МИНИСТЕРСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
Кафедра измерительных технологий и компьютерной томографии
М.Я. Марусина, А.О. Казначеева
Современные виды томографии
Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники
в качестве учебного издания для студентов высших учебных заведений
Санкт-Петербург
2006
УДК 389.001
Марусина М.Я., Казначеева А.О. Современные виды томографии. Учебное пособие. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. – 132 с.
Рецензенты: П.А. Галайдин, д.т.н., проф., зав. каф. электротехники БГТУ «Военмех им. Д.Ф. Устинова»;
Н.И. Ананьева, д.м.н., проф., зав. рентгеновским отделением СПб НИПНИ им. В.Н. Бехтерева.
В учебном пособии рассмотрены основные положения компьютерной, магнитно-резонансной и позитронно-эмиссионной томографии, рассмотрены их конструктивные особенности и программное обеспечение. Большое внимание уделяется современным цифровым технологиям и контролю качества измерений. Проведен обзор современного оборудования.
Предназначено для обучения студентов в рамках основной образовательной программы направления подготовки бакалавров и магистров по направлению 200100 «Приборостроение» по дисциплине СДМ.В.02 «Современные виды томографии» и в рамках программы подготовки дипломированного специалиста по специальности 200101.65 «Приборостроение», по дисциплинам ЕН.В.01 «Основы томографии», СД.Р.05 «Конструирование медицинских томографов», СД.Р.08 «Лучевая диагностика в клинической медицине».
Пособие печатается при поддержке РФФИ, грант №05-08-65468а
ISBN 5-7577-0283-4
© Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
2006
© М.Я. Марусина, А.О. Казначеева, 2006
3
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................................................. |
5 |
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................................ |
6 |
ГЛАВА 1. КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ ........................... |
8 |
1.1. История возникновения и развития................................................................ |
8 |
1.2. Конфигурация компьютерного томографа.................................................. |
11 |
1.3. Реконструкция изображений в компьютерной томографии...................... |
15 |
1.4. Режимы сканирования................................................................................... |
21 |
1.5. Качество изображения................................................................................... |
26 |
1.6. Артефакты изображений в компьютерной томографии............................ |
31 |
1.6.1. Артефакты, вызванные физическими процессами.............................. |
31 |
1.6.2. Артефакты, вызванные пациентом........................................................ |
34 |
1.6.3. Неисправность оборудования................................................................ |
35 |
1.6.4. Артефакты при спиральном сканировании.......................................... |
36 |
1.7. Трехмерные реконструкции.......................................................................... |
38 |
ГЛАВА 2. МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ..... |
40 |
2.1. Этапы развития МРТ...................................................................................... |
40 |
2.2. Физические основы МРТ............................................................................... |
44 |
2.3. Основные блоки МР-томографа................................................................... |
48 |
2.4. Классификация МР томографов................................................................... |
53 |
2.5. Построение изображения .............................................................................. |
56 |
2.6. Основные импульсные последовательности............................................... |
57 |
2.6.1. Спин-эхо последовательность ............................................................... |
57 |
2.6.2. Последовательность быстрое спин-эхо ................................................ |
59 |
2.6.3. Последовательность инверсия-восстановление................................... |
60 |
2.6.4. Последовательность градиентное эхо................................................... |
61 |
2.6.5. Быстрое градиентное эхо........................................................................ |
62 |
2.6.6. Эхо-планарное отображение.................................................................. |
63 |
2.5.7. Магнитно-резонансная ангиография..................................................... |
63 |
2.7. Виды изображений......................................................................................... |
64 |
2.8. Показатели качества изображения............................................................... |
66 |
2.9. Артефакты МР-изображений........................................................................ |
71 |
2.9.1. Физиологические артефакты ................................................................. |
71 |
2.9.2. Артефакты, вызванные физическими явлениями................................ |
72 |
2.9.3. Артефакты, вызванные неисправностью оборудования..................... |
75 |
2.9.4. Неправильные действия оператора....................................................... |
77 |
2.10. ЯМР спектроскопия..................................................................................... |
80 |
2.11. Безопасность при проведении МРТ ........................................................... |
81 |
4
2.12. Перспективы развития МРТ........................................................................ |
83 |
ГЛАВА 3. ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ84 |
|
3.1. Историческая справка.................................................................................... |
84 |
3.2. Этапы исследования и основные блоки сканера......................................... |
86 |
3.3. Реконструкция изображений......................................................................... |
93 |
3.4. Аппаратное обеспечение и контроль качества ........................................... |
95 |
3.5. Артефакты изображений в ПЭТ................................................................... |
96 |
3.5.1. Аппаратные артефакты........................................................................... |
96 |
3.5.2. Артефакты сбора данных....................................................................... |
97 |
3.5.3. Артефакты обработки данных............................................................... |
98 |
3.6. Радионуклиды, используемые в ПЭТ........................................................... |
99 |
3.7. Достоинства и недостатки ПЭТ.................................................................. |
100 |
3.8. ПЭТ/КТ сканеры........................................................................................... |
101 |
3.9. Области применения ПЭТ в медицине...................................................... |
102 |
ГЛАВА 4. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБМЕН |
|
ИНФОРМАЦИЕЙ........................................................................... |
103 |
4.1. История разработки стандарта DICOM ..................................................... |
104 |
4.2. Структура DICOM файла............................................................................ |
108 |
4.3. Центр окна и ширина окна (яркость и контраст)...................................... |
110 |
4.4. Подходы к интеграции диагностического оборудования........................ |
111 |
4.5. Интеграция систем обработки медицинских изображений и |
|
клинических систем............................................................................................ |
113 |
4.6. PACS-системы.............................................................................................. |
116 |
4.7. Телемедицина............................................................................................... |
119 |
ЛИТЕРАТУРА................................................................................. |
122 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акронимы импульсных |
|
последовательностей, используемые производителями МР- |
|
томографов....................................................................................... |
126 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Магнитно-резонансные томографы ......... |
127 |
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Мировые тенденции в области медицинского приборостроения в последние годы претерпели значительные изменения. В основном это вызвано необходимостью повышения качества диагностики, что приводит как к созданию новых высокоинформативных диагностических приборов, так и к совершенствованию традиционных технологий.
Современный уровень медицинской техники позволяет выявить структурные и функциональные изменения одного и того же органа с помощью устройств, имеющих различный принцип действия, при этом достоверность полученных данных будет сопоставима. В подобных условиях на первое место выходит информационная составляющая исследований.
На данном этапе одним наиболее информативных методов является томография, дающая намного больше информации о каждом элементарном объеме исследуемого объекта, чем другие известные методы диагностики. Термин "томография" произошел от двух греческих слов: τομοσ - сечение и γραϕοσ - пишу и означает послойное исследование структуры различных объектов. Существует несколько видов томографии: рентгеновская, элек- тронно-лучевая, магнитно-резонансная, позитронно-эмиссионная, ультразвуковая, оптическая когерентная томография и др. Но суть всех видов томографии едина: по суммарной информации (например, интенсивности на детекторах или интенсивности эхо-сигнала), полученной от некоторого сечения вещества, нужно определить локальную информацию, а именно плотность вещества в каждой точке сечения. Информативность и достоверность каждого из них зависит от целого ряда факторов, определяющих конечный результат исследования, в том числе и от принципа действия устройства.
6
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
AC – переменный ток
ACR – Американский Колледж Радиологии
ANSI – Американский национальный институт стандартов BW - ширина частотной полосы пропускания;
CNR – отношение контраст/шум DC – постоянный ток
DICOM – стандарт передачи и хранения медицинских изображений EPI – эхо-планарное отображение
ETL - длина эхо-трейна (для ряда последовательностей;);
FA - угол отклонения, используется для ряда последовательностей; fastGRE – быстрое градиентное эхо
FID – спад свободной индукции
FLAIR – испульсная последовательность с подавлением сигнала от движущихся жидкостей
fMRI – функциональный МРТ FOV – поле сканирования FSE – быстрое спин-эхо GRE – градиентное эхо
HL7 – стандарт обмена текстовыми данными IR – инверсия-восстановление
ISO – Международная Организация по Стандартизации MinIP – проекция минимальной интенсивности
MIP – проекция максимальной интенсивности
MIR – Институт Радиологии Маллинкродта
NEMA – национальная ассоциация производителей электронного оборудования
NEX - количество возбуждений выбранного слоя.
OSI – стандарт взаимосвязи открытых систем
PACS – система обработки и хранения данных PC – фазоконтрастная ангиография
PD – протонная плотность ppm – миллионные доли
RSNA – Радиологическое общество Северной Америки SAR – коэффициент поглощенного излучения
SE – спин-эхо SNR – сигнал /шум
STIR – инверсия восстановление с коротким Т1 T1 – время спин-решеточной релаксации
T2 – время спин-спиновой релаксации
TE - время появления эхо-сигнала;
7
TI - время инверсии (интервал между инвертирующим и 90° импульсами), используется для ряда последовательностей;
TOF – Времяпролетная ангиография
TR - период повторения последовательности;
USFDA – управление по санитарному надзору за пищевыми продуктами и медикаментами США
АЦП – аналого-цифровой преобразователь ИП – импульсная последовательность ИТ – информационные технологии
КИС – клиническая информационная система КТ – компьютерная томография ЛВС – локальная вычислительна сеть
МРА – магнитно-резонансная ангиография МРС – магнитно-резонансная спектроскопия МРТ – магнитно-резонансная томография ПЭТ – позитронно-эмиссионная томография РЧ – радиочастота
СИЛД – системы интеграции лучевой диагностики ФДГ – фтордезоксиглюкоза ФЭУ – фотоэлектронный умножитель
ЯМР – ядерно-магнитный резонанс