КТ (компьютерный томограф) — Медицинский журнал
Медицина как призвание

КТ (компьютерный томограф)

История развития компьютерной томографии

В 1917 году математиком из Австрии Радоном впервые были разработаны математические методы для КТ. Преобразование, названное именем учёного, стало основой обеспечения томографов. В основе способа лежит один из законов физики — экспоненциальный, который основан на ослаблении излучения, он наиболее объективен для кристально впитывающих сред. В рентгеновском спектре излучения этот закон выполняется с высочайшей степенью точности. 4Благодаря этому, разработанные Радоном алгоритмы были впервые использованы именно в рентгенодиагностике и, в частности, в компьютерной томографии.
Дальнейшие исследования в этой области были продолжены американцем Алланом Кормаком, в 1963 году он решил повторить решение способа восстановления в томографии, применив другую методику. Чуть позже, в 1969 году, инженер-физик из Англии Хаунсфилд создал «ЭМИ-сканер»,ставший первым компьютерным рентгеновским томографом. В 1972 году томограф был испытан клинически. В 1979 году оба учёных (Кормак и Хаунсфилд) стали лауреатами премии Нобеля в области физиологии.

Показания к обследованию на томографе

Компьютерная томография нашла своё применение в разных областях медицины.

Цели исследования

  1. Как метод обследования при таких состояниях как (данные виды обследований проводятся планово):
    • Головные боли
    • Различные травмы головы (без потери сознания)
    • Обморочные состояния
    • Для исключения опухолей легких
  2. Как диагностический метод обследования. В срочном (экстренном) порядке компьютерная томография проводится при следующих состояниях:
    • Травмы (тяжёлые и средней тяжести)
    • При подозрении на инсульт (ишемический или геморрагический)
    • При подозрении на повреждения сосудов. Одним из примеров является аневризма аорты (расслаивающаяся)
    • При подозрении на другие острые нарушения полых и паренхиматозных органов
    • При осложнениях, возникших после применения лечебных мероприятий
    • При осложнениях любого заболевания
  3. Диагностическая КТ для планового обследования. Большая часть исследований на компьютерном томографе делается планово. Если лечащему врачу необходимо окончательно подтвердить поставленный пациенту диагноз, выдаётся направление на КТ. Перед обследованием на томографе обычно проводят более распространённые виды обследований. К ним относятся исследование ультразвуком (УЗИ), проведение рентгенографии, и других видов анализов и обследований.
  4. Контрольная КТ для наблюдения за пациентом в период проведения лечебных мероприятий.
  5. Использование компьютерной томографии как дополнительного метода во время различных медицинских манипуляций. Под контролем КТ проводят различные виды пункций.

Исторические предпосылки КТ в истории лечебного дела

22В истории отечественной анатомии уже были аналоги тех снимков, которые получаются с помощью компьютерного томографа. Великий русский хирург Пирогов разработал метод, который впоследствии был назван топографической анатомией. Этот метод помогал хирургам изучать расположение органов.

Методика заключалась в том, что замороженные трупы послойно разрезались в разных плоскостях и затем изучались. Это была своеобразная томография, только анатомическая, а не компьютерная. Позже Николай Пирогов издал атлас иллюстрированной топографической анатомии. Таким образом, иллюстрации в атласе Пирогова стали прототипами снимков, получаемых с помощью лучевой томографии. Стоит заметить, что послойные изображения современных томографов имеют преимущества перед способом Пирогова.

Они не травмируют человека, помогают провести диагностические обследования при жизни пациента. Компьютерный томограф также позволяет увидеть органы человека во всех плоскостях, и даже в трёхмерном изображении. Компьютерная томография помогает врачу произвести оценку размеров и расположения органов, изучить в деталях структуру и физиологические особенности тканей. Все эти показатели основаны на результатах рентгеновской плотности и изменении этих результатов при усилении с помощью введённого внутривенно контрастного вещества.

До возникновения компьютерной томографии в 1918 году американский учёный Уолтер Денди предложил использовать в нейрохирургии вентрикулографию. Годом позже тем же учёным была применена пневмоэнцефалография, которая помогла хирургам при помощи рентгеновских лучей проводить визуализацию внутричерепных опухолей. Оба метода осуществляли с помощью воздуха, который вводили или в систему желудочков мозга (при вентрикулографии) или через прокол поясницы в субарахноидальную полость (при пневмоэнцефалографии).

Метод вентрикулографии, предложенный Уолтером Денди, был ограничен тем, что для диагностики с его помощью требовались наложение фрезевого отверстия в кости черепа и вентрикулярная пункция. Метод пневмоэнцефалографии, описанный в 1919 году, был не таким травматичным и широко использовался для диагностики внутричерепных опухолей.

Однако оба способа обследования были болезненными методами диагностики. Они вызывали у пациентов сильнейшие головные боли, тошноту и рвоту, и другие побочные явления.

Вскоре, после изобретения компьютерной томографии, эти методы перестали применять в медицинской практике и их заменили более безопасной компьютерной вентрикулографией и компьютерной цистернографией. Впрочем, эти методы тоже применялись очень редко, их сменила бесконтрастная томография головного мозга.

Хаунсфилд и его шкала

789Шкала уменьшения рентгеновского излучения, носящая имя британского инженера Хаунсфилда, применяется для зрительной и численной оценки плотности структур ткани. Зрительное отражение шкалы представлено чёрно-белым спектром изображения на экране прибора. Денситометрические данные шкалы Хаунсфилда соразмерны уровню ослабления излучения анатомической структурой организма. Диапазон шкалы составляет от –1024 до+3071единиц ослабления. Средней единицей в шкале является (0) HU. Этот показатель совпадает с плотностью воды.

Отрицательные числа шкалы находятся в соответствии с воздухом и жировой тканью. Положительные показатели соответствуют металлу (плотному веществу) и костной ткани. Положительные показатели шкалы также соответствуют мягким тканям. В практике показатели ослабления излучения различны и зависят от того, на каком аппарате проводится исследование.

Необходимо помнить, что показатель «рентгеновской плотности» — это среднее значение поглощения излучения. Оценивая сложную анатомо-гистологическую структуру и измеряя её плотность не всегда можно достоверно утверждать, какая ткань видна. Мягкие, наполненные жиром ткани, например, имеют плотность, которая имеет сходство с плотностью воды.

Четыре поколения аппаратов КТ

Развитие компьютерных томографов, а вместе с ними и компьютерной томографии зависит от увеличения числа монтируемых детекторов и одновременно создаваемых проекций.
Первое поколение аппаратов появилось в 1973 году. Первые компьютерные томографы работали пошагово. Они имели одну трубку, которая была направлена на детектор. Техника сканирования выполнялась шаг за шагом, производя один оборот на слой, обработка которого занимала по времени примерно четыре минуты.
В аппаратах КТ второго поколения была применена конструкция веерного типа. На вращающемся кольце напротив трубки (рентгеновской) были прикреплены детекторы. Обработка изображения сократилась по времени и занимала всего двадцать секунд.
Во времена появления КТ третьего поколения было введён принцип спиральной компьютерной томографии. Детекторы и рентгеновская трубка производили вращение за один шаг стола. Вращение было полное, синхронное, по ходу часовой стрелки. Такой способ значительно сокращал время, затрачиваемое на исследование. Больше по количеству стало детекторов. Сократилось время для обработки и реконструкции результатов исследования.
В четвёртом поколении было уже более тысячи (1088) люминесцентных датчиков, которые располагались по кольцу Гентри. Во вращении участвовала только трубка (рентгеновская). Вращение сократилось по времени почти до одной секунды (0,7 сек.). Впрочем, качество изображения в аппаратах третьего и четвёртого поколений не имеет существенных отличий.


Томография компьютерная (спиральная)

Медицинская компания «Siemens»(Германия) в 1988 году предложила к использованию компьютерный спиральный томограф. С этого времени спиральная томография применяется в лечебной практике. Сканирование данным способом представляет собой выполнение двух приёмов. Это непрерывное вращение трубки, формирующей излучение вокруг тела человека, и постоянное поступательное движение поверхности, на которой лежит пациент. Стол движется по ходу (вдоль) оси сканирования сквозь апертуру (отверстие) гентри. Благодаря этому путь продвижения рентгеновской трубки сравнительно оси движения поверхности с телом пациента имеет вид спирали.
В зависимости от целей обследования пациента скорость движения может быть произвольной. Чем скорость больше, тем больше протяжённость зоны сканирования. Длина пути поверхности за один поворот рентгеновской трубки бывает в полтора–два раза больше плотности томографического слоя. При этом разрешение изображения не ухудшается.
Благодаря технике спиральной томографии сократилось время, которое затрачивалось на компьютерное исследование, и значительно уменьшилась лучевая нагрузка на обследуемого пациента.

Многослойная КТ (МСКТ)

1438328528_kt-3Многослойная или, по-другому, мультиспиральная томография с применением контрастного внутривенного усиления и трёхмерным преобразованием изображения.
Многослойная («мультисрезовая» томография — МСКТ) впервые была предложена в 1992 году израильской компанией «Elscint Co». МСКТ томографы отличаются от предыдущих моделей. Отличие заключается в наличии двух и более рядов детекторов, расположенных по окружности Гентри. Для одновременного принятия детекторами рентгеновского излучения была создана новая объёмный вид пучка. В том же 1992 году были созданы томографы, имеющие два ряда детекторов. Они назывались двуспиральными или двухсрезовыми томографами. В 1998 году появились томографы, имеющие четыре ряда детекторов—четырёхспиральные. Эти аппараты также отличались увеличением количества оборотов трубки (до двух оборотов в секунду). Скорость работы четырёхспиральных МСКТ пятого поколения в 8 раз больше, чем у КТ томографов предыдущего поколения. В начале XXI века (2004 и 2005 годы) появились более мощные по своим возможностям томографы (32-х,64-х и 128-ми срезовые), оснащённые двумя рентгеновскими трубками. Некоторые клиники уже оснащены 320-ти срезовыми МСКТ. Такие томографы в 2007 году предложила компания «Toshiba», и они стали очередным этапом в развитии компьютерной томографии. С помощью этих аппаратов можно наблюдать онлайн все физиологические изменения, которые происходят в таких органах как сердце и головной мозг. Есть возможность проводить сканирование сердца даже при аритмиях. За время одного поворота рентгеновской трубки можно отсканировать целый орган (головной мозг, сустав, сердце и другие). Это даёт возможность сократить время, используемое для обследования пациента. В России имеется несколько таких современных томографов.

Превосходство МСКТ над спиральной томографией:

  • улучшенное временное разрешение
  • улучшенное пространственное разрешение
  • увеличена скорость сканирования
  • улучшенное контрастное разрешение
  • увеличено соотношение шума и сигнала
  • действенное применение трубки (рентгеновской)
  • обширная площадь анатомического покрытия
  • значительное снижение лучевого влияния на организм (данные обстоятельства увеличивают скорость исследований, и повышают их информативность. Несмотря на снижение уровня вредного лучевого влияния на организм человека, нагрузка всё же остаётся повышенной. Это основной недостаток данного метода исследования)
  • Временное разрешение улучшается благодаря уменьшению времени обследования и числу процессов, возникающих из-за пульсации сосудов и рефлекторных движений внутренних органов.
  • За счёт использования тонких (один-полтора миллиметра) и тончайших (сублимированных) срезов, имеющих размер 0,5 мм, улучшается пространственное разрешение по длине продольной оси. Для того чтобы был реализован этот потенциал, были созданы два вида детекторов в МСКТ:
  • детекторы матричные (matrix detectors), которые имеют равную ширину по длине продольной оси Z
  • детекторы адаптивные (adaptive detectors) с разной шириной по длине продольной оси Z
    Достоинство первого типа детекторов в том, что их число можно увеличить. Это делается для того, чтобы получить наибольшее количество срезов за один поворот рентгеновской трубки. Во втором типе детекторов (адаптивном) уменьшено число элементов, поэтому и количество промежутков между элементами тоже меньше. Это помогает снизить лучевую нагрузку на обследуемого пациента и уменьшить шум, вызываемый электронной аппаратурой. Такие характеристики вызвали интерес у трёх из четырёх мировых фирм, производящих МСКТ.

За счёт таких преобразований увеличивается разрешение пространства. С помощью специальных алгоритмов преобразования значительно уменьшается число и величина посторонних элементов (артефактов) компьютерно — томографическихизображений. Если сравнивать МСКТ и односрезовый КТ, то можно увидеть преимущество МСКТ. Оно заключается в том, что с помощью МСКТ возможно получить изотропное изображение в процессе сканирования с сублимированной (всего 0,5 мм) толщиной среза. Одинаковый характер изображения можно получить, если стороны элементов матрицы этого изображения сходны, то есть элементы принимают вид куба. Разрешение пространства становится равным в поперечной плоскости X-Yи по длине оси Z (продольной).

  • В МСКТ скорость сканирования, в сравнении со спиральной компьютерной томографией, увеличивается. Это происходит благодаря сокращению длительности поворота рентгеновской трубки. Время оборота уменьшается почти в 2 раза и занимает всего около 0,50 секунд.
  • Контрастное разрешение также улучшается. Такого результата можно добиться, только если будет увеличена доза и скорость, с которой вводится контрастное средство. Такой способ применяется для проведения разного вида стандартных исследований на компьютерном томографе, например, при выполнении такого исследования как ангиография (один из методов исследования кровеносных сосудов). Отличие артериальной и венозной фаз подачи контрастного средства более чётко прослеживается.
  • Увеличивается соотношение между такими показателями как сигнал и шум. Это достигается благодаря тому, что новые детекторы выполнены с определёнными особенностями конструкции и при применении современных материалов. Улучшено качество изготовления электронных составляющих и плат. Увеличивается ток накала рентгеновской трубки (до 400мА) при проведении стандартных исследований или во время обследования пациентов, имеющих лишний вес.
  • Благодаря сокращению времени работы при стандартном обследовании рентгеновская трубка используется эффективно. За многие годы работы над конструкциями рентгеновских трубок было изготовлено множество вариантов этой части томографа. Изменения конструкции применялись для того, чтобы обеспечить лучшую устойчивость при большой центробежной силе. Эта сила возникает во время вращения трубки. На это тратится около 0,5 секунд. Также был увеличен срок годности рентгеновских трубок. Этому способствуют применяемые генераторы мощностью до 100 (ста) кВт и принципы устройства этих трубок. Положительным фактором является улучшенное охлаждение положительного электрода (анода) и увеличение теплоёмкости этого электрода до восьми миллионов единиц.
  • Увеличение зоны анатомического обеспечения происходит благодаря тому, что производится одновременное преобразование срезов. А срезы получаются в течение одного поворота рентгеновской трубки. Данная зона для МСКТ зависит от числа каналов информации и спирального шага. Также есть зависимость от плотности томографического слоя, от вращения рентгеновской трубки по времени, и от сканирования. В сравнении с обычным томографом (спиральным) за равный период сканирования зона покрытия увеличивается во много раз.
  • Существенное значение имеет то, что во время обследования на многослойном спиральном компьютерном томографе снижена (почти на тридцать процентов) лучевая нагрузка на органы и ткани пациента. Эта информация подтверждает, что аппараты МСКТ по своим характеристикам намного превосходят обычные спиральные компьютерные томографы. Для того чтобы снизить вредное воздействие лучей на организм улучшают фильтрацию спектра излучения и осуществляют оптимизацию детекторов. Для того чтобы можно было с помощью автоматики уменьшить напряжение на рентгеновской трубке и также уменьшить ток, создаются специальные наборы инструкций (алгоритмы). Все эти разработки подготавливаются с учётом органа, который исследуют, от его размера, и от возраста обследуемого пациента.

КТ, имеющая два источника излучения DSCT — обозначения (в сокращении) на русском языке пока не существует).
В 2005-ом году медицинская компания «Сименс» (Германия) предложила к использованию новый аппарат, который обладал двумя источниками излучения. В теории условия для его создания были уже в 1979 году. До 2005-го года по техническим параметрам было невозможно выполнить данные условия.
Практически он является логическим продолжением технологий МСКТ. Во время исследования сердца и проведения компьютерной коронарографии важно получить изображения объектов, которые находятся в равномерно-быстром движении. А это требует сокращённого времени сканирования. Во время использования МСКТ этого можно было достигнуть с помощью синхронизации ЭКГ и обычного обследования при активных оборотах трубки. Минимум времени, который требуется для регистрации по отношению к неподвижному срезу, равен 173 миллисекундам (или половине оборота трубки).
Этого временного разрешения достаточно для того, чтобы сердце сокращалось с нормальной частотой. Исследования показали, что при частоте сокращений меньше 65-ти и не более 80-ти ударов в минуту система работает эффективно. В прошлом пробовали прибавить скорость вращения трубки. Сейчас установлен предел увеличивающих возможностей аппарата. Известно, что если трубка делает оборот за 0,33 секунды, то её вес вырастает почти в тридцать раз. Ещё точнее, перегрузка равна 28g. Больше 75g необходимо преодолеть, чтобы иметь разрешение менее ста миллисекунд.
Если применить две рентгеновские трубки с расположением под углом в 90 градусов, то можно получить разрешение, которое будет равно одной четверти времени обращения трубки. Это помогает получить изображение сердца, и при этом не зависеть от частоты сердечных сокращений.
Такой томограф имеет дополнительное преимущество: трубки могут работать каждая в своём порядке, при этом могут быть различны значения тока (мА) и напряжения (кВ).