Главная >> Медицинские статьи >> Радиология и рентгенология

Методы компьютерной томографии в медицине

Н.Н. Блинов
Доктор технических наук, профессор, ГУН «ВНИИИМТ», г. Москва.
Важнейшим результатом работ творцов рентгеновской вычислительной томографии явилось освоение необъятных возможностей современных ЭВМ в формировании и обработке, прежде всего медицинских, изображений. Восстановление медицинских изображений математическими методами возможно для всех существующих и всех мыслимых в будущем методов лучевой диагностики в проникающем излучении.

Томографическое изображение обладает важнейшим отличием от обычного теневого, определяющим его значение для медицинской диагностики: оно не содержит мешающих теней. В сложнейших по структуре медицинских изображениях обилие наложенных друг на друга теней различных органов ухудшает субъективное восприятие деталей малых контрастов в несколько раз (т.н. краудинг-эффект). Возможности математического восстановления и обработки данных позволяют поднять качество медицинского изображения до предела, определяемого дозой и квантовыми флюктуациями излучения. Рассмотрим достигнутый уровень в существующих методах компьютерной томографии (КТ).

Рентгеновская КТ. За 30 лет развития KT было создано пять поколений аппаратуры. В настоящее время на медицинских рынках мира присутствует последняя, пятая модель спиральных мульти-детекторных систем. Предельные параметры изображений, достигаемые в лучших системах: время ротации 0,3-0,5 сек., пространственное разрешение 1,5-2 п.л./мм, контрастная чувствительность 0,2-0,5%, 3D-реконструкция, виртуальная эндоскопия, субтракционная ангиография.

Использование мульти-детекторных систем регистрации, достигающих 64 и более линеек, обеспечивает за один оборот получение 3D-изображения с объемным разрешением деталей до 0,4 м.

Новыми параметрами, присущими спиральным КТ-системам, является так называемый питч — количество срезов на один оборот излучателя, т.е. на один шаг перемещения стола относительно гентри, и воксел — элементарный объем 3D-изображения.

В современном компьютерном томографе возможно реконструировать 3D-изображения с воспроизводимыми на экране теневыми эффектами, определять формы объектов с заданной интенсивностью и проводить четырехмерную ангиографию.

Для спирального сканирования пациента используется специальное программное обеспечение, включающее в себя все виды спирального сканирования, регулируемый шаг спирали (питч), наклон спирали, различные алгоритмы обработки.

Для исследования объемных изображений используется программа четырехмерной ангиографии, обеспечивающая одновременный просмотр трехмерных изображений с выделением четвертого измерения (толщины стенок сосудов, пустотелых органов, костей). Существуют программы, обеспечивающие изучение четырехмерного изображения, создавая возможность виртуального эндоскопического обследования органов и сохраняя информацию о каждом слое этих органов.

Дополнительные возможности КТ обеспечиваются рабочей станцией, позволяющей проводить совмещение изображений, полученных на компьютерном томографе, магнитно-резонансном томографе и гамма-камере. Изображение может быть передано на любую другую рабочую станцию (АРМ), использующую стандарт Dicom 3,0.

Возможно программное управление процессом введения контрастного вещества при контрастных исследованиях. Это обеспечивает включение сканирования в момент достижения пиковой фазы введения контрастного вещества, сокращает время обследования пациентов и расход контрастного вещества. Дисплей трехмерной визуализации теневых поверхностей отображает быструю реконструкцию трехмерного изображения, включая вращение объемного изображения вокруг любой заданной оси. Программа оценки и раннего обнаружения заболеваний коронарных артерий за счет быстрого сканирования и применения техники позволяет избежать артефактов биения сердца.
В России рентгеновские КТ не выпускаются, несмотря на многочисленные попытки их создания.

Магнитно-резонансная КТ. Известны три типа МРТ: с резистивными (до 0,25 Тл), постоянными открытого типа (до 1,5 Тл) и сверхпроводящими с гелиевым охлаждением (до 4,0 Тл) магнитами. Наиболее активно развиваются в настоящее время системы с постоянными открытыми магнитами.

Предельные параметры изображения: пространственное разрешение 0,5-1 мм-1, контрастная чувствительность по спиновой плотности 1,0-2,0%. Время получения реконструкции — десятки секунд.

Активно развиваются методы контрастирования с помощью гадолиниевых контрастных препаратов, МР-ангиография, менее чем в РКТ, употребима 3D-реконструкция. Обеспечиваются возможности повышения качества изображения за счет специализированных приемных катушек, создания специализированных МРТ-систем, например, для исследования конечностей.

В России разработаны и выпускаются МРТ на резистивных и постоянных магнитах до 0,25 Тл тремя фирмами, наиболее успешной из которых является ЗАО НПФ «Аз».

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 Российской Федерации 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 России 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.

Сочетание магнитометрии с компьютерными методами восстановления изображений приведет к очередной революции в неврологии, психологии, невропатологии. Появится возможность подойти и к разгадке человеческой памяти, и к чуду восприятия изображений мозгом. Магнитометрия позволит диагностировать шизофрению, эпилепсию, инсульт и коматозное состояние. До внедрения этих методов в повседневную медицинскую практику еще далеко, но даже первые исследовательские результаты обнадеживают.

Поскольку метод абсолютно безвреден, он будет применяться при ежегодных диспансерных обследованиях для оценки сенсорного восприятия, кратковременной и долговременной памяти, для определения профессиональной пригодности, индивидуального планирования обучения.

В табл. 1 приведены возможные и существующие методы компьютерной томографии, характеристики получаемых изображений и области применения.

В нескольких моделях хирургических рентгеновских аппаратов типа «С-дуга» предусматривается моторный поворот системы «излучатель-детектор» и программы КТ-восстановления поперечного среза. Фирмами «Сименс» и «Дженерал Электрик» выпущены на медицинский рынок комплексы, объединяющие эмиссионный и рентгеновский трансмиссионный томографы. Эти комплексы позволяют получать одновременную информацию как об анатомическом строении (РКТ), так и функциональном наведении органа (ОЭФКТ).

Таким образом, наибольших успехов медицинского применения КТ следует ожидать при объединении различных видов КТ в единой системе исследований.
Таблица 1. Методы компьютерной томографии и их применение.

Воздействие и метод
Физический характер изображения
Применение

Рентгеновское излучение Рентгеновская компьютерная томография (РКТ)
Коэффициент ослабления рентгеновского излучения
РКТ применяют для диагностики, планирования хирургии и лучевой терапии

Гамма-излучение Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОЭКТ)
Концентрация вещества меченного радиоактивным изотопом
ОЭКТ применяется для целей функциональной диагностики

Позитронное излучение Позитронная двухфотонная эмиссионная компьютерная томография (ПЭКТ)
Концентрация вещества, меченного позитронами

ПЭКТ применяется для функциональной диагностики

Компьютерная томография на основе ядерного магнитного резонанса (МР-томография)
Протонная плотность время релаксации
МРТ применяется для общей и специальной диагностики

Ультразвук Ультразвуковая компьютерная томография (УКТ)
Акустическое сопротивление сечения рассеяния, поглощения
Трансмиссионная УКТ проходит клинические испытания Созданы экспериментальные образцы

Тяжелые частицы (ионы а-частицы протоны и тд)
Объемное распределение температуры
На стадии эксперимента

Инфракрасное излучение
Ослабление СВЧ излучения органами и тканями
Экспериментальные данные о применении ИК-томографии в маммологии

СВЧ-излучение
Распределение диэлектрической проницаемости и проводимости
Появились идеи технической реализации метода

КТ - импедансометрия
Сверхслабые магнитные поля
экспериментальные образцы

Магнитометрия
Двухмерное распределение электрического сопротивления
Картирование мозга, сердца, клиническая апробация, созданы экспериментальные системы

Здравоохранение и медицинская техника №3 (17) 2005 с.10-11
Статья опубликована на сайтеhttp://www.trimm.ru

07.09.2005