Компьютерная рентгеновская томография Лекция 1 1. Рентгенология

Компьютерная рентгеновская томография Лекция 1

1. Рентгенология o В. К. Рентген, 1895 – открытие рентгеновского излучения o Рентгенология – область медицины, изучающая применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и систем, рентгенодиагностики заболеваний. o Медицинская радиология делится на три основных рентгенотехнику, раздела: 1. 2. рентгенодиагностику (рентгенодиагностика – распознавание заболеваний на основе данных рентгенологических исследований (рентгеноскопии, рентгенографии) и 3. рентгенотерапию (применение рентгеновского излучения для лечения опухолевых и др. заболеваний).

Рентгеноскопия o – один из основных методов рентгенодиагностики, заключающийся в получении (обычно на рентгеновском экране) и изображения исследуемого объекта. Она основана на проникающей способности рентгеновских лучей и их свойстве вызывать видимое в темноте свечение (флюоресценцию) химического вещества (платиносинеродистого бария или сульфида цинка), нанесенного тонким слоем на просвечивающий (флюоресцирующий) экран. o При рентгеноскопии больного помещают между источником возникновения рентгеновских лучей (в рентгеновской трубке) и просвечивающим экраном, на котором в затемненном рентгеновском кабинете появляется теневое рентгеновское изображение исследуемых органов (например, легких, сердца и др. при рентгене грудной клетки). o Рентгеноскопия незаменима при рентгенологическом исследовании внутренних органов, т. к. обеспечивает возможность непосредственного зрительного определения физиологических явлений (пульсация сердца и крупных сосудов; дыхательные смещения ребер и диафрагмы; сокращения стенок пищевода, желудка и кишок). o Рентгеноскопия также необходима для точного выяснения отношения болевых точек к тому или иному органу (например, при язве двенадцатиперстной кишки или желудка), для определения смещаемости органа или его неподвижности при наличии спаек и в особенности для распознавания опухолевых образований желудка, кишечника или других органов.

Рентгенография (скиаграфи я) o – метод рентгенодиагностики, заключающийся в получении фиксированного теневого изображения (снимка) объекта (какого-нибудь органа или части тела) на фотоматериале (рентгеновской пленке) при прохождении через них рентгеновских лучей. o Больной располагается так, чтобы снимаемый объект находился между рентгеновской трубкой и алюминиевой кассетой, в которую помещается рентгеновская пленка. При рентгенографии костей и суставов обычно делаются снимки в двух взаимо-перпендикулярных направлениях – прямые и боковые рентгенограммы. o По сравнению с рентгеноскопией, рентгенография выявляет тончайшие подробности в рентгеновской картине снимаемой области человеческого тела; больной при этом подвергается значительно меньшему облучению. o В результате рентгеновского исследования больного получают рентгенограмму – зафиксированное на фотопленке изображение объекта, возникающее при взаимодействии рентгеновских лучей (их поглощения, отражения, дифракции) с веществом.

Флюорография o – получение косвенного уменьшенного теневого рентгеновского изображения на пленке малых размеров (от 24 х24 мм до 10 х12 см) при помощи фотографирования рентгеновской картины органов человеческого тела на флюоресцирующем экране. o Это – метод массового (поточного) рентгенологического исследования больших контингентов населения для выявления ряда скрыто протекающих болезненных состояний и заболеваний (туберкулеза легких, плевры, лимфатических узлов и других острые заболевания легких). o При флюорографии органов грудной полости удается выявить известный процент людей со скрыто протекающими заболеваниями сердечно-сосудистой системы и, что особенно важно, с опухолями легких и средостения. o Метод флюорографии отличается значительной пропускной способностью (150 чел/час) поскольку на выполнение флюорограммы уходит все несколько десятков секунд. Важно, что в распоряжении врача остается постоянный документ – флюорограмма.

Рентгенокимография o – вспомогательный метод рентгенологического исследования, применяемого для функциональной диагностики и заключающейся в регистрации кривых движения или перемещения определенных точек на контуре того или иного органа. o Движущийся орган (например, сердце) снимается посредством узкого пучка рентгеновских лучей, пропускаемых через щель в свинцовой пластинке на перемещающейся с равномерной скоростью рентгеновской пленке. o Метод применяется для изучения сокращений сердца и пульсации кровеносных сосудов, для регистрации дыхательных движений ребер и диафрагмы, а также сокращений стенок заполненных контрастным веществом пищевода, желудка и петель кишок, почечных лоханок и мочеточников и др. Наибольшее диагностическое значение этот метод имеет для объективной оценки анатомических и функциональных изменений отдельных участков сердечной мышцы после перенесенного инфаркта миокарда.

2. Рентгенодиагностика o – распознавание болезней при помощи рентгеновских лучей. Она основана на свойстве рентгеновских лучей проникать сквозь тела, непрозрачные для видимого света. o Рентгенодиагностика осуществляется двумя основными способами: рентгеноскопией и рентгенографией. o Проходя через человеческое тело, рентгеновы лучи не в одинаковой степени поглощаются и ослабляются тканями различной плотности и дают поэтому тени неодинаковой интенсивности. o Рентгенодиагностика построена на учете этого неоднородного теневого изображения: на рентгенограмме, например, грудной клетки получаются а грубых чертах тени трех степеней густоты: наиболее плотные ткани костных образований (ребер, ключиц, позвонков), менее интенсивные и сливающиеся друг с другом тени мягких тканей (кожи, жировой клетчатки, мышц, сосудов, нервов и т. д. ) и наиболее прозрачные тени легочной ткани, содержащей воздух. При замещении воздуха каким- нибудь болезненным, воспалительным или опухолевым образованием на прозрачном легочном фоне возникают соответствующие затемнения, а при местном разрушении ткани (например, туберкулезной полости – каверне) получается соответствующий участок болезненного ненормального просветления. Опухоль брюшной полости или мозга, поскольку она не содержит известковых, задерживающих лучи включений, при обычных условиях рентгенодиагностики ничем не выделяется среди окружающих мягких тканей и, следовательно, не может быть распознана. o Для рентгенодиагностики некоторых органов и систем (костей, сердца, легких) имеются естественные условия контрастности, другие же системы и органы человеческого тела могут стать объектом рентгенодиагностики лишь при условии создания искусственных контрастов, путем введения в эти органы специальных контрастных сред или веществ.

Рентгеноконтрастные средства o – различные химические вещества, которые при введении в организм улучшают изображение исследуемого объекта (увеличивая или уменьшая поглощение рентгеновских лучей и создавая контрастность рентгеновского изображения). Применяются 1. «тяжелые» вещества (сульфат бария – для заболеваний желудка и кишок, препараты йода) 2. «легкие» вещества (воздух, кислород и др. газы). На физиологической способности некоторых органов избирательно выделять те или иные химические соединения, основана рентгенодиагностика мочевой, желчной или др. систем. o сергозин, введенный в вену, выделяется почками и обеспечивает диагностику мочевыделяющих органов. o Так же удается исследовать желчные пути и желчный пузырь препаратами биллитраст, билигност и т. п. o Искусственную контрастность некоторых органов создают путем введения препаратов, которые избирательно поглощаются и связываются этими органами, например, при диагностике заболеваний печени и селезенки (вводятся особые коллоидные соединения тория). Йодоорганические

3. Рентгеновское излучение Рентгеновские лучи – вид электромагнитного излучения, подобный свету (но невидимые глазом), но имеющий меньшую длину волны и способный проникать через твердые тела. Длина волны 10 -3 – 100 нм. Энергетический диапазон от 100 э. В до 0, 1 Мэ. В. Открыто с 1895 году В. Рентгеном. o Характеристическое рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, испускаемое при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (характеристический спектр). Характеристический спектр – линейчатый рентгеновский спектр, возникающий при переходах электронов верхних оболочек атома на более близко расположенные к ядру K-, L-, M-, N – оболочки. Частоты линий характеристического спектра химических элементов подчиняется закону Мозли.

o Тормозное рентгеновское излучение (рентгеновские лучи) с непрерывным энергетическим спектром - коротковолновое электромагнитное (фотонное) излучение. o Диапазон частот, 3· 1016 – 3· 1019 Гц, диапазон длин волн 10 -8 – 10 -12 м. o Образуется при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых заряженных частиц, например, при торможении в кулоновском поле ускоренных электронов. Существенно для легких частиц электронов и позитронов. Спектр тормозного излучения непрерывен, максимальная энергия равна начальной энергии частицы. При больших энергиях тормозящихся заряженных частиц, тормозное рентгеновское излучение переходит в энергетический диапазон g– излучения.

4. Источники рентгеновского излучения Источниками рентгеновского излучения является o рентгеновская трубка, o некоторые радиоактивные изотопы, o ускорители (бетатрон) o накопители электронов (синхротронное излучение), o лазеры и др.

o Бетатрон – циклический ускоритель электронов, в котором электроны ускоряются вихревым электрическим полем, порожденным переменным магнитным полем. Обычно энергия электронов в бетатроне не выше 50 Мэ. В. o Линейный ускоритель - ускоритель заряженных частиц, в котором траектории частиц близки к прямой линии. Максимальная энергия электронов, полученная в линейном ускорителе, 20 Гэ. В, протонов до 800 Мэ. В. Может быть использован как источник рентгеновское излучения. С этой целью пучок электронов направляется на мишень, изготовленного из тяжелого тугоплавкого металла. В результате взаимодействия электрона с ядром атома мишени образуется фотон, а электрон отражается с меньшей энергией. Пучок фотонов, с энергией соответствующей рентгеновскому излучению, проходит через выравнивающий фильтр, лучу придается нужная форма с помощью коллиматора до попадания на больного.

o Рентгеновская трубка - электровакуумный прибор для получения рентгеновских лучей. o Для получения сплошного тормозного спектра рентгеновского излучения высоких энергий и интенсивностей служат аноды из Au, W; o в структурном анализе используются рентгеновские трубки из Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag. Наиболее распространены рентгеновские трубки с неподвижным либо вращающимся водоохлаждаемым анодом мощностью в несколько к. Вт. Материалы анодов (и их длина волны, l) – Cu (1, 33 нм), Al (0, 834 нм), Mo (0, 54 нм), Pd (0, 434 нм). Основные характеристики рентгеновской трубки: o ускоряющее напряжение (1 -500 к. В), o электронный ток (0, 01 м. А – 1 А), o удельная мощность, рассеиваемая анодом (10 -104 Вт/мм 2), o общая потребляемая мощность (0, 002 Вт – 60 к. Вт). o Кпд рентгеновской трубки составляет 0, 1 – 3%.

o Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. o Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. o В рентгеновском спектре присутствуют ярко выраженные компоненты. Широкий «континуум» называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания.

Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. o Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Линии Кia и Кib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. o Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента- мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. o Кривая соответствует закону Мозли: ν 1/2=А·Z-B

o Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. o Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени.

o Недостаток рентгеновских трубок – низкая производительность, обусловленная малым коэффициентом преобразования энергии электронного пучка в мягкое рентгеновское излучение (10 -5). Более производительными являются установки, в которых точечными источниками излучения являются плазма, возбуждаемая лазерным излучением, или сильноточный разряд в газе. o Важным компонентом рентгеновской трубки является источник электронов, которым является ускоритель электронов. В отличие от изотопных источников бета- излучения, дающих непрерывный спектр электронов, ускорители дают пучок электронов строго фиксированной энергии, причём и поток и энергия электронов могут варьироваться в широких интервалах. o В настоящее время промышленность выпускает ускорители с энергией электронов (0. 4 -5) Мэ. В и мощностью (10 -200 к. Вт).

5. Дозы при рентгеновской и радионуклидной диагностике o Согласно данным по развитым странам, на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год (не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии). o около половины рентгенологических обследований приходится на долю грудной клетки. o Дозы, получаемые пациентами, могут различаться в сто раз. Пациент должен получать минимальную дозу при обследовании o Усовершенствование оборудования и повышению квалификации персонала, o максимальное уменьшение площади рентгеновского пучка, o его фильтрация, убирающая лишнее излучение, o использование более чувствительных пленок и o правильная экранировка - все это уменьшает дозу.

o Суммарная доза, получаемая населением Земли ежегодно во время сотен миллионов рентгенологических обследований с применением малых доз, значительно превышает дозу, получаемую в сумме сравнительно малым числом больных раком. Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет, ~ 1 м. Зв на каждого жителя (в развивающихся странах ~ 400 мк. Зв на человека в год ), т. е. примерно половину средней дозы от естественных источников. o Внедрение в последние годы рентгеновских трубок, работающих в импульсном режиме привело к снижению лучевой нагрузки на 80% по сравнению с неимпульсной рентгеноскопией. o Разработка методов рентгеновской компьютерной томографии позволила уменьшить дозы облучения: при обследованиях почек, кожи в 5 раз, яичников - в 25 раз, семенников - в 50 раз по сравнению с обычными методами.

6. Компьютерная медицинская томография 6. 1 Принцип компьютерной томографии o Цифровые методы получения изображений. ⇒ высокое качество изображений, снижение лучевой нагрузки, интеграция в систему единой компьютерной сети. Новые методы рентгенодиагностики o рентгеновская компьютерная томография, o спиральная и многосрезовая КТ, o КТ-ангиография. Альтернативные методы визуализации, не использующие в своей основе рентгеновское излучение. o Магнитно-резонансная томография (более информативные, чем при КТ, изображения различных органов и сосудов). o Ультразвуковые методы.

Компьютерная томография мозга o Томография медицинская - метод использования рентгеновских лучей или ультразвуковых волн для получения снимков анатомических структур, расположенных внутри тела человека; при этом получается четкое изображение выбранного среза ткани, в то время как изображения всех других срезов стираются или затеняются. Получаемая в результате рентгенограмма называется томограммой. o Томография компьютерная - направление в диагностической рентгенологии, предназначенное для обследования мягких тканей тела (например, патологические изменения головного мозга (опухоль, абсцесс, гематома) непосредственно через кости черепа). Компьютерная томография состоит в регистрации срезов человеческого тела с помощью рентгеновского сканера (компьютерного томографа); эта запись затем объединяется с помощью компьютера для получения единого изображения в поперечном сечении. Данное исследование не представляет для

o Компьютерная томография высокого разрешения (КТВР) – вариант компьютерной томографии, с улучшенным пространственным разрешением. Применяется в основном при визуализации паренхимы легких. В методе используются тонкие срезы (1 -2 мм) и высоко-пространственно-частотный алгоритм. Иногда называется тонкосрезовой компьютерной томографией. o Низкодозная компьютерная томография высокого разрешения – использует меньшие токи, чем обычная КТВР. При этом несколько уменьшается разрешающая способность и диагностическая точность методики, но вариант лучше подходит для скрининга или повторных исследований. o Важнейшим достоинством компьютерная томография является возможность работы в динамическом режиме, снимая последовательные «кадры» развития процесса движения жидкости (крови, лимфы, мочи), биения сердца, движения грудной клетки при дыхании) для исследования.

o Перфузия - прохождение крови или какого-либо раствора через сосуды изолированного или выключенного из общего круга кровообращения органа (например, легкого). o Мозаичная перфузия - регионарные отличия перфузии легкого, в результате чего становится заметным различие плотности при компьютерной томографии высокого разрешения. Отражает обструкцию сосудов или ненормальную вентиляцию, но чаще встречается при заболевании воздушных путей. Сосуды в прозрачных участках легкого обычно меньше, чем в более плотных участках.

o Прямая радионуклидная цистография. Методика исследования включает катетеризацию уретры, ретроградное заполнение мочевого пузыря физиологическим раствором хлорида натрия, смешанного с меткой, и получение с помощью гамма-камеры изображений области мочевых путей во время заполнения пузыря, в момент мочеиспускания и после него.

6. 2 Многосрезовая компьютерная томография. Рентгеновские томографы высокого разрешения бывают двух типов: спиральные (СКТ) и многосрезовые (мультиспиральные, МСКТ). Мультиспиральные обычно бывают 4 -срезовыми. Многосрезовый сканер (рис. Б) позволяет сканировать объект четырьмя спиралями за один оборот трубки. Полный оборот на многосрезовом сканере осуществляется в 2 раза быстрее, чем на обычном спиральном (0, 5 и 1 сек. соответственно), ⇒ преимущества мультиспирального сканирования: мультиспирального o в 8 раз больше объем (протяженность поля сканирования) при равных времени сканирования и разрешении (имеется ввиду толщина среза) (Рис. б); o в 4 раза быстрее сканирование при равных объеме и разрешении (Рис. в); o в 4 раза больше разрешение при равных объеме

o В отличие от обычного томографа, спиральный томограф вращается непрерывно, не делая пауз. Время исследования при этом намного сокращается. Например, КТ легких проводится за 20 -30 секунд.

o Спиральный томограф также (КТВР) на примере обладает лучшей разрешающей исследования пирамиды способностью и позволяет височной кости диагностировать многие заболевания на ранних стадиях, например, обнаруживать опухоли небольших размеров, когда они еще поддаются лечению. Также появилась возможность "видеть" артерии и вены o Мультиспиральные сканеры позволяют одновременно получать 4 изображения ( «среза» ) со скоростью до 120 об/мин. Томограмма получается за несколько секунд. Металлический стент в аорте. Снимок с обычного компьютерного томографа показан вверху справа.

Рентгеновские компьютерные томографы. o рентгеновских компьютерных томографах фирмы HITACHI o Сканирующее устройство, включая гентри, генератор, рентгеновскую трубку 5, 0 MHU, блок твердотельных детекторов 4 х896, позволяющий получать 4 среза за 1 оборот; 100 секунд непрерывного сканирования. Минимальная толщина среза: 0. 75 мм Промышленные многосрезовый медицинский томограф

6. 3 Компьютерная обработка изображений. o Качество получаемого изображения и разрешающая способность метода (например, многосрезовой компьютерной томографии) зависит от правильности выбора таких параметров, как коллимация, напряжение, сила тока и др. Например, изображение, снятое при напряжении 80 к. В более зашумленное, чем снятое при 140 к. В. o Учитывая, что с повышением к. В повышается проникающая способность излучения, при диагностике полных пациентов следует использовать более жесткое излучение. Поскольку, зашумленность изображения с ростом силы тока уменьшается, при исследовании объектов с высокой плотностью (плечевой пояс, металлоостеосинтез) целесообразно использовать большие токи. При исследовании мягких тканей можно уменьшить На рис. представлены изображения снятые при неудачном ток, и, следовательно, снизить дозу. (сверху) и правильном (снизу) выборе параметров съемки.

Не менее важен и выбор параметров и режимов цифровой обработки изображений. o Контрастность изображения (параметр контрастности называется кернелем). С повышением кернеля повышается контрастная разрешающая способность. Следовательно, для визуализации мягких тканей, характеризующихся низкой контрастностью, рекомендуется более низкий кернель (20 -40). Для визуализации высококонтрастных тканей (кости, легочная ткань) необходим более высокий кернель (40 -70), обеспечивающий высокое разрешение. При кернеле 40 (Рис. а) изображение более «гладкое» , при кернеле 70 (Рис. б) изображение более «острое» .

При анализе неоднородных структур, в частности, выявления и локализации отдельного включения важное значение имеет правильный выбор толщины среза. o При режиме сканирования полосой, равной толщине среза, очаг, размером меньше половины толщины среза не выявляется (Рис. а), тогда как при толщине среза, сравнимого с толщиной среза, включение выявляется (Рис. б). o При реконструкции неоднородной среды существенное значение имеет ширина полосы сканирования (инкремент или интервал реконструкции) и степень перекрытия полос. Рис. демонстрирует влияние величины инкремента на качество реконструкции (в данном случае – на обнаружение патологического очага, размеры которого сравнимы с толщиной среза). Толщина аксиальных срезов, из которых построены обе реконструкции, одинакова

Интервал реконструкции o При сканировании с инкрементом 5 рис. а очаг не выявляется, при сканировании с инкрементом 1 мм (Рис. б), изображение гораздо качественнее, оно практически не страдает от ступенчатого артефакта, который сильно выражен на изображении (Слева). Влияние интервала реконструкции на выявление мелких очагов. Схематическое объяснение. (а) При интервале реконструкции, равном толщине среза (4 мм), очаг диметром 2, 2 мм не выявляется. (б) При реконструкции с двойным перекрытием (интервал реконструкции 2 мм) очаг выявляется.

Муар – нежелательные визуальные эффекты ( «рябь» на черном фоне) o Для ликвидации муара в процессе сканирования может быть задействована специальная функция Descreen (Рис. , центр). o Ряби на черном фоне уже нет, однако исчезла резкость, что особенно хорошо видно по тексту в верхнем левом углу. Связано это с тем, что использовано низкое значения параметра Descreen (100). С повышением Descreen со 100 до 200 качество изображения улучшается (Рис. , справа) Использование функции Descreen для улучшения качества изображения (борьбы с муаром).