Компьютерная томография

Среди всех существующих томографических методов особые успехи достигнуты в радиационной (рентгеновской) компьютерной томографии (КТ). Предпосылкой ее появления послужили недостатки обычной рентгенографии, породившие идею получения не одного, а ряда снимков, выполненных под разными ракурсами, и определения по ним путем математической обработки плотностей исследуемого вещества в ряде сечений. Преимуществами КТ по сравнению с традиционной рентгенографией являются:

-    отсутствие теневых наложений на изображении;

-    более высокая точность измерения геометрических соотношений;

-    чувствительность на порядок выше, чем при обычной рентгенографии.



Впервые задачу реконструкции изображения рассмотрел в 1917 г. австрийский математик Johann Radon, который вывел зависимость поглощения рентгеновского излучения от плотности вещества на некотором луче зрения. Решение задачи было отложено на много лет, и лишь в 1956-58 гг. советские ученые разработали первую систему реконструкции рентгеновских медицинских изображений.

Метод компьютерной томографии в 1961 г. предложил американский нейрорентгенолог William Oldendorf, а в 1963 г. математик Allan M. Cor-mack (США) провел лабораторные эксперименты по рентгеновской томографии и показал возможность выполнения реконструкции изображения. Первая вполне качественная томограмма головного мозга человека получена в 1972 г. (рис.1) [5].

Рис. 1. Первый КТ-сканер (а) и первая томограмма головного мозга (б)

В 1973 г. инженер-исследователь Godfrey Hounsfield (Великобритания) разработал первую на западе коммерческую систему - сканер головного мозга английской фирмы EMI. Он позволял получать изображения с разрешением 80х80 пикселов (размер пиксела 3 мм). Получение одного изображения требовало 4,5 мин на сбор данных и 1,5 мин на реконструкцию. Высокая продолжительность эксперимента накладывала ограничение на область исследования, и первые томографы использовались только для изучения голов-

ного мозга. Впервые отечественный медицинский рентгеновский томограф СРТ-1000 был разработан в 1978 г. под руководством И.Б. Рубашова, бывшего в 1987-1998 гг. директором ВНИИ компьютерной томографии.

К 1979 г. серийно выпускаемые многими западными фирмами томографы, несмотря на их внушительную стоимость (сканер EMI стоил $390000), работали уже более чем в 2000 клиниках мира.

В этом же 1979 г. G. Hounsfield и A. Cormack за выдающийся вклад в развитие КТ были удостоены Нобелевской премии в области медицины. Спустя три года, в 1982 г., Нобелевской премии по химии был удостоен известный английский микробиолог Aaron Klug, который внес значительный вклад в развитие экспериментальных и расчетных методов трехмерной КТ.

Конструкция компьютерных томографов за годы их существования претерпела значительные изменения. В целом можно выделить пять поколений КТ-сканеров.

В томографах первого поколения, появившихся в 1973 г., имелась одна остронаправленная рентгеновская трубка и один детектор, которые синхронно передвигались вдоль рамы (рис. 2,а). Измерения проводились в 160 положениях трубки, затем рама поворачивалась на угол 1° и измерения повторялись. Сами измерения длились около 4,5 мин, а обработка полученных данных и реконструкция изображения на специальном компьютере занимали 2,5 ч.

Рис. 2. Схематическое изображение компьютерных томографов четырех

поколений

Томографы второго поколения (например, CT-1010, EMI, Великобритания) имели уже несколько детекторов, работающих одновременно, а трубка излучала не остронаправленный, а веерный пучок (рис. 2,6). Так же как и в томографах первого поколения, здесь использовалось параллельное сканирование, но угол поворота трубки увеличился до 30°. Общее время измерений, необходимое для получения одного изображения, значительно сократилось и составляло 20 с. Типичным для данной схемы сканирования является то, что она учитывает только первичные фотоны источника. Первый отечественный компьютерный томограф СРТ-1000 относился к томографам второго поколения.

В томографах третьего поколения (середина 1970-х гг.) трубка излучала широкий веерный пучок лучей, направленный на множество детекторов (около 700), расположенных по дуге (рис. 2,в). Усовершенствованная конструкция сделала возможным непрерывное вращение трубки и детекторов на 360° по часовой стрелке за счет использования кольца скольжения при подведении напряжения. Это позволило исключить стадию перемещения трубки и сократить время, необходимое для получения одного изображения до 10 с. Использование таких томографов обеспечило возможность проведения исследования движущихся частей тела (легких и брюшной полости) и разработки спирального алгоритма сбора данных. Все современные медицинские компьютерные томографы относятся к третьему поколению.

В томографах четвертого поколения (Pfizer 0450, США) имелось сплошное неподвижное кольцо детекторов (1088 люминисцентных датчиков) и излучающая веерный пучок лучей рентгеновская трубка, вращающаяся вокруг пациента внутри кольца (рис. 2,г). Время сканирования для каждой проекции сократилось до 0,7 с, а качество изображения улучшилось. В данных томографах необходимо учитывать влияние эффекта рассеяния при переносе излучения, которое в зависимости от энергии используемой источником может быть рэлеевским или комптоновским.

Таблица 1

Параметры КТ-сканеров третьего и четвертого поколений

Характеристика

Третье поколение

Четвертое поколение

Конфигурация

Вращающаяся трубка, вращающиеся детекторы

Вращающаяся трубка, неподвижные детекторы

Время сбора данных (одна проекция)

До 10 с

1мс

Число детекторов

500-700

1088

Тип детекторов

Камера ионизации

Т вердотельные

Неисправность

детектора

Неправильная регистрация в каждой из проекций

Отсутствует одна проекция

Влияние неустойчивости трубки

Большого эффекта нет

Круговые артефакты на изображении

В начале 1980-х появились электронно-лучевые томографы (томографы пятого поколения). В них поток электронов создается неподвижной электронно-лучевой пушкой, расположенной за томографом (рис. 3). Проходя сквозь вакуум, поток фокусируется и направляется электромагнитными катушками на вольфрамовую мишень, представляющую собой дугу окружности (около 210°), находящуюся под столом пациента. Мишени расположены в четыре ряда, имеют большую массу и охлаждаются проточной водой, что решает проблемы теплоотвода. Напротив мишеней установлена неподвижная система быстродействующих твердотельных детекторов, имеющая форму дуги 216°. Данные томографы используются при исследованиях сердца, т.к. позволяют получать изображение за 33 мс со скоростью 30 кадров/с, а число срезов не ограничено теплоемкостью трубки. Такие изображения не содержат артефактов, вызванных пульсацией сердца, но имеют более низкое соотношение сигнал/шум [50].

Рис. 3. Схема электронно-лучевого томографа: 1 - электронная пушка; 2 - поток электронов; 3 - фокусирующая катушка; 4 - направляющая катушка; 5 - мишень; 6 - детекторы

Рекомендуем к просомтру

www.kievoncology.com благодарны автору и издательству, которые способствует образованию медицинских работников. При нарушении авторских прав, сообщите нам и мы незамедлительно удалим материалы.