ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

Компьютерная томография

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

Компьютерную томографию (КТ) иногда путают с традиционной (линейной) томографией, которая описана в главе 23, потому что и в том и в другом случае рентгеновская трубка и приемник изображения движутся относительно пациента во время экспо­ зиции. Это движение в результате дает изображение анатоми­ ческого слоя (среза). Но ключевое отличие состоит в том, что линейная томография использует технику размазывания изоб­ ражения, тогда как в КТ используется метод компьютерной ма­ тематической реконструкции изображения.

Пример. На рис 22-1 показано отличие рентгенограммы от изображения, получаемого на КТ. На рисунке слева — обзорный снимок живота, на рисунке справа — аксиальный срез (отмечен зеленой полоской на рентгенограмме живота) через почки на уровне L2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Компьютерная томография может быть определена как рентuе­

нографичtское исследование, при котором изображение слоя человеческого тела вычисляем математически по результа­ там многократного просвечивания этого слоя плоским пучком рентгеновских лучей под разными углами.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕД ТРАДИЦИОННОЙ РЕНТГЕНОГРАФИЕЙ

Компьютерная томография имеет три основных преимущества перед традиционной рентгенографией.

Первое — информация о внутреннем строении исследуемой части тела может быть представлена в трехмерном виде по ре­ зультатам суммирования серии тонких срезов области исследо­ вания. Так как рентгеновский луч жестко диафрагмирован для каждого среза, результирующая информация не ухудшается

рассеянным излучением от тканей, лежащих вне исследуемого среза. Изображение органов не накладывается друг на друга.

Второе — компьютерная томография более чувствительна к плотности тканей по сравнению с традиционной рентгеног­ рафией, поэтому эта разница в типах ткани может быть четче определена и изучена. Традиционная рентгенография может отобразить ткани, имеющие разницу в плотности не менее 10%, тогда как КТ может фиксировать разницу в плотности ткани в 1% или меньше. Эта чувствительность помогает дифференци­ альной диагностике патологических процессов, помогает отли­ чить плотные опухоли от кист или в некоторых случаях добро­ качественные опухоли от злокачественных.

Третье преимущество — возможность обрабатывать и настра­ ивать изображение после завершения сканирования (постпро­ цессинг), как и во всех цифровых технологиях. К возможностям постпроцессинга относятся: регулировка яркости, контрастнос­ ти, масштабирование (увеличение размеров определенных об­ ластей). Можно регулировать градации серой шкалы, что назы­ вается регулировкой окна (windowing) для лучшей визуализации анатомии области интереса.

ИЗМЕНЕНИЯ И РАЗВИТИЕ КТ-СИСТЕМ

Со времени внедрения клинической компьютерной томографии в начале 1970-х развитие оборудования прошло несколько эта­ пов, которые были названы поколениями. В каждом поколении сканеров уменьшалось время сканирования. Новое поколение обычно имело большее количество детекторов рентгеновского излучения, чем старое.

КТ-срез на уровне L2, ворота почек

Рис. 22-1. Пример КТ-изображения — срез живота на уровне почек и второго поясничного позвонка L2

Рентгеновская

трубка

Пациент

Ряд детекторов (вращается вместе с трубкой)

Рис. 22-2. Сканер третьего поколения — одновременное вращение рентгеновской трубки и детекторов на 360°

Первое и второе поколение сканеров. Сканеры первого поколения использовали тонкий прямой пучок рентгеновских лучей, который регистрировался всего одним или двумя де­ текторами, и необходимо было до 4,5 минут, чтобы собрать информацию, достаточную для восстановления (вычисления) изображения одного среза при повороте трубки и детекторов на 180°.

Сканеры второго поколения были более совершенны и имели веерообразный пучок рентгеновских лучей, который регистри­ ровался 30 или более детекторами. Время сканирования умень­ шилось до 15 секунд на срез или около 10 мин на исследование из 40 срезов.

Сканеры третьего поколения. Сканер третьего поколения

(рис. 22-2) имеет ряд детекторов (до 960 штук), расположенных напротив рентгеновской трубки, которые вместе с ней соверша­ ют полный оборот вокруг пациента (360°) для создания одного среза. Пациент и стол после этого перемещаются на небольшое расстояние через апертуру гентри, а трубка и детекторы со­ вершают следующий оборот на 360° для создания следующе­ го среза. Время сканирования вновь значительно уменьшилось примерно до 1 секунды (для большинства современных скане­ ров третьего поколения). Больший размер апертуры позволяет проводить сканирование всего тела, что невозможно на скане­ рах более ранних моделей.

Сканеры четвертого поколения разработаны в 1980-е годы и имеют внутри гентри неподвижное кольцо детекторов (поряд­ ка 4800 детекторов), полностью окружающее пациента. Рен­ тгеновская трубка во время сбора данных вращается по дуге 360°. Во время движения рентгеновская трубка излучает в им­ пульсном режиме. Время сканирования одного слоя такое же, как и у сканеров третьего поколения, но полное сканирование из нескольких срезов исследуемой части тела занимает менее 1 минуты.

ОБЪЕМНЫЕ (СПИРАЛЬНЫЕ) КТ-СКАНЕРЫ

В начале 1990-х годов был разработан новый тип сканеров, на­ званных объемными (спиральными) КТ-сканерами. В этих сис­ темах пациент постоянно медленно движется через апертуру гентри во время кругового вращения рентгеновской трубки и детекторов, что обеспечивает спиральный метод сбора данных (рис. 22-4). Таким способом данные собираются быстрее, чем при раздельном получении срезов в других системах, а также можно выполнить трехмерную реконструкцию изображения. (Спиральный КТ — это коммерческое название для сканеров объемного типа.)

В спиральных КТ-системах в зависимости от производителя применялась архитектура детекторов третьего или четвертого поколений.

Внедрение скользящих высоковольтных контактов, которые заменили высоковольтные кабели, питающие рентгеновскую трубку, сделало возможным осуществить непрерывное вра­ щение рентгеновской трубки в одном направлении. (Прежде движение рентгеновской трубки ограничивалось вращением в одном направлении на 360° за один срез, затем пациент пе­ ремещался на небольшое расстояние между срезами, следую­ щее вращение трубки на 360° в другую сторону давало второй срез.)

Постоянное вращение рентгеновской трубки дополнительно сократило время общего исследования примерно в два раза по сравнению с КТ сканерами третьего или четвертого поколения. Многие современные КТ-сканеры объемного типа способны выполнять специальные исследования типа трехмерной КТ-ан­ гиографии.

МНОГОСРЕЗОВЫЕ КТ-СКАНЕРЫ

Сканеры третьего и четвертого поколении, созданные до 1992 года, считались односрезовыми сканерами, то есть способными выполнить за один оборот трубки только один срез. После 1998 года четыре производителя КТ представили новые многосрезо­ вые сканеры, способные одновременно выполнять 4 среза. На рис. 22-5 схематически сравнивается обычный сканер с одной линейкой детекторов и новый, многосрезовый КТ-сканер с че­ тырьмя рядами детекторов.

Эти сканеры можно формально отнести к третьему поко­ лению.

Преимущества. Высокая скорость получения изображения —

потенциальное преимущество многогреювого сканирования, особенно когда пациента не следует беспокоить движением, Многосрезовые КТ-сканеры способны выполнять кардиовас­ кулярные исследования, незаменимы при исследовании детей, а также в других процедурах, где требуется быстро получить изображение.

Второе преимущество - возможность быстро получать боль­ шое количество тонких срезов. Это делает возможной КТ-анги­ ографию с меньшим количеством контрастного препарата или полное исследование живота с очень тонкими, 2 - или 3 мм, сре­ зами за небольшой промежуток времени.

Недостатки. Основной недостаток многосрезовых КТ-скане­ ров — их высокая стоимость. В настоящее время также сущес­ твуют некоторые ограничения по скорости передачи большого объема данных и времени получения конечного изображения.

Рентгеновская

трубка

Пациент

Детекторы

Рис. 22-3. КТ-сканер четвертого поколения — детекторы непод­ вижны и расположены по кругу

Рис. 22-4. Объемное (спиральное) сканирование; постоянное вра­ щение трубки и детекторов во время движения пациента через гентри. (Предоставлено GЕ Medical Systems, Milwaukee, Wis.)

Рис. 22-5. Сравнение методов простого и многосрезового сканиро­ вания

ТИПИЧНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Сканер

Компьютерные томографические системы имеют сложное стро­ ение, но мы рассмотрим только два элемента — сканер и пульт управления. Сканер обычно расположен в отдельном помеще­ нии и является частью компьютерной томографической систе­ мы, которую видит пациент. Эта комната часто называется про­ цедурной, или комнатой сканирования.

Внешний вид KТ-сканеров одинаков как для односрезовых, так и для новых многосрезовых КТ. Некоторые односрезовые объемные сканеры могут быть модернизированы и превращены в новые многосрезовые системы.

Сканер состоит из двух частей — стола пациента (ложа) и ген­ три. Стол пациента, или ложемент, обеспечивает довольно ком­ фортабельное место для размещения пациента в течение всего времени сканирования. Для односрезового (пошагового) скани­ рования этот стол запрограммирован для движения с заданны­ ми интервалами между циклами вращения трубки и детекторов. Для объемного спирального сканирования он запрограммиро­ ван для медленного движения внутрь или наружу с определен­ ной скоростью во время непрерывного вращения трубки и де­ текторов, как описано ранее.

Гентри — это штатив, окружающий пациента, с отверстием в центре, которое называют апертурой. Глубина, на которую па­ циент продвигается внутрь апертуры, определяет область ска­ нирования. В гентри находится рентгеновская трубка и блок де­ текторов излучения. Гентри, если это необходимо для сканиро­ вания головы и позвоночника, может наклоняться.

Существуют также передвижные КТ-устройства (рис. 22-7). Они особенно нужны в приемных отделениях, травматологи­ ческих отделениях и в отделениях интенсивной терапии. Они также при необходимости могут использоваться как вспомо­ гательные или дополнительные системы в рентгенологических отделениях.

Пульт управления

Второй важный элемент любой компьютерной томографичес­ кой системы — пульт управления с компьютером, который по­ лучает большой массив первичных данных и преобразует их в медицинское изображение.

Пульт управления параметрами исследования. На пульте уп­ равления расположены кнопки выбора параметров экспозиции (кВ, мА, время сканирования), выбора толщины среза, шага ска­ нирования, направления сканирования и выбора других пара­ метров, которые могут быть специфичны для используемого оборудования.

Мониторы. На некоторых пультах управления есть только один монитор (рис. 22-8), другие оснащены двумя цветными монито­ рами — один для управления системой, другой — для визуали­ зации рентгенографических изображений (рис. 22-9).

Подключение компьютерного томографа в общую компьютер­ ную сеть ЛПУ позволяет рентгенологу анализировать снимки в другом кабинете или вообще в другом городе, если к компью­ терной сети ЛПУ возможен удаленный доступ.

Архивирование и хранение изображений. В большинстве сов­ ременных систем используется комбинация оптических и жес­ тких дисков для высокопроизводительного, быстрого и долго­ временного хранения медицинской информации в цифровой форме. Эта информация может быть востребована рентгеноло­ гом в любое время. Для получения твердых копий используют специальные медицинские принтеры. Если распечатка пленок на медицинских принтерах не предусмотрена, то для просмотра и анализа изображений мы рекомендуем медицинские монито­ ры высокого разрешения.

ПРИНЦИПЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Основной принцип компьютерной томографии — реконструк­ ция внутренней структуры двумерного объекта по множеству различных линейных проекций и трехмерного объекта по мно­ жеству двумерных проекций этого объекта. Этот принцип под­ разумевает сбор большого количества данных для реконструк­ ции точного изображения исследуемого объекта.

Диафрагмирование рентгеновского пучка

В КТ используют щелевую диафрагму для создания плоско­ го веерного рентгеновского пучка. После прохождения через тело пациента рентгеновский пучок диафрагмируется еще раз, перед тем как попасть на блок детекторов, так, чтобы отсечь вторичное рассеянное излучение Диафрагма рентгеновско­ го пучка расположена очень близко к рентгеновской трубке, а диафрагма детекторов расположена вплотную к каждому де­ тектору. Фактическая толщина томографического среза конт­ ролируется шириной диафрагмы рентгеновской трубки и лежит в диапазоне от 0,5 до нескольких миллиметров. Так как рент­ геновский пучок жестко диафрагмирован, то лишь небольшое количество вторичного рассеянного излучения попадает на со­ седние ткани, что обеспечивает низкий (диагностически оправ­ данный) уровень дозы, получаемой пациентом.

Элемент объема (воксел)

Чтобы понять принцип реконструкции изображения, следует представить исследуемый трехмерный объект как совокупность трехмерных кирпичиков, объемных элементов или блоков, кото­ рые называют вокселами (от английского volume cell — объем ная ячейка). Глубина каждого из крошечных блоков определя­ ется шириной щели диафрагмы рентгеновского источника, то есть толщиной среза, выбранного оператором КТ-сканера.

Любое КТ-изображение, такое как на рис. 22-12, составлено из большого количества вокселов, имеющих различную степень поглощения рентгеновского излучения, зависящую от плотнос­ ти исследуемой ткани.

Поглощение излучения каждым вокселом

Каждый воксел в срезе ткани характеризуется числом, про­ порциональным степени поглощения рентгеновского излуче­ ния этим вокселом. Чтобы определить это число, выполняется множество проекций воксела под различными углами. Собран­ ная информация позволяет рассчитать плотность каждого вок­ села в слое.

Преобразование трехмерных вокселов в двумерные пикселы

Как только степень поглощения в каждом вокселе определе­ на, трехмерный срез проецируется на монитор компьютера как двумерное изображение, имеющее только высоту и ширину. Это двумерное изображение называется матрицей дисплея и составлено из крошечных элементов изображения, называе­ мых пикселами (от английского picture cell — ячейка картинки). Каждый воксел ткани представлен на экране как пиксел опре­ деленной яркости. Количество пикселов матрицы дисплея оп­ ределяется производителем, мониторы высокого разрешения имеют больший размер матрицы (т.е. больше пикселов меньше­ го размера).

На рис. 22-12 показан пример двумерного изображения среза тканей мозга на дисплее, который демонстрирует сте­ пень поглощения рентгеновского излучения этими тканями. Спинно-мозговая жидкость в желудочках в результате меньше­ го поглощения излучения вокселами этих тканей выглядит тем­ ной в сравнении с плотными костными участками черепа или обызвествленной опухолью желудочка слева (для нас справа), которые выглядят белыми или светло-серыми.

Рентгеновская

трубка

Щелевая

диафрагма у источника

Пациент

Воксел Щелевая (элемент объема) диафрагма у детектора

Детекторы

Рис. 22-10. Диафрагмирование рентгеновского пучка и элемент объ­ ема (воксел)

Рис. 22-11. Компьютерное томографическое изображение — вокселы и пикселы

Kости черепа

Ткань мозга

Желудочки

Обызвествленная

опухоль

Рис. 22-12. Компьютерная томограмма черепа (аксиальный срез)