+7 (499) 519-32-54
Звоните! Запись с 8.00 до 21.00

Рентгеновская компьютерная томография

Изобретение рентгеновской томографии с обработкой получаемой информации на ЭВМ произвело переворот в области получения изображения в медицине. Рентгеновская компьютерная томография является одним из самых эффективных методов современной диагностики. Компьютерная томография (KT) – метод исследования, при котором, как и при других рентгенологических методах, используются рентгеновские лучи (Х-лучи).

Однако, в отличие от обычной рентгенографии, КТ позволяет получить снимок определенного поперечного слоя (среза) человеческого тела. При этом организм можно исследовать слоями шагом в 1 мм. А главное, с помощью КТ можно увидеть структуры, которые не видны на обычных рентгенограммах. При обычном исследовании рентгеновские лучи проходят через тело и оставляют след на пленке, затем изображение на ней расшифровывает врач. Компьютерный томограф позволяет детально осмотреть органы человека по отдельности. В этом отличие его от рентгеновского снимка, представляющего собой проекционное изображение, на котором видны не органы и ткани человека, а лишь их тени, которые накладываются друг на друга. При КТ лучи попадают на специальную матрицу, передающую информацию в компьютер, который обрабатывает полученные данные о поглощении Х-лучей организмом человека и выводит изображение на экран монитора. Таким образом, фиксируются мельчайшие изменения поглощаемости лучей, что, в свою очередь, и позволяет увидеть то, что не видно на обычном рентгеновском снимке. Для усиления «видимости» в организм могут вводиться контрастные вещества, которые, заполняя определенные пространства, упрощают распознавание тех или иных патологических процессов.

Отцами – основателями компьютерной томографии являются американский физик Кормак, теоретически обосновавший возможность получения информации и построения КТ-изображения, и инженер – практик Хаунсфилд, реализовавший идею на практике.

Рентгеновская техника зародилась в конце XIX в., когда Вильгельм Рентген обнаружил лучи, названные им X-излучением, и с их помощью получил первое рентгеновское изображение кисти руки своей жены. При таких методиках через руку или другую часть тела на чувствительную пленку проходит довольно широкий пучок рентгеновских лучей. Энергия этих лучей, попадающих на пленку, неодинакова из-за того, что различные ткани, через которые проходят лучи, по-разному поглощают их. Такие плотные ткани, как кости, обладают очень высоким поглощением, и поэтому проходящий через них пучок сильно ослабляется, мягкие ткани и жидкости поглощают меньше лучей, воздух – еще меньше.

Рентгенограммы отображают лишь общее поглощение лучей на пути каждого пучка. При этом по ним невозможно определить, какое участие в этом общем поглощении приняли ткани, через которые этот пучок последовательно проходил. Это вызывает трудности, например, при рентгенографии головы, т. к. кости черепа поглощают лучи очень сильно и скрывают изображение мягких тканей мозга. К. пришла в голову мысль о том, что если сделать несколько рентгеновских измерений, при которых луч будет проходить через объект под разными углами, то при этом будет получена информация о поглощении лучей отдельными внутренними участками.

Хотя казалось вполне разумным предположить, что с помощью многочисленных рентгеновских измерений можно получить необходимую информацию, оставалась еще чисто математическая проблема: как интерпретировать весь объем получаемых данных для воссоздания деталей внутреннего строения? Эту проблему несколько облегчало положение, согласно которому рентгеновские лучи всегда проходят через объект в одной и той же плоскости, как бы осуществляя при этом тонкий срез тканей, в результате чего образуется двухмерное поперечное сечение. Повторяя такие измерения в серии замкнутых параллельных плоскостей, можно осуществить трехмерную реконструкцию объекта.

Подобное рентгеновское изображение, состоящее из отдельных тонких срезов, называется в настоящее время томограммой (от греч. tomos, что означает «срез»), а методика в целом получила название компьютерной томографии. К. разработал математические методы для анализа данных, получаемых при рентгеновских измерениях, и продолжал совершенствовать эти методы в течение нескольких лет.

В конце 60-х – начале 70-х гг. научный сотрудник из английского объединения «Электрикал энд мьюзикал инструменте лимитед» (EMI) Годфри Хаунсфилд разработал сходный, но более практичный метод компьютерно-томографического сканирования. Большую роль в этом сыграло появление современных компьютеров. В 1971 г. в Уимблдонской больнице Аткинсона Морли (Великобритания) был установлен первый клинический компьютерный томограф и начались исследования больных с опухолями и другими заболеваниями головного мозга. В апреле 1972 г. EMI объявило о производстве первого коммерческого компьютерного томографа – EMICT-1000. Хаунсфилд в своем томографе использовал кристаллический детектор с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), однако источником была трубка, жестко связанная с детектором, которая делала сначала поступательное, а затем вращательное движение при постоянном включении рентгеновского излучения. Такое устройство томографа позволяло получить томограмму за 4-20 мин. Клинические испытания этого томографа сразу показали, что компьютерная томография – большой шаг вперед по сравнению с другими методиками получения рентгеновских изображений тканей человека.

Серийный компьютерный томограф состоит из четырех основных блоков: генератор рентгеновского излучения; сканирующий элемент (рентгеновская трубка и детектор); компьютер, рассчитывающий степень ослабления рентгеновского излучения вследствие его поглощения тканями; осциллоскоп с принтером, предназначенные для вывода полученных картин рентгеновского поглощения. Пациент при исследовании неподвижен, а источник излучения и сканирующий элемент вращаются вокруг его головы, делая при этом несколько сотен измерений поглощения лучей тканями головного мозга, на основании чего далее строится двухмерное изображение того или иного сечения. Для получения трехмерного изображения пациент постепенно смещается вдоль оси вращения, что позволяет сделать последовательное сечение, из которого затем реконструируется трехмерное изображение (в некоторых моделях имеется большое количество фиксированных по окружности детекторов и осуществляется лишь вращение источников излучения).

По мнению Хаунсфилда, компьютерный томограф в 100 раз эффективнее обычного рентгеновского аппарата, т.к. обрабатывает всю получаемую информацию, а обычная рентгеновская установка – лишь около 1%. Компьютерный томограф чувствительнее, и для него требуется меньше энергии на один снимок, чем для обычной рентгеновской установки, хотя общая доза оказывается примерно одинаковой из-за того, что для томографа необходимо много снимков. Однако главное преимущество томографа заключается в том, что с его помощью можно четко отличить мягкие ткани от тканей, их окружающих, даже если разница в поглощении лучей очень невелика. Поэтому прибор позволяет отличить здоровые ткани от пораженных. Первоначально компьютерные томографы использовались для сканирования мозга, а в настоящее время они применяются для исследования практически любых участков тела. В 1979 г. К. совместно с Хаунсфилдом была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии».

При томографическом подходе к исследованию объекта предполагается, что внутренняя структура объекта характеризуется некоторой функцией трех переменных. Примерами таких функций являются плотность объекта, скорость распределения звука, электрическое сопротивление, электрическая емкость, плотность атомов некоторого элемента, например, водорода. Задачей томографии является определение функции, характеризующей внутреннюю структуру объекта. При исследовании объектов, меняющихся во времени искомая функция зависит не только от пространственных координат но и от времени.

Примерами подобных объектов являются работающее сердце, или потоки жидкостей и газов в трубах. В настоящее время существуют различные типы томографов, например, рентгеновские, ультразвуковые, ЯМР и электротомографы. Различные виды томографии существенно отличаются между собой как используемыми физическими принципами и явлениями, так и типами математических уравнений, решаемых при создании алгоритмов реконструкции. Общим свойством этих уравнений является то, что если не предпринимать специальных мер, то малые погрешности в исходных данных могут приводить к сколь угодно большим погрешностям в решении. Задачи подобного рода называются некорректными. В настоящее время разработаны математически строгие подходы к постановке и решению подобных задач, позволяющие получать практически полезные решения. Соответствующие методы используются в явном или не явном виде при создании томографов и проведении томографических исследований. Традиционными сферами применения томографии являются медицина, биология, дефектоскопия, геофизика, Интенсивно развивается применение томографических методов в химии при создании и исследовании сверхчистых веществ.

Рисунок 1.

Рисунок 1.

Исследования внутренней структуры объектов с помощью рентгеновского излучения широко распространены и хорошо известны. Ослабление рентгеновского излучения вдоль луча, соединяющего источник и приемник, является интегральной характеристикой плотности исследуемого объекта. Ослабление излучения для объектов O1 и O2, представленных на рисунке 1, будет совпадать для луча L1 и будет отличаться для луча L2. С математической точки зрения речь идет о задаче восстановления функции по ее интегральным значениям вдоль некоторого семейства лучей. Различные лучи соответствуют различным (относительно объекта) положениям источника и приемника излучения. Такая модель является простейшей, но во многих случаях хорошо отражает реальную ситуацию и подтверждается исследованиям реальных тестовых объектов. Плотность реальных объектов является функцией трех пространственных координат. Однако в классической компьютерной томографии трехмерный объект представляют в виде набора тонких срезов. Внутри каждого среза плотность считают функцией только двух переменных. При исследовании фиксированного среза систему источник-приемник устраивают таким образом, что регистрируются данные только по лучам, лежащим в тонком слое относительно центральной плоскости среза. Таким образом приходят к задаче восстановления функции двух переменных по ее интегральным значениям вдоль некоторого семейства лучей. Типичные схемы сканирования представлены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Параллельная схема сканирования.

Рисунок 2. Параллельная схема сканирования.

Рисунок 3. Веерная схема сканирования.

Рисунок 3. Веерная схема сканирования.

На рисунке 2 представлена параллельная схема сканирования, обычно используемая в теоретических исследованиях, на рисунке 3 представлена веерная схема, чаще встречающаяся в реальных томографах. Для регистрации используется линейка детекторов, различные положения источника относительно объекта обеспечиваются вращением системы регистрации или объекта. В непрерывном случае приведенные схемы эквивалентны, однако в реальных ситуациях применение каждой из схем имеет свои особенности, связанные с тем, что число приемников и число положений источника конечно.

В марте 1973 года впервые была получена картина внутренней структуры вещества головного мозга с указанием места нахождения очага поражения. Это сейчас звучит буднично, но 28 лет назад впервые в мире человечество получило возможность заглянуть внутрь живого мозга и судить о нарушениях в нем не по косвенным причинам – изменению костей черепа и сосудов мозга, а изучить изменения самого субстрата, различить серое и белое вещество! Идея и ее материальное воплощение покорили мир. И вот уже на потребителей посыпались компьютерные томографы I, II, III, IV поколений.

Последние два поколения отличаются друг от друга характером взаимоотношения детекторов, принимающих рентгеновское излучение, прошедшее через поперечную плоскость человеческого тела, и рентгеновской трубки, вращающейся вокруг оси пациента.

Большинство современных установок – это аппараты третьего поколения. И если на аппаратах первого поколения процесс снятия информации и получения “картинки” занимал минуты, на аппаратах второго – десятки секунд, то на томографах используемых с 80-х годов, счет идет на секунды. Причем последние 8 лет, когда в обиход вошли спиральные компьютерные томографы и электронно-лучевые КТ, речь идет о секундах и их долях.

КТ основана на способности различных органов и тканей (как здоровых, так и патологически измененных) поглощать рентгеновское излучение. В свою очередь, ослабление рентгеновского излучения фиксируется специальными датчиками, сигнал от которых поступает для анализа в компьютер. В результате сложных математических расчетов пространственное взаимоотношение точек с различной способностью к поглощению рентгеновского излучения можно представить в виде математических таблиц, графиков, а еще более наглядно — в виде графической “картинки”. Чем с большего количества детекторов используется информация, тем выше ее качество.

Получаемая в результате КТ картина абсолютно объективна, ее возможно оценивать и изучать на мониторе прибора, фиксировать на бумаге либо рентгеновской пленке, проводить сравнения и сопоставления в течение какого-то периода времени, если имеется сложный диагностический случай.

Каждое новейшее открытие в физике или технике неминуемо находит воплощение в медицине; ярким примером тому может служить открытие Рентгена и блистательное его внедрение во врачебную практику. Компьютерную томографию (КТ) можно рассматривать как новый виток в развитие рентгенологии, в свою очередь принципы математической обработки при построение изображения при КТ легли в основу безлучевого метода исследования – магнитно-резонансной томографии.

Благодаря высокой информативности и безопасности по сравнению с другими рентгеновскими методами КТ получила огромное распространение. Наибольшее значение она имеет для травматологии и нейрохирургии. Необходимо отметить, что лучевая нагрузка при компьютерной томографии значительно ниже, чем при обычном рентгеновском исследовании. Это позволяет говорить о большей безопасности метода по сравнению с другими исследованиями, использующими Х-лучи.

Новую технологию обработки кристаллов, используемых в рентгеновской компьютерной томографии, создали в Институте физики твердого тела (поселок Черноголовка Московской области). Эта технология позволяет не только удешевить чрезвычайно дорогую медицинскую аппаратуру, но и резко повысить ее чувствительность, а значит, уменьшить дозу облучения пациента при обследовании.

Компьютерная томография возникла на базе, казалось бы, самой опасной из наук минувшего века — ядерной физики. Компьютерный рентгеновский томограф просвечивает человеческое тело подобно тому, как это делает обычный рентгеновский аппарат, только не в одной проекции, а в нескольких. Информация поступает в компьютер через систему чувствительных к рентгеновскому облучению кристаллов и после компьютерной обработки выводится на экран монитора. Врач в результате получает возможность видеть больного насквозь. Например, наблюдать за работой кровеносных сосудов, обнаружить только зарождающиеся тромбы и понять причины нарушений мозгового кровообращения, разглядеть практически незаметные сбои в работе сердца и пищеварительных органов или едва намечающиеся уплотнения тканей, способные в будущем переродиться в опухоли.

Датчик, преобразующий рентгеновское излучение в электрический сигнал и состоящий из кристалла-сцинциллятора (верхний слой) и фотодиода (тонкая темная прослойка между кристаллом и светло-коричневой подложкой из керамики).

Датчик, преобразующий рентгеновское излучение в электрический сигнал и состоящий из кристалла-сцинциллятора (верхний слой) и фотодиода (тонкая темная прослойка между кристаллом и светло-коричневой подложкой из керамики).

Что же касается здоровых людей, то изучение при помощи компьютерной томографии, скажем, тонкой структуры головного мозга может с большой долей определенности подсказать, к какому роду деятельности данный конкретный человек оптимально приспособлен. Подобная информация наверняка представляет интерес и для тех, кто выбирает себе профессию, и для работодателей.

Неудивительно, что эта область медицинской техники интенсивно развивается во многих странах, а в богатых США, например, компьютерные томографы имеются в любой клинике (прибор стоит около миллиона долларов). У нас подобной аппаратурой располагают лишь наиболее крупные медицинские центры.

Оснащенная такими датчиками сканирующая часть компьютерного томографа, в которую пациента ввозят на специальном столе.

Оснащенная такими датчиками сканирующая часть компьютерного томографа, в которую пациента ввозят на специальном столе.

Итак, дело в цене, а она во многом зависит от затрат на производство тех чувствительных к рентгеновскому излучению кристаллов, которых в каждом компьютерном томографе требуется не менее десяти тысяч. Здесь и «работают» оригинальные технологические приемы, предложенные учеными Черноголовки.

Рабочее место врача, защищенное от сканера окном со свинцовым стеклом.

Рабочее место врача, защищенное от сканера окном со свинцовым стеклом.

Рабочее место врача, защищенное от сканера окном со свинцовым стеклом.

Обычно процесс изготовления кристалла проходит в несколько стадий. Сначала из высокотемпературных (до 2000о С) расплавов выращивают большой кристалл, и это требует огромных затрат энергии, дорогостоящих установок и долгих часов работы.

Полученный в результате кристалл разрезают на множество заготовок, каждую из которых тщательно полируют алмазными порошками. Необходимость этой процедуры связана с тем, что рассеяние света на недостаточно прозрачных гранях во много раз уменьшает полезный сигнал, а значит, и чувствительность прибора. В Институте физики твердого тела нашли способ заменить полировку разглаживанием кристалла. Делается это при помощи оптически отполированных пуансонов и при весьма высокой температуре, когда поверхность кристалла достаточно пластична и его удается разгладить буквально до зеркального состояния. Новая технология не только многократно снижает затраты труда и дорогостоящих материалов, но и в высокой степени улучшает качество обработанных поверхностей и тем самым повышает чувствительность прибора. Появляется реальная возможность в десятки раз уменьшить неизбежную при рентгеновской компьютерной томографии дозу облучения.

Сейчас в Черноголовке изучают идею кардинального изменения всей цепочки получения кристаллов: пытаются создать чувствительные элементы, минуя стадию больших монокристаллов. Идея заманчива и недавно победила на конкурсе научно-технических проектов в США, получив там финансовую поддержку. Срок выполнения проекта — два года, и есть надежда, что он принесет пользу и мировой науке, и российским пациентам.