Реферат: Средства визуализации изображений в компьютерной томографии и цифровых рентгенографических системах

Министерство образованияРоссийской Федерации.

Владимирский ГосударственныйУниверситет.

Кафедра БМИ.

РЕФЕРАТ

на тему:

«Средства визуализации изображений в компьютернойтомографии и

цифровых рентгенографических системах».

по дисциплине: Компьютерные технологии.

Выполнил:

студент гр. МИД-199

Чирков К. В.

Проверил:

Новиков К. В.

Владимир 2002СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. РАЗВИТИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ

2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОМОГРАФИИ

2.1. ПРИНЦИПЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПОСЛОЙНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

2.2. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАММЫ

2.3. УСИЛЕНИЕ КОНТРАСТНОСТИ

3. ЦИФРОВЫЕ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

3.1. СОСТАВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АМР ВР

3.2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПРЕИМУЩЕСТВА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

3.3. Цифровая рентгенография с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП

)

3.4.

Цифровая люминесцентная рентгенография (ЦЛР)

3.5. Селеновая рентгенография.

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ.

4.1 Математическая постановка задачи рентгеновской компьютерной томографии, преобразование Радона и формулы обращения.

4.2. Приведение формул обращения томографической реконструкции в конусе лучей к виду, позволяющему строить численные алгоритмы.

4.3. Элементы теории обобщенных функций в применении к задачам обращения лучевого преобразования

4.4. Соотношения между преобразованиями Радона, Фурье и лучевым преобразованием.

5. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. ВВЕДЕНИЕ.

Древняялатинская поговорка гласит: «Diagnosiscetra — ullae therapiae fundamentum» («Достоверный диагноз — основа любого лечения»). На протяжении многих веков усилияврачей были направлены на решение труднейшей задачи — улучшение распознавания заболеванийчеловека.

Потребность вметоде, который позволил бы заглянутьвнутрь человеческого тела, 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.

Какуюогромную пользу принес бы непосредственный осмотрчеловеческого организма, если бы онстал вдруг «прозрачным»! И вряд ли кто-нибудь из ученых прошлого мог предположить, что эта мечта вполне осуществима.

Потребностьувидеть не оболочку, а структуру организма живого человека, его анатомию ифизиологию была столь насущной, что,когда чудесные лучи, позволявшие осуществить это на практике, были наконецоткрыты, обычно консервативные и часто недоверчивые к новшествам врачи почтисразу поняли, что в медицине наступила новая эра.

Уже в первыедни и недели после того, как сталоизвестно о существовании и свойствах этих лучей, врачи различных стран начали применять их дляисследования важнейших органов и систем человеческого тела. В течение первого же года появились сотни научных сообщений впечати, посвященных результатам таких исследований.

Количествосообщений в последующие годы нарастало. Выяснялись все новые возможности рентгенологического метода. Появились первые книги, посвященныеэтому методу. Вскоре эта литература стала необозримой.

В 1946 г.известный советский клиницист и организатор здравоохранения Н. Н. Приоров назаседании, посвященном 50-летию рентгенологии, говорил: «Что сталобы сегодня с физиатрией и урологией, гинекологией и отоларингологией, неврологией и онкологией, хирургией и ортопедией, офтальмологией и травматологией, если бы лишить их того, что дала рентгенология в области диагностикии лечения?»

Нопроцесс науки и техники неудержим. Не успели врачи полностью освоить возможностирентгеновских лучей в диагностике, как появились другие методы,позволяющие получить изображение внутренних органов человека, дополняющиеданные рентгенологического исследования. К ним относятся радионуклидное и ультразвуковое исследования (УЗИ), тепловидение, ядерно-магнитный резонанс(ЯМР), фотонная эмиссия и некоторые другие методы, еще не получившие широкогораспространения.

Эти способыоснованы на использовании близких по своей природе волновых колебаний, для проникновениякоторых ткани человеческого тела не являются непреодолимым препятствием. Они объединяются и тем, что в результатевзаимодействия волновых колебаний сорганами и тканями организма на различных приемниках — экране, пленке, бумаге и др. — возникают их изображения, расшифровка которых позволяет судить осостоянии различных анатомических образований.

Такимиобразом, все указанные методы принципиально близки рентгенодиагностике как посвоей природе, так и по характеруконечного результата их применения.

Внедрение впрактику этих методов (наряду с рентгенологией) привело к возникновению новой обширной медицинской дисциплины,получившей за рубежом название диагностической радиологии (от латинского radius — луч), а у нас — лучевой диагностики.

Возможностиэтой дисциплины в распознавании заболеваний человека весьма велики. Ей доступныпрактически все органы и системы человека, все анатомические образования,размеры которых выше микроскопических.

В отличие отклассических медицинских методик (пальпации, перкуссии, аускультации) основныманализатором информации, 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 районныхбольницах. В этих учреждениях работаетосновная масса врачей. Именно сюдаобращается 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]

1.1. Развитиекомпьютерной томографии.

Изобретениерентгеновской томографии с обработкой получаемой информации на ЭВМ произвело переворот в области получения изображения в медицине.Впервые сообщил о новом методе инженер G.Hounsfield (1972). Аппарат, изготовленный и опробованный группой инженеров английской фирмы «EMI», получил название ЭМИ-сканера. Егоприменяли только для исследования головногомозга.

G.Hounsfield в своем аппаратеиспользовал кристаллический детектор сфотоэлектронным умножителем (ФЭУ), однако источником была трубка, жестко связанная с детектором, котораяделала сначала поступательное, а затем вращательное (1˚) движение припостоянном включении рентгеновского излучения. Такое устройство томографа позволяло получить томограмму за 4-20 мин.

Рентгеновскиетомографы с подобным устройством (

I поколение)применялись только для исследования головного мозга. Это объяснялось как большим временемисследования (визуализации только неподвижных объектов), так и малым диаметромзоны томографирования до (24 см). Однакополучаемое изображение несло большое количество дополнительной диагностической информации,что послужило толчком не только к клиническому применению новой методики, но и к дальнейшему совершенствованию самойаппаратуры.

Вторым этапомв становлении нового метода исследования был выпуск к 1974 г. компьютерных томографов, содержащихнесколько детекторов. После поступательного движения, которое производилось быстрее, чем у аппаратов

I поколения, трубка с детекторами делала поворот на3-10˚, что способствовало ускорению исследования, уменьшению лучевой нагрузки на пациента иулучшению качества изображения. Однако время получения одной томограммы (20-60с) значительно ограничивало применениетомографов II поколения для исследования всего тела ввиду неизбежныхартефактов, появляющихся из-за произвольныхи непроизвольных движений. Аксиальные компьютерные рентгеновские томографыданной генерации нашли широкое применение для исследования головного мозга вневрологических и нейрохирургических клиниках.

Получениекачественного изображения среза тела человека на любом уровне стало возможным после разработки в 1976-1977гг. компьютерных томографов

III поколения. Принципиальное отличие их заключалось в том, чтобыло исключено поступательное движение системытрубка-детекторы, увеличены диаметр зоны исследования до 50-70 см и первичная матрица компьютера (фирмы «ДженералЭлектрик», «Пикер», «Сименс», «Тошиба», «ЦЖР»). Это привело к тому, что одну томограмму стало возможным получитьза 3-5 с при обороте системытрубка-детекторы на 360˚. Качество изображения значительно улучшилось истало 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 получениятомограммы до 1-1,5 с при повороте трубки на 360˚. 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 компь-ютерный томограф

V поколения, работающий в реальноммасштабе времени. В 1988 г. компьютерныйтомограф «Иматрон» куплен фирмой «Пикер» (США) и теперь он называется «Фастрек».

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

2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОМОГРАФИИ

2.1.Принципы образования послойного изображения.

При выполнении обычной рентгенограммы три компонента — пленка, объект и рентгеновскаятрубка — остаются в покое. Томографическийэффект можно получить при следующих комбинациях: 1) неподвижный объект идвижущиеся источник (рентгеновская трубка) и приемник (рентгенографическая пленка, селеновая пластина, кристаллический детектор и т.п.) излучения; 2) неподвижный источник излучения и движущиеся объект и приемник излучения; 3) неподвижный приемник излучения и движущиеся объект иисточник излучения. Наиболее распространены томографы с синхронным перемещениемтрубки и пленки в противоположных направлениях при

Рис.1 Принцип образования послойногоизображения.

F0, F1, F2 -нулевое, исходное и конечноеположение фокуса рентгеновской трубки; j-1/2 угла поворота трубки; S-поверхность стола; Т-объект исследования; О-точка выделяемого слоя; О

1, О2-точки, находящиеся выше и ниже выделяемого слоя; О`, О``-проекцииточки О на пленке при исходном иконечном положениях фокуса рентгеновской трубки; О1`, O1``-проекции точки О1 на пленке при техже положениях фокуса трубки; О2`, О2``-проекции точки О2 при тех же положениях фокуса трубки; О```-проекции всех точек на пленке при нулевом положениирентгеновской трубки.

неподвижном объекте исследования. Рентгеновский излучатель и кассето-держатель с приемником излучения (рентгеновская пленка, селеновая пластина) соединяют жестко спомощью металлического рычага. Ось вращения рычага (перемещения трубки ипленки) находится над уровнем стола и ее можно произвольно перемещать.

Как показано на рис.1, при перемещениитрубки из положения F

1в положение F2, проекция точки О, которая соответствует осивращения рычага, будет постоянно находиться в одном и том же месте пленки.Проекция точки О неподвижна относительно пленки и, следовательно, ее изображениебудет 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 местомточек, проекции которых при движениисистемы неподвижны относительно пленки, является плоскость,параллельная плоскости пленки ипроходящая через ось окончания системы. На томограмме, таким образом,будут четкими изображения всех точек, находящихся в плоскости на уровне осивращения системы, то есть в выделяемом томографическом слое.

На рисунке показано перемещениетрубки и пленки по траектории прямая-прямая, то есть по параллельнымпрямолинейным направляющим. Такие томографы, имеющие самую простую конструкцию, получили наибольшее распространение.В томографах с траекториями дуга-дуга, дуга-прямая геометрическим местом точек,проекции которых при движении системы неподвижны относительно пленки, является плоскость, параллельные плос-кости пленки и проходящаячерез ось качания системы; выделяется слой также плоской формы. Из-за более сложнойконструкции эти томографы получили меньшее распространение.

Описанные выше аппараты относятся клинейным томографам (с линейными траекториями), так как проекции траекторийдвижения системы трубка-пленка на выделяемую плоскость имеют вид прямойлинии, а тени размазывания имеютпрямолинейную форму.

За угол поворота (качания) трубки 2j втаких томографах принимают угол ее поворота из одного крайнего положения в другое; перемещение трубки от нулевого положенияравно j.

В томографах с нелинейным размазываниемперемещение системы 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 геометрическим местомточек, 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 томограмм благодарярасположению в одной кассете несколькихпленок, расположенных на некоторомрасстоянии друг от друга. Проекция изображения первого слоя, находящегося на оси вращения системы (избранной высоте слоя), получается на верхнейпленке. Геометрически доказано, что на последующих пленках получают своеизображение нижележащие параллельные к оси движения системы слои, расстояния между которыми примерно равнырасстояниям между пленками. Основным недостатком продольной томографии являетсято, что расплывчатые изображения выше- и нижележащих плоскостей с нежелательнойинформацией уменьшают естественную контрастность. Вследствии этого восприятие в выделяемом слое тканей с невысокой контрастностьюухудшается.

Указанного недостатка лишена аксиальная компьютерная рентгеновскаятомография. Это объясняется тем, чтострого коллимированный пучок рентгеновского излучения проходит только через ту плоскость, которая интересует врача. При этом регистрациярассеянного излучения сведена к минимуму, что значительно улучшает визуализациютканей, особенно мало контрастных.Снижение регистрации рассеянного излучения при компьютерной томографииосуществляется коллиматорами, один из которыхрасположен на выходе рентгеновского пучка из трубки, другой — перед сборкой детекторов.

Известно, что при одинаковой энергиирентгеновского излучения материал с большей относительной молекулярной массой будет поглощать 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 друг надруга. С помощью компьютерной томографии решена и эта задача, так как привращении рентгеновской трубки вокруг тела пациента детекторы регистрируют 1,5 — 6 млн сигналов из различных точек(проекций) и, что особенно важно, каждаяточка многократно проецируется на различные окружающие точки.

При регистрации ослабленногорентгеновского излучения на каждом детекторе возбуждается ток, соответствующий величине излучения,попадающего на детектор. В системе сбораданных ток от каждого детектора(500-2400 шт.) преобразуется в цифровойсигнал и после усиления подается в ЭВМ для обработки и хранения. Только после этого начинается собственно процесс восстановленияизображения.

Восстановление изображения среза по суммесобранных проекций является чрезвычайносложным процессом, и конечный результат представляет собой некую матрицу сотносительными числами, соответствующую уровню поглощения каждой точки в отдельности.

В компьютерных томографах применяются матрицы первичногоизображения 256х256, 320х320, 512х512 и1024х1024 элементов. Качество изображения растет при увеличении числадетекторов, увеличении количестварегистрируемых проекций за один оборот трубки и при увеличении первичной матрицы.Увеличение количества регистрируемых проекций ведет к повышению лучевойнагрузки, применение большей первичной матрицы - к увеличению времени обработкисреза или необходимости устанавливать дополнительные специальные процессорывидеоизображения. [№ 2, стр. 10-13]

2.2. Получениекомпьютерной томограммы.

Получение компьютерной томограммы (среза) головы на выбранном уровне основывается на выполненииследующих операций: 1) формированиетребуемой ширины рентгеновского луча (коллимирование); 2) сканированиеголовы пучком рентгеновского излучения, осуществляемого движением (вращательным и поступательным) вокруг неподвижной головы пациента устройства «излучатель — детекторы»; 3) измерение излучения и определение его ослабления с последующим преобразованиемрезультатов в цифровую форму; 4)машинный (компьютерный) синтез томограммы по совокупности данныхизмерения, относящихся к выбранномуслою; 5) построение изображенияисследуемого слоя на экране видеомонитора (дисплея).

В системах компьютерных томографовсканирование и получение изображения происходят следующим образом. Рентгеновская трубка в режиме излучения «обходит» голову по дуге 240˚, останавливаясь через каждые 3˚ этой дугии делая 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 сигна

еще рефераты

Еще работы по медицине

Реферат по медицине

Инфекционные заболевания

29 Августа 2013

Реферат по медицине

Иммунохроматографический анализ

29 Августа 2013

Реферат по медицине

Антиглаукомная операция