Методы компьютерной томографии в медицине
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 |
