Томография. Компьютерная томография

По данным ВОЗ, более 75% диагнозов в настоящее  время устанавливаются с помощью  лучевых методов или методов  топической диагностики (высокие технологии в диагностике).

Томография  - это метод рентгенографии отдельных слоев человеческого тела. Эффект томографии достигается посредством непрерывного движения во время съемки 2-х или 3-х компонентов рентгеновской системы — излучателя, пациента и пленки. Рентгеновский пучок, пройдя через объект, воспринимается пленкой и сразу образует на ней скрытое изображение, которое становится видимым после фотообработки пленки. На томограмме всегда надписана цифра, обозначающая глубину исследуемого слоя (чаще всего в сантиметре от поверхности тела больного).

Компьютерная  томография — принципиально новый и универсальный метод рентгенологического исследования , метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, был предложен в 1972 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.

Компьютерная  томография (КТ) — в широком смысле, синоним термина томография (так как все современные томографические методы реализуются с помощью компьютерной техники); в узком смысле (в котором употребляется значительно чаще), синоним термина рентгеновская компьютерная томография, так как именно этот метод положил начало современной томографии.

Рентгеновская компьютерная томография — томографический метод исследования внутренних органов человека с использованием рентгеновского излучения.

Появление компьютерных томографов

Первые математические алгоритмы для КТ были разработаны  в 1917 году австрийским математиком И. Радоном (см. преобразование Радона). 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, чьи клинические испытания прошли в 1972 году. В 1979 году Кормак и Хаунсфилд «за разработку компьютерной томографии» были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Предпосылки метода в истории  медицины

Изображения, полученные методом рентгеновской компьютерной томографии, имеют свои аналоги в  истории изучения анатомии. В частности, Николай Иванович Пирогов разработал новый метод изучения взаиморасположения органов оперирующими хирургами, получивший название топографической анатомии. Сутью метода было изучение замороженных трупов, послойно разрезанных в различных анатомических плоскостях («анатомическая томография»). Пироговым был издан атлас под названием «Топографическая анатомия, иллюстрированная разрезами, проведёнными через замороженное тело человека в трёх направлениях». Фактически, изображения в атласе предвосхищали появление подобных изображений, полученных лучевыми томографическими методами исследования. Разумеется, современные способы получения послойных изображений имеют несравнимые преимущества: нетравматичность, позволяющая проводить прижизненную диагностику заболеваний; возможность аппаратной реконструкции однократно полученных изображений в различных анатомических плоскостях (проекциях), а также трёхмерной реконструкции; возможность не только оценивать размеры и взаиморасположение органов, но и детально изучать их структурные особенности и даже некоторые физиологические характеристики, основываясь на показателях рентгеновской плотности и их изменении при внутривенном контрастном усилении.

Шкала Хаунсфилда

Для визуальной и количественной оценки плотности  визуализируемых методом компьютерной томографии структур используется шкала  ослабления рентгеновского излучения, получившая название шкалы Хаунсфилда (её визуальным отражением на мониторе аппарата является чёрно-белый спектр изображения). Диапазон единиц шкалы («денситометрических показателей, англ. Hounsfield units»), соответствующих степени ослабления рентгеновского излучения анатомическими структурами организма, составляет в среднем от — 1024 до + 1024 (в практическом применении эти величины могут несколько отличаться на разных аппаратах). Средний показатель в шкале Хаунсфилда (0 HU) соответствует плотности воды, отрицательные величины шкалы соответствуют воздуху и жировой ткани, положительные — мягким тканям, костной ткани и более плотному веществу (металл).

Следует отметить, что «рентгеновская плотность» — усредненное значение поглощения тканью излучения; при оценке сложной анатомо-гистологической структуры измерение её «рентгеновской плотности» не всегда позволяет с точностью утверждать, какая ткань визуализируется (например, насыщенные жиром мягкие ткани имеют плотность, соответствующую плотности воды).

Изменение окна изображения

Обычный компьютерный монитор способен отображать до 256 градаций серого цвета, некоторые специализированные медицинские аппараты способны показывать до 1024 градаций. В связи со значительной шириной шкалы Хаунсфилда и неспособностью существующих мониторов отразить весь её диапазон в черно-белом спектре, используется программный перерасчет серого градиента в зависимости от интересуемого интервала шкалы. Черно-белый спектр изображения можно применять как в широком диапазоне («окне») денситометрических показателей (визуализируются структуры всех плотностей, однако невозможно различить структуры, близкие по плотности), так и в более-менее узком с заданным уровнем его центра и ширины («легочное окно», «мягкотканное окно» и т. д.; в этом случае теряется информация о структурах, плотность которых выходит за пределы диапазона, однако хорошо различимы структуры, близкие по плотности). Проще говоря, изменение центра окна и его ширины можно сравнить с изменением яркости и контрастности изображения соответственно.

Развитие  современного компьютерного  томографа

Современный компьютерный томограф представляет собой сложный программно-технический комплекс. Механические узлы и детали выполнены с высочайшей точностью. Для регистрации прошедшего через среду рентгеновского излучения используются сверхчувствительные детекторы, конструкция и материалы, применяемые при изготовлении которых постоянно совершенствуются. 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.

С математической точки зрения построение изображения  сводится к решению системы линейных уравнений. Так, например, для получения томограммы размером 200×200 пикселей система включает 40000 уравнений. Для решения подобных систем разработаны специализированные методы, ориентированные на параллельные вычисления.

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-ом 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-ое  поколение имеет 1088 люминесцентных датчика, 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.

Виды  КТ:

1) Спиральная компьютерная томография представляет собой частный случай компьютерной томографии, особенностью которого является непрерывность вращения рентгеновского излучателя в сочетании с одновременным непрерывным движением стола-транспортера. Это обеспечивается, прежде всего, специальной конструкцией сканирующей системы, в которой имеется т.н. "slip ring" ("скользящее кольцо"), внутри которого вращение сканирующего устройства происходит лишь в одну сторону. Одновременно с началом вращения рентгеновской трубки начинает движение и стол-транспортер, на котором лежит пациент. Поэтому за один цикл вращения трубка описывает вокруг больного не круг, как при обычной компьютерной томографии, а отрезок спирали. В случае спиральной компьютерной томографии речь всегда идет не о конкретном томографическом срезе, а о сканировании целиком всей изучаемой области. Определяющими техническими параметрами здесь будут: толщина среза и скорость подачи (продвижения) стола-транспортера - т.н. pitch (питч). Чем больше питч, тем меньше времени будет затрачено на сканирование области, но точность реконструкции изображений будет несколько ниже, чем при небольшом питче. Количество томографических срезов, которые реконструируются из полученного объема информации, может быть произвольным, поскольку при вторичной реконструкции изображений шаг стола можно задавать произвольно. Время исследования в этом случае не зависит от количества срезов и определяется лишь скоростью сканирования одного среза и длиной области сканирования.

Преимущество  в скорости сканирования делает спиральную КТ методом выбора в  тех случаях, когда  исследование надо провести максимально быстро:

• при травмах различных отделов тела и головы
• при обследовании грудной клетки и живота в случае, когда пациент не в состоянии надолго задержать дыхание
• при исследовании больных, контакт с которыми затруднен или невозможен
• при исследовании пациентов с болевым синдромом, если боль возникает или усиливается в лежачем положении Спиральная КТ также показана в тех случаях, когда требуется собрать большой объем информации об исследуемой области при относительно невысокой лучевой нагрузке:
• для исследования детей до 12 лет (при наличии строгих медицинских показаний!)
• для исследования периферических и центральных сосудов, в том числе - коронарных, сердца, в том числе при повышенной частоте сердечных сокращений
• для построения точных трехмерных моделей исследуемой области либо получения изображений, реконструированных в иных, чем аксиальная, плоскостях - сагиттальной, фронтальной, косой
• для проведения виртуальной эндоскопии
• для проведения виртуальных манипуляций, в том числе - операций в целях обучения врачей других специальностей.