Рентгеновская компьютерная томография (РКТ или чаще компьютерная томография - КТ)

История

Всё началось с открытия рентгеновского излучения Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном (Рентген) в 1985 г (в 1901 году получил Нобелевскую премию по физике). Иногда называют икс-излучение от англ. X-ray.

В 1897 г. Вильям Мортон первым сделал рентгеновский снимок всего тела.

В 1916 г. Кэрол Майер получила изображения, используя двигающуюся плёнку при стационарном источнике.

В 1963 г. Аллан МакЛеод Кормак решил задачу томографического восстановления (до этого другим способом её решил И. Родон).

В 1969 г. Годфри Ньюболд Хаунсфилд сконструировал первый томограф «ЭМИ-сканер» (EMI-scanner). В 1979 году «за разработку компьютерной томографии» Кормак и Хаунсфилд были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

В 1971 г. неврологи Джэймс Амброс и Луис Крэл провели клинические испытания прототипа сканера для головы EMI Mark I scanner.

В 1973 г. первый коммерческий сканер EMI CT 1000 был выпущен на рынок.

В 1976 г. был разработан первый сканер с веерообразным лучом.

В 1989 г. был изобретён первый спиральный (spiral or helical) сканер, в котором гентри вращалось без остановки.

С 1989 по 2004 гг были изобретены многосрезовый спиральный сканер.

Современные томографы чаще всего делают 64 среза. Но новейшие сканеры способны создавать 320 слоёв за 200 милисекунд.

Основные принципы

Компьютерный томограф основан на использовании рентгеновских лучей и позволяет получить посрезовое изображение объекта. Основные компоненты томографа это источник излучения и приёмник, между которыми помещается объект исследования. Источник и приёмник вращаются вокруг объекта, позволяя получить снимки объекта под разными углами. Затем из полученных снимков реконструируется изображение срезов объекта исследования.

Реконструкция и преобразование Радона (filtered back projection)

Рентгеновский луч, проходя сквозь объект, поглощается тканями с различной интенсивностью (в зависимости от плотности ткани). Суммарное поглощение луча, прошедшего сквозь объект равно сумме поглощений в каждой точки на пути луча и обычно измеряется по шкале Хаунсфилда (за ноль принимается степень поглощения излучения дистиллированной водой).

Сканируя объект с разных сторон можно затем найти значение коэффициента поглощения в каждой точки объекта с помощью обратного преобразования Радона (по имени австрийского математика). В английской литературе в контексте компьютерное томографии преобразование Радона называется filtered back projection.

Преобразование Радона это интегральное преобразование функции. Оно имеет простой геометрический смысл — это интеграл от функции вдоль заданной прямой.

Таким образом, сканирование объекта с разных сторон это получение значения интеграла функции, которая задаёт распределение коэффициента поглощения вдоль заданной линии (рентгеновского луча). Чтобы получить значение коэффициента поглощения (что практически эквивалентно плотности) в каждой точке сканируемого объекта необходимо воспользоваться обратным преобразованием Радона.

Реконструированное КТ изображение представляет собой трёхмерный объём, состоящий из дискретного набора вокселей (трёхмерный аналог пикселей). Исходными данными для процедуры реконструкции является набор проекций объекта, сделанный под разными углами. Для получения высокого разрешения необходимо примерно 200 проекций, для низкого разрешения, но быстрого сканирования достаточно 30-60 проекций.

Для получения реконструированного изображения каждому вокселю присваивается значение, равное сумме интегралов коэффициентов поглощения вдоль всех линий множетсва полученных проекций, проходящих через этот воксель. Затем вычитается сумма всех вокселей первой проекции и нормируется на количество оставшихся проекций.

После обратного преобразование с помощью программного обеспечения изображение также подвергается фильтрации для улучшения его качества.

После этого реконструированный трёхмерный объём можно посрезово проецировать на плоскость для визуализации на мониторе или печати на плёнке или бумаге. Срезы могут быть сделаны в любом направлении, но чаще всего используют сагиттальный (sagittal), фронтальный и аксиальный срезы

Проекция максимальной интенсивности

Метод реконструкции трёхмерного объёма и проекции на плоскость для визуализации. Основная идея в том, чтобы на плоскость спроецировать зоны с максимальной интенсивностью, которые распределены между различными слайсами. При таком проецировании хорошо просматривается структура костей, но теряется ощущение объёма. Поэтому используется несколько проекций максимальной интенсивности с разных сторон и затем просматривается в виде анимированного крутящегося объекта.

Поглощённая доза

Поскольку ионизирующее излучение, к которому относится и рентгеновское, является опасным для человека, необходимо учитывать и контролировать получаемую пациентом дозу облучения. Существует несколько способов измерения поглощённой дозы радиации.

Поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название — грэй (русское обозначение: Гр; международное: Gy).

Эффективная доза это сумма доз всех органов и тканей, с учётом их радиочувствительности. Эффективная поглощённая доза измеряется в зивертах (Зв) и учитывает различную чувствительность к излучению в зависимости от органа или ткани. В среднем человек получает дозу 2-3 микро зиверта в год от естественных источников, как солнце и радиоактивные породы. Во время КТ человек получает 1-5 микро зиверта в зависимости от части тела и модели сканера. Например, для головы – 2, для живота – 5 микрозиверта.

Эквивалентная доза (H), также измеряемая в зивертах, отражает биологический эффект облучения. Это поглощённая доза в органе или ткани, умноженная на коэффициент качества данного вида излучения, отражающий его способность повреждать ткани организма.

Керма, измеряемая в грэях - сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, освобождённых незаряженным ионизирующим излучением (таким как фотоны или нейтроны) в образце вещества, отнесённая к массе образца.

В КТ используется Индекс дозы компьютерной томографии (Computed Tomography Dose Index (CTDI)), который характеризует поглощённую дозу одиночного среза тела пациента, и произведение дозы на длину Dose Length Product (DLP), измеряется в Гр*см.

Компьютерная томографическая установка

Для установки компьютерного томографа необходима отдельная просторная комната, подготовленная специальным образом. Пол должен иметь антистатическое нескользкое покрытие. Стены должны содержать материал, поглощающий рентгеновское излучение.

Для радиолога (специалиста, проводящего томографию) должна быть предусмотрена отдельная комната, которая отделена специальным стеклом, содержащим свинец для поглощения ионизирующего рентгеновского излучения.

Аппарат состоит из кольцевидной части (гентри), содержащей в себе рентгеновскую трубку, детекторов излучения и кровати, которая движется внутри гентри. Излучатель вращается внутри гентри вокруг пациента и генерирует очень тонкий веерообразный пучок рентгеновских лучей. Этот пучок проходит через тело человека и регистрируется детекторами, расположенными напротив излучателя.

Перед началом процедуры пациент укладывается на кровать и позиционируется с помощью лазерных красных лучей таким образом, чтобы нужная область тела (орган) находился в области видимости томографа. Затем начинается процесс получения данных.

Когда получение данных закончено, программное обеспечение реконструирует изображения срезов (слайсов) исследуемого объёма тела. ПО позволяет просматривать различные срезы: сагиттальный (sagittal) (разрез, идущий в плоскости двусторонней симметрии тела), фронтальный, или коронарный (coronal) (разрез, идущий вдоль передне-задней оси тела перпендикулярно сагиттальному), аксиальный (axial or transverse) (разрез, идущий в поперечной плоскости тела). Также ПО позволяет просматривать трёхмерную модель исследуемого органа, замерять расстояние, интенсивность в выбранной точке и пр.

Эволюция сканеров

Существует несколько вариантов разделения томографов на поколения. Ниже приводится один из них.

В первом поколении компьютерных томографов использовался параллельный пучок лучей, соответственно назывался он «система с параллельными лучами» (a parallel-beam system). Использовалась одна рентгеновская трубка, направленная на один детектор. Сканирование производилось шаг за шагом, делая по одному обороту на слой. Затем горизонтальное смещение к следующему слою.

Второе поколение использовало веерообразный пучок лучей, отсюда название «система с веерообразными лучами» (a fan-beam system). Напротив рентгеновской трубки устанавливается несколько детекторов. Сканирование проходит быстрее, чем с первым поколением томографов за счёт того, что за один такт сканирования покрывается большая площадь тела пациента.

Третье поколение томографов появилось за счёт устранения горизонтального перемещения трубки и детекторов, его называют «непрерывно вращающийся сканер» (continuous rotation scanner). Чётвёртое поколение ввело понятие спиральной компьютерной томографии (spiral computed tomography). Форма пучка лучей стала конической.

Пятое поколение имеет 1088 люминесцентных датчиков, расположенных по всему кольцу гентри. Вращается лишь рентгеновская трубка. Благодаря этому методу время вращения сократилось до 0,7 секунд. Но существенного отличия в качестве изображений с КТ аппаратами 3-го поколения не имеет.

Шкала Хаунсфилда

КТ позволяет измерять степень поглощения рентгеновских лучей в каждой точке объекта. Точка называется вокселем. Каждому вокселю ставится в соответствие чило по Шкале Хаунсфилда (денситометрические показатели – Hounsfield unit HU или КТ-число - CT numbers), которое показывает ослабление излучения по отношению к дистиллированной воде.

КТ сканеры способны получать изображения объектов с ослаблением от -1000 до +1000 HU. Имеются сканеры, которые позволяют получать изображения объектов до +4000 HU (очень твёрдый металл).

Диапазон значений по шкале Хаунсфилда, который томограф позволяет заснять, называется окном. При увеличении ширины окна контраст уменьшается, т.е. хорошо будет видно и кости и мягкую ткань, но мягкая ткань будет однородной. Если уменьшить ширину окна, то, например, кости будут засвечены, а мягкие ткани станут контрастными. Середина окна устанавливается на значении, которое соответствует исследуемому органу в среднем. Т.о. можно сделать, чтобы хорошо контрастировались либо кости, либо мягкие ткани.