Компьютерная томография в медицине

1. КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ: ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
(visualis, «зрительный») -
общее название
приёмов представления
числовой информации или
физического явления
в виде, удобном для
зрительного
наблюдения
и анализа.
Визуализация в
медицине - неинвазивное исследование
организма человека
при помощи физических методов с целью получения изображения внутренних структур.
При этом используются
ультразвуковые волны,
электромагнитное излучение различных диапазонов,
потоки элементарных частиц.

Создание изображений
внутреннего строения и
функционирования органов –
фундаментальная задача медицинской науки.
Диагностика заболеваний,
лечение и управление терапевтическими процедурами
опираются на данные,
получаемые медицинской визуализацией.
Физики сыграли главную
роль в разработке приборов
и методов для этих целей.
Все виды медицинской
визуализации включают
три этапа формирования изображения:
Образование пространственного изображения.
Его фиксация и воспроизведение.
Запись и архивация изображения в
удобной для наблюде-ния, хранения и пере-дачи на расстояние форме.

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ:
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ.
АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ:
используются детекторы
с непрерывной реакцией
на действующий фактор.
Так, в классических
методиках рентгенодиагностики
при изменении дозы излу-
чения меняется степень потемнения пленки
или интенсивность флуоресценции экрана.
Все цифровые технологии работают на базе первичной информации,
собранной аналоговыми методами.
ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ:
1) в них первичная информация сначала
представляется в виде цифровой матрицы –
строк и колонок чисел;

числа могут отражать
интенсивность эхо-сигнала
при УЗ- исследовании,
интенсивность света с
флюоресцентного экрана
в рентгеноскопии и т.п.
2) далее цифровая матрица
преобразуется
в матрицу видимых
элементов изображения – пикселов,
где каждому пикселу присваивается один из оттенков серой шкалы.
Общим преимуществом
цифровых методов
является возможность обработки и хранения данных с помощью компьютера.

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ: ТОМОГРАФИЯ
Томография –
общее название группы методов,
в которых производится сканирование,
т.е. послойный
просмотр в разных проекциях,
органов или их частей
с помощью различных излучений.
Затем путем сложных математических
преобразований
и мощного компьютера восстанавливается
истинное изображение объекта.
"tomos" – слой , "grapho" - пишу

КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ
В основе методов
компьютерной томографии
лежит идея австрий-ского математика
Иоганна Радона.
Если получить ряд проекций - "отображений" - объекта,
то с помощью определенной последовательности
математических
преобразований можно восстановить изображение объекта в целом.
В 1917 г. он разработал теоретические основы реконструкции трехмерных изображений по совокупности двумерных проекций.
Иоганн Карл Август Радон,
1887-1956

Немного об истории
Математический аппарат был усовершенствован позднее
южноафриканским, впоследствии американским физиком Алланом Кормаком.
Вскоре после этого
первый в мире
компьютерный томограф
на основе рентгеновского излучения
создал английский физик Годфри Хаунсфилд.
Аллан
Маклеод Кормак,
1924-1998
Годфри Ньюболд Хаунсфилд,
1919-2004

Впервые метод томографии в клинике
был применен в 1971 г. в госпитале города Уимблдона.
Вскоре метод начал «победное шествие» по всему миру.
Это ознаменовало новую эру в медицинской диагностике.
В 1979 г. А. Кормаку и
Г. Хаунсфилду
была присуждена
Нобелевская премия по
физиологии и медицине
«за развитие компьютерной томографии».
Интересно, что Кормак и Хаунсфилд познакомились лишь в Стокгольме за день до вручения премии.

ТОМОГРАФЫ
МЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
НОСЯТ НАЗВАНИЕ
«ТОМОГРАФЫ».
Томограф представляет собой комплекс аппаратуры для получения, обработки и регистрации информации.
Комплекс компьютерного томографа включает:
Рентгеновский комп. томограф

источник излучения
системы расположе-ния человека и установки координат съема информации
детекторы излучения
высокопроизводи-тельные компьютеры
сложное математи-ческое обеспечение
специализированные помещения с система-ми регистрации для медперсонала
Суть всех
томографических методов
одна и та же: математическое компьютерное моделирование
исследуемых структур и процессов с последующей визуализацией.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ТОМОГРАФИИ
Но принципы получения первичной информации
в конкретных методах различны –
в зависимости от используемого в данном методе
излучения.
Соответственно имеются различия и в конструкции томографов, и в математическом обеспечении.
Существует
несколько способов
классификации методов КТ.
Мы рассмотрим классификацию
ПО ВИДУ
действующего на объект ИЗЛУЧЕНИЯ.

Основные методы
Название метода
Рентгеновская компьютерная томография (РКТ)
Магнитно-резонансная томография (МРТ)
Радионуклидные методы (ОФЭКТ, ПЭТ)
Оптическая томография
Действующие факторы
Рентгеновское излучение
Постоянное магнитное поле и радиоволны СВЧ-диапазона
Гамма-излучение
Излучение оптичес-кого диапазона, в основном ИК

3.1. Рентгеновская компьютерная томография
Сканирование
производится
с помощью рентгеновского излучения.
Получение изображения основано
на поглощении рентгеновских лучей веществом,
при этом разные ткани поглощают излучение по-разному.
В классической
рентгеноскопии и
рентгенографии
изображение получается
на флюоресцирующем экране или
на специальной фотопленке.
НЕДОСТАТКИ КЛАССИЧЕСКИХ МЕТОДИК:

При прохождении рентгеновских лучей
через несколько фрагментов
коэффициенты ослабления последовательно увеличиваются,
и каждый следующий фрагмент дает заметно меньший вклад в общую картину.
Увеличение же начальной интенсивности
крайне нежелательно, так как при этом
увеличивается
лучевая нагрузка
на пациента.

Соседние ткани
часто имеют
малые отличия
в коэффициентах ослабления,
а при возникновении очагов патологий происходят
малые изменения
этих коэффициентов.
Методом КРТ
восстанавливается истинное изображение
исследуемого объекта.
Это – первый в
истории развития томографии вообще
метод, и необходимый математический аппарат
впервые был разработан И.Радоном
именно для КРТ.

Отдельные изображения (срезы) получаются с помощью вращения вокруг пациента рентгеновской трубки.
В исследуемых тканях часть фотонов рентгеновского излучения поглощается или рассеивается,
а другая распространяется до специальных высокочувствитель-ных детекторов.
Рентгеновская КТ значительно превосходит обычную рентгенографию
в разрешении по контрастности.
(КТ-детекторы на два порядка более чувствительны к различиям в интенсивности излучения, чем
рентгеновская пленка.)

Современные компьютерные томографы
могут различать ткани,
плотность которых отличается
всего на 0,1 %.
Диагностические
возможности метода очень велики
КРТ применяют для диагностики большого числа различных заболеваний –
в травматологии, онкологии,
кардиологии и т.д.
Так, КРТ является
эффективным методом выявления
опухолей сердца,
осложнений инфаркта миокарда,
заболеваний перикарда.

3.2. Магнитно-резонансная томография
Вслед за РКТ начали
бурно развиваться томографические методы диагностики
на основе других излучений – в особенности метод МРТ.
Интересна история создания метода МРТ.
МРТ для визуализации использует радиоволны
СВЧ-диапазона.
В его основе
лежит явление ядерного магнитного резонанса
(ЯМР),
открытое в 1946 г. физиками швейцарцем
Феликсом Блохом и американцем
Эдвардом Миллсом Перселлом.
1905-1983
1912-1997

Суть ЯМР:
вещество, ядра которого имеют магнитный момент,
в сильном постоянном магнитном поле поглощает энергию
слабого электромагнитного излучения
СВЧ-диапазона.
Поглощение обусловлено
переориентацией магнитных моментов
ядер и переходом ядер на возбужденный энергетический уровень.
Открытие было отмечено присуждением авторам
в 1952 году Нобелевской премии по физике
за развитие новых методов для ядерных магнитных измерений.

Более 30 лет метод применялся учеными не с медицинской целью.
Использовать ЯМР для получения изображения органов тела человека
позволили работы английского физика
Питера Мэнсфилда
( 1933 г. рождения) и
американского химика
Пола Лотербура
(1929-2007).
Метод позволяет изучать
организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом.
Ядро водорода
содержит один протон,
обладающий магнитным моментом.

После возбуждения протонов водорода
радиочастотным излучением резонансной для протонов частоты
в постоянном магнитном поле высокой напряженности
они возвращаются в основное состояние,
и при этом выделяется энергия.
Выделенная энергия регистрируется
системой сбора данных томографа,
и на основании этих данных
происходит формирование изображения
того или иного органа или ткани.
Качество изображения повышается
при увеличении индукции магнитного поля.

Первые томографы имели
индукцию всего 0,005 Тл (тесла);
в современных она составляет обычно от 0,7 до 3 Тл.
Для точного определе-
ния пространственной локализации сигнала
используются дополнительные, «градиентные» поля,
которые обеспечивают выборочное
возбуждение протонов конкретной области.
Параметры сигнала ЯМР определяются рядом характеристик исследуемого объекта,
то есть зависят от его
структуры и состояния. Они могут изменяться в зависимости от функционирования органа или при появлении патологии,
что и позволяет использовать явление ЯМР для диагностики в медицине.

П. Мэнсфилд и
П. Лотербур в своих исследованиях шли разными путями.
Мэнсфилд показал, как в принципе радиосигнал, полученный от прибора,
может быть математически обработан и интерпретирован в изображение.
Лотербур изобрёл способ определения происхождения радиоволн,
излучаемых ядрами
объекта исследования,
с помощью градиента магнитного поля.
В 2003 г. Мэнсфилд и Лотербур получили
Нобелевскую премию
по физиологии и медицине
«За изобретение метода магнитно-резонансной томографии».

НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ, 2003 год

Первые ЯМР-томографы появились в клиниках в 80-е годы XX столетия.
В 1986 г. термин «ЯМР-томография»
был заменен на термин «МР-томография»,
т.е. из названия метода исчезло упоминание о ядерности.
Это было сделано в связи с радиофобией людей после Чернобыльской аварии
и позволило методу безболезненно войти в повседневную практику.
Современные ЯМР-томографы имеют
самое высокое пространственное разрешение из всех
существующих видов томографов.
Другое их чрезвычайно существенное преимущество –
отсутствие лучевой нагрузки на пациента и персонал,
поскольку в методе не используются ионизирующие излучения.

В современной медицине МРТ применяется
для оценки морфологического состояния практически всех органов.
С его помощью осуществляют
диагностику патологий сердца,
нарушений системы кровообращения,
заболеваний суставов и позвоночника,
новообразований, деструктивных процессов,
врожденных или приобретенных аномалий развития.
Метод имеет большое значение при оценке состояния пациента после перенесенных инфарктов и инсультов.

3.3. Радионуклидные методы
Основаны
на регистрации и измерении
различных видов ядерных излучений от радиоактивных веществ,
которые вводятся в организм пациента в составе
радиофармпрепаратов,
РФП.
РФП – соединения,
имеющие радиоактивную метку
и при введении в организм включающиеся в естественные процессы метаболизма.
Молекула-носитель определяет пути и характер распространения препарата в теле пациента.

Радионуклид –
нестабильный атом, спонтанно распадающийся
с выделением радиоактивного излучения,
которое и используется для визуализации.
Введение производится внутривенно,
реже ингаляционно.
В однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ)
используют в качестве радионуклидов
технеций-99 или таллий-201,
испускающие
гамма-лучи.

В позитронной
эмиссионной томографии (ПЭТ)
радиоактивной меткой служат
изотопы кислорода или
фтора (15O, 18F),
испускающие позитроны.
В теле пациента
свободный позитрон реагирует
с ближайшим электроном,
что приводит к образованию двух
гамма-фотонов, разлетающихся в противоположных направлениях.

Таким образом, ПЭТ основана на эффекте
аннигиляции позитронов и электронов.
Но в обоих методах в конечном счете визуализация производится в гамма-лучах.
Детекторами гамма-фотонов служат сцинтилляционные гамма-камеры. Регистрация в них основана на эффекте сцинтилляции –
образовании световых вспышек при взаимодействии электромагнитного излучения со специальными регистрирующими кристаллическими пластинами.

Радионуклидные методы
позволяют получать динамическое изображение органа;
анализ характера и динамики распределения РФП предоставляет возможность судить о функциональных процессах в нем,
изменениях на тканевом и клеточном уровнях.
ОПТИЧЕСКАЯ ТОМОГРАФИЯ (ОТ) –
сравнительно молодой метод, в котором для визуализации
используется электромагнитное излучение
оптического диапазона, в основном ИК.
Высокая информативность и безопасность метода обещают ему большое будущее.