Рентгенівська томографія

Отримання пошарового знімку в методі рентгенівської томографії ґрунтується на переміщенні двох із трьох компо­нентів (рентгенівська трубка, рентгенівська плівка, об'єкт дослідження). Поширення дістала методика, при якій об'єкт нерухомий, а рентгенівська трубка і касета з плівкою узгоджено переміщуються в протилежних напрямках.

У рентгенівських томографах пацієнта "використову­ють" в ролі вісі, навколо якої обертають рентгенівську трубку і високочутливий детектор (приймач) рентгенів­ського випромінювання. Принцип одержання рентгенограм різних шарів показаний на рис. 8.20.

Рис. 8.20. Принцип рсптгеїіогомографії.

Рентгенівську трубку 1 і плівку (детектор) 3 зміщують в протилежні сторони так, щоб тінь шару, де знаходиться точка весь час падала на одне і те саме місце плівки. За час, поки трубка пройде відстань а, плівка повинна пройти відстань За цієї умови на плівці з'являється чітке зображення шару Тіні шарів, розміщених вище і нижче шару будуть рухатися швидше або повільніше плівки і тому "змажуться". Глибину х залягання шару А визначають із подібності заштрихованих трикутників звідки - величина стала. Вимірюючи а і

знаходимо Для отримання рентгенограми другого шару треба змінити відстань між трубкою, шаром і плівкою.

Якщо розмістити рентгенівську трубку і детектор на протилежних кінцях діаметра "бублика", а в центрі (на осі "бублика") розмістити певну частину тіла пацієнта, то при зміщенні "бублика" вздовж тіла можна дістати зображення поперечного перерізу тіла пацієнта. Використовуючи в ролі детектора рентгенотелебачення, "зрізи" тіла можна бачити на телевізійному екрані. Програмування роботи томографа за допомогою ЕОМ називають комп'ютерною томогра­фією.

Технічні основи роботи рентгенівського коми 'Іотер-пого томографа. Суть рентгенівської комп'ютерної томо­графії можна сформулювати таким чином: на спеціальній круговій рамі закріплені рентгенівська трубка і два чутливих сцинтиляційних детектори з кристалічного натрію, направлені в бік трубки. Поміж трубкою і детек­торами знаходиться об'єкт дослідження. Колімований (тобто паралельний) пучок рентгенівських променів типово перерізом 3x13 мм проходить через нерухомий об'єкт дослідження. При лінійному переміщенні трубки вздовж скануючої (досліджуваної) площини 160 разів проводиться реєстрація фотонів рентгенівського випромінювання, які пройшли через об'єкт. Потім система трубка-детектор повертається на 1° і знову проводиться сканування і та доти, доки не пройдуть всі 180°. При цьому з кожноп детектора реєструється 28800 (180x160) показів, які фіксу ються або на магнітній стрічці, або на магнітному диску обробляються комп'ютером. Ширина досліджуваного шар> в даній системі становить 13 мм.

Реконструкція рентгенологічної картини здійснюється на підставі оцінки інтенсивності рентгенівського випромі­нювання, яке реєструється кожним детектором. А величина реєструючої інтенсивності визначається поглинанням рент­генівських променів тими матеріалами, через які вони проходять.

Зображення відображається у формі матриці, що має 80 х 80 полів розміром 3x3 мм. Кожне із 6400 полів харак­теризує величину випромінювання, поглинутого ділянкою тканини розміром 3x3x13 мм (117 мм³). Назвемо його як елемент тканини. Кожний такий елемент має свій номер і свій коефіцієнт поглинання. Останній обчислюється цифро­вим комп'ютером з точністю до 0.5% і відтворюється спе­ціальним друкуючим пристроєм.

Поряд з вивченням коефіцієнта поглинання в чисель­ному вигляді є й інші методи обробки одержаної інфор­мації:

1) одержують безпосереднє зображення об'єкта на екра­ні електронно-променевої трубки. При цьому аналоговий комп'ютер видає на екран осцилоскопа величину поглинан­ня рентгенівського випромінювання кожною точкою досліджуваного шару, перетворену у відповідну градацію яскравості. Найчастіше відтворюються 16-20 градацій сіро­го зображення об'єкта, яке розрізняє око людини.

2) для фіксації досліджуваної ділянки об'єкта викори­стовується рентгенографія зображення апаратом типу "По­ляроїд".

Комплекс рентгенівського комп'ютерного томографа, що призначений для досліджень як головного мозку, так і інших органів тіла людини, включає сім основних блоків: 1 - стіл для хворого, пульт керування і кругова рамка з рентгенівською трубкою і детекторами; 2 - центральний пульт управління; 3 - генератор рентгенівського випромі­нювання; 4 - пристрій для обробки інформації; 5 - пристрій для відтворення зображення; 6 - система охолодження (кондиціонер); 7 - високовольтний трансформатор.

В апаратах типу Delta для дослідження як черепа, так і інших органів тіла людини, що випускаються з 1975 року у США, використовується інший принцип сканування -пучок променів рентгенівської трубки розділяється коліма­тором на кілька пучків, які реєструються більшою кількістю (до ЗО) детекторів. Зміщення такої системи при кожному скануванні становить 10-18°, що скорочує час дослідження до 18 с, і таким чином робить можливою затримку дихання лише на даний період. Таке доступне більшості досліджу­ваних хворих. Такі апарати відносяться до другого поко­ління комп'ютерних томографів.

У комп'ютерних томографах третього покоління вико­ристано новий принцип. Широкий пучок рентгенівського випромінювання охоплює весь об'єкт і реєструється комп­лексною системою ксенонових детекторів (до 256) з вико­ристанням лише обертового руху трубки. У деяких випад­ках використовують принцип паралельного обертання труб­ки і детекторів, що скорочує час обстеження до 5-6 с (апарати General Electric СТ/Т, СТ/М, Variari).

Оскільки при дослідженні черепа необхідне високе кон­трастне і хороше просторове розділення, то для цього краще використати комп'ютерні томографи перших двох поколінь. Під час дослідження всього тіла ще необхідно і малий час процедури, тому в такому випадку використовують комп'ю­терні томографи третього покоління.

Для удосконалення наявних комп'ютерних томографів впроваджують матриці розміром що дає змогу реєструвати дозу опромінення, яка поглинається значно меншим об'ємом тканини. Прагнуть одержати кольорове зображення, поліпшити його якість. Збільшують кількість показів, що знімають з детекторів - вона зросла з 28800 на перших моделях до 80000-324000 на сучасних апаратах. Розробляються і впроваджуються принципово нові типи комп'ютерних томографів, зокрема надшвидкі моделі, та моделі, в яких застосовано принцип позитронно-емісійного сканування (див. нижче), а також апарати, де поєднується принцип комп'ютерного томографа з вимірюванням кон­центрації радіоактивних ізотопів в організмі.

Можливості методу рентгенівської комп'ютерної діагностики. Метод рентгенівської комп'ютерної томогра­фії має високу роздільну здатність для м'яких тканин, що дає змогу виявити патологічні зміни м'яких тканин, які не реєструються іншими методами рентгенодіагностики.

Рентгенівське зображення при комп'ютерній томографії одержують завдяки тому, що різні тканини тіла людини ма­ють неоднаковий коефіцієнт поглинання рентгенівських променів. Під час дослідження будь-якого органа або ткани­ни їх патологічні зміни можуть проявитися або ділянками з великим коефіцієнтом поглинання (пухлини, кальцінати), або з малим коефіцієнтом поглинання (зони деструкції), або чергуванням зон більшої і меншої густини. Деякі захворю­вання можуть не супроводжуватись суттєвими змінами густини порівняно зі здоровою тканиною, але виявляються шляхом збільшення органа, його деформацією, зміщенням прилеглих структур тощо.

У нормальних умовах коефіцієнт поглинання різних тканин головного мозку коливається в межах до 4%. Оскіль­ки точність вимірювання апаратом становить 0.5%, то в середині зони 4% утворюється вісім рівнів інтенсивності, які характеризують варіанти сірого зображення. Досліджен­ня коефіцієнта поглинання головного мозку показали, що для кори головного мозку він дорівнює 19-20 умовних одиниць, білої речовини - 13-17, церебральноспинальної рідини - 0-7, циркулюючої крові - 13-23, кальцію - 20-200. Завдяки цьому на різних рівнях зрізів добре видно різні ділянки головного мозку і ліквормістких просторів. Для аналізу цієї картини необхідно добре знати рентгеноанато-мію головного мозку.

Для збільшення контрастності - "підсилення" зобра­ження при комп'ютерній томографії у вену вводять 20-40 мл sodium iothalamate і повторно скапують через 5, 10, 15, 20 хвилин. При цьому спостерігається значне збільшення густини багатьох патологічних утворень і, як наслідок, збільшення роздільних можливостей методу. Методику "підсилення" в даний час використовують більш ніж у 60% хворих. Кількість інших типів контрастної речовини, яку вводять людям під час обстеження, змінюється від 50-100 мл 60%-го ренографіну до 300-600 мл метилглкжатіну або гіпаку.

Чому поява в організмі контрастної речовини "підси­лює" зображення? Методами радіоізотопного дослідження було показано, що контрастна речовина зосереджується в зонах пошкоджень. Контрастна речовина утворює із про­теїнами плазми великі комплексні молекули. Теоретично можливі кілька механізмів входження їх у тканину мозку: пасивна дифузія, активний транспорт та ін.

Щодо променевих навантажень хворих при рентгенів­ській комп'ютерній томографії, то слід зазначити таке. Уже в 1973 р. рентгенівська комп'ютерна томографія прово­дилась при режимі рентгенівської трубки: U_a = 120-140 кВ, І_а - 28-33 мА. Поглинута доза при обстеженні головного мозку коливалася в межах 1-2.5 рад, тобто менша, ніж при звичайному знімку черепа. Так, Коллард показав, що ін­тегральна доза для двох комп'ютерних томограм у три рази менша, ніж для звичайної рентгенограми черепа. При комп'ютерній томограмі всього тіла Сагел із співробіт­никами показали, що поверхнева поглинута доза була 3 рад, а глибока 1-3 рад. Маршалл із співробітниками виявили, що поверхнева доза на шкірі не перевищувала 3-8 рад.

ЯМР-томографія

В основі ядсрно-магніто-резонансної гомографії (ЯМР-томографії) лежить явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР), яке було описане в розділі 9. Як виявляється, систе­ма протонів ядра, які знаходяться у зошіішному магнітному полі з індукцією може резонансно поглинати енергію ви­сокочастотного електромагнітного поля з частотою що лежить в радіодіапазоні (частіше за все в НВЧ-діапазоні).

За умовою резонансу (7.26) резонансна частота прямо пропорційна індукції магнітного поля і може змінюватися в досить широких межах. Це явище дає дуже цінну інформацію щодо просторового розподілу ядер в певному об'ємі, що знаходиться у магнітному полі.

На рис. 8.21 наведена блок-схема магнітно-резо­нансного томографа.

Рис. 8.21.Блок-схемаЯМР-томографа: 1 -досліджуваний об'єкт; 2 - котушка (соленоїд); 3 - магніт; 4 - імпульсний генератор; 5 - радіочастотний передавач; 6 - приймач; 7 - комп'ютер.

Спрощений принцип роботи ЯМР-томографа можна пояснити так: на біооб'єкт 1, вміщений в котушку 2 і в магнітне поле 3, діють імпульсами від генератора 4. Ці імпульси через радіочастотний передавач 5 діють на біооб'єкт, в якому внаслідок явища магнітного резонансу протони відгукуються відповідним сигналом, поглинаючи енергію радіочастотного електромагнітного поля. Цей сигнал протонного магнітного резонансу (ПМР), який є частинним випадком ЯМР, вимірюється приймачем 6 і подається на комп'ютер 7, який обробляє сигнал і одно­часно визначає режим роботи генератора радіоімпульсів 4.

Важливими завданнями, пов'язаними з практичною реалізацією метода ЯМР-томографії є: 1) створення необхідної конфігурації магнітного поля; 2) відновлення (візу-алізація) зображення досліджуваного біооб'єкта.

Для вирішення першого завдання досліджуваний об'єкт вміщується в магнітне поле, індукція якого лінійно змінюється в якомусь (одному, двох, а частіше за все - в трьох взаємо перпендикулярних напрямках. В такому випадку говорять про лінійний градієнт магнітного поля, для якого зміна індукції В з координатою х відбувається за законом

(8.43)

де - стала величина, яка характеризує градієнт магнітного поля; - певне значення індукції, що досягається всередині досліджуваного об'єкта (рис. 8.22). Вертикальні лінії умовно зображують витки котушки, через яку пропускається струм, що створює магнітне поле.

Рис 8.22.Конфігурація магнітного поля в методі ЯМР-томографії.

Як відомо (див. розділ 2), добуток сили струму на кількість витків що припадають на одиницю довжини котушки, визначає індукцію на осі такого соленоїда Зрозуміло, що можна накрутити металевий дріт таким чином, щоб кількість витків і відповідно індукція змінювались лінійно вздовж осі х, забезпечуючи тим самим виконання залежності (8.43). Оскільки магнітне поле змінюється в напрямку то на підставі умови резонансу (7.26) буде в цьому напрямку змінюватися і резонансна частота Далі, враховуючи той факт, що площа під кривою поглинання в спектрі ПМР визначає кількість протонів, що входять до складу ядер певних хімічних елементів, можна отримати просторовий розподіл густини протонів (тобто атомних ядер) вздовж осі Таким спосо­бом отримують одновимірну проекцію біооб'єкта.

Вирішення другого завдання - відновлення об'ємного зображення - стало можливим завдяки роботам П. Лаутер-бурга та інших вчених, які використали для цього так званий метод відновлення за проекціями. Суть цього методу полягає в отриманні багатьох одновимірних проекцій досліджуваного об'єкта. Це досягається зміною напрямку градієнта індукції магнітного поля за рахунок зміни сили струму в трьох взаємо перпендикулярних котушках (соле­ноїдах). На відміну від рентгенівської томографії такий метод дає змогу виключити механічні переміщення дослід­жуваного біооб'єкта або апаратурних частин томографа.

Ще одна особливість методу комп'ютерної томографії полягає у можливості отримання інформації (зображень) від тонких шарів тривимірного біооб'єкта. В методі ЯМР-томо­графії це досягається двома способами:

1) за рахунок використання спеціальної математичної обробки зображень (зокрема, так званого перетворення Родона і тривимірних Фур'є-перетворень);

2) за рахунок вибіркового (селективного) збудження тонкого шару біооб'єкта.

Слід зазначити, що на сигнал (точніше кажучи, на співвідношення сигнал-шум) в ЯМР-томограмах впливає не тільки густина протонів, а й ціла низка внутрішніх та зовнішніх факторів (температура, склад тканин, діамагнітні, парамагнітні та феромагнітні домішки, параметри апарату­ри, специфічні особливості комп'ютерних програм тощо). Змінюючи ці фактори (наприклад, параметри послідовності радіочастотних імпульсів), можна досягти суттєвого покра­щання контрасту зображення в методі ЯМР-томографії. Цей метод знаходить дедалі ширше застосування в медицині завдяки таким його перевагам, як відсутність дозових навантажень (порівняно з рентгенівськими томографами) та можливість отримання контрастних зображень з метою ефективності діагностики різних патологій.