4 курс / Лучевая диагностика / ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ_ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ_ИНФОРМАЦИОННЫЕ_СИСТЕМЫ

Втечение полутора десятка лет практически отрабатывалась физическая, математическая и конструктивная схема медицинского томографа. Первая промышленная установка КТ для исследования головы человека была создана в Великобритании в 1973 г. А первый промышленный образец КТ для всего тела человека был изготовлен в начале 1990-х годов фирмой «Дженерал электрик» (США), это КТ «СТ-МАХ 640». Он стал базовым томографом, «рабочей лошадкой» [5, 13] в Америке и Европе, который вывел здравоохранение этих стран на новый качественный уровень.

ВСССР первый КТ (СРТ-1000) для головы был создан в 1978 г. во ВНИИ томографии [14]. А в 1999 г. был создан в России готовый к освоению в серийном производстве первый КТ (РКТ-01) для всего тела человека в РФЯЦ – ВНИИТФ.

Практически параллельно с применением компьютерной томографии в медицине развивалась промышленная компьютерная томография (ПКТ). И в этой области применение томографических методов оказалось столь же бурным, как и в медицине. В настоящее время промышленная томография охватывает применение практически всех видов ионизирующих излучений и их энергий: рентгеновского, гамма-излучения, нейтронного, протонного, ионного. Необходимость применения этих видов излучения была вызвана потребностью определения качества различных типов промышленных изделий, отличающихся свойствами материалов, размерами, конфигурацией. Неудивительно, что этот метод ПКТ нашел применение, в первую очередь, при контроле качества очень важных, с точки зрения безопасности и стоимости, таких изделий, как ТВЭЛов атомных реакторов, лопастей двигателей самолетов и ракет, двигателей первых ступеней тяжелых ракет, обтекателей спутников и т. д.

Первое применение ПКТ было осуществлено в США в 1976 г. для контроля первой ступени двигателя тяжелой ракеты «Сатурн-5», осуществивший пилотируемый полет астронавтов на Луну [3].

Первое промышленное применение КТ в СССР было осуществлено Э. Вайнбергом в 1989 г. [16].

Как в медицине, так и в промышленности КТ начиналась с трансмиссионного вида сканирования, т. е. когда источник излучения был снаружи исследуемого объекта. Однако одновременно с развитием трансмиссионной томографии развивалась и эмиссионная

11

томография, когда радиоактивный источник излучения (гаммаизлучения) находился внутри организма человека.

Развитие методов регистрации гамма-излучения, исходящего из организма человека после введения ему радионуклидного препарата, представляет собой сочетание современных физических методов регистрации ионизирующих излучений и радиофармацевтики.

Методы регистрации радиоактивного излучения почти так же стары, как и само открытие радиоактивности. Для регистрации излучения (детектирования) использовались спинтараскоп Крукса (1903 г.), камера Вильсона (1895 г.) и счетчик Гейгера (1929 г.). До изобретения в 1931 г. Лоуренсом циклотрона искусственных радионуклидов не существовало. Интересно, что первым из синтезированных в 1938 г. был радионуклид 99Тсm, который и по настоящее время является самым распространенным в ядерной медицине.

Эра современной ядерной медицины исчисляется с 14 июня 1946 г. – со дня опубликования американскими журналистами Science объявления о том, что радиоактивные изотопы могут поставляться по заявкам потребителей. Методы получения изображения с помощью радиофармпрепаратов можно рассматривать как логическое продолжение метода счета частиц при регистрации ионизирующих излучений, которое началось с изобретения трубки Гейгера. Планарное изображение с одним детектором Гейгера требовало многократного параллельного сканирования, что впоследствии было заменено на достаточно большое количество детекторов, объединенных в гамма-камеру.

Идея гамма-камеры принадлежит Коупленду и Бенжамину [5], поместившим в камеру с одиночными отверстиями фотопластинку.

Гамма-камера с детекторами из сцинтилляционного кристалла иодистого натрия и фотоумножителями (ФЭУ) появилась в 1957 г., как изобретение Энгера [5] и до настоящего времени является главным инструментом планарной и томографической радионуклидной диагностики. Различия между однофотонной эмиссионной компьютерной томографией (ОФЭКТ) и методом визуализации с помощью камеры Энгера примерно такие же, как между рентгеновской компьютерной томографией и планарной рентгенографией. Первый аппарат ОФЭКТ был создан в 1971 г., а первые промышленные образцы ОФЭКТ появились в 1978 г.

12

Дальнейшим развитием стала система детектирования аннигиляционных гамма-квантов, испускаемых позитронными излучателями и предназначенных для построения распределений радиофармпрепаратов в организме пациента, что положено в основу позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).

Аппаратура (ПЭТ) в настоящее время выпускается серийно для специализированных центров. Они представляют собой технологическую «цепочку» получения на ускорителе короткоживущего позитрониспускающего радионуклида (11С, 13N, 15О, 18F), превращения его на «фабрике» в фармпрепарат, вводимый в организм человека, и ПЭТ-томографа, на котором получают изображение накопления фармпрепарата в сечении («срезе») исследуемого органа, как правило, мозга человека.

Метод счета гамма-квантов, образующихся при аннигиляции позитронов, обсуждался еще в 1951 г. в работе Ренна и др. [5]. Этим авторам удалось получить данные на препарате мозга с использованием изотопа 64Сu и сцинтилляционного детектора на основе NaJ, активированного таллием. ПЭТ-изображение было получено в 1953 г. Браунеллом и Свитом, а ПЭТ-томограф был создан в

1975 г. в США [5].

Необходимо отметить еще одно направление КТ, которое в настоящее время бурно развивается и имеет большие перспективы в медицинской диагностике: это ЯМР-томография. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) был открыт в 1966 г. Блохом и Парселлом. С этого момента началось неуклонное проникновение метода ЯМРспектроскопии в химию, биологию и медицину. Метод ЯМРвизуализации был разработан значительно позднее, причем приоритет разработки оспаривают несколько исследователей. В журнале Naturе в 1973 г. Лаутербур [19] опубликовал первое ЯМРизображение неоднородного объекта, состоящего из двух наполненных водой трубок, однако этой публикации предшествовал патент, выданный в 1972 г. Дамадьяну, который предложил возможность сканирования тела человека с помощью ЯМР для медицинского исследования. Менсфилд и Маудсли [5] получили первое изображение in vivo пальца человека, а затем в 1977 г. последовали сообщения (Эндрю и др.) о первой ЯМР-визуализации руки и Дамадьяна и др. грудной клетки. В 1978 г. в Великобритании появился первый промышленный образец ЯМР-томографа.

13

Первый промышленный ЯМР-томограф на резистивном магните для всего тела человека появился в СССР в 1986 г. [21]. А первый промышленный ЯМР-томограф на сверхпроводящем магните появился в России в 1998 г. в НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова [22]. Необходимо отметить, что параллельно с рентгеновской, гамма- и ЯМР-томографией развивалась трансмиссионная оптическая томография: ультразвуковая и инфракрасная [23]. В настоящее время ведутся исследования с использованием лазерного и синхротронного рентгеновского излучения [20].

Итак, подведем итог наиболее важных открытий и изобретений в области томографии:

1895 – открытие рентгеновских лучей;

1896 – создание первого рентгеновского аппарата;

1914 – открытие классической (механической) томографии;

1918 – преобразование Радона;

1931 – создание классического томографа всего тела человека;

1935 – создание классического томографа в СССР;

1946 – открытие эффекта ЯМР;

1957 – изобретение гамма-камеры Энгера;

1958 – создание телевизионного сканирующего томографа в

СССР; 1971 – создание однофотонного эмиссионного компьютерного

томографа; 1973 – создание рентгеновского компьютерного томографа;

1975 – создание позитронно-эмиссионного компьютерного томографа;

1976 – первое применение промышленного компьютерного томографа;

1977 – создание ЯМР-томографа; 1978 – создание в СССР компьютерного томографа для головы;

1986 – создание в СССР промышленного ЯМР-томографа на резистивном магните;

1989 – создание в СССР промышленного компьютерного томографа для головы;

1998 – создание в России промышленного ЯМР-томографа на сверхпроводящем магните;

1999 – создание в России рентгеновского компьютерного томографа для всего тела человека.

На рис. 1.1 показана классификация томографических методов исследования.

14

Признак классификации:

Томографические методы

Рис. 1.1. Классификация томографических методов исследования:

ОИ – объект исследования; ЯМР – ядерно-магнитный резонанс; ЭПР – электронный паромагнитный резонанс;

П– позитронное излучение; Г – γ-излучение; Н – нейтронное излучение; Р – рентгеновское излучение; СР – синхротронное рентгеновское излучение; ЛИ – лазерное излучение; СВЧ – СВЧ-излучение;

У– ультразвуковое излучение; О – перспективные излучения и явления

1.2.Отличительные особенности томографического исследования от традиционных методов рентгеновской диагностики

Все виды получения изображения о внутреннем строении вещества основаны на физике взаимодействия излучения и вещества. Необходимо, чтобы излучение проникало в тело и частично поглощалось или рассеивалось им, то есть тело должно быть полупрозрачным для излучения. Условие «полупрозрачности» становится очевидным при рассмотрении двух предельных случаев. Так, тело совершенно не прозрачно для длинноволнового излучения, которое поэтому нельзя использовать для получения информации о внутренних структурах. И в равной степени нейтрино, для которых тело полностью прозрачно, вряд ли можно использовать для получения изображений.

Внешние воздействия приводят либо к резонансному, либо к нерезонансному взаимодействию между веществом и электромагнитным излучением. Когда длина волны падающего излучения сравнима с размерами исследуемой ткани биологического объекта, резонансное взаимодействие приводит к неупругому рассеянию, к поглощению энергии излучения и переизлучению. И именно поглощение излучения лежит в основе получения изображений в трансмиссионном режиме, когда для этого используется интенсивность прошедшего сигнала внешнего источника излучения. Так получается изображение при использовании рентгеновских лучей, которое взаимодействует с внутренними и внешними электронными оболочками, или гамма-лучей, взаимодействующих с атомными ядрами.

Принцип «полупрозрачности», рассмотренный в работе [5], полностью выполняется при использовании рентгеновских лучей.

Рассмотрим получение изображения при традиционной рентгеновской диагностике. Моноэнергетический рентгеновский источник, излучающий кванты с энергией Е, расположен на достаточном удалении от объекта исследования, так, что поток квантов можно считать параллельным оси Z. На рис. 1.2 показана модель получения рентгеновского изображения при традиционной диагностике.

16

N (x, y) dxdy

Рис. 1.2. Модель получения рентгеновскогоизображения при традиционной диагностике

Изображение регистрируется в плоскости XY детектором, например, рентгеновской пленкой. Предположим, что каждый взаимодействующий с детектором квант локально поглощается, а выходная характеристика детектора является линейной. При этом рентгеновское изображение можно рассматривать как распределение поглощенной энергии квантов. Если N – число квантов, па-

+ ∫∫ σ(Ep,θ)Ep Ψ(x, y, Ep,Ω)dΩdEp,

ΩEp

где первое слагаемое правой части соотношения – интенсивность первичных квантов; второе слагаемое – интенсивность вторичных рассеянных квантов.

Интегрирование ведется вдоль линии пролета L первичных квантов, приходящих в точку с координатами (x, y) , а μ(x, y) – линей-

17

ный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в объекте. Функция Ψ распределения рассеянных квантов, определенная та-

ким образом, что величина Ψ(x, y, E,Ω)dE dx dy равна числу кван-

тов с энергией диапазона от Е до E + dE , рассеянных в области телесных углов от Ω до Ω + dΩ, проходящих через площадку dx dy на

поверхности детектора. Коэффициент квантовой эффективности σ детектора зависит как от энергии кванта, так и от угла θ между направлением полета кванта и осью Z.

Пренебрегая для упрощения рассуждений рассеивающей составляющей соотношения (1.1), для первичных квантов можно записать

где квантовая эффективность детектора не будет зависеть от угла θ. Учитывая, что N E = J0 , где J0 – интенсивность первичных

квантов с энергией Е источника излучения, последнее выражение можно записать

ляющее изображение объекта, зависит от линейного коэффициен-

тот же эффект для непрозрачного тела при μ(x, y, z) = ∞), измерительной информации в изображении не будет. Так, в первом случае (прозрачное тело) J (x, y) = J0 при принимаемой эффективно-

сти детектора σ(E,0) =1, а во втором (непрозрачное тело) J (x, y) = 0 . Очевидно, что измерительную информацию на изо-

бражении возможно получить при коэффициенте ослабления излучения μ(x, y, z) , находящемся в пределах 0 μ(x, y, z) ∞ для

18

σ, стремящейся к 1 (σ →1), что мы и имеем на практике при ди-

Однако это справедливо для однородного тела с постоянным значением μ. Для гетерогенного тела, в котором есть локальные области с различными значениями μ, принцип полупрозрачности основного «фона» тела может быть недостаточным условием для получения информации о составе внутреннего строения объекта исследования.

Для характеристики возможности получения информации о внутреннем строении объема в рентгеновской диагностике вводится понятие контраста изображения.

Рассмотрим модель, представленную на рис. 1.3. Исследуемый объем заменяется однородным телом толщиной а с линейным коэффициентом ослабления рентгеновского излучения μ1 . Внутрь

этого тела помещается другое тело (называемое «мишенью») толщиной d с линейным коэффициентом μ2. Контраст К в изображении тела мишени определяется с помощью функций распределения интенсивности на изображении J1 и J2, которые дают энергию, поглощенную единицей площади поверхности детектора, соответственно, за пределами однородного тела и мишени.

Рис. 1.3. Модель для оценки величины контраста

Этот контраст определяется выражением

19

Пренебрегая рассеивающей составляющей, функции J1, J2

можно получить из выражения (1.2):

J1 = J0 σ(E,0) exp(−μ2 a) ,

J2 = J0 σ(E,0) exp(−μ1 l ) exp(−μ2 d ) ,

exp(−μ1 (a −(l + d ))) = J0 σ(E,0) exp(−μ1 (a − d ) −μ2 + d ).

Подставляя выражения J1 , и J2 в (1.3), получим

К факторам, влияющим на контраст в изображении, относятся: разность линейных коэффициентов ослабления излучения «фонового» однородного тела исследуемого объекта и тела мишени, которое необходимо визуализировать на этом «фоне», а также толщина мишени. Контраст К будет равен нулю при μ2 = μ1 , т.е. ми-

шень невозможно визуализировать на фоне основного тела при конечной толщине мишени d: или К = 1 при μ2 μ1 , или μ2 μ1 .

Таким образом, для визуализации инородного тела на общем фоне исследуемого объекта необходимо выполнять условия «полупрозрачности» исследуемого тела и отличия значений линейных коэффициентов ослабления фона и инородного тела.

Возьмем достаточно сложный гетерогенный объект исследования с определенным положением в нем инородных тел с соответствующими линейными коэффициентами ослабления. И определим контраст изображения этого объекта на плоскости XY. На рис. 1.4 показан такой объект исследования.

В исследуемое тело с μ1 вставлены «вставки» инородных тел с μ2, μ3, μ4, μ5. Рассмотрим излучение, проходящее через вставки с μ2, μ3. Соотношения b1 и b2, μ1, μ2 и μ3 выбраны такими, что интенсивность излучения, падающая на детектор через «фон» тела с μ1, будет равна интенсивности через вставки с μ2, μ3 и «фон» с μ1. Эти соотношения вполне реальны и могут быть выбраны из следующего равенства

20