Рентгеновская томография

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра биотехнических систем и технологий

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий»

«Рентгеновская томография»



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Раздел 1.Основные понятия радиологических методов исследования

1.1 Ионизирующее излучение в медицине

1.2 Условия и требования к проведению радиологических исследований

Раздел 2. Метод рентгеновской томографии

2.1 Описание метода рентгеновской томографии

2.2 Физические принципы метода РКТ

2.3 Устройство аппарата РКТ

Раздел 3. Обработка результатов исследования

3.1 Визуализация полученных данных

3.2 Интерпретация полученных данных

Заключение

Список использованных источников



ВВЕДЕНИЕ

Для постановки диагноза, как известно, врач использует различные технические приемы, с помощью которых он исследует пациента и выявляет признаки, отличающие здоровый организм от больного, то есть симптомы патологического процесса. К медицинской диагностике относится целый спектр методов и исследований, построенных на различных физических законах и принципах. Одним из направлений диагностики являются радиологические исследования, основанные на свойствах ионизирующего излучения и его взаимодействия с тканями организма. К этим методам относится не только рентгенография и рентгеноскопия, но и радиоизотопная диагностика, компьютерная томография и магнито-резонанская диагностика, флюорография и различные радиотерапии [1]. Несмотря на общие базовые физические принципы этих методов, они отличаются по строению аппаратуры, показаниям к применению, сложности проведения и стоимости исследования. В данной работе более подробно будет изучен метод рентгеновской томографии и его основные отличие от других.

Актуальность темы обусловлена огромным значением диагностических методов исследования в общем лечебном процессе. Радиологические методы занимают большую нишу и подразделяются на множество видов. Рентгеновская компьютерная томография (КТ) выделяется на фоне других методик как одна из самых современных и широко применяемых в наше время.

Цель работы: изучить физические принципы работы аппаратуры для проведения КТ, определить цели и функциональные возможности метода. Изучить процесс получения результатов и их интерпретацию в клинический диагноз.



РАЗДЕЛ 1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ РАДИОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Ионизирующее излучение в медицине

В быту и в некоторых отраслях науки, техники и медицины ионизирующее излучение принято называть просто радиацией. Строго говоря, это не совсем верно, т.к. сам по себе термин «радиация» охватывает все виды излучения, включая самые длинные радиоволны и потоки частиц любой сколь угодно малой энергии, а также волны деформации в веществе, например, звуковые волны. Тем не менее, употребление слова «радиация» в отношении к ионизирующему излучению настолько вошло в привычку, что в науке прижились термины, сформированные на его основе. Такие как, например, радиология (наука о медицинских применениях ионизирующего излучения), радиационная защита (наука о методах снижения доз облучения до приемлемых уровней), естественный радиационный фон, и т.п [7].

Ионизирующее излучение (ИИ) -- поток микрочастиц или электромагнитные поля, способные ионизировать вещество. В жизни, под ионизирующим излучением понимают проникающую радиацию - поток гамма-лучей и частиц (альфа, бета, нейтронов и др.). Самый распространённый вид излучения, используемый в медицинской диагностике ? рентгеновское излучение (X-Ray), по причине его большой проникающей способности. Рентгеновское излучение -- электромагнитные волны с длиной волны от 10-9 до 10-12 м. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ излучением, коротковолновое -- длинноволновым г - излучением. Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом. Рентгеновское излучение получают в специальных рентгеновских трубках. Воздействие рентгеновского излучения на объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества. В медицине используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100-120 кэВ -- при диагностике и 150-200 кэВ -- при терапии.

Особенности биологического воздействия ионизирующего излучения на организм:

1. Высокая эффективность поглощённой энергии, даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2. Наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия ионизирующих излучений.

3. Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться.

4. Генетический эффект - воздействие на потомство.

5. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.

6. Не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на облучение.

7. Облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем больше эта доза распределена во времени.

Учитывая выше перечисленные особенности данного типа излучения, его применение в медицине сопровождается соблюдением строгих стандартов безопасности. Для изучения и нормирования воздействия ионизирующего излучения на организм была создана отдельная наука - радиология. Медицинская радиология -- область медицины, разрабатывающая теорию и практику применения излучения в медицинских целях. Медицинская радиология включает в себя две основные медицинские дисциплины: лучевую диагностику (диагностическую радиологию) и лучевую терапию (радиационную терапию). Лучевая диагностика -- наука о применении излучений для исследования строения и функций нормальных и патологически измененных органов и систем человека с целью профилактики и распознавания заболеваний. В состав лучевой диагностики входят рентгенодиагностика, радионуклидная диагностика, ультразвуковая диагностика и магнитнорезонансная визуализация. К ней также относят такие нечасто применяемые методы исследования, как термография, СВЧ-термометрия, магнитнорезонансная спектрометрия [8].

Целью радиологии как науки является вскрытие закономерностей ответа биологических систем на воздействие излучений, что является научной основой регламентации радиационного фактора, профилактики и лечения радиационных поражений, а также использования излучений в деятельности человека, в том числе и медицине. Достижение цели позволяет решать прикладные задачи, важнейшими из которых являются:

1) прогнозирование медико-биологических и экологических последствий радиационных воздействий, разработка мероприятий радиационной безопасности;

2) нормирование радиационных воздействий в повседневных условиях и при работе с источниками излучений;

3) раннее выявление различных форм радиационных поражений, диагностика и прогнозирование их тяжести;

4) разработка средств и методов профилактики и лечения радиационных поражений;

5) организация и проведение медицинских и защитных мероприятий в очагах радиационных поражений;

6) научное обоснование методов и способов проведения радиационной стерилизации различных материалов, в том числе и лекарственных препаратов;

7) разработка наиболее рациональных режимов лучевой диагностики и лучевой терапии различных заболеваний и др [6].



1.2 Условия и требования к проведению радиологических исследований

Рентгенологический метод - это способ изучения строения и функции различных органов и систем, основанный на качественном и количественном анализе пучка рентгеновского излучения, прошедшего через тело человека. Контроль над выполнением инструкций осуществляют органы санитарно-эпидемиологического надзора. Однако многие положения должны быть известны каждому врачу, поскольку он устанавливает показания к радиологическим исследованиям, а нередко и участвует в них.

Первое обязательное требование заключается в том, что всякое лучевое исследование должно быть оправданно, т.е. проводить его следует по строгим показаниям. Главным аргументом должна стать необходимость получения важной диагностической информации. При равной информативности нужно отдавать предпочтение тем исследованиям, которые не связаны с облучением больного или сопровождаются меньшим облучением. С особой осторожностью подходят к проверочным (профилактическим) лучевым исследованиям. Проверочные рентгенологические исследования не проводят беременным и детям до 14 лет, а радионуклидные процедуры - детям до 16 лет, беременным и кормящим матерям. Детям до 1 года радионуклидные исследования вообще не выполняют, если нет жизненных показаний. Радионуклидные, а также рентгенологические исследования, связанные с относительно большим облучением гонад (исследования кишечника, почек, поясничного отдела позвоночника, таза и др.), женщинам в детородном возрасте рекомендуется проводить в течение первой недели после менструации [8].

Второе обязательное требование - соблюдение правил радиологического обследования больных. Его должны проводить только лица, имеющие специальную подготовку по радиационной безопасности. Терапевты, пульмонологи, кардиологи, хирурги, урологи и врачи других специальностей, не прошедшие такую подготовку, не имеют права самостоятельно выполнять радиологические процедуры. Ответственность за обоснованность, планирование и проведение исследования несет врач-радиолог. В рентгеновских кабинетах обязательным является использование средств индивидуальной защиты - фартуков и перчаток из просвинцованной резины. Участки тела больного, которые не должны подвергаться облучению, также покрывают просвинцованной резиной. В радионуклидных лабораториях все сотрудники тоже обязаны применять средства индивидуальной защиты - спецодежду, фартуки, бахилы, перчатки, а также использовать дистанционный инструментарий. Существенным фактором противолучевой защиты является рациональное расположение рабочих мест персонала с максимальным удалением их от источников излучения -- так называемая защита расстоянием (вспомните, что интенсивность облучения снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до облучаемой поверхности) [5,6,8].

Во всех медицинских учреждениях, где имеются источники ионизирующих излучении, организован радиационный контроль. Его осуществляет служба радиационной безопасности учреждения или специально выделенное должностное лицо, а также соответствующие ведомственные службы с применением дозиметрических приборов. Учитывая существование профессиональной вредности у персонала рентгенологических кабинетов, трудовое законодательство предусматривает ряд льгот: сокращенный рабочий день, удлиненный отпуск, надбавку к заработной плате, более ранний уход на пенсию. К работе в рентгенологическом отделении не допускаются лица моложе 18 лет, а также беременные. Существует, кроме того, перечень заболеваний, при которых не разрешается работа в сфере действия ионизирующего излучения.

Дозу облучения, полученную в ходе различных исследований, четко контролируют и фиксируют в истории болезни или в амбулаторной карте. Влияние рентгеновских лучей на организм человека зависит от их интенсивности и времени облучения. Произведение интенсивности излучения и его продолжительности представляет дозу облучения.

Единица измерения дозы общего облучения человеческого тела это миллиЗиверт (мЗв). Также, для измерения дозы рентгеновского излучения используются и другие единицы измерения, включая рад, рем, Рентген и Грей.

Разные ткани и органы организма человека обладают различной чувствительностью к облучению, в связи с чем, риск облучения различных частей тела в ходе рентгенологического обследования значительно варьирует. 

Термин эффективная доза используется в отношении риска облучения всего тела человека. Например, при рентгенологическом обследовании области головы, другие части тела практически не подвергаются прямому воздействию рентгеновских лучей. Однако, для оценки риска представленного здоровью пациента рассчитывается не доза прямого облучения обследуемой зоны, а определяется доза общего облучения организма - то есть, эффективная доза облучения. Определение эффективной дозы осуществляется с учетом относительной чувствительности разных тканей, подверженных облучению. Также, эффективная доза позволяет провести сравнение риска рентгенологических исследований с более привычными источниками облучения, такими как, например, радиационный фон, космические лучи и пр [5,6].



РАЗДЕЛ 2. МЕТОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ

2.1 Описание метода рентгеновской томографии

Длительное время в рентгенодиагностики спектр возможностей был ограничен развитием технической и программной составляющей медицинской диагностики. Появление рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) было обусловлено идеей получения не одного, а ряда снимков, выполненных под разными ракурсами, и определения по ним путём математической обработки плотностей исследуемого.

Рентгеновская компьютерная томография (КТ) - это послойное исследование внутренних органов человека, получаемое при круговом сканировании объекта узким пучком рентгеновского излучения. Сам по себе метод томографии - это метод посекционной визуализации внутренней структуры организма. Метод основан на анализе поглощения излучения тканями в разных направлениях с последующей компьютерной реконструкцией полного изображения. Рентгеновская томография -- это первый томографический метод, базирующийся на применении рентгеновского излучения, которое по-разному поглощается тканями разной плотности, что и обеспечивает визуализацию внутренних органов. Для улучшения контрастности изображений в организм пациента вводят так называемые контрастирующие средства [2].

РКТ как методика имеет огромное диагностическое значение и позволяет обследовать практически все органы и системы. Показания к проведению КТ следующие.

Исследование органов грудной клетки:

инфекционные заболевания легких (пневмонии, инфекционные деструкции, туберкулез органов дыхания, пневмокониозы, паразитарные инфекции);

онкология легких

метастатическое поражение легких;

заболевания бронхов (бронхоэктазы, кисты, рубцовые стенозы бронхов, инородные тела бронхов, бронхиолит);

нарушения легочного кровообращения (тромбоэмболия легочной артерии, инфаркт легкого, септическая эмболия легких, аномалии легочных сосудов);

интерстициальные заболевания легких (альвеолит, лимфогенный карциноматоз, гистиоцитоз, саркоидоз, силикоз и антракоз, гиперчувствительный пневмонит, эмфизема);

заболевания и повреждения грудной аорты и ее ветвей;

внелегочные патологические процессы: заболевания средостения, патология плевры (плевральный выпот, пневмоторакс, опухоли плевры), грудной стенки.

Исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства:

первичное или вторичное опухолевое поражение печени и билиарных протоков, жировая дистрофия печени, абсцессы, кисты, в том числе паразитарные, цирроз печени;

заболевания желчевыводящих путей;

гепатомегалия неясной этимологии;

повреждения органов брюшной полости и забрюшинного пространства;

заболевания поджелудочной железы;

заболевания селезенки, спленомегалия неясной этимологии;

заболевания и повреждения почек и мочевыводящих путей;

аномалии органов брюшной полости и забрюшинного пространства;

заболевания надпочечников;

заболевания и повреждения брюшной аорты и её ветвей;

заболевания и повреждения нижней полой, воротной вены и их притоков (например, портальная гипертензия, тромбоз).

Исследование органов малого таза

заболевания и повреждения мочевыводящих путей;

заболевания матки, придатков (в частности, опухолевые и воспалительные, установление зон их распространенности);

заболевания предстательной железы (в особенности для диагностики распространенности опухолевого процесса);

структура, состояние регионарных лимфоузлов;

заболевания и повреждения подвздошных сосудов (аневризма, стеноз, расслаивающая аневризма);

заболевания и повреждения и костных структур таза.

Исследование головного мозга

опухолевые и воспалительные заболевания головного мозга;

мальформации сосудов головного мозга, интракраниальных сосудов;

заболевания и повреждения костей черепа и краниовертебрального перехода;

острые и хронические нарушения мозгового кровообращения;

черепномозговая травма любой степени тяжести;

последствия перенесенных травм и воспалительных заболеваний (кисты, гидроцефалия, атрофия коры).

Исследование позвоночника

дегенеративные изменения (протрузии, грыжи межпозвонковых дисков);

заболевания и повреждения позвоночника (травмы, воспалительные опухолевые процессы);

аномалии развития структур позвоночника;

послеоперационные изменения.

Исследование шеи

заболевания и повреждения органов шеи (гортани, щитовидной железы (в т.ч. опухолевые для оценки распространенности процесса);

состояние лимфоузлов шеи;

заболевания и повреждения сосудов шеи [10].

Диагностику РКТ запрещено делать:

Людям с избыточным весом более 150 кг.

Беременным женщинам.

Людям, у которых есть непереносимость йода, поскольку он является компонентом препаратов для контрастирования.

Пациенту с клаустрофобией.

Если в теле присутствуют металлические имплантанты.

Для более четкой визуализации в КТ диагностике нередко применяют специальные препараты, чаще всего, если исследование назначается для онкопоиска или для мониторинга имеющейся опухоли. Контрастные вещества, применяемые в КТ (Омнипак, Урографин и т.д.), это йодсодержащие препараты, которые вводятся внутривенно и строго по показаниям. Эти вещества позволяют лучше визуализировать опухоль, его размеры, контуры, оценить распространенность опухолевого процесса, оценить состояние сосудов, то есть нужны они для повышения информативности исследования. Эффект контрастирования при КТ основывается на том, что большинство опухолей, особенно, злокачественных, кровоснабжаются лучше, чем здоровые ткани. Поэтому контрастное вещество будет накапливаться в них, давая картину отличную от прочих тканей. Контрастные вещества при проведении компьютерной томографии применяются довольно часто, особенно когда речь идет о КТ головного мозга, органов брюшной полости и забрюшинного пространства, органов малого таза, ввиду относительно невысокой информативности бесконтрастного КТ исследования этих анатомических зон.

Контрастные вещества, применяемые в КТ, нередко вызывают аллергические реакции различной степени тяжести за счет наличия в составе йода, могут влиять на организм обследуемого, если у него в анамнезе имеются определенные заболевания. У пациентов без почечной недостаточности контраст выводится почками за сутки. Перед проведением КТ с внутривенным контрастированием необходимо проверить функцию почек.

Противопоказания для проведения КТ с контрастом:

1) Аллергические реакции на йод. Контрастные вещества обладают высокой аллергенностью ввиду содержания в них йода, поэтому довольно частым осложнением является развитие аллергической реакции разной степени тяжести.

2)Заболевания щитовидной железы. Щитовидная железа для синтеза гормонов использует йод, поэтому при патологических процессах в ней противопоказано введение йодсодержащих препаратов. Не все заболевания щитовидной железы являются йодзависимыми, поэтому возможность проведения исследования необходимо уточнить у эндокринолога.

3) Почечная недостаточность. Йодсодержащие препараты являются нефротоксичными, что неопасно при нормальной работе почек - контраст выводится в течение суток, не оказывая негативного воздействия. При почечной недостаточности выведение препарата замедляется, и он более длительное время пребывает в почечной ткани, вызывая ее поражение вплоть до некроза. При выраженной почечной недостаточности КТ с йодсодержащими препаратами противопоказано.

4) Сахарный диабет (так как это заболевание сопровождается развитием нефропатии).

5) Беременность. Компьютерная томография (с контрастом или без) противопоказана при беременности на любых сроках. Для кормящих женщин: после проведения КТ с контрастным усилением грудное вскармливание можно возобновить через 24-48 ч.

6) Тяжелое состояние пациента.

7) Психические заболевания.

Компьютерную томографию с контрастированием можно пройти не ранее, чем через 24 часа после любого предшествующего диагностического исследования (МРТ, ПЭТ, рентгенография) с контрастированием [9].

Само исследование проходит в специально оборудованном кабинете. После сбора анамнеза пациента и ознакомления с его историей болезни начинается подготовка к процедуре. Пациента укладывают на стол, который является частью томографа, после чего лаборант настраивает аппарат для сканирования необходимой области. Стол медленно проходит через кольцо диагностического сканирования. Все время пребывания на столе аппарата нужно проводить в неподвижном состоянии и выполнять команды лаборанта. Если исследование проводится с использованием контрастного вещества, то его вводят после первой сессии снимков. Препарат вводят через предварительно поставленный периферический или центральный венозный катетер. После введения у пациента может появиться небольшое покалывание в мете введения и металлический привкус во рту. Длительность исследования зависит от зоны сканирования, тяжести состояния пациента и использования контрастного вещества. В среднем РТК занимает от 10 до 30 минут [11].

КТ обладает рядом преимуществ перед обычным рентгенологическим исследованием:

Прежде всего, высокой чувствительностью, что позволяет дифференцировать отдельные органы и ткани друг от друга по плотности в пределах до 0,5%; на обычных рентгенограммах этот показатель составляет 10-20% .

КТ позволяет получить изображение органов и патологических очагов только в плоскости исследуемого среза, что дает четкое изображение без наслоения лежащих выше и ниже образований.

КТ дает возможность получить точную количественную информацию о размерах и плотности отдельных органов, тканей и патологических образований.

КТ позволяет судить не только о состоянии изучаемого органа, но и о взаимоотношении патологического процесса с окружающими органами и тканями, например, инвазию опухоли в соседние органы, наличие других патологических изменений.

КТ позволяет получить топограммы, т.е. продольное изображение исследуемой области наподобие рентгеновского снимка, путем смещения больного вдоль неподвижной трубки. Топограммы используются для установления протяженности патологического очага и определения количества срезов.

КТ незаменима при планировании лучевой терапии (составление карт облучения и расчета доз) [1].

Данные КТ могут быть использованы для диагностической пункции, которая может с успехом применяться не только для выявления патологических изменений, но и для оценки эффективности лечения и, в частности, противоопухолевой терапии, а также определение рецидивов и сопутствующих осложнений.

2.2 Физические принципы метода РКТ

Как говорилось ранее, РКТ - это метод послойного исследования структуры неоднородных объектов в рентгеновском излучении, основанный на зависимости линейного коэффициента поглощения m в рентгеновском диапазоне от состава и плотности вещества; один из методов вычислительной томографии.

Классическая схема этого метода, впервые предложенная в медицинской рентгенографии для повышения контраста теневых изображений внутренних органов, приведена на рисунке 1. При фиксированном положении источника излучения S на фотоплёнке образуется теневое изображение, являющееся суммой проекций всех слоев объекта О, через которые проходит пучок. Если в процессе съёмки синхронно перемещать источник и фотоплёнку (или источник н объект, объект и фотоплёнку) так, чтобы пучок проходил в процессе экспозиции только через один и тот же участок объекта в слое F, то изображение И этого участка получится наиб. чётким, изображения др. участков окажутся "размазанными". Этот метод не позволяет полностью избавиться от наложения проекций других участков на исследуемый. Кроме того, длительность экспонирования, повышающая контраст, для живых организмов ограничена допустимыми дозами облучения [9].

В основе современных методов Р. т. лежит др. подход: они базируются на применении мощных вычислит. методов обработки данных, получаемых томографическим сканированием, один из вариантов которого приведён на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема сканирующего томографа

Узкий пучок рентгеновского излучения от источника S, сформированный коллиматором К, просвечивает объект О, после чего регистрируется детектором Д. При синхронном перемещении источника и детектора вдоль некоторого направления С осуществляется последовательное сканирование всех участков объекта, причём связь зарегистрированной детектором интенсивности излучения I с линейным коэффициент поглощения m среды объекта имеет вид интегрального уровня:

где I0 - интенсивность падающего пучка, dl- элемент пути поглощения вдоль луча l, соответствующего направлению сканирования. Измерения повторяются для нескольких направлений сканирования относительно объекта. Для ускорения съёмки применяют несколько источников или перемещающийся источник с расходящимся "веерным" пучком, распределение интенсивности в к-ром измеряется двумерным координатно-чувствительным детектором (рисунок 3). Для восстановления распределения m, а следовательно, плотности и состава вещества по объёму объекта используют спец. алгоритмы обработки данных на ЭВМ. Синтезируя далее картину распределения плотности тканей объекта в различных сечениях, можно установить границы здоровых н поражённых участков, напр. при исследованиях опухолей мозга, патологических изменениях сердца, сосудов, поражениях костной ткани и в других случаях, когда прямая диагностика затруднена пли вообще невозможна [2;9].

Рисунок 3. Схема рентгеновского томографа с несколькими источниками (S1, S2, S3 )и координатно-чувствительным детектором (КЧД)

Изображение, полученное методом РКТ, представляет собой двумерную проекцию трехмерного объекта, через которого прошло излучение. В этой проекции различные слои объекта на различной глубине накладываются друг на друга, поэтому это изображение также называют суперпозицией изображений. Данный принцип получения изображения одинаков для всех методов КТ, отличие будет лишь в типе излучения. Вместо рентгеновских лучей может применяться ультразвуковая волна. Во время РКТ регистрируется поглощение рентгеновского излучения, в то время как оно проходит через объект, а в ультразвуковой КТ измеряется время затухания звуковой волны. Дальнейшие алгоритмы обработки изображений одинаковы в обоих методах. Во время РКТ, рентгеновские лучи излучаемые источником проходят через объект, и регистрируется затухание излучения приемником в нескольких местах одновременно. Затем система «источник / приемник» поворачивается вокруг объекта (пациента) на некоторый угол и запускает новое сканирование. Это повторяется несколько раз, пока не будут охвачены все требуемые углы [2].

После завершения всех сканов необходима обработка изображения (реконструкция). Как правило, снимаются несколько томографических изображений. Затем пациент или объект исследования перемещается в продольном направлении, и процесс повторяется. И так далее, пока не будет покрыта вся площадь, которая должен быть рассмотрена.

Суть компьютерной томографии математически можно проиллюстрировать так. В компьютерной томографии рентгеновская трубка и система коллимирования создают узкий веерообразный пучок лучей, рассеиваемых всеми элементарными объемами (вокселами) исследуемого слоя. Суммарный линейный коэффициент ослабления пучка фотонов коэффициент рассеивания при прохождении излучения через набор вокселов составляет У = µ1 + µ2 + µ3 + ...+ µN. µ -- коэффициенты ослабления пучка в каждом из элементарных объемов. Поскольку детекторы регистрируют интенсивность излучения, прошедшего через весь исследуемый объект, мы можем оценить по полученным данным только µ2 . Найти коэффициенты поглощения для каждого воксела, необходимые для восстановления изображения, можно с помощью метода обратного проецирования (решения обратной задачи), предполагающего получение информации о характере поглощения рентгеновского излучения с многих направлений. Рассмотрим слой, состоящий из четырех элементарных объемов. (Рисунок 4)

Рисунок 4. Схема получения данных при РКТ

Как видно из рисунка 4, в этом случае мы получаем ряд различных значений суммарных коэффициентов µ12, µ 23, µ 13, µ24, которые можно записать в виде системы уравнений:

Решая уравнения, мы получаем коэффициенты ослабления для элементарных объемов. Таким образом, можно оценить пропускающую способность ткани на разной глубине и по ней судить о ее структуре. В реальности изображения в компьютерной томографии состоят из значительно большего числа микрообъемов (пикселей) и восстанавливать приходится коэффициенты рассеивания из соответствующего их числу количества уравнений (рис.4). В современных томографах цифровая матрица получаемого изображения чаще всего имеет размерность 512Ч512 или 256Ч256 пикселей, и решать приходится столь объемные по числу неизвестных уравнения [4].



2.3 Устройство аппарата РКТ

Рентгеновское излучение создается рентгеновской трубкой, схема которой представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема рентгеновской трубки

Современные рентгеновские трубки состоят из трех основных частей: стеклянного корпуса, обеспечивающего вакуум вокруг частей трубки, катода и анода. Анод должен быть сделан из материала, способного противостоять высоким температурам и имеющего высокий атомный номер (молибден, рений, вольфрам). В зависимости от способа охлаждения анода рентгенов- ские трубки бывают двух видов: со стационарным или с вращающимся анодом.. В компьютерном томографе рентгеновская трубка совместно с системой коллимирования создает узкий веерообразный пучок лучей, угол расхождения которого составляет 30°-50°. Ослабление рентгеновского луча при прохождении через объект регистрируется детекторами, преобразующими регистрируемое рентгеновское излучение в электрические сигналы. Затем эти аналоговые сигналы усиливаются электронными модулями и преобразуются в цифровые импульсы. Некоторые материалы оказываются очень эффективными для преобразования рентгеновского излучения. Чаще в КТ используются два типа детекторов -- люминесцентные и газовые. В люминесцентных детекторах используются люминесцентные кристаллы соединенные с трубкой фотоумножителя для преобразования вспышек света в электроны. Количество произведенного света прямо пропорционально энергии поглощенных лучей. Такие детекторы использовались в сканерах 1 и 2 поколений. Их недостатками является невозможность близкого расположения друг к другу и эффект послесвечения. Газовый детектор представляет собой камеру ионизации, заполненную ксеноном или криптоном. Ионизированный газ, пропорциональный излучению, падающему на камеру, вызывает соединение электронов с вольфрамовыми пластинам, создающим электронные сигналы. Пластины расположены на расстоянии 1,5 мм друг от друга. Газовые детекторы были разработаны для сканеров 3 поколения и дают высокое разрешение и чувствительность. Их эффективность близка к 100%, поскольку они могут быть расположены близко друг к другу.

Мультиспиральная (многосрезовая) компьютерная томография (МСКТ) -- это направление КТ впервые представлено в 1992 году. Отличие МСКТ томографов от спиральных томографов в том, что по окружностям располагается не один, а два и более рядов детекторов. Рентгеновское излучение одновременно регистрируется детекторами, расположенными на разных рядах. Это позволяет получить объемное изображение. В 1992 году появились томографы с двумя рядами детекторов, в 1998 году -- четырёхсрезовые, а настоящее время число таких рядов достигает сотни. Количество оборотов рентгеновской трубки увеличилось с одного до двух.

В последнее десятилетие активно разрабатываются многосрезовые КТ-сканеры, в которых детекторы расположены в несколько рядов, что позволяет одновременно получать несколько срезов с различным положением по оси z. Следует отметить, что можно реконструировать срез с толщиной большей, чем установленная в процессе сканирования, но не наоборот. Современные многосрезовые КТ-сканеры имеют до 256 рядов детекторов и обеспечивают высокое изотропное разрешение изображений, позволяя реконструировать полученные данные в произвольных плоскостях и повысить информационную составляющую проведенного исследования. В 2005 году фирмой Сименс были разработан и представлен аппарат с двумя источниками рентгеновского излучения, который является одним из продолжений технологии МСКТ. В эти же годы количество срезов при одном обороте выросло до 32, а затем до 64, 128, а некоторых случаях и до 320. В этом случае существенно сокращено время исследования, а также уменьшена лучевая нагрузка от рентгеновского источника. Все поколения томографов преследуют цель -- увеличение скорости и качества обработки снимков. Последние годы получили распространение более совершенные методы компьютерной томографии, которые также можно отнести к компьютерным технологиям пятого поколения. В компьютерной томографии высокого разрешения (КТВР) достигается лучшее пространственное разрешение. В методе осуществляются тонкие срезы (1-2 мм) и высокоскоростной алгоритм. Небольшой шаг срезов позволяет детальнее исследовать внутренние органы пациента. Он применяется в основном при визуализации легких. В модификации этого метода (низкодозной компьютерной томографии высокого разрешения) уменьшают токи пучка электронов в рентгеновской трубке. Это соответственно уменьшает разрешающую способность и диагностическую точность методики, но при этом уменьшает и дозовую нагрузку на пациента. Поэтому такой подход эффективен при повторных исследованиях. Конфигурация компьютерного томографа [2;4].

В состав любого КТ-сканера входят следующие основные блоки (рисунок 6 и рисунок 7):

1. гантри со столом пациента и блоками управления;

2. высоковольтный генератор;

3. вычислительная система;

4. консоль оператора. Гантри -- это подвижная кольцевая часть томографа. Гантри совершает обороты в направлении R вместе с расположенной на нем рентгеновской трубкой Т. Х обозначает направление рентгеновских лучей. Детекторы D могут быть либо расположены на гантри (третье поколение томографов), либо неподвижно установлены на кольце томографа. Внутри гантри расположены блоки, обеспечивающие сбор данных: рентгеновская трубка и коллиматоры, детекторы и система сбора данных, контроллер трубки (контроллер движения ротора), генератор высоких частот, встроенный микрокомпьютер (регулирующий напряжение и ток на трубке), компьютер, обеспечивающий обмен данными с консолью.

Рисунок 6. Схема аппарата РКТ

Рисунок 7. Структура аппарата РТК

Рентгеновские трубки в современных КТ-системах имеют мощность 20-60 кВт при напряжении 80-140 кВ. При максимальных значения мощности во избежание перегрева трубки такие системы могут работать ограниченное время; эти ограничения определяется свойствами анода и генератора. Современные системы с несколькими рядами детекторов и эффективным использованием ресурса трубки практически сняли эти ограничения. Сила тока на трубке также может устанавливаться в пределах от 10мА до 440 мА, что позволяет добиться оптимального соотношения между качеством и изображения (уровнем шума) и дозой облучения пациента [12].



РАЗДЕЛ 3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Визуализация полученных данных

рентгеновская томография излучение

Медицинская визуализация ? это несколько различных медицинских технологий, используемых для визуализации организма человека в целях диагностики, мониторинга и лечения различных медицинских состояний. Каждый вид технологии предоставляет иную информацию о месте, которое исследуется или лечится, в зависимости от клинической задачи.

Компьютер КТ осуществляет реконструкцию изображения, решая более 30000 уравнений одновременно. В современных томографах программное обеспечение для обработки изображений во многом определяет их клиническую производительность и информативность регистрируемых данных и составляет 1/3 общей стоимости сканера. Существует два способа сбора данных в компьютерной томографии: пошаговое и спиральное сканирование. Самым простым способом сбора данных является пошаговая КТ, для которого можно выделить две основные стадии: накопление данных и позиционирование пациента. На стадии накопления данных (1 c или менее) пациент остается неподвижным и рентгеновская трубка вращается относительно пациента для накопления полного набора проекций в предварительно определенном месте сканирования. На стадии позиционирования пациента (более 1 c) данные не накапливаются, а пациент перемещается в следующее положение сбора данных. Изображение реконструируют по полному набору данных. Более сложным является винтовое (спиральное) сканирование, которое стало возможным благодаря появлению конструкции гантри с кольцом скольжения, позволяющим трубке и детекторам вращаться непрерывно. Достоинство спиральной КТ заключается в непрерывном накоплении данных, осуществляемом одновременно с движением пациента через раму. Расстояние перемещения пациента за оборот рамы соответствует скорости движения стола. Поскольку данные накапливаются непрерывно, рабочий цикл в спиральной КТ близок к 100%, а отображение изображаемого объема происходит быстрее. Обычно при реконструкции изображений в спиральной КТ используются алгоритмы интерполяции, которые позволяют выделить из общего набора данные, необходимые для построения изображения отдельного среза при каждом положении стола [1;4;12].

Качество получаемого изображения и разрешающая способность метода (и не только многослойной компьютерной томографии) зависит от правильности выбора таких параметров, как коллимация, напряжение, сила тока. Например, изображение, снятое при напряжении 80 кВ более зашумленное, чем снятое при 140 кВ. Учитывая, что с повышением кВ повышается проникающая способность излучения, при диагностике полных пациентов следует использовать более жесткое излучение. Поскольку, величина шума на снимке с ростом силы тока уменьшается, при исследовании объектов с высокой плотностью (например, плечевой пояс) целесообразно использовать большие токи. При исследовании мягких тканей можно уменьшить ток, и, следовательно, снизить дозу. Тем не менее, на данный момент не существует универсального критерия качества изображения. Это вызвано субъективностью реакции наблюдателя. Поэтому при оценке качества изображения пользуются отдельными, частными критериями, каждый из которых отражает определенную особенность формируемого изображения:

* пространственное разрешение,

* контраст,

* уровень шума,

* пространственная однородность.

С целью контроля качества изображений раз в день перед исследованиями на каждом КТ-сканере производится сканирование фантома. Фантом состоит из нескольких модулей, необходимых для проверки (или калибровки) позиционирования, толщины среза, точности КТ-чисел, контрастного и пространственного разрешений [4]. Точность позиционирования (совмещения) проверяется по стальным шарикам, впаянным в середину боковой поверхности на 3, на 6, на 9 и на 12 часов относительно центра модуля (обозначены сплошными стрелками.

Регистрируемые детектором данные это результат взаимодействия рентгеновского излучения и вещества, из которого состоит исследуемый объект. При прохождении через объект энергия фотонов уменьшается из-за действия фотоэлектрического эффекта (поглощения) и эффекта Комптона (рассеивания). Коэффициент поглощения фотонов узкого рентгеновского пучка при прохождении через материал зависит от коэффициента линейного ослабления этого материала. Расчет данных производится по принципу, описанному в главе «Физические принципы метода РКТ». В современных томографах цифровая матрица получаемого изображения чаще всего имеет размерность 512Ч512 или 256Ч256 пикселов. Компьютерная обработка изображения позволяет различать более ста степеней изменения плотности исследуемых тканей - от нуля - для воды, ликвора до ста и более -- для костей, что дает возможность дифференцировать различия нормальных и патологических участков тканей в пределах 0,5-1%, т.е. в 20-30 раз больше, чем на обычных рентгенограммах [4:12].

3.2 Интерпретация полученных данных

Обработку исходных аксиальных КТ-изображений с целью создания новых изображений называют постобработкой, постпроцессингом, или вторичной реконструкцией КТ-изображений. Основными задачами постпроцессинга КТ-изображений являются:

-- улучшение оценки пространственных взаимоотношений органов и структур;

-- наглядное представление КТ-данных (коммуникация с врачами других специальностей, выступление с презентациями, обучение);

-- специальные клинические приложения для улучшения диагностики заболеваний;

-- планирование некоторых видов лечения (виртуальная симуляция лучевой терапии, хирургическая навигация)

Качество постпроцессинговых реконструкций напрямую зависит от характеристик исходных КТ-изображений, в первую очередь от толщины аксиальных срезов, а также использования внутривенного контрастного усиления [13].

Средством регулировки компьютернотомографических и других видов цифровых диагностических изображений по яркости и контрастности является так называемое окно визуализации, позволяющее оптимально отобразить на мониторе просмотровой станции часть всего диапазона структур в томографическом срезе в зависимости от их плотности (КТ числа). Большинство программ просмотра КТ-изображений имеют предустановленные (рекомендованные производителем) параметры окон визуализации.

На практике обычно используют плавную регулировку параметров ширины и центра окна в зависимости от конкретной цели исследования, особенностей монитора и привычек индивидуального специалиста. Правилом должен оставаться просмотр всех КТ-изображений как минимум в двух окнах - мягкотканном и костном, а при исследованиях органов грудной полости - еще и в легочном.

Количественная оценка плотностей (денситометрия) является одним из важнейших преимуществ КТ перед другими методами лучевой диагностики, такими как рентгенография, ультразвуковое исследование и МРТ. Образования, КТ-плотность которых равна плотности окружающих тканей, называют изоденсивными (например, некоторые опухоли), плотность которых выше плотности окружающих тканей - гиперденсивными (кальцинат в легком), при плотности ниже плотности окружающих тканей - гиподенсивными (киста в почке) [14].

Наибольшее значение в диагностике имеет среднее значение плотности, но следует обращать внимание и на стандартное отклонение, характеризующее степень разброса (неоднородность) плотностей. Для избежания диагностических ошибок значения плотности необходимо интерпретировать в сочетании с другими КТ-симптомами. Размер нормальных и патологических структур является вторым важнейшим количественным параметром, наряду с плотностью, включаемым в описание практически любого КТ-исследования. На корректность измерения на КТ-изображениях расстояний влияют:

- подготовка пациента к исследованию (например, толщина стенок желудка зависит от степени его наполнения и содержимого - оптимально вода или йодсодержащее контрастное вещество; при заполнении пищей дифференциация стенок может ухудшаться);

- методика сканирования: качество задержки дыхания, толщина среза, использование внутривенного контрастного усиления [13;14].

Наиболее высоки требования к точности измерений в онкологии. Продолжение, прекращение или изменение схемы лечения часто напрямую зависит от динамики размеров злокачественной опухоли после проведенного курса лечения. Некорректное измерение может стать причиной неправильной тактики и, как следствие, иметь негативные последствия для здоровья пациента и экономики здравоохранения (например, ошибочный отказ в дальнейшем лечении или, напротив, продолжение неэффективной схемы химиотерапии). Так, о прогрессировании опухолевого процесса можно говорить лишь при увеличении максимального размера опухоли более чем на 20 % (т. е. при увеличении с 50 до 59 мм следует говорить о стабилизации, а не прогрессировании). Это имеет важное практическое значение, поскольку даже при полной стандартизации измерений два врача при измерении одного и того же образования неправильной формы могут получить несколько отличающиеся размеры. По этой причине рекомендуется самостоятельно измерять опухоль при текущем и более ранних КТ-исследованиях, а не опираться на измерения опухоли при предыдущих исследованиях, выполненные другим врачом. Такой алгоритм работы подразумевает наличие предыдущих КТ-исследований в цифровом формате.

Измерение углов, площади и объема находит применение в особых случаях, нередко связанных с необходимостью научного анализа информации. Примерами клинических ситуаций, требующих указанных измерений, являются:

- измерение угла сколиоза или кифоза позвоночника (для этого необходимо построение реконструкций в коронарной или сагиттальной плоскостях соответственно);

- измерение площади гематомы при внутримозговом кровоизлиянии для принятия решения о необходимости нейрохирургического вмешательства;

- измерение объема метастазов в печени как один из критериев принятия решения о выполнимости хирургической резекции.

Измерение объема (вольюметрия) может выполняться в ручном или автоматическом режиме. Первый способ подразумевает следующую последовательность действий: - обведение контура образования на каждом КТ-срезе; - программа рассчитывает площадь обведенного участка на каждом срезе; - умножаем площадь образования на каждом срезе на толщину среза; - суммируем полученные значения. До проведения подобных расчетов необходимо убедиться, что срезы прилежат друг к другу без взаимного наложения или пропусков между ними. Недостатком такого способа является его трудоемкость.

Для автоматического расчета объема необходима специальная программа, которая выделяет ткани в указанном диапазоне плотностей. Необходимым условием работы программы автоматической вольюметрии является отличие плотности образования от плотности окружающих тканей или наличие достаточно четкой границы между ними. Данный способ позволяет измерить объем быстрее, чем вручную, но может быть использован не во всех случаях и быть менее точным, например, если структура опухоли неоднородна, т. е. не попадает в узкий диапазон плотностей [13;14].

Большинство из указанных возможностей применимы и к другим видам медицинских диагностических изображений - цифровым рентгенограммам, УЗИ, МРТ, ядерной медицины. Гораздо более сложным и наглядным способом представления КТ-данных является их двухмерная и трехмерная реконструкция. Все полученные на КТ-исследовании данные описываются и трансформируются в диагноз врачом функциональной диагностики.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе был разобран и описан один из самых сложных методов радиологического исследования - метод рентгеновской компьютерной томографии. Рентгеновская компьютерная томография (КТ) - наиболее совершенный метод лучевой диагностики. Этот метод основан на оригинальном принципе получения изображения посредством послойного поперечного сканирования объекта узким пучком рентгеновского излучения. Во время сканирования рентгеновский излучатель и приёмник вращаются вокруг стола с пациентом. В ходе вращения, рентгеновское излучение проходит через ткани исследуемого объекта, ослабляется ими и достигает детекторов, которые измеряют его интенсивность. Полученные значения интенсивности фиксируются в каждом из 360 положений сканирующего устройства. По этим данным компьютер вычисляет коэффициенты ослабления излучения или значения рентгеновской плотности тканей во всех элементарных ячейках томографического слоя (по сути, представляющего собой массив коэффициентов ослабления, записанных в квадратную матрицу). Вычисленные коэффициенты ослабления рентгеновского излучения выражаются в относительных величинах (так называемых числах Хаунсфилда). На основании этих коэффициентов на экране монитора формируется двумерное полутоновое изображение исследуемого сечения объекта.

Принципиальное отличие компьютерной томографии от традиционной рентгенодиагностики состоит в том, что КТ-изображение не связано непосредственно с принятым излучением, а является результатом вычислений, производимых электронно-вычислительной машиной по специальным алгоритмам.

Компьютерная томография имеет ряд уникальных особенностей, которые ставят этот метод на особое место среди всех остальных рентгенологических методов.

КТ-изображение не имеет теней и помех от неоднородности тканей, содержащихся в других слоях исследуемого отдела, а также не зависит от порядка расположения тканей с различной рентгеновской плотностью.

Изображение, полученное при компьютерной томографии, представляет собой массив цифровых данных в виде пространственного распределения величин коэффициентов ослабления в тканях исследуемого слоя, поэтому субъективная ("на глаз") оценка изображения дополнена прямым определением плотности тканей; такие объективные данные можно использовать для углубленного анализа изображений.

Высокая точность измерений позволяет различать ткани, незначительно (на 0,5%) отличающиеся друг от друга но плотности.

Поэтому объем информации, содержащийся в компьютерной томограмме, в сотни раз больше, чем в обычной рентгенограмме.



Список использованных источников

Основы и принципы лучевой диагностики: Учеб-метод. пособие / А.И. Алешкевич [и др.]. - Минск: БГМУ, 2016. - 86 с.

Рентгеновская компьютерная томография: руководство для врачей/под редакцией проф.Труфанова, ФОЛИАНТ - 2008. - 1200 с.

Основы лучевой диагностики: Учебное пособие/ Д.А. Лежнев И.В. Иванова. Москва/ ГЕОТАР - 2019. - 36 с.

Черняев А.П., Волков Д.В., Лыкова Е.Н. Физические методы визуализации в медицинской диагностике: Учеб. пособие -- М.: ООП физического факультета МГУ, 2019.-- 112 с. -- (Серия «Библиотека медицинского физика»)

Стожаров А.Н. Радиационная медицина. Учебное пособие/МГМИ 2000 - 154 с.

Радиационная медицина : учеб. пособие / А.Н. Гребенюк, В.И. Легеза, В.И. Евдокимов, Д.А. Сидоров ; под. ред. С.С. Алексанина, А.Н. Гребенюка ; Всерос. центр. экстрен. и радиац. медицины им. А.М. Никифорова МЧС России. - СПб. : Политехника-сервис, 2013. - Ч. I : Основы биологического действия радиации. - 124 с

...