ЭВМ. Рентгеновский луч, пройдя через среду поглощения, ослабляется пропорционально плотности тканей, встречающихся на его пути, и несет информацию о степени его ослабления в каждом положении сканирования. Интенсивность излучения во всех проекциях сравнивается с величиной сигнала, поступающего с контрольного детектора, регистрирующего исходную энергию излучения сразу же на выходе луча из рентгеновской трубки.

Следовательно, формирование показателей поглощения (ослабления) для каждой точки исследуемого слоя происходит после вычисления отношения  величины сигнала на выходе рентгеновского излучателя к значению 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 получают два соприкасающихся между собой  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 числа компьютерной 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  обеспечивает возможность получать на компьютерных томограммах основные структуры мозга и многие патологические процессы в них. Чувствительность системы  в улавливании перепада рентгеновской  плотности в обычном режиме исследования не превышает 5 ед.Н., что составляет 0,5%.

На экране дисплея 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  разрешающей способности 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 или тканей. Важнейшей характеристикой  является качество получаемого изображения.

Известно, что качество визуализации анатомических образований головного  мозга и очагов поражения зависит  в основном от двух факторов: 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 видами разрешающей способности: пространственной и по перепаду плотности. Первый тип определяется размером клетки матрицы (обычно - 1,5х1,5 мм), второй равен 5 ед.Н. (0,5%). В соответствии с этими характеристиками теоретически можно различать элементы изображения размером 1,5х1,5 мм при перепаде 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, так как при построении изображения в этих случаях происходит математическое усреднение и при этом очаги небольших размеров могут быть не обнаружены. Чаще это происходит при небольших зонах пониженной плотности, расположенных вблизи массивных костных структур (пирамиды височных костей) или костей свода черепа. Важным условием для обеспечения проведения компьютерной томографии является неподвижное 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. [5]

3.1. Усиление контрастности

Для получения более четкого  изображения патологически измененных участков в головном мозге применяют  эффект усиления контрастности, которых достигается внутривенным введением рентгеноконтрастного вещества. Увеличение плотности изображения на компьютерной томограмме после внутривенного введения контрастного вещества объясняется внутри- и внесосудистыми компонентами. Внутрисосудистое усиление находится 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 числа компьютерной томографии). При компьютерно-томографических измерениях венозных проб после введения 60% контрастного вещества в дозе 1 мл на кг массы тела, плотность потока повышается в среднем в течение 10 мин после инъекции, составляет 39,2 плюс-минус 9,8 ед.Н. Содержание контрастного вещества в протекающей крови 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 компьютерной томограмме после  введения контрастного вещества связано  с внутрисосудистой концентрацией  йода. Можно получить изображение  сосудов диаметром до 1,5 мм, если уровень 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, и таким  образом можно их локализировать с достаточной точностью. [6]

4. ВИДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ.

Среди новых диагностических  методов в медицине наибольший интерес  сегодня вызывает магнитно-резонансная томография

(МР-томография). Накопленный к настоящему времени клинический опыт свидетельствует о таких несомненных достоинствах МР-томографии, как обеспечение высокого разрешения и высококонтрастного изображения тканей без инъекции потенциально токсичных контрастных веществ, возможность визуализации труднодоступных областей человеческого тела, наблюдать которые неинвазивными методами до внедрения МР-томографов вообще не удавалось.

В МР-томографии не используются источники ионизирующего излучения, и поэтому она практически  безопасна для обследуемого.

Эмиссионная радиоизотопная томография (ЭРГ) развивается относительно РКТ и МРТ более медленными темпами. Новых прорывов здесь не наблюдается. Имеет место переход к цифровым методам представления изображений, замена ФЭУ по принципу Анжера на твердотельные ПЗС-структуры с люминесцентными кристаллами.  
Предельные параметры: разрешение 0,2 п.л./мм, толщина слоя - единицы см, время одного оборота - десятки секунд. Главное достоинство ЭКГ состоит в возможности исследования динамики органа: эвакуаторной, накопительной функции. В Украине эмиссионные томографы не выпускаются.  
          Ультразвуковая (УЗ) томография. По принципам получения изображения УЗ-диагностика может быть отнесена к традиционным реконструкционным методам томографии. Изображение слоя достигается простой регистрацией временных интервалов получения отраженных от объекта сигналов. Современные медицинские УЗ-сканеры оснащаются сложными системами обработки изображений, все более сближающими их с системами КТ. В последних моделях используется цветовое картирование доплеровских изображений и получение 3D и 4D ангиографических

УЗ-изображений (четвертое измерение - время). В Украине организована сборка нескольких моделей УЗ-сканеров из импортных комплектующих.  
Помимо методов, уже применяемых в медицинской практике, интенсивно разрабатываются и другие методы КТ. 
 Позитронно-электронная томография (ПЭТ) отличается от однофотонной эмиссионной радиоизотопной томографии тем, что для ее реализации необходимы химфармпрепараты, которые содержат радиоактивные изотопы, излучающие позитроны или гамма-кванты с энергией гамма-излучения более 1024 кэВ. Взаимодействуя с тканями организма, каждый первичный квант создает две частицы: электрон и позитрон, что в дальнейшем приводит к одновременному образованию двух гамма-квантов, вылетающих в противоположные стороны. Возникает возможность вычислять точную координату их возникновения, т.е. строить изображение математическими методами восстановления.  
Получение радиоактивных препаратов для ПЭТ достаточно сложная задача. К настоящему времени в клиниках мира функционируют сотни установок для позитронно-электронной томографии. Изображения в позитронной томографии сочетается с КТ- и МРТ-изображениями, создавая ряд принципиально новых диагностических возможностей.  
          Появились первые экспериментальные образцы ультразвуковых компьютерных томографов (УКТ). В этих приборах один или несколько ультразвуковых датчиков, так же как и источник рентгеновского излучения при РКТ, вращаются вокруг исследуемого объекта, посылая пакеты ультразвуковых импульсов и регистрируя прошедший через объект сигнал.  
Изображение в УКТ до сих пор не обеспечивает достаточно высокого качества, т.к. представляет собой двухмерное распределение звукового сопротивления тканей поперечного среза исследуемого объекта. Задача специалистов — создание своей особой «энциклопедии», нового языка изображений, но уже ультразвуковых.  
        

 Известны публикации о лабораторных экспериментах с

СВЧ-вычислительными  томографами. Пока это сложные устройства, работающие с генераторами на 1-5 ГГц. Для регистрации радиоволн, отражаемых объектом во все стороны, в лабораторном макете, созданном американскими исследователями, используется 22000 дипольных антенн. Предполагается, что диагностическая ценность принципиально новой информации о человеческом организме, добытая с помощью этого метода, с лихвой перекроет стоимость его разработки.  
Если проанализировать принципы регистрации разного рода сигналов, подаваемых человеческим организмом, можно представить себе дальнейшие пути развития методов компьютерной томографии. Например, при электрокардиографии, получив сигналы с большого количества электродов, размещенных по периметру человеческого тела вокруг сердца, возможно восстановить его «электрическое сечение» методами компьютерной томографии, т.н. «картирование» сердца.  
                   В последние годы появились сообщения о развитии метода диагностики, называемого реографией, в основе которой — измерение электрического сопротивления участков человеческого тела с помощью электродов, накладываемых на кожу. Метод позволяет оценивать кровоток, снабжение кровью конечностей, строить срезы различных участков тела методами математической реконструкции. Трудности примерно те же, что и в электрокардиотомографии необходимость обеспечить направленность электродов на определенный срез тела и учет «растекания» электрического тока, проходящего между элементами. В случае реографии физическая модель, однако, оказывается несколько проще, чем в электрокардиографии. Уже получены первые очень грубые срезы, названные импедансными томограммами, а метод получил название импедансной томографии.  
Сравнительно недавно достигнуты успехи в диагностике патологий мозга с помощью регистрации сверхслабых магнитных полей, возникающих в мозге при его жизнедеятельности. С помощью сверхчувствительных датчиков, размещаемых вокруг головы пациента, получают не только анатомическую, но и функциональную картину деятельности мозга. Возбуждая различные зоны мозга звуковыми, зрительными, лекарственными раздражителями, измеряют зоны нейронной активности.  
Успехи магнитометрии связаны с появлением сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков (СКВИДов), чувствительных к сверхслабым магнитным полям. По внешнему виду СКВИД напоминает обычную микросхему. Поскольку действие СКВИД основано на эффекте сверхпроводимости, при работе эти датчики помещают в среду жидкого гелия. Открытия в области высокотемпературной сверхпроводимости вселяют надежду, что в будущем можно будет обойтись без гелиевого охлаждения.  
          Если сконструировать шлем из СКВИДов с гелиевой подкладкой, создать многослойные экраны, защищающие пациента от внешних, даже слабых магнитных полей, получить срезы магнитной активности живого мозга, можно изучать функцию возбуждения и торможения отдельных его областей. Кости черепа экранируют тепловые сигналы мозга и препятствуют точной локализации сигнала при энцефалографии, но они вполне проницаемы для магнитных полей.