Медицинская интроскопия часть 3. Компьютерная томография
advertisement
Медицинская интроскопия часть 3. Компьютерная томография Основные понятия, методы, физическая сущность Медицинская интроскопия1 РЕНТГЕНОВСКАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ • История компьютерной томографии (КТ) • Физические принципы КТ • Развитие компьютерной томографии Медицинская интроскопия2 РЕНТГЕНОВСКАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ • Компьютерная томография —новый и универсальный метод рентгенологического исследования тонких слоев тканей, позволяющий измерять плотность любого участка этих тканей. • С ее помощью можно изучать все части тела, все органы, судить о положении, форме, величине, состоянии поверхности и структуре органа, определять ряд функций. Медицинская интроскопия3 История КТ • 1963г. - Физик А. Кормак (ЮАР) из Кейптаунской больнице рассчитал взаимодействие узко направленного пучка рентгеновского излучения с веществом мозга и опубликовал статью о возможности компьютерной реконструкции изображения мозга. • 1970 г. - Группа инженеров английской фирмы электромузыкальных инструментов EMI во главе с Г. Хаунсфилдом получила КТ первого объекта (мозг, консервированный в формалине). • 1972 г. была произведена первая томограмма женщине с опухолевым поражением мозга. • 19 апреля 1972 г. на конгрессе Британского радиологического института Г. Хаунсфилд и врач Дж. Амброус выступили с сенсационным сообщением «Рентгенология проникает в мозг». • 1979 г. А. Кормак и Г. Хаунсфилд были удостоены Нобелевской премии. Медицинская интроскопия4 • Основная идея КТ - послойное рентгенологическое исследование органов и тканей. Она основана на компьютерной обработке множественных рентгеновских изображений поперечного слоя, выполненных под разными углами. Медицинская интроскопия5 Принцип образования послойного изображения F0,F1,F2-нулевое,исходное и конечное положение фокуса рентгеновской трубки; j-1/2 угла поворота трубки; S-поверхность стола; Т-объект исследования; О-точка выделяемого слоя; О1, О2-точки, находящиеся выше и ниже выделяемого слоя; О`, О``-проекции точки О на пленке при исходном и конечном положениях фокуса рентгеновской трубки; О1`, O1``-проекции точки О1 на пленке при тех же положениях фокуса трубки; О2`, О2``-проекции точки О2 при тех же положениях фокуса трубки; О```-проекции всех точек на пленке при нулевом положении рентгеновской трубки. Медицинская интроскопия6 Принцип образования послойного изображения При выполнении обычной рентгенограммы пленка, объект и рентгеновская трубка - остаются в покое. Томографический эффект можно получить при следующих комбинациях: 1) неподвижный объект и движущиеся источник (рентгеновская трубка) и приемник излучения; 2) неподвижный источник излучения и движущиеся объект и приемник излучения; 3) неподвижный приемник излучения и движущиеся объект и источник излучения. Наиболее распространены томографы с синхронным перемещением трубки и пленки в противоположных направлениях при неподвижном объекте исследования. Рентгеновский излучатель и приемник излучения соединяют жестко. Их ось вращения (перемещения трубки и пленки) находится над уровнем стола и ее можно произвольно Медицинская интроскопия7 перемещать. ПОЛУЧЕНИЕ И РЕКОНСТРУКЦИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАММЫ 1) формирование требуемой ширины рентгеновского луча (коллимирование); 2) сканирование пучком рентгеновского излучения, осуществляемого движением (вращательным и поступательным) вокруг неподвижного пациента устройства "излучатель - детекторы"; 3) измерение излучения и определение его ослабления с последующим преобразованием результатов в цифровую форму; 4) компьютерный синтез томограммы по совокупности данных измерения, относящихся к выбранному слою; 5) построение изображения исследуемого слоя на экране видеомонитора Медицинская интроскопия8 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ • • I поколение (G.Hounsfield). Использовался одиночный коллимированный рентгеновский луч жестко связанный с одиночным сцинтилляционным кристаллическим детектором (йодистый натрий) с ФЭУ. Трубка с детектором делала сначала поступательное (180 линейных сканирований), а затем вращательное (1o) движение при постоянном включении рентгеновского излучения. Такое устройство томографа позволяло получить томограмму за 420 мин. Рентгеновские томографы с подобным 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). 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 3-10o, 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. Медицинская интроскопия9 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ • • • Получение качественного изображения среза тела человека на любом уровне стало возможным после разработки в 1976-1977 гг. компьютерных томографов III поколения. Принципиальное отличие их 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 360o. Качество изображения значительно улучшилось и стало возможным обследование внутренних органов. С 1979 г. некоторые ведущие фирмы начали выпускать компьютерные томографы IV поколения. Детекторы (1100-1200 шт.) в этих аппаратах расположены по кольцу и не вращаются. Движется только рентгеновская трубка, что позволяет уменьшить время получения томограммы до 1-1,5 с при повороте трубки на 360o. Это, а также сбор информации под разными углами увеличивает объем получаемых сведений при уменьшении затрат времени на томограмму. В 1986 г. произошел качественный скачок в аппаратостроении для рентгеновской компьютерной томографии. Фирмой "Иматрон" выпущен компьютерный томограф V поколения, работающий в реальном масштабе времени. В 1988 г. компьютерный томограф "Иматрон" куплен фирмой "Пикер" (США) и теперь он называется "Фастрек". Медицинская интроскопия10 Поколения компьютерных томографов Медицинская интроскопия11 Виды эмиссионных радиационных томографов Медицинская интроскопия12 Основные характеристики томографов разных поколений Параметр Поколение первое второе медлен второе быстрое третье четвертое Время скан слоя, с 130—300 45—160 5—33 1,3—20 1—20 Тип сканирования Поступат – вращател ьное Поступат вращател ьное Поступат вращател ьное Вращательно е Вращательно е 1 3—12 12—52 256—1024 600—1200 Основной тип детекторов Сцинтиллято р + ФЭУ Сцинтиллято р + ФЭУ Сцинтиллято р + ФЭУ Ксеноновая ионизаци онная камера Сцинтиллято р + ФЭУ или фотодиод Угол рентгеновского пучка - 3°-12° 12°-26° 30°- 45° 48°- 50° Число слоев за скан 2 2 1 1 1 Применение Голова Голова Все тело Все тело Все тело Число детекторов на слой Медицинская интроскопия13 Вид КТ-томографа Медицинская интроскопия14 КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ • Компьютерная рентгеновская томография обеспечивает получение изображения поперечного слоя исследуемого объекта с помощью математической обработки множества рентгеновских изображений одного и того же поперечного слоя, сделанных под разными углами, восстанавливая двумерное изображение из серии одномерных. • Методы восстановления структуры многомерного объекта по совокупности его проекций итерационные и аналитические Медицинская интроскопия15 КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ • Итерационные методы реконструкции изображения используют аппроксимацию восстанавливаемого объекта массивом ячеек, с постоянной внутри ячейки плотностью. • Аналитические методы реконструкции в компьютерной томографии базируются на аппарате преобразования Фурье. Их разделяют на две группы: двухмерная реконструкция Фурье и обратная проекция с фильтрацией, при этом чаще всего используются фильтрация Фурье и фильтрация сверткой. Медицинская интроскопия16 КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ • 500-2400 шт детекторов • 1-6 млн точек реконструкции (коэффициентов поглощения) • Линейный способ • Спиральный способ • Многослойный томограф Медицинская интроскопия17 КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ • Единицы Хаунсфильда (-1000, …, 1000 Н) • Разрешающая способность: – пространственная (определяется размером клетки матрицы (обычно < 1,5х1,5 мм), – по перепаду плотности (около 5 ед.Н. и менее (0,5%)) • • • • Анализ слоев толщиной от 1 до 5 мм Время сканирования — 1-2 с Лучевая нагрузка за исследование — 0,01-0,02 Гр Эффективная энергия излучения КТ лежит в интервале 60-80 кэВ • Усиление контрастности Медицинская интроскопия18 Пример КТ-томограмм Методика «усиления» при компьютерной томографии Медицинская интроскопия19 Пример КТ-томограмм Медицинская интроскопия20 Пример КТ-томограмм Медицинская интроскопия21 Пример КТ-томограмм Медицинская интроскопия22 Пример КТ-томограмм Медицинская интроскопия23 Пример КТтомограмм Медицинская интроскопия24 Медицинская интроскопия25 Медицинская интроскопия26 Медицинская интроскопия27 Медицинская интроскопия28 КТ • Диагностика • Биопсия • Планирование лучевой терапии • ОЧЕНЬ ДОРОГОЙ АППАРАТ И ПРОЦЕДУРА! $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ + €€€€€€ €€€€€€€€€€€€€€ Медицинская интроскопия29 КТ • На КТ-томограммах плохо отображаются и дифференцируются мягкие ткани: мышцы, жировые прослойки, хрящи, сосуды. Медицинская интроскопия30 МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ • Физическая сущность ядерного магнитного резонанса • История метода магнитно-резонансной томографии (МРТ) • Техника и методика МРТ Медицинская интроскопия31 Ядерный магнитный резонанс • Магнитно-резонансная интроскопия основана на явлении ядерно-магнитного резонанса. Суть его состоит в том, что ядра некоторых атомов, находясь в магнитном поле, под действием внешнего электромагнитного поля способны поглощать энергию, а затем испускать ее в виде радиосигнала. • Если атомную систему, находящуюся в постоянном магнитном поле, облучить внешним переменным электромагнитным полем, частота которого точно равна частоте перехода между энергетическими уровнями ядер атомов, то ядра начнут переходить в вышележащие по энергии квантовые состояния. Иначе говоря, наблюдается избирательное (резонансное) поглощение энергии электромагнитного поля. При прекращении воздействия переменного электромагнитного поля возникает резонансное выделение энергии. Медицинская интроскопия32 Ядерный магнитный резонанс • МРТ опирается на способность ядер некоторых атомов вести себя как магнитные диполи. Этим свойством обладают ядра, которые содержат нечетное число нуклонов, в частности 11H, 6 9 15 13 С, 19 F и 31 Р. Эти ядра отличаются ненулевым спином и соответствующим ему магнитным моментом. • Современные МР-томографы «настроены» на ядра водорода, т.е. на протоны. Протон находится в постоянном вращении, вокруг него имеется магнитное поле, которое имеет магнитный момент или спин. При помещении вращающегося протона в магнитное поле возникает прецессирование протона вокруг оси, направленной вдоль силовых линий приложенного магнитного поля. Частота прецессирования (резонансная частота) зависит от силы статического магнитного поля. Например, в магнитном поле напряженностью 1 Тл резонансная частота протона равна 42,57 МГц. w=gН Медицинская интроскопия33 Ядерный магнитный резонанс • • • • Расположение прецессирующего протона в магнитном поле может быть двояким: по направлению поля и против него. В последнем случае протон обладает большей энергией. Протон может менять свое положение: из ориентации магнитного момента по полю переходить в ориентацию против поля, т. е. с нижнего энергетического уровня на более высокий. Обычно дополнительное радиочастотное поле прикладывается в виде импульса, причем в двух вариантах: более короткого, который поворачивает протон на 90°, и более продолжительного, поворачивающего протон на 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение (релаксация), что сопровождается излучением порции энергии. Время релаксации протона строго постоянно. При этом различают два времени релаксации: T1 — время релаксации после 180° радиочастотного импульса (спинрешетчатая или продольная релаксация) и Т2 — время релаксации после 90° радиочастотного импульса (спин-спиновая или поперечная релаксация). Как правило T1 > Т2. С помощью специальных приборов можно зарегистрировать сигналы (резонансное излучение) от релаксирующих протонов, и на их анализе построить представление об исследуемом объекте. Магнитно-резонансными характеристиками объекта служат 3 параметра: плотность протонов, Т 1 и Т2. Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризует плотность протонов (концентрацию элемента в исследуемой среде). T1 и Т2 зависят от многих факторов (молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и др.). Медицинская интроскопия34 МРТ История создания магнитно-резонансной интроскопии. 1946 г. - Группы исследователей в Стандфорде и Гарварде независимо друг от друга открыли явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). 1952 г. - За открытие ЯМР Ф. Блоч и Е. Персель в. были удостоены Нобелевской премии. 60-е гг. – Данный феномен научились использовать для спектрального анализа биологических структур (ЯМРспектроскопия). 1973 г. - Пауль Лаутербур впервые показал возможность с помощью ЯМР-сигналов получить изображение — он представил изображение двух наполненных водой капиллярных трубочек. Рождение ЯМР-томографии. 1982 г. - Первые ЯМР-томограммы внутренних органов живого человека были продемонстрированы на Международном конгрессе радиологов в Париже. Медицинская интроскопия35 Магнитно-резонансная спектроскопия и томография Непосредственный анализ электромагнитных сигналов релаксирующих протонов используют для МР-спектроскопии. Специальная обработка этих сигналов в компьютере позволяет получить изображение слоев исследуемого объекта. Такие исследования назвали МР-томографией. Медицинская интроскопия36 Магнитно-резонансный спектрометр • Химический состав, структуры биологически активных веществ Медицинская интроскопия37 Магнитно-резонансная томография (МРТ) МР-томографы «настроены» на регистрация радиосигналов ядер водорода, находящихся в тканевой жидкости или жировой ткани. МРТ позволяет получать изображение любых слоев тела человека. МР-томограмма представляет собой картину плотности пространственного Распределения молекул, содержащих атомы водорода. Медицинская интроскопия38 Принцип действия ЯМР-томографа • 1 Медицинская интроскопия39 Магнитно-резонансная томография (МРТ) • В современных МР-томографах для создания постоянного магнитного поля применяют либо резистивные магниты больших размеров, либо сверхпроводящие магниты. Резистивные магниты дают сравнительно невысокую напряженность магнитного поля - около 0,2-0,3 Тл и удобны в эксплуатации. Для МР-спектроскопии они непригодны. • Сверхпроводящие магниты обеспечивают напряженность магнитного поля до 30 Тл. Однако они требуют глубокого охлаждения — до -269° (жидкий гелий - жидкий азот вакуумная камера). Необходимы отдельные помещения, тщательно экранированные от внешних магнитных и радиочастотных полей. Но последние достижения физики в области сверхпроводящих материалов позволят, вероятно, добиться значительного прогресса в конструировании МРтомографов с высокой напряженностью магнитного поля. Медицинская интроскопия40 ЯМР-томограф типа Magnetom Медицинская интроскопия41 МРТ Характер МР-изображения определяется тремя факторами: • плотностью протонов (т. е. концентрацией ядер водорода), • временем релаксации Т1 (спин-решетчатой), • временем релаксации Т2 (спин-спиновой). При этом основной вклад в создание изображения вносит анализ времени релаксации, а не протонной плотности. Существует ряд способов получения МР-томограмм. Наиболее распространены: спин-решетчатый и спин-эховый. При спин-решетчатом анализируют главным образом время релаксации Т1. Различные ткани (серое и белое вещество головного мозга, спинномозговая жидкость, опухолевая ткань, хрящ, мышцы и т. д.) имеют в своем составе протоны с разным временем релаксации Т1. С продолжительностью T1 связана величина МР-сигнала: чем короче Т1, тем сильнее МР-сигнал и тем светлее выглядит данное место изображения на телемониторе. Жировая ткань на МРтомограммах — белая, вслед за ней идут головной и спинной мозг, плотные внутренние органы, сосудистые стенки и мышцы. Воздух, кости и кальцификаты практически не дают МР-сигнала и поэтому отображаются черным цветом. В свою очередь мозговая ткань также имеет неоднородное время Т1 — у белого вещества оно иное, чем у серого. Т1 опухолевой ткани отличается от T1 одно­ именной нормальной ткани. Указанные взаимоотношения времени релаксации создают предпосылки для визуализации нормальных и измененных тканей на МР-томограммах (см. рис). Медицинская интроскопия42 МРТ • При спин-эховым способе МР-томографии на пациента направляют серию радиочастотных сигналов, поворачивающих прецессирующие протоны на 90°. Вслед за прекращением импульсов регистрируют ответные МР-сигналы. Однако интенсивность ответного сигнала по-иному связана с продолжительностью Т2: чем короче Т2, тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость свечения точки на томограмме. Таким образом, итоговая картина МРТ по способу Т2 противоположна МРТ по способу Т1 (как негатив позитиву). Медицинская интроскопия43 МРТ МР-томограммы головного мозга, выполненные на основе измерения T1 и Т2 Медицинская интроскопия44 МРТ МРТ головного мозга, произведенные в сагиттальной (а), поперечной (аксиальной) (б) и фронтальной (в) проекциях Медицинская интроскопия45 МРТ • Применяется искусственное контрастирование тканей химическими веществами, содержащие ядра с нечетным числом протонов и нейтронов, или же парамагнетики • Исследование не обременительно для больного и не сопровождается никакими ощущениями и осложнениями. • На МР-томограммах лучше, чем на компьютерных томограммах, отображаются мягкие ткани: мышцы, жировые прослойки, хрящи, сосуды. • Можно получить изображение сосудов, не вводя в них контрастное вещество (МР-ангиография). • Вследствие небольшого содержания воды в костной ткани последняя не создает экранирующего эффекта. • Препятствием для МР-интроскопии, связанной с воздействием сильного магнитного поля, является наличие у пациента металлических инородных тел в тканях, кардиостимуляторов, электрических нейро-стимуляторов. Медицинская интроскопия46 МРТ • ВЫСОКАЯ СЛОЖНОСТЬ И ДОРОГОВИЗНА АППАРАТУРЫ!!! $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$ + €€€€€€€€€€€€€€ €€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€ €€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€ Медицинская интроскопия47
