Компьютерная томография. Понятие, виды, значение в практической медицине

 

 

Компьютерная томография 
Понятие, виды, значение в практической медицине

 

 

Исторические аспекты 

 

    Внедрение рентгенологического метода исследования в медицинскую практику произвело революцию, решив ряд, казалось бы, неразрешимых проблем. Однако желания врачей, естественно, простирались дальше, и им хотелось увидеть то, что скрыто за наложенными друг на друга изображениями многочисленных органов, расположенных на пути рентгеновского луча. До знаменательного 4 октября 1971 г., когда в больнице Atkinson Morley с помощью аппарата «EMI-scanner» был обследован первый больной, эта цель оставалась практически недостижимой, хотя математическое обоснование возможности решения этой задачи было дано Radon еще в 1917 г.

 

 

Дело в том, что только современная вычислительная техника, в частности сверхбыстродействующие микроэлектронные устройства, позволяет в течение приемлемого времени произвести сложные и объемные математические вычисления, которые необходимы для восстановления изображений внутреннего строения слоев объекта по их проекциям. При этом «игра должна стоить свеч», т. е. диагностический эффект должен окунать технические затраты. Что же касается исследований заболеваний головного мозга, то здесь диагностический эффект огромен, так как до появления компьютерных томографов некоторые важнейшие детали с помощью обычных рентгенографических методов выявить было невозможно.

 

 

В развитии рентгеновских компьютерных томографов различают пять этапов и,  
соответственно, пять поколений аппаратов.

 

 

I этап

 

    Г. Хаунсфилд в своем аппарате использовал кристаллический детектор с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Источником была трубка, жестко связанная с детектором, которая делала сначала поступательное, а затем вращательное (1˚) движение при постоянном включении рентгеновского излучения. Такое устройство томографа позволяло получить 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 неподвижных объектов), так и малым диаметром зоны томографирования до (24 см). Однако получаемое изображение несло большое количество дополнительной диагностической информации, что послужило толчком не только к клиническому применению новой методики, но и к дальнейшему совершенствованию самой аппаратуры.

 

 

Первый КТ - сканер

 

 

Первая томограмма головного мозга

 

 

 

 

Для сравнения – современная КТ головного мозга

 

 

II этап

 

Вторым этапом в становлении нового метода исследования был выпуск к 1974 г. компьютерных томографов, содержащих несколько детекторов.

После поступательного движения, которое производилось быстрее, чем у аппаратов I поколения, трубка с детекторами делала поворот на 3˚ - 10˚, что способствовало ускорению исследования, уменьшению лучевой нагрузки на пациента и улучшению качества изображения.

Однако время получения одной томограммы (20 – 60) с значительно ограничивало применение томографов II 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.

 

 

III этап

 

   Принципиальное отличие томографов 3 поколения от предыдущих заключалось в том,что было исключено поступательное движение системы трубка-детекторы, увеличены диаметр зоны исследования до 50-70 см и первичная матрица компьютера (фирмы “Дженерал Электрик”, “Пикер”, “Сименс”, “Тошиба”, “ЦЖР”).

Это привело к тому, что одну томограмму стало возможным получить за 3-5 с при обороте системы трубка-детекторы на 360˚. Качество изображения значительно улучшилось и стало возможным обследование внутренних органов.

 

 

Томограф III поколения

 

 

IV этап

 

С 1979 г. некоторые ведущие фирмы начали выпускать компьютерные томографы  IV поколения. Детекторы (1100 - 1200 штук) в этих аппаратах расположены по кольцу и не вращаются. Движется только рентгеновская трубка, что позволяет уменьшить время получения томограммы до (0,7 - 1,5) с при повороте трубки на 360˚.

Это, а также сбор информации под разными углами увеличивает объем получаемых сведений при уменьшении затрат времени на томограмму.  Как следствие – значительно повысилось качество отображения снимка.

 

 

Томограф IV поколения

 

 

V этап

 

Электронно-лучевые томографы – томографы 5 поколения. В них поток электронов создается неподвижной электронно-лучевой пушкой, расположенной за томографом. Проходя сквозь вакуум, поток фокусируется и направляется электромагнитными катушками на вольфрамовую мишень в виде дуги окружности (около 2100), расположенную под столом пациента.

Мишени расположены в четыре ряда, имеют большую массу и охлаждаются проточной водой, что решает проблемы теплоотвода.

Напротив мишеней расположена неподвижная система быстродействующих твердотельных детекторов.

Данные томографы используются при исследованиях сердца, т.к. позволяют получать изображение за 33 миллисекунды со скоростью 30 кадров / секунду, а число срезов не ограничено теплоемкостью трубки.

Такие изображения не содержат артефактов от пульсации сердца, но имеют более низкое соотношение сигнал/шум 

 

 

Томограф V поколения 
(электронно-лучевой)

 

 

Схематические различия томографов разных поколений(а-I и т.д.).

 

 

Определение компьютерной томографии

 

Современный метод диагностики, использующий как рентгеновские лучи, так и ультразвуковые волны и позволяющий получить послойное изображение любой области человеческого тела с толщиной среза от 0,5мм до 10мм, оценить состояние исследуемых органов и тканей, локализацию и распространенность патологического процесса.

 

 

   Суть метода компьютерной томографии

состоит в получении изображения слоя малой толщины (которая определяется шириной пучка рентгеновских лучей) путем специальной обработки данных, полученных с детекторов рентгеновского излучения, при просвечивании этого слоя под разными ракурсами.

 

 

Общие принципы работы компьютерных томографов

 

 

В процессе исследования излучающая рентгеновская трубка совершает оборот вокруг объекта. Наличие участков различной плотности на пути пучка излучения вызывает изменение его интенсивности и соответственно сигнала детектора. С помощью обработки этих сигналов на ЭВМ получают распределение плотностей в исследуемом слое в условных единицах (принято для воздуха - 1000, для воды - 1, для костной ткани - 1000). Современные томографы позволяют получать изображения слоев толщ. до 0,5 мм. Время сканирования одного слоя составляет 2 - 5 с.

 

 

• Комплекс состоит из гентри (кольца), стола пациента, консоли и рабочей станции. Внутри гентри находятся расположенные друг напротив друга рентгеновская трубка, испускающая веерообразный пучок излучения и детектор.

 

• Трубка и детектор жёстко спарены и вращаются в плоскости сканирования вокруг исследуемого объекта. Постоянно идёт испускание и улавливание рентгеновского излучения.

 

 

 

• На каждом обороте собираются данные о затухании рентгеновского излучения примерно с 1400 положений системы трубка-детектор. На основании этих данных компьютер строит изображение сканированного среза. С математической точки зрения построение изображения сводится к решению системы линейных уравнений. Так, например, для получения томограммы размером 200×200 пикселей система включает 40 000 уравнений. Для решения подобных систем разработаны специализированные методы, ориентированные на параллельные вычисления.
• На современных томографах установлен не один ряд детекторов, а несколько. Каждый ряд детекторов позволяет получить изображение одного среза. Соответственно, если имеется 16 рядов детекторов, за один оборот трубки можно получить 16 срезов.

 

 

 Конфигурация компьютерного томографа 

 

В состав любого КТ – сканера входят следующие основные блоки:

1. Гентри со столом пациента и блоками управления;

2. Высоковольтный генератор;

3. Вычислительная система;

4. Консоль оператора.

 

 

Гентри

 

 

   Внутри гентри расположены блоки, обеспечивающие сбор данных: рентгеновская трубка и коллиматоры, детекторы и система сбора данных, контроллер трубки, генератор высоких частот, встроенный микрокомпьютер (регулирующий напряжение и ток на трубке), компьютер, обеспечивающий обмен данными с консолью.

 

 

Гентри КТ-сканера:

1 – трубка и коллиматоры,               2 – детекторы,

3 – контроллер трубки,                    4 – высокочастотный генератор,

5 – встроенный микрокомпьютер,    6 – стационарный компьютер 

 

 

Рентгеновские трубки

 

• Современные рентгеновские трубки состоят из трех основных частей: стеклянного корпуса, обеспечивающего вакуум вокруг частей трубки, катода и анода. Анод должен быть сделан из материала, способного противостоять высоким температурам и имеющего высокий атомный номер (молибден, рений, вольфрам). В зависимости от способа охлаждения анода рентгеновские трубки бывают двух видов: со стационарным или с вращающимся анодом.
• Трубки со стационарным анодом использовались в первых сканерах; в них анод охлаждался маслом. Их недостатком было большое фокальное пятно, что давало высокое облучение пациента и низкое разрешение изображения.
• Трубки с вращающимся анодом имеют малое фокальное пятно и большее разрешение и могут создавать пульсирующий или непрерывный пучок лучей. Анод в них вращается со скоростью 3600–10000 об/мин и охлаждается воздухом.

 

 

    В компьютерном томографе рентгеновская трубка совместно с системой коллимирования создает узкий веерообразный пучок лучей, угол расхождения которого составляет 300 – 500. Ослабление рентгеновского луча при прохождении через объект регистрируется детекторами, преобразующими регистрируемое рентгеновское излучение в электрические сигналы. Затем эти аналоговые сигналы усиливаются электронными модулями и преобразуются в цифровые импульсы. Некоторые материалы оказываются очень эффективными для преобразования рентгеновского излучения. Например, Siemens использует UFC–детекторы (сверхбыстрые керамические детекторы), которые благодаря хорошим свойствам материала дают превосходное качество изображения. Чаще в КТ используются два типа детекторов – люминесцентные и газовые.

 

 

  

Форма пучку рентгеновских лучей придается с помощью специальных диафрагм, называемых коллиматорами, которые бывают двух видов.

Коллиматоры источника расположены непосредственно перед источником излучения (рентгеновская трубка); они создают пучок более параллельных лучей и позволяют снизить дозу воздействия на пациента.

 

 

  

Коллиматоры детекторов расположены непосредственно перед детекторами и служат для снижения излучения рассеивания и сокращения артефактов изображений.

Эти коллиматоры служат для определения толщины среза (ограничения области, рассматриваемой датчиками) и качества профиля среза.

 

 

Фильтры обеспечивают равномерное распределение фотонов поперек рентгеновского луча и уменьшают суммарную дозу облучения, удаляя более мягкое излучение.

Обычно они сделаны из алюминия, графита или тефлона.

 

 

 

Консоль управления столом пациента и гентри используется для контроля горизонтального и вертикального движения стола, позиционирования пациента, наклона гентри относительно вертикальной оси сканера.

 

 

Высоковольтный трехфазный генератор обеспечивает всю систему необходимой электроэнергией, позволяя корректировать методику исследования уменьшая дозу пациента и сохраняя необходимую мощность.

 

 

     Компьютер осуществляет реконструкцию изображения, решая более 30 000 уравнений одновременно.

В современных томографах программное обеспечение для обработки изображений во многом определяет их клиническую производительность и информативность регистрируемых данных и составляет 1/3 общей стоимости сканера. Компьютер получает сигнал в аналоговой форме и преобразовывает его в двоичный код, используя аналогово-цифровой преобразователь.