Компьютерная томография
Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями.
Для визуальной и количественной оценки плотности визуализируемых методом компьютерной томографии структур используется шкала ослабления рентгеновского излучения, получившая название шкалы Хаунсфилда (её визуальным отражением на мониторе аппарата является чёрно-белый спектр изображения). Диапазон единиц шкалы («денситометрический показатель, англ. Hounsfield units»), соответствующий степени ослабления рентгеновского излучения анатомическими структурами организма, составляет от —1024 до +3071, т. е. 4096 чисел ослабления. Средний показатель в шкале Хаунсфилда (0 HU) соответствует плотности воды, отрицательные величины шкалы соответствуют воздуху и жировой ткани, положительные — мягким тканям, костной ткани и более плотному веществу (металл). В практическом применении измеренные показатели ослабления могут несколько отличаться на разных аппаратах.
Обычный компьютерный монитор способен отображать до 256 оттенков серого цвета, некоторые специализированные медицинские аппараты способны показывать до 1024 оттенков. В связи со значительной шириной шкалы Хаунсфилда и неспособностью существующих мониторов отразить весь её диапазон в черно-белом спектре, используется программный перерасчет серого градиента в зависимости от интересуемого интервала шкалы. Черно-белый спектр изображения можно применять как в широком диапазоне («окне») денситометрических показателей (визуализируются структуры всех плотностей, однако невозможно различить структуры, близкие по плотности), так и в более-менее узком с заданным уровнем его центра и ширины («легочное окно», «мягкотканное окно» и т. д.; в этом случае теряется информация о структурах, плотность которых выходит за пределы диапазона, однако хорошо различимы структуры, близкие по плотности). Проще говоря, изменение центра окна и его ширины можно сравнить с изменением яркости и контрастности изображения соответственно.
Магнитно-резонансная томография
Магнитно-резонансная томография (МРТ) — томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса — метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.
Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в мощном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте. На основе параметров протона (спинов) и их векторном направлении, которые могут находиться только в двух противоположных фазах, а также их привязанности к магнитному моменту протона можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода.
Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному моменту поля, причём во втором случае его энергия будет выше. При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определённой частоты, часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный, а потом вернутся в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время «расслабления», или релаксации предварительно возбужденных протонов.
Question 12.7.2.5
Discuss the principles involved in imaging the electrical resistivity of tissue and explain why this technique is unlikely to allow high spatial resolution images to be produced.
Answer
It can be shown that provided the conductivity is isotropic, the conductivity distribution of an object can be deduced by applying an independent set of current patterns through the surface of the object and measuring the voltage distribution generated on the surface of the object. Unfortunately, if current is applied between a pair of electrodes it does not flow directly between them but spreads out. This means that the value of the voltage developed on any electrode is affected by the conductivity throughout the object, rather than just along a line as is the case for CT. This ‘blurring’ of the signal (the voltages measured on the electrodes) relative to the object (the conductivity distribution) means that the resolution of the image is relatively poor. Although, in principle, this could be corrected by signal processing the presence of noise on the data prevents this.
In practice, the resolution of an EIT image, as with all images, is also limited by the number of data points collected. This number does rise as the square of the number of electrodes. In practice, the previously mentioned effects mean that in 2D using more than 16 electrodes gains little in the way of image improvement.
Вопрос №5
Рассмотрите принципы, используемые в визуализации электрического сопротивления тканей и объясните, почему с помощью этого метода вряд ли удаться получать изображения с высоким пространственным разрешением.
Ответ
Можно показать, что при условии проводимость изотропна и распределение электропроводности объекта может быть выведено, применяя множество независимых нынешних моделей через поверхность объекта и измерения распределения напряжения, образующегося на поверхности объекта. К сожалению, если ток подается между парой электродов, он не течет непосредственно между ними, но распространяется. Это означает, что значение напряжения, полученное на любом электроде зависит от проводимости по всему объекту, а не только по прямой, как в случае с КТ. «Смазывание» этого сигнала (напряжение измеряется на электродах) по отношению к объекту (распределения электропроводности) означает, что разрешение изображения относительно низкое. Хотя, в принципе, это может быть исправлено путем обработки сигналов при наличии шума на показаниях приборов препятствующих этому.
На практике, разрешение ЭИТ, как и все изображения, также ограничено количеством собранных точек данных. Это число растет, как квадрат числа электродов. На практике, упомянутые выше эффекты означают, что в 2D используют более чем 16 электродов с маленьким коэффициентом усиления на пути улучшения изображения.
Question 12.7.2.6
In spiral CT the patient is moved through the scanner. This means that the data collected during a rotation of the x-ray source are not strictly consistent. Can you suggest how the collected data might be modified to extract consistent data? What are the assumptions behind your answer?
Answer
The CT system consists of a series of detectors. At each rotation a detector returns to the same position relative to the imaging system but the patient has moved along the axis of the imaging system, the z-axis. Associated with each repeat of the detector position is a z-axis value. The set of these values will be different for each detector and position, but will be known. The time sequence of data collected by a detector at a particular angular position can therefore be interpolated to a standard set of z positions, and these interpolated consistent sets of data can be used to produce images. The principal assumption behind this approach is that the data in the time sequence represent a rapid enough sampling (in space) for interpolation to be accurate. Failure to achieve this will result in aliasing effects.
Вопрос №6
В спиральной компьютерной томографии пациента перемещают через сканер. Это означает, что данные, полученные во время вращения рентгеновского источника, не являются строго совместными. Не могли бы вы предположить, как можно изменить полученные данные, чтобы получить непротиворечивые данные? Какие предположения в поддержку вашего ответа?
Ответ
КТ система состоит из ряда датчиков. На каждом вращении датчик возвращается к той же позиции по отношению к системе формирования изображений, а пациент перемещается вдоль оси системы визуализации, Z-оси. Связанное с каждым повторением положения датчика - значение по оси Z. Совокупность этих значений будет различной для каждого датчика и положения, но они будут известны. Таким образом, временная последовательность данных, собранная датчиком при определенном угловом положении, может быть интерполирована в стандартный набор z позиций, и эти интерполированные непротиворечивые множества данных могут быть использованы для получения изображений. Основное предположение в поддержку этого подхода является то, что данные в хронологической последовательности представляют собой достаточно частые выборки (в пространстве) для интерполяции, чтобы обеспечить точность. Невыполнение этого может привести к эффекту сглаживания.
Question 12.7.2.7
You wish to examine, using MRI, a group of patients with heart disease. You feel that it would be prudent to monitor heart rate. What methods are available to you and what problems can you identify?
Вопрос №7
Вы хотите изучить с помощью МРТ группу пациентов с заболеваниями сердца. Вы считаете, что было бы разумным, контролировать частоту сердечных сокращений. Какие методики доступны для вас и какие проблемы вы можете определить (распознать)?
Ответ
Другим методом визуализационной диагностики заболеваний сердца является позитронно-эмиссионная томография. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) сочетает в себе элементы КТ и обычного радиоизотопного исследования. ПЭТ сердца позволяет выявить ишемическую болезнь сердца, оценить метаболизм и сократительную способность миокарда, отличить жизнеспособный миокард от некротизированного при инфаркте миокарда, особенно в ранние сроки.
МРТ позволяет:
Оценка анатомических изменений, обусловленных инфарктом миокарда (аневризма левого желудочка, истончение стенки желудочка, образование пристеночного тромба).
Диагностика кардиомиопатии и оценка ее тяжести.
Диагностика перикардита.
Диагностика опухолей сердца и соседних тканей.
Диагностика врожденных пороков сердца, таких как дефект межпредсердной или межжелудочковой перегородки, транспозиция магистральных артерий.
Диагностика заболеваний сосудов (неосложненная и расслаивающая аневризма грудной аорты).
Оценка состояния легочного сосудистого русла.
С помощью МРТ можно диагностировать кардиомиопатию и перикардит. МРТ позволяет также выявить дефект межпредсердной и межжелудочковой перегородки и другие врожденные пороки сердца. Она является эффективным методом диагностики опухолей сердца и окружающих его тканей и оценки степени распространенности атеросклероза.