Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow ЯДЕРНАЯ МЕДИЦИНА: ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Посмотреть оригинал

Компьютерные томографы

Томограф - рентгенодиагностический аппарат, предназначенный для получения послойных снимков — томограмм. Принцип томографии предусматривает сопряженное перемещение рентгеновской трубки и матрицы детекторов в противоположных друг друг)' направлениях и строгую параллельность выделяемого слоя в плоскости расположения детектора.

При соблюдении этих условий на рентгеновском изображении чётко фиксируется только участок снимаемой области, расположенный на уровне центра вращения системы излучатель — детектор.

Рис. 2. Компьютерный томограф.

В состав компьютерно- томографической установки входят устройства: l) для генерации, пространственного формирования и детектирования рентгеновских лучей (блок питания, сканирующее устройство с излучателем, коллиматоры и детекторы, система охлаждения излучателя); 2) для размещения и перемещения пациента (стол-транспортер, панель управления); 3) для обработки результатов измерения и синтеза изображения (аналого-цифровые преобразователи, компьютер, устройства для хранения информации, контрольно-диагностический пульт); 4) для визуального контроля и документирования рентгеновских изображений и их анализа (фотокамеры, принтеры, устройства записи информации на сменные носители).

Рис. 3. Получение томограммы пошаговым методом.

Трубка испускает тонкий, коллимированный, веерообразный пучок рентгеновских лучей, перпендикулярный длинной оси тела. Этот пучок может быть достаточно широким и охватывать весь диаметр тела человека. Регулировкой коллимации можно менять диаметр пятна, например от 1 до ю мм. Соответственно варьирует и толщина исследуемого среза ткани. Пропускаемый через пациента пучок рентгеновских лучей фиксируется системой специальных детекторов. В качестве детекторов используются либо кристаллы различных химических соединений (например, йодид натрия), либо ионизационные камеры, наполненные сжатым ксеноном. Рентгеновские фотоны генерируют в детекторах электрические сигналы. Фиксируя интенсивность пропущенного излучения можно рассчитать ослабление первичного луча.

Самым простым способом сбора данных является пошаговый способ, включающий стадию накопления данных и стадию позиционирования пациента. На стадии накопления данных (l с или менее) пациент остаётся неподвижным, а рентгеновская трубка вращается относительно пациента для накопления полного набора проекций в определенном месте сканирования. На стадии позиционирования пациента (более 1 с) данные не накапливаются, а пациент перемещается в следующее положение сбора данных.

Изображение реконструируют по полному набору данных.

Рис. 4. Схема спирального сканирования.

Спиральная томография заключается в одновременном выполнении двух действий: непрерывного вращения источника — рентгеновской трубки, генерирующей излучение, вокруг тела пациента, и непрерывного поступательного движения кушетки с пациентом вдоль продольной оси. В этом случае траектория движения рентгеновской трубки, относительно направления движения стола с телом пациента, имеет форму спирали.

В отличие от пошагового томографа, спиральный томограф вращается непрерывно, не делая пауз. Время исследования при этом намного сокращается. Например, КТ лёгких проводится за 20-5-30 секунд. Это облегчает исследование больных, которые не могут длительно задерживать дыхание, долго находиться в аппарате (пациенты с травмами, пациенты в тяжёлом состоянии, больные дети), а также повышает пропускную способность кабинетов. Высокая скорость сканирования позволяет получать более чёткие изображения с меньшими артефактами от физиологических движений. Эта технология улучшила также качество изображений движущихся органов грудной клетки и брюшной полости. Снижение времени облучения делает метод спиральной компьютерной томографии (СКТ) более безопасным для пациентов. При СКТ сканируется весь объект, что позволяет получать изображение любого зафиксированного слоя из отсканированного объёма. СКТ, позволяющая исследовать весь заданный объект при однократной задержке дыхания, исключает возможность выхода патологического очага из сканируемого слоя, что обеспечивает лучшее выявление небольших очаговых образований. Спиральный томограф обладает хорошей разрешающей способностью и позволяет диагностировать заболевания на ранних стадиях, например, обнаруживать опухоли небольших размеров, когда они еще поддаются лечению. Также появилась возможность «видеть» артерии и вены.

Современные компьютерные томографы являются многослойными. Воспринимающее устройство в таких аппаратах представляет собой не одну, а несколько параллельных линеек детекторов, действующих синхронно. Это позволяет в процессе одного оборота рентгеновской трубки получить несколько томограмм. Такие аппараты обеспечивают высокую скорость сканирования, хорошую разрешающую способность, низкую лучевую нагрузку на пациента

Обычно мультиспиральные томографы снабжены четырьмя рядами детекторов, но существуют томографы с 64-мя витками спиралями. В мно- госрезовых сканерах детекторы расположены в несколько рядов, что обеспечивает одновременное получение нескольких срезов. В многослойной томографии пучок лучей не только расширяется в плоскости рамы, но и отклоняется от неё. Такая геометрия пучка называется конусной. Толщина среза выбирается комбинацией смежных рядов детекторов с помощью коллимирующей системы. Обычно возможен сбор данных одновременно для четырёх срезов толщиной 5 мм, 2.5 мм, 1 мм, или двух срезов толщиной 0,5 мм.

Преимущества мультиспирального томографа перед обычной спиральной КТ: улучшение временного разрешения; улучшение пространственного разрешения; увеличение скорости сканирования; увеличение отношения сигнал/шум; эффективное использование рентгеновской трубки; большая зона анатомического покрытия; уменьшение лучевой нагрузки на пациента.

МСКТ (мультиспиральный компьютерный томограф) с двумя источниками рентгеновского излучения позволяет проводить исследования с высокой скоростью и большим пространственным разрешением (до 0,5 мм) мелких и движущихся структур, таких как коронарные артерии. Метод мульти спиральной компьютерной томографии позволяет быстро в условиях поликлиники оценить состояние коронарных артерий у пациентов с различными заболеваниями сердечно-сосудистой системы, в том числе после оперативных вмешательств на сосудах сердца, с выявлением уровня и степени сужения просвета сосудов. При этом качество получаемых изображений не зависит от частоты сердечных сокращений, в связи с чем, не требуется дополнительно принимать лекарственные препараты на этапе подготовки к исследованию.

Лучевая нагрузка при мультиспиральном КТ при сопоставимых объёмах диагностической информации меньше на 30 % по сравнению с обычной спиральной томографией.

Сканер — устройство, осуществляющее сканирование, т.е. исследование объекта, наблюдение за ним или считывание его параметров.

В состав любого КТ-сканера входят блоки: гентри со столом пациента и аппаратурой управления, высоковольтный генератор, вычислительная система, консоль оператора. Рентгеновская тру'бка с вращающимся анодом имеет малое фокальное пятно, что обеспечивает хорошее разрешение. Она может создавать пульсирующий или непрерывный пучок лучей. Мощность трубки 204-60 кВт при напряжении 804-140 кВ. Сила тока на трубке варьируется от ю до 440 мА, что позволяет добиться оптимального соотношения между качеством изображения (уровнем шума) и дозой облучения пациента. Рентгеновская трубка совместно с системой коллимирования создает узкий веерообразный пучок лучей, угол расхождения которого составляет зо°+50°.

Важный элемент компьютерного томографа - гентри. Внутри гентри расположены блоки, обеспечивающие сбор данных: рентгеновская трубка и коллиматоры, детекторы и система сбора данных, контроллер трубки, генератор высоких частот, встроенный микрокомпьютер (регулирующий напряжение и ток на трубке), компьютер, обеспечивающий обмен данными с консолью.

Гентри — подвижная, как правило, кольцевая, часть томографического аппарата, содержащая сканирующее оборудование. Система многопольного ротационного облучения лежащего пациента. Ослабление рентгеновского луча при прохождении через объект регистрируется детекторами, преобразующими регистрируемое рентгеновское излучение в электрические сигналы. Затем эти аналоговые сигналы усиливаются и преобразуются в цифровые импульсы.

Существуют аппараты с двумя рентгеновскими трубками. Потребность в таких томографах связана с тем, что при исследовании сердца (КТ- короиарография) необходимо получение изображений объектов находящихся в постоянном и быстром движении, что требует очень короткого периода сканирования. Конструкторы пытались увеличить скорость вращения трубки, но быстро достигли предела технических возможностей для её увеличения, так как при обороте трубки в 0,33 сек её вес возрастает в 28 раз (перегрузки 28 g). Чтобы получить временное разрешение юо мс, требуется преодоление перегрузок в 75 д, а это не позволяет прочность конструкции. Использование же двух рентгеновских трубок, расположенных под утлом 900, даёт временное разрешение, равное четверти периода обращения трубки (83 мс при обороте за 0,33 с). Это позволило получать изображения сердца независимо от частоты сокращений. Кроме того, каждая трубка работает в своём режиме (при различных значениях напряжения и тока, кВ и мА), что обеспечивает возможность дифференцирования на изображении близко расположенных объектов различных плотностей. Это важно при диагностике сосудов и образований, находящихся близко от костей. В 2007 г. начат выпуск 320-срезовых компьютеров, которые позволяют наблюдать в реальном времени происходящие в сердце и в головном мозге физиологические процессы. Подобная система сканирует целый орган (сердце, суставы, головной мозг и т.д.) за один оборот рентгеновской трубки, что значительно сокращает время обследования

В КТ газовый детектор рентгеновского излучения представляет собой ионизационную камеру, заполненную ксеноном или криптоном. Пластины расположены на расстоянии 1.5 мм друг от друга. Эти детекторы обеспечивают высокое разрешение и чувствительность. В сцинтилляцион- ных детекторах используются люминесцентные кристаллы, соединенные с ФЭУ. Недостатками таких детекторов является невозможность их близкого расположения друг к другу' и эффект послесвечения. Твёрдотельные детекторы, например, сверхбыстрые керамические датчики, дают превосходное качество изображения.

Основными параметрами детекторов являются:

  • 1. эффективность - характеристика, отражающая способность детекторов обнаруживать фотоны (характеризует способность детектора получать фотоны и определяет процент фотонов, падающих на детектор и вызывающих сигнал в нём);
  • 2. стабильность - качественная характеристика, отражающая динамическую устойчивость детекторов;
  • 3. время ответа (мкс) - время, затрачиваемое на обнаружение события, восстановление детектора и обнаружение следующего события;
  • 4. динамический диапазон - отношение наибольшего и наименьшего сигналов, способных быть измеренными.
Матричные детекторы излучения в компьютерных томографах

Рис. 5. Матричные детекторы излучения в компьютерных томографах.

Форма пучку рентгеновских лучей задаётся специальными диафрагмами - коллиматорами. Коллиматоры источника расположены непосредственно перед рентгеновской трубкой; они создают пучок параллельных лучей и позволяют снизить дозу воздействия на пациента. Коллиматоры детекторов расположены непосредственно перед детекторами и предназначены для снижения рассеивания излучения и сокращения артефактов изображений. Эти коллиматоры служат для определения толщины среза (ограничения области, рассматриваемой датчиками) и качества профиля среза. Фильтры обеспечивают равномерное распределение фотонов поперек рентгеновского луча и уменьшают суммарную дозу облучения, удаляя более мягкое излучение. Обычно они изготовлены из алюминия, графита или тефлона. Консоль управления столом пациента и гентри используется для контроля горизонтального и вертикального движения стола, позиционирования пациента, наклона гентри относительно вертикальной оси сканера. Блок питания обеспечивает всю систему необходимой электроэнергией, позволяя корректировать методику исследования.

Спиральное сканирование осуществляется гентри с кольцом скольжения, позволяющим трубке и детекторам вращаться непрерывно. Непрерывное накопление данных происходит 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 юо%, а отображение объекта происходит быстрее. Обычно при реконструкции изображений используются алгоритмы интерполяции, способные выделить из всего массива данные, необходимые для построения изображения отдельного среза.

Многосрезовые КТ-сканеры обеспечивают высокое разрешение изображений, позволяя реконструировать результаты измерений в произвольных плоскостях и повысить информационную составляющую проведенного исследования. Например, разрешение томографа Somatom Sensation 64-slice (Siemens) составляет 0,24 мм. При этом время одного оборота трубки равно 0,33 с, а скорость движения стола - 87 мм/с. Компьютер осуществляет реконструкцию изображения, решая более 30000 уравнений одновременно. Программное обеспечение для обработки изображений во многом определяет их клиническую производительность и информативность регистрируемых данных.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы