Реферат: Компьютерная томография

ВВЕДЕНИЕ

Древняя латинская поговорка гласит: "Diagnosis cetra — ullae therapiae fundamentum" («Достоверный диагноз — основа любого лечения»). Напротяжении многих веков усилия врачей были направлены на решение труднейшей задачи — улучшениераспознавания заболеваний человека.

Потребность в методе, который позволил бы заглянуть внутрь чело-веческоготела, не повреждая его, была огромной, хотя и не всегда осознанной. Ведь всесведения, касающиеся нормальной и патологическойанатомии человека, были основаны толькона изучении трупов. После того, как в Европе стали широко изучаться вскрытиятрупов, врачи смогли изучить строениеорганов человека, а также изменения, которые они претерпевают при тех или иныхзаболеваниях.

Какую огромную пользу принес бы непосредственныйосмотр челове-ческого организма, если бы он стал вдруг «прозрачным»! И вряд ли кто-нибудь из ученых прошлого мог предположить, что эта мечта вполне осуществима.

Потребность увидеть не оболочку, а структуру организмаживого человека, его анатомию и физиологию была столь насущной, что, когда чудесные лучи, позволявшие осуществить это на практике, были наконец открыты, обычно консервативные ичасто недоверчивые к новшествам врачи почти сразу поняли, что в медициненаступила новая эра.

Уже в первые дни и недели после того, как стало известно о существовании и свойствах этих лучей, врачи различных стран начали применять их для исследования важнейшихорганов и систем человеческого тела. В течение первого же года появились сотни научных сообщений впечати, посвященных результатам таких исследований.

Количество сообщений в последующие годынарастало. Выяснялись все новыевозможности рентгенологического метода. Появились первые книги,посвященные этому методу. Вскоре эта литература стала необозримой.

В 1946 г. известный советский клиницист и организаторздравоохранения Н.Н.Приоров на заседании, посвященном 50-летию рентгенологии, говорил:«Что стало бы сегодня с физиатрией иурологией, гинекологией иотоларингологией, неврологией ионкологией, хирургией и ортопедией, офтальмологией и травматологией, если бы лишить их того, что дала рентгенология в области диагностикии лечения?»

Но процесс науки итехники неудержим. Не успели врачиполностью освоить возможности рентгеновских лучей в диагностике, как появились другие методы, позволяющие получить изображение внутреннихорганов человека, дополняющие данные рентгенологического исследования. К нимотносятся радионуклеидное и ультразвуковое исследования, тепловидение, ядерно-магнитный резонанс,фотонная эмиссия и некоторые другие методы, еще не получившие широкогораспространения.

Эти способы основаны на использовании близких по своей природе волновых колебаний,для проникновения которых ткани человеческого тела не являются непреодолимымпрепятствием. Они объединяются и тем,что в результате взаимодействия волновыхколебаний с органами и тканями ор-ганизма наразличных приемниках — экране, пленке,бумаге и др. — возникают их изображения, расшифровка которых позволяет судить о состоянии различных анатомическихобразований.

Такими образом, все указанные методы принципиально близкирентгенодиагностике как по своей природе, так и по характеру конечного результата их применения.

Внедрение в практику этих методов (наряду срентгенологией) привело к возникновениюновой обширной медицинской дисциплины, получившей за рубежом названиедиагностической радиологии (от латинского radius — луч), а у нас — лучевойдиагностики.

Возможности этой дисциплины в распознаваниизаболеваний человека весьма велики. Ей доступны практически все органы и системычеловека, все анатомические образования, размеры которых выше микроскопических.

В отличие от классических медицинских методик (пальпации,перкуссии, аускультации) основным анализатороминформации, получаемой способами лучевой диагностики, является орган зрения, при помощи которого мы получаем около90% сведений об окружающем мире, и притом наиболее достоверных. Когда широкая сеть медицинских учреждений будетоснащена высококачественной аппаратурой, позволяющей использовать все возможности лучевой диагностики, а врачи, работающие в этих учреждениях,будут обучены обращению с этой сложной аппаратурой и, главное, полноценнойрасшифровке получаемых с ее помощьюизображений, диагностика основныхзаболеваний человека станет более ранней и достоверной не только в крупных научно-исследовательских иклинических центрах, но и на передовомкрае нашего здравоохранения - в поликлиниках и районных больницах. В этихучреждениях работает основная масса врачей. Именно сюда обращается подавляющее большинство больных при возникновении каких-либо тревожных симптомов. От уровняработы именно этих лечебно-диагностических учреждений в конечном итоге зависитранняя и своевременная диагностика, а следовательно во многом и результатылечения подавляющего большинства болезней. [ № 1, стр. 3-6]

Изобретение рентгеновской томографиис обработкой получаемой информации на ЭВМ произвело переворот в области полученияизображения в медицине. Впервые сообщил о новом методе инженер G.Hounsfield (1972). Аппарат, изготовленный и опробованный группой инженеров английской фирмы «EMI», получил название ЭМИ-сканера. Его применяли только для исследования головного мозга.

G.Hounsfield

в своемаппарате использовал кристаллический детектор с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), однако источником была трубка, жесткосвязанная с детектором, которая делала сначала поступательное, а затемвращательное (1O) движение при постоянном включении рентгеновскогоизлучения. Такое устройство томографапозволяло получить томограммуза 4-20 мин.

Рентгеновские томографы с подобным устройством (I поколение) применялись только дляисследования головного мозга. Этообъяснялось как большим временем исследования (визуализации тольконеподвижных объектов), так и малымдиаметром зоны томографирования до (24 см). Однако получаемое изображение несло большоеколичество дополнительной диагностической информации, что послужилотолчком не только к клиническому применению новой методики, но и к дальнейшему совершенствованию самойаппаратуры.

Вторым этапом в становлении нового метода исследованиябыл выпуск к 1974г. компьютерныхтомографов, содержащих несколькодетекторов. После поступательного движения, которое производилось быстрее, чем у аппаратов I поколения, трубка с детекторами делала поворот на 3-10o, что способствовало ускорениюисследования, уменьшению лучевойнагрузки на пациента и улучшению качества изображения. Однако время полученияодной томограммы (20-60 с) значительноограничивало применение томографов IIпоколения для исследования всего тела ввиду неизбежных артефактов, появляющихся из-за произвольных инепроизвольных движений. Аксиальные компьютерные рентгеновские томографы даннойгенерации нашли широкое применение для исследования головного мозга вневрологических и нейрохирургических клиниках.

Получение качественного изображения среза тела человекана любом уровне стало возможным после разработки в 1976-1977гг. компьютерных томографов III поколения. Принципиальное отличие ихзаключалось в том, что было исключено поступательное движениесистемы трубка—детекторы, увеличены диаметр зоны исследования до 50-70 см и первичная матрица компьютера(фирмы "ДженералЭлектрик", "Пикер", «Сименс», "Тошиба", «ЦЖР»). Это привело ктому, что одну томограммустало возможным получить за 3-5 с приобороте системы трубка—детекторы на 360O. Качество изображениязначительно улучшилось и стало возможным обследование внутренних органов.

С 1979 г. некоторые ведущие фирмы начали выпускать компьютерные томографы IV поколения. Детекторы (1100-1200 шт.) в этих аппаратахрасположены по кольцу и не вращаются. Движется только рентгеновская трубка, что позволяет уменьшить время получения томограммы до 1-1,5 с при повороте трубки на 360o. Это, а также сбор информации под разнымиуглами увеличивает объем получаемых сведений при уменьшении затрат времени на томограмму.

В 1986 г. произошел качественный скачок в аппаратостроении длярентгеновской компьютерной томографии. Фирмой "Иматрон"выпущен компьютерный томограф V поколения, работающий в реальном масштабе времени. В1988 г. компьютерный томограф "Иматрон"куплен фирмой "Пикер"(США) и теперь он называется "Фастрек".

Учитывая заинтересованность клиник в приобретении компьютерныхтомографов, с 1986 г. определилось направление по выпуску «дешевых» компактных систем для поликлиник и небольших больниц (М250,«Меди- тек»; 2000Т,«Шимадзу»; СТ МАХ,«Дженерал Электрик»). Обладаянекоторыми ограничениями, связанными с числом детекторов или временем и объемом собираемой информации, эти аппараты позволяют выполнять 75-95% (в зависимости от вида органа)исследований, доступных «большим»компьютерным томографам. [№ 2, стр. 8-10]

ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОМОГРАФИИ <img src="/cache/referats/1910/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1029">
Принципы образования послойного изображения

При выполнении обычной рентгенограммы три компонента — пленка, объект ирентгеновская трубка — остаются в покое. Томографическийэффект можно получить при следующих комбинациях:

1.

неподвижныйобъект и движущиеся источник (рентгеновская трубка) и приемник (рентгенографическая пленка, селеновая пластина, кристаллическийдетектор и т.п.) излучения;

2.

неподвижныйисточник излучения и движущиеся объект и приемник излучения;

Рис.1 Принципобразования послойного изображения.

F0,F1,F2-нулевое, исходное и конечное положение фокуса рентгеновской трубки;j-1/2 угла поворота трубки; S-поверхность стола; Т-объект исследования; О-точка выделяемого слоя; О1, О2-точки, находящиеся выше иниже выделяемого слоя; О`, О``-проекции точки О напленке при исходном и конечном положениях фокуса рентгеновской трубки; О1`, O1``-проекции точки О1 на пленке при тех же положениях фокуса трубки;О2`, О2``-проекции точки О2 при тех же положениях фокуса трубки; О```-проекции всех точек на пленке принулевом положении рентгеновской трубки.

3.

неподвижный приемник излучения и движущиеся объект иисточник излучения. Наиболее распространены томографы с синхронным перемещениемтрубки и пленки в противоположных направлениях при неподвижном объекте исследования. Рентгеновский излучатель и кассето-держатель с приемником излучения (рентгеновская пленка, селеновая пластина) соединяют жестко с помощьюметаллического рычага. Ось вращения рычага (перемещения трубки и пленки)находится над уровнем стола и ее можно произвольно перемещать.

Как показано на рис.1, при перемещении трубки изположения F1 в положение F2, проекция точки О, котораясоответствует оси вращения рычага, будет постоянно находиться в одном и том жеместе пленки. Проекция точки О неподвижна относительно пленки и, следовательно,ее изображение будет четким. Проекции точек О1 и О2, находящиеся вне выделяемого слоя, с перемещением трубки и пленки меняют своеположение на пленке и, следовательно, их изображение будет нечетким,размазанным. Доказано, что геометрическим местом точек, проекции которых при движении системы неподвижны относительнопленки, является плоскость, параллельная плоскости пленки и проходящая через осьокончания системы. На томограмме, такимобразом, будут четкими изображения всех точек, находящихся в плоскости науровне оси вращения системы, то есть в выделяемом томографическомслое.

На рисунке показано перемещение трубки и пленки по траектории прямая-прямая, то есть попараллельным прямолинейным направляющим. Такие томографы, имеющие самую простую конструкцию, получилинаибольшее распространение. В томографах с траекториямидуга-дуга, дуга-прямая геометрическимместом точек, проекции которых при движении системы неподвижны относительнопленки, является плоскость, параллельные плоскости пленки и проходящаячерез ось качания системы; выделяется слой также плоскойформы. Из-за более сложной конструкции эти томографы получили меньшеераспространение.

Описанные выше аппараты относятся к линейным томографам(с линейными траекториями), так как проекции траекторий движения системытрубка-пленка на выделяемую плоскость имеют вид прямой линии, а тени размазывания имеют прямолинейнуюформу.

За угол поворота (качания) трубки 2j в таких томографахпринимают угол ее поворота из одного крайнего положения в другое; перемещение трубки отнулевого положения равно j.

В томографах с нелинейным размазыванием перемещениесистемы трубка — пленка происходит по криволинейным траекториям — кругу, эллипсу, гипоциклоиде, спирали. При этом отношение расстоянийфокус трубки — центр вращения и центр вращения — пленка сохраняетсяпостоянным. И в этих случаях доказано, что геометрическимместом точек, проекции которых при движении системы неподвижны относительно пленки, является плоскость, параллельная плоскости пленки и проходящаячерез ось качания системы. Размазывание изображения точек объекта, лежащих вневыделяемой плоскости, происходит по соответствующим кривымтраекториям движения системы. Размазываемые изображения повторяют на пленкетраекторию перемещения фокуса рентгеновской трубки.

При симультанной (многослойной) томографиив один прием (одно перемещение трубки и пленки в противоположных направлениях) получают несколько томограммблагодаря расположению в одной кассете нескольких пленок, расположенныхна некотором расстоянии друг от друга. Проекция изображения первого слоя, находящегося на оси вращения системы (избранной высоте слоя), получается наверхней пленке. Геометрически доказано, что на последующих пленках получаютсвое изображение нижележащие параллельные к оси движения системы слои, расстояния между которыми примерно равнырасстояниям между пленками. Основным недостатком продольной томографииявляется то, что расплывчатые изображения выше- и нижележащих плоскостей с нежелательнойинформацией уменьшают естественную контрастность. Вследствие этого восприятие в выделяемом слое тканей с невысокой контрастностьюухудшается.

Указанного недостатка лишена аксиальная компьютерная рентгеновская томография. Это объясняется тем, что строго коллимированный пучок рентгеновского излучения проходит только через ту плоскость, которая интересует врача. При этомрегистрация рассеянного излучения сведена к минимуму, что значительно улучшаетвизуализацию тканей, особенно малоконтрастных. Снижение регистрации рассеянного излучения при компьютерной томографии осуществляется коллиматорами, один из которых расположен на выходерентгеновского пучка из трубки, другой —перед сборкой детекторов.

Известно, что при одинаковой энергии рентгеновскогоизлучения материал с большей относительной молекулярной массой будетпоглощать рентгеновское излучение в большей степени, чем вещество с меньшей относительноймолекулярной массой. Подобное ослабление рентгеновского пучка может быть легко зафиксировано. Однакона практике мы имеем дело с совершенно неоднородным объектом — телом человека. Поэтому часто случается, что детекторыфиксируют несколько рентгеновских пучков одинаковой интенсивности в то время,как они прошли через совершенно различные среды. Это наблюдается, например, при прохождении через однородныйобъект достаточной протяженности и неоднородныйобъект с такой же суммарной плотностью.

При продольной томографии разницу между плотностью отдельных участков определить невозможно, поскольку «тени» участков накладываются другна друга. С помощью компьютерной томографии решена иэта задача, так как при вращении рентгеновской трубки вокруг тела пациентадетекторы регистрируют 1,5 — 6 млн сигналов из различных точек (проекций) и, что особенноважно, каждая точка многократнопроецируется на различные окружающиеточки.

При регистрации ослабленного рентгеновскогоизлучения на каждом детекторе возбуждается ток, соответствующий величине излучения, попадающегона детектор. В системе сбора данных токот каждого детектора (500-2400 шт.) преобразуется в цифровой сигнал и послеусиления подается в ЭВМ для обработки и хранения. Только после этого начинается собственно процесс восстановленияизображения.

Восстановление изображения среза по сумме собранныхпроекций является чрезвычайно сложнымпроцессом, и конечный результат представляет собой некую матрицу сотносительными числами, соответствующую уровню поглощения каждой точки вотдельности.

В компьютерных томографах применяются матрицы первичного изображения 256х256, 320х320, 512х512 и 1024х1024 элементов.Качество изображения растет при увеличении числа детекторов, увеличении количества регистрируемых проекцийза один оборот трубки и при увеличении первичной матрицы. Увеличение количестварегистрируемых проекций ведет к повышению лучевой нагрузки, применение большей первичной матрицы — к увеличению времени обработкисреза или необходимости устанавливать дополнительные специальные процессорывидеоизображения. [№ 2, стр. 10-13]

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАММЫ

Получение компьютерной томограммы (среза) головы на выбранном уровне основывается навыполнении следующих операций:

4.

формированиетребуемой ширины рентгеновского луча (коллимирование);

5.

сканированиеголовы пучком рентгеновского излучения, осуществляемого движением(вращательным и поступательным) вокруг неподвижной головы пациента устройства «излучатель — детекторы»;

6.

измерениеизлучения и определение его ослабления споследующим преобразованием результатов в цифровую форму;

7.

машинный(компьютерный) синтез томограммы по совокупностиданных измерения, относящихся к выбранномуслою;

8.

построениеизображения исследуемого слоя на экране видеомонитора (дисплея).

В системах компьютерных томографов сканирование иполучение изображения происходят следующим образом. Рентгеновская трубка в режиме излучения «обходит» голову по дуге 240

O, останавливаясь через каждые 3O этой дуги иделая продольное перемещение. На одной оси с рентгеновским излучателем закрепленыдетекторы — кристаллы йодистого натрия, преобразующие ионизирующее излучение в световое. Последнее попадает на фотоэлектронные умножители, превращающиеэту видимую часть в электрические сигналы. Электрические сигналыподвергаются усилению, а затем преобразованию в цифры, которые вводятв ЭВМ. Рентгеновский луч, пройдя через среду поглощения, ослабляется пропорционально плотности тканей, встречающихся на его пути, и несетинформацию о степени его ослабления в каждом положении сканирования.Интенсивность излучения во всехпроекциях сравнивается с величиной сигнала, поступающего с контрольногодетектора, регистрирующего исходную энергию излучения сразу же на выходе луча из рентгеновской трубки.

Следовательно, формирование показателей поглощения (ослабления) для каждой точки исследуемого слоя происходит послевычисления отношения величины сигнала на выходе рентгеновского излучателя к значению его после прохожденияобъекта исследования (коэффициенты поглощения).

В ЭВМ выполняется математическая реконструкциякоэффициентов поглощения и пространственное их распределение на квадратноймногоклеточной матрице, а полученные изображения передаются для визуальнойоценки на экран дисплея.

За одно сканирование получают два соприкасающихся между собой среза толщиной 10 мм каждый. Картинасреза восстанавливается на матрице размером 160х160.

Полученные коэффициенты поглощения выражают в относительных единицах шкалы, нижняя границакоторой (-1000 ед.Н.) (ед.Н.— единицы Хаунсфильда или числа компьютерной томографии)соответствует ослаблению рентгеновских лучей в воздухе, верхняя (+1000 ед.Н.)- ослаблению в костях, а за ноль принимается коэффициент поглощения воды.Различные ткани мозга и жидкие среды имеют разные по величине коэффициентыпоглощения. Например коэффициент поглощения жира находится в пределах от -100 до 0 ед.Н., спинно-мозговойжидкости — от 2 до 16 ед.Н., крови — от 28 до 62 ед.Н. Этообеспечивает возможность получать на компьютерных томограммах основные структуры мозга и многие патологические процессы в них. Чувствительностьсистемы в улавливании перепада рентгеновской плотности в обычном режиме исследования не превышает 5 ед.Н.,что составляет 0,5%.

На экране дисплеявысоким значениям плотности (например, кости) соответствует светлые участки, низким — темные. Градационнаяспособность экрана составляет 15-16 полутоновых ступеней, различаемые человеческим глазом. На каждую ступень, таким образом, приходится около 130 ед.Н.

Для полной реализации высокой разрешающей способности томографа по плотности в аппарате предусмотрены средства управления такназываемой ширины окна и его уровня (положения), чтобы дать рентгенологувозможность анализировать изображение на различных участках шкалы коэффициентовпоглощения. Ширина окна — это величинаразности наибольшего и наименьшего коэффициентов поглощения, соответствующаяуказанному перепаду яркости. Положениеили уровень окна (центр окна) — это величина коэффициентов ослабления, равная середине окна и выбираемая изусловий наилучшего выявления плотностей интересующей группы структур или тканей. Важнейшей характеристикой являетсякачество получаемого изображения.

Известно, что качество визуализации анатомическихобразований головного мозга и очагов поражения зависит в основном от двух факторов: размера матрицы, на которой строится томограмма,и перепада показателей поглощения. Величина матрицы может оказывать существенное влияние на точностьдиагностики. Так, количество ошибочныхдиагнозов при анализе томограмм на матрице 80х80клеток составляло 27%, а при работе на матрице 160х160 — уменьшилось до 11%.

Компьютерный томограф обладает двумя видами разрешающей способности: пространственной ипо перепаду плотности. первый тип определяется размером клетки матрицы (обычно- 1,5х1,5 мм), второй равен 5 ед.Н. (0,5%). В соответствии с этими характеристиками теоретически можноразличать элементы изображения размером 1,5х1,5 мм при перепаде плотности между ними не меньше 5 ед.Н. (1%) удается выявлять очаги величиной не менее 6х6мм, а при разнице в 30 ед.Н. (3%) — детали размером3х3 мм. Обычная рентгенография позволяетуловить минимальную разницу по плотности между соседними участками в 10-20%.Однако при очень значительном перепаде плотностей рядом расположенных структурвозникают специфические для данного метода условия, снижающие его разрешающуюспособность, так как при построенииизображения в этих случаях происходит математическое усреднение и при этом очаги небольших размеров могут быть необнаружены. Чаще это происходит принебольших зонах пониженной плотности, расположенных вблизи массивных костных структур (пирамидывисочных костей) или костей свода черепа. Важным условием для обеспечения проведениякомпьютерной томографии является неподвижное положение пациента, ибо движение во время исследования приводят квозникновению артефактов — наводок: полос темного цвета от образований с низкимкоэффициентом поглощения (воздух) и белых полос от структур с высоким КП(кость, металлические хирургические клипсы), что также снижает диагностическиевозможности. [№ 3, стр. 16-19]

УСИЛЕНИЕ КОНТРАСТНОСТИ

Для получения более четкого изображенияпатологически измененных участков вголовном мозге применяют эффект усиления контрастности, которых достигаетсявнутривенным введением рентгеноконтрастноговещества, Увеличение плотностиизображения на компьютерной томограмме послевнутривенного введения контрастного вещества объясняется внутри- и внесосудистыми компонентами. Внутрисосудистое усиление находится в прямой зависимости от содержанияйода в циркулирующей крови. При этомувеличение концентрации на 100 мг йода в 100 мл обусловливает величиныабсорбции на 26 ед.Н. (ед.Н. — единицы Хаунсфильда или числа компьютерной томографии).При компьютерно-томографических измерениях венозныхпроб после введения 60% контрастноговещества в дозе 1 мл на кг массы тела, плотность потока повышается в среднем в течение 10 мин послеинъекции, составляет 39,2 плюс-минус 9,8ед.Н. Содержание контрастного вещества в протекающей крови изменяется врезультате того, что относительно быстро начинается выделение его почками. Уже в течение первых 5 мин после болюсной инъекции концентрация вещества в крови в среднемснижается на 20%, в последующие 5 мин — на 13% и еще через 5 мин — на 5%.

Нормальное увеличение плотности мозга накомпьютерной томограммепосле введения контрастного вещества связано с внутрисосудистой концентрациеййода. Можно получить изображение сосудовдиаметром до 1,5 мм, если уровень йода в крови составляет примерно 4мг/мл и при условии, что сосуд расположен перпендикулярно к плоскостисреза. Наблюдения привели к выводу, что контрастное вещество накапливается вопухолях. [№ 4, стр. 17-19]

1. Розенштраух Л.С.

Невидимое стало зримым (успехи и проблемы лучевой диагностики).—М.: Знание, 1987.- 64 с.

2. Томография грудной клетки / Помозгов А.И., Терновой С.К., Бабий Я.С., Лепихин Н.М. — К.: Здоровья,1992.-288 с.

3. Компьютерная томографиямозга. Верещагин Н.В., Брагина Л.К., Вавилов С.Б., Левина Г.Я.-М.: Медицина,1986.-256 с.

4. Коновалов А.Н., КорниенкоВ.Н.

Компьютерная томография внейрохирургической клинике.—М.:Медицина,1988. — 346 с.

5. Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т.1: Пер. с англ./Под ред. С.Уэбба.-М.: Мир,1991.- 408 с.

6. Антонов А.О., Антонов О.С., ЛыткинС.А.//Мед.техника.-1995.- № 3 — с.3-6

7. Беликова Т.П., Лапшин В.В., Яшунская Н.И.//Мед.техника.-1995.-№ 1-с.7

еще рефераты

Еще работы по медицине

Реферат по медицине

Патологическая анатомия Мезенхимальные дистрофии

29 Августа 2013

Реферат по медицине

Злокачественные опухоли ЛОР-органов

29 Августа 2013

Реферат по медицине

Заболевания желчного пузыря