Медичні комп'ютерні системи візуалізації

Медичні комп'ютерні системи візуалізації — це приладо-комп'ютерні системи, призначені для дослідження внутрішніх органів та їхніх структур з виведенням зображення на екран. Інформацію "збирають" інформаційні промені — хвильові про­цеси різної фізичної природи, які можна використати як ін­формацію, що надходить від тіла людини. Згідно із законами фізики, усе живе на Землі існує і розвивається в постійній взає­модії з випромінюваннями та пружними коливаннями. Інформаційними променями можуть бути інфрачервоні (системи динамічного теплобачення), рентгенівські (комп'ютерні рентгенівські томографи), радіоактивні (позитронно-емісійні томографи), ультразвукові (системи УЗД), електромагнітно-резонансні (магнітно-ядерні резонансні томографи для МРТ). Ро­зуміння фізичної природи і біологічної дії випромінювання на людину дуже важливе при вивченні комп'ютерних систем візуалізації, які можна розглядати як новий напрямок радіоло­гії¹.

• Медична радіологія — галузь медицини, що розробляє теорію і практику застосування випромінювань для медичних потреб. Медична радіологія включає дні основні наукові дисципліни: діагностичну радіологію (променеву діагностику) і терапевтичну радіологію (променеву терапію). Променева діагностика розглядає питання впливу випромінювань на організм людини з метою профілактики і розпізнавання хвороб. Без радіології сьогодні не може обійтися жодна медична дисципліна, у тому числі й інформатика.

Принцип обробки даних у візуальних комп'ютерних систе­мах: інформаційні промені, що виходять від досліджуваного органа, фіксуються датчиками-приймачами, перетворюються на електричні сигнали, відцифровуються за допомогою АЦП і надходять у пам'ять комп'ютера (схема 11). Після обробки про­грамним забезпеченням МПКС інформація реконструюється у вигляді зображення і подається на екран монітора лікаря. На підставі даних аналізу картинки та зіставлення клінічних симптомів встановлюють діагноз. Слід уточнити, що саме лікар, а не ма­шина розпізнає відхилення від норми при аналізі зображення.

Комп'ютерна томографія

КТ — принципово новий та універсальний метод пошарово­го дослідження тонких шарів тканин. Звідси назва методу — томографія (від грец. tomos — шар). За її допомогою можна вив­чати всі частини тіла, всі органи, визначати положення, фор­му, розміри, стан поверхні та структуру органа, досліджувати його функції, у тому числі кровообіг, а також вимірювати щільність будь-якої ділянки тканин. Сучасні томографи дають змогу одержувати зображення дуже тонких шарів — від 0,5 до 10 мм. Зображення може бути площинне (2D) і об'ємне (3D). Термін "комп'ютерна томографія" на сьогодні застосовується стосовно різних сканувальних комп'ютерних томографічних методів дослідження, а не тільки щодо рентгенологічної ком­п'ютерної томографії, винайдення якої започаткувало розвиток описувальних методик.

Залежно від природи інформаційних променів виділяють такі види КТ:

• рентгенологічну КТ (РКТ);

• томографію з використанням електромагнітних полів (МРТ);

• томографію з використанням електромагнітного випро­мінювання (позитронно-емісійна (ПЕТ)).

Процес удосконалювання КТ триває. Медична техніка на світовому ринку модернізується з кожним роком. Стрімко ін­тегруються нові комп'ютерні технології, застосовуються нові принципи обстеження. Сучасний комп'ютерний

томограф — це складний програмно-технічний комплекс, до виготовлення якого висуваються жорсткі вимоги. Механічні вузли, елект­роніку виконують з найвищою точністю, конструкція деталей і матеріали постійно вдосконалюються. Великий ППП дає змо­гу проводити весь спектр КТ-досліджень. З кожним новим по­колінням КТ значно розширюється за допомогою вузькоспеціалізованих програм, що враховують особливості сфери засто­сування апаратного комплексу. Тому покращені моделі КТ прийнято систематизувати за поколіннями (від першого до четвертого).

Прогрес КТ прямо пов'язаний зі збільшенням кількості де­текторів, тобто зі збільшенням кількості проекцій, що збира­ються одночасно. У першому поколінні КТ кількість детекторів становила 2, у другому — 30—50, у третьому — 300—500, у четвертому — 1000—5000. У другому поколінні було вперше застосовано віялову форму пучка рентгенівського випроміню­вання. Кожне наступне покоління комп'ютерних томографів відзначалось істотно меншим часом реконструкції КТ-зображень і більшою швидкістю обертання рентгенівської трубки, що дало змогу прискорити і розширити сфери діагностичного застосування КТ-досліджень.

Рентгенівська комп'ютерна томографія

Як було зазначено вище, при КТ уперше було використано рентгенівське випромінювання як джерело інформації для ма­тематичної обробки. Цей чутливий і високоінформативний ме­тод рентгенодіагностики — пошарове рентгенологічне дослід­ження, засноване на комп'ютерній реконструкції зображення, одержуваного при круговому скануванні об'єкта вузьким пуч­ком рентгенівських променів.

Фізична природа процесу томографування полягає в на­ступному: інформаційний промінь сканує ("переглядає") люд­ське тіло по окружності. По інший бік рентгенівської трубки встановлено систему датчиків, кількість яких змінювалася від двох (перше покоління томографів) до 500 (третє покоління) і до кількох тисяч твердотільних датчиків, розташованих у кілька рядів (четверте покоління).

Мал. 3. Принцип дії рентгенівського променя

Ці датчики фіксують змінені кількісні характеристики ін­формаційних променів, тобто відтворюють ступінь ослаблення пучка. Обертаючись навколо пацієнта, рентгенівський промінь "переглядає" його тіло під різними ракурсами, у цілому під ку­том 360° (мал. 3). До кінця обертання випромінювача в пам'яті комп'ютера зберігаються зафіксовані сигнали всіх датчиків. Накопичена інформація у вигляді масиву даних обробляється ППЗ, за допомогою якого реконструюється графічне зображен­ня зрізу (графічна матриця). Воно складається з кількох десят­ків тисяч світлових точок, яскравість яких пропорційна щіль­ності тканин, через які проходив пучок випромінювання. При цьому комп'ютером розраховується коефіцієнт ослаблення про­менів або коефіцієнт абсорбції (КА) тканин, що виражається в одиницях Хаунсфілда (Hounsfield Units, HU), для кожної точ­ки зображення. Ця величина показує, наскільки біологічна тканина здатна поглинати (послаблювати) рентгенівські про­мені. Кістка поглинає рентгенівські промені сильніше порівняно з іншими тканинами і має найбільший КА (+800+ +3000 HU). Повітря практично не поглинає промені і має най­менший КА (-1000 HU). Якщо розмістити на прямій три ос­новні точки КА:

• КА максимального ослаблення +1000 HU (щільність кам'янистої частини скроневої кістки);

• КА мінімального ослаблення -1000 HU (щільність по­вітря);

• КА води 0 НU, то одержимо шкалу Хаунсфілда — один з основних інстру­ментів КТ-діагностики.

Здатність тканин поглинати рентгенівські промені прямо пов'язана з їх щільністю, що також може вимірюватися в оди­ницях Хаунсфілда. Таким чином, якщо за нульову величину щільності прийнята щільність води при щільності кістки + 1000 HU і щільності повітря -1000 HU, то дана шкала також буде називатися шкалою Хаунсфілда. Відповідно до цієї шка­ли весь діапазон щільностей тіла людини складається з 2000 одиниць: від -1000 до +1000. У сучасних КТ-дослідженнях зображення щільностей коливається від -1000 до +3000 HU. A це означає, що чим більша щільність тканин, тим сильніше вона поглинає випромінювання і тим світлішою ця тканина є на екрані: кістка біла, повітря чорне. Таким чином, нормальні і патологічні утворення розрізняють за градаціями переходу від чорного до білого кольору. Деякі тканини і відповідні їм па­раметри щільності, виражені в одиницях Хаунсфілда, наведе­но на мал. 29.

Користуючись клавіатурою, лікар може збільшувати це зо­браження, виділяти і збільшувати окремі його частини, ви­мірювати розміри органа, визначати щільність кожної ділян­ки тканини в умовних одиницях. За серією двовимірних зобра­жень за допомогою математичних методів обробки можна від­новити об'ємне зображення об'єкта.

У медицині побачити невидиме або ледве помітне оком означає встановити діагноз на ранній стадії захворювання, коли ще можна уникнути небезпечного розвитку патології та оперативного втручання. Основою візуального аналізу будь-яких зображень є пошук і виявлення ледве помітних і невидимих оку лікаря діагностичних ознак. КТ використовують не тільки з діагностичною метою, а і як метод контролю за виконанням хірургічних втручань. Наприклад, топографія структур голо­вного мозку різко змінюється після розкриття черепа при втру­чанні на патологічному вогнищі. Під час операції потрібна пос­тійна корекція в оцінці взаємодії анатомічних структур. Під контролем КТ уводять волоконно-оптичні прилади і мікро­хірургічні інструменти в ушкоджені ділянки дисків хребців і виконують найтонші операції.

Спочатку існували комп'ютерні томографи для досліджен­ня тільки головного мозку. Це зараз звучить буденно, але 35 років тому вперше у світі людство одержало можливість загля­нути усередину живого мозку й судити про порушення в ньому не по непрямих ознаках, а вивчати морфологічні зміни самого субстрату, диференціювати сіру й білу речовину. Технічний прогрес привів до вдосконалювання апаратур: з'явилися мо­гутніші, швидкісні апарати, пристосовані для дослідження всього тіла пацієнта (мал. 5). Проблему диференціації органів і тканин, що мають рівну або дуже близьку щільність за шка­лою Хаунсфілда, було вирішено шляхом внутрішньовенного контрастного посилення, тобто введення таких речовин в ор­ганізм людини, які, накопичуючись в органах, змінювали їхню щільність. Методики контрастного посилення дають змогу розрізняти й визначати характер пухлин (новоутворень) на фоні м'яких тканин, що їх оточують, у тих випадках, коли вони не видимі при звичайному дослідженні.

Мал. 5. Дослідження усього тіла пацієнта

На сьогодні нараховуються чотири покоління рентгенівсь­ких комп'ютерних томографів. Прикладом томографа третьо­го покоління є спіральний томограф, названий так через обер­тальне переміщення віялового рентгенівського пучка, що ство­рює траєкторію спіралі. Більшість сучасних установок в Ук­раїні — це апарати третього покоління. Якщо на апаратах пер­шого покоління процес зчитування інформації і реконструювання одного зображення займав кілька хвилин, на апаратах другого — десятки секунд, то на томографах третього і четвер­того поколінь — кілька секунд. Таким чином, щоб дослідити головний мозок на томографах першого покоління з товщиною зрізу 10 мм (тобто кількість зрізів — до 8), необхідно було за­тратити 8—10 хв. У 2004—2005 роках було розроблено 32- і 64-зрізові мультиспіральні томографи, які є вершиною технічного прогресу (мал. 6).

.

Мал. 6. Спіральний комп’ютерний томограф

Недоліком КТ є створення променевого навантаження (рент­генівське випромінювання), тому застосування її без достатніх підстав (показань) небажане.

Томографія з використанням електромагнітних полів

Д ругий вид КТ — томографія ядерно-магнітного резонансу (ЯМР, або МРТ). Термін "ЯМР-томографія" було замінено на "МРТ-томографію" в 1986 році у зв'язку з розвитком у людей нуклеофобії після Чорнобильської аварії. У новому терміні від­сутнє нагадування про "ядерність" походження методу, що і дало змогу впровадити його безболісно в повсякденну медичну практику.

Д жерело інформаційних променів — людина, яка випромі­нює електромагнітне резонансне випромінювання. Фізична суть МРТ: якщо систему (досліджувану ділянку тіла пацієнта), що перебуває в постійному магнітному полі, опромінити зов­нішнім змінним електромагнітним полем, частота якого точно дорівнює частоті переходу між енергетичними рівнями ядер атомів, то ядра почнуть переходити у квантовий стан, енерге­тично вищий. Інакше кажучи, спостерігається резонансне по­глинання енергії електромагнітного поля. У разі припинення впливу змінного електромагнітного поля виникає резонансне виділення енергії, що і фіксує система. МРТ дає можливість одержувати зображення будь-яких шарів тіла людини. Біль­шість сучасних MP-томографів "налаштовані" на реєстрацію радіосигналів ядер водню, що містяться у тканинній рідині або жировій тканині. Тому MP-томограма дає картину просторово­го розподілу молекул, що містять атоми водню (як відомо, лю­дина складається на 75—80 % з води, до складу якої входить водень, що дає резонансне електромагнітне випромінювання, тобто несе інформацію). Чутливі датчики (високочастотні ко­тушки) сприймають сигнали релаксації, тобто інформаційні промені від пацієнта, і направляють їх в обчислювальний ком­плекс, де інформація обробляється до вигляду зображення. С истема для МРТ складається з:

• магніту, що створює статистичне магнітне поле з напру­гою від 0,5 до 1,5 Т і З Т. Магніт порожній. У ньому є тунель, у якому розміщується пацієнт. Стіл для пацієнта має автоматич­ну систему керування рухом у поздовжньому і вертикальному напрямках;

• високочастотних котушок різної конфігурації для до­слідження різних ділянок тіла пацієнта. Котушки служать для радіохвильового збудження ядер водню і створення ефекту спину, а також прийому інформаційного сигналу. Котушки накладають на досліджувану ділянку. Створюється додаткове магнітне поле і збудження ядер водню (поглинання енергії електромагнітного поля). Котушки сприймають електромаг­нітне випромінювання (водневий спектр) від пацієнта при ре­зонансному виділенні енергії. Таким чином, метод засновано на вимірюванні електромагнітної відповіді атомів водню на збудження їх певною комбінацією електромагнітних хвиль у постійному магнітному полі високої напруги.

Локальна комп'ютерна мережа системи, що складається з 2—З ПК, здійснює обробку даних, управляє системою магніт­ного поля, забезпечує узгодженість усіх компонентів МРТ. При цьому вирішується головне завдання — одержання зображення тонких шарів тіла людини в будь-якому розрізі — фронтальному, сагітальному, аксіальному і косій площинах. Можливими стали одержання об'ємних зображень органів, вимірювання швидкості кровотоку, току спинномозкової рідини, визначення рівня дифузії в тканинах, візуалізація активації кори головного мозку при функціонуванні органів, за які відповідає ця ділянка кори.

МРТ протипоказана при:

• клаустрофобії,

• за наявності сторон­ніх металевих включень в організмі (штучні металеві суглоби, кульові осколки, які можуть зміститися під дією магнітного поля),

• вживлених кардіостимуляторів, робота яких може бути порушена. При МРТ, як і при рентгенологічному дослідженні, можна застосовувати штучне контрастування тканин. Із цією метою використовують хімічні речовини, що містять ядра з не­парним числом протонів і нейтронів, наприклад, сполуки фто­ру, або ж парамагнетики, які змінюють час релаксації води і тим самим посилюють контрастність зображення.

МРТ — високоефективний діагностичний метод, абсолют­но безпечний для пацієнта навіть за умови багаторазового за­стосування.

Позитронно-емісійна томографія

ПЕТ — радіонуклідний томографічний метод дослідження внутрішніх органів людини. Інформаційним променем ви­ступає радіоактивне випромінювання тіла людини під дією введених радіофармпрепаратів (РФП) з малим періодом піврозпаду: ¹¹С-вуглець (період піврозпаду Т_1/2 становить 20,4 хв), ¹³N-asoт (Т_1/2 — 10 хв), ¹⁵О-кисень (Т_1/2 — 2,03 хв), ¹⁸Р-фтор (Т — 110 хв). Після цього людина стає джерелом випроміню­вання, тобто інформації. Метод засновано на реєстрації пари -квантів, що виникають при анігіляції електронів і позит­ронів. При анігіляції пара "позитрон — електрон" зникає, ут­ворюючи два -кванти, що розлітаються в протилежних на­прямках. Кожний із цих квантів має енергію 511 кеВ. Ці два кванти реєструються двома протилежно розташованими дат­чиками, розміщеними в кілька рядів кільцем діаметра 45— 65 см. Сприйняте високочастотне електромагнітне випроміню­вання (-кванти) перетворюється на цифровий код, а потім об­робляється на ПК.

Чутливість ПЕТ вища, ніж КТ і МРТ. За допомогою ПЕТ вдається констатувати зміну витрат глюкози, міченої ¹¹С в "оч­ному центрі" головного мозку, при відкриванні очей. Тому ІІЕТ використовують при дослідженнях найтонших метаболіч­них процесів у мозку, аж до розумових. Позитронно-активні радіонукліди дуже швидко розпадаються. До того ж усі вони циклотронного походження. Отже, ПЕТ застосовують лише в радіологічному центрі, оснащеному циклотроном, радіофармацевтичною лабораторією, позитронним томографом і комп'ю­тером для обробки інформації.

Ультразвукове дослідження

У ЗД — досить поширений метод діагностики. Інформацій­ним променем є ультразвукова хвиля (УЗХ), відбита від межі розділення двох різних за щільністю середовищ. Ультразву­ком взагалі називають високочастотні звукові хвилі із часто­тою понад 20 кГц. У медицині застосовують частоти діапазону 2—10 МГц. Особливістю УЗХ є їхня здатність відбиватися від границь середовищ, що різняться щільністю. Пучок УЗХ на­правляється на досліджувану ділянку, попередньо змочену ге­лем для зменшення повітряної щілини між датчиком і поверх­нею шкіри, а, отже, і для зменшення втрати енергії ультразву­кового потоку. Відбиті УЗХ вловлюються датчиком (датчик є високотехнологічним приладом, здатним як генерувати, так і сприймати УЗХ) апарата. Після посилення УЗХ і перетворен­ня в електричні сигнали інформація оцифровується за допомогою АЦП і передається в пам'ять комп'ютера. Комп'ютер за допомогою програмного забезпечення обробляє оцифровану ін­формацію і видає на екран д вовимірну реконструкцію зображення всіх тканин, крізь які пройшли УЗХ.

УЗД є методом медичної візуалізації, який почали застосо­вувати понад 40 років тому. Сфера застосування ультразвуку в медицині надзвичайно широка. З діагностичною метою його використовують для виявлення захворювань органів черевної порожнини і нирок, органів малого таза, щитоподібної залози, грудних залоз, лімфатичної і серцево-судинної систем, в акушерській і педіатричній практиці. В абдомінальній практиці УЗД дає змогу візуалізувати й охарактеризувати (розміри контури, структура, щільність) усі паренхіматозні органи (печінку, селезінку, підшлункову залозу, нирки), наповнені рідиною порожнисті органи (жовчний міхур і протоки), кровоток судини, фрагменти кишкових петель, вільну рідину в черевній порожнині, збільшені лімфатичні вузли, пухлинні конгломерати, змінений червоподібний відросток. Роздільна здатність сучасних апаратів становить 1—2 мм. Недоступними для УЗД є тканини, що містять повітря, і кістки.

З ображення приймається в режимі сірої шкали (від абсолютно білого до аб­солютно чорного кольору). Для дослі­дження потоків рідини застосовують штучне виділення кольорів у колірних апаратах Допплера (Color Doppler). Нап­риклад, кровотік до датчика прийнято позначати червоним кольором, від датчи­ка — синім, турбулентний кровотік — синьо-зелено-жовтим кольором (мал. 33). Колірний допплер застосовують для до­слідження кровотоку в судинах, в ехо-кардіографії. У сучасних приладо-комп'ютерних системах УЗД використову­ють нові функціональні можливості: ав­томатичне обчислення обсягу структур складної форми, одер­жання об'ємних (3D) зображень (мал. 34) у режимі сірої шкали і кольорового допплера, одержання будь-якого зрізу в кожній з трьох проекцій.

До основних переваг УЗД відносять:

• універсальність та інформативність;

• мобільність і швидкість виконання;

• неінвазивність;

• відсутність променевого навантаження.

Метод УЗД простий, доступний і безпечний. Він не має ні­чого спільного з рентгенівським випромінюванням. Саме тому УЗД широко застосовують в акушерстві. Медики вважають, що раз на рік його повинна проходити кожна людина, адже що раніше виявлено хворобу, тим легше її лікувати.

УЗД здійснюють у режимі реального часу. Це дає змогу простежувати, як змінюється зображення тієї або іншої деталі залежно від проекції, і швидко переходити від однієї зображу­ваної площини до іншої.

Недоліки УЗД: ослаблення УЗ-променя у високощільних тканинах; результати УЗД залежать від досвіду лікаря набага­то більше, ніж при інших методах.

Стисло про головне

• Медичні комп'ютерні системи візуалізації — це приладо-комп'ютерні системи, призначені для дослідження внут­рішніх органів та їхніх структур з виведенням зображення на екран. Інформацію "збирають" інформаційні промені — хви­льові процеси різної фізичної природи, які можна використати як інформацію, що надходить від тіла людини.

• КТ — принципово новий і універсальний метод пошарового дослідження тонких шарів тканин. З її допомогою можна досліджувати всі частини тіла, всі органи, визначати положен­ня, форму, величину, стан поверхні і структуру органа, дослід­жувати функції, у тому числі кровообіг органа, а також вимірювати щільність будь-якої ділянки тканини. Залежно від приро­ди інформаційних променів виділяють такі види КТ:

• РКТ;

• МРТ;

• ПЕТ.

• Моделі томографів прийнято систематизувати за поколіннями (від першого до четвертого).

• Термін "комп'ютерна томографія" застосовують стосовно різних сканувальних комп'ютерних томографічних методів дослідження, а не тільки щодо РКТ, розробка якої започаткувала розвиток описувальних методик.

• РКТ засновано на обробці зафіксованого інформаційного рентгенівського сигналу при проходженні його через дослід­жувану ділянку з подальшою комп'ютерною обробкою. В ос­нові формування зображення лежить шкала Хаунсфілда, що показує залежність щільності біологічних тканин від їхньої здатності послаблювати (поглинати) рентгенівські промені.

• 32- і 64-зрізові мультиспіральні томографи — апарати третього покоління, оснащені кількома тисячами твердотільних датчиків, розташованих у кілька рядів. Томограф несе променеве навантаження (рентгенівське випромінювання), і застосування КТ без достатніх на те підстав (показань) небажа­не. Довжина зони сканування тіла пацієнта має бути обмеже­ною, не перевищувати 20—25 см.

• Джерелом інформаційних променів при МРТ є тіло лю­дини, що дає електромагнітне резонансне випромінювання. Більшість сучасних MP-томографів "налаштована" на реєстра­цію радіосигналів ядер водню, що містяться у тканинній рідині або жировій тканині. Тому MP-томограма — це картина про­сторового розподілу молекул, що містять атоми водню. МРТ протипоказана при клаустрофобії, за наявності в тілі сторон­ніх металевих предметів, вживлених кардіостимуляторів. При МРТ, як і при рентгенологічному дослідженні, можна застосо­вувати штучне контрастування тканин. МРТ — високоефек­тивний діагностичний метод, абсолютно безпечний навіть за умови багаторазового застосування.

• ПЕТ — радіонуклідний томографічний метод досліджен­ня внутрішніх органів людини. Інформаційним променем є радіоактивне випромінювання тіла людини під дією введених РФП з малим періодом піврозпаду. ПЕТ використовують при дослідженнях найтонших метаболічних процесів у мозку, аж до розумових. Позитронно-активні радіонукліди дуже швидко розпадаються. До того ж усі вони циклотронного походження. Отже, ПЕТ можна проводити тільки в радіологічному центрі, оснащеному циклотроном, радіофармацевтичною лаборато­рією, позитронним томографом і комп'ютером для обробки ін­формації.

• УЗД — метод медичної візуалізації, який почали засто­совувати понад 40 років тому. Особливістю УЗХ є їхня здат­ність відбиватися від границь середовищ, що різняться за щільністю. Відбиті УЗХ вловлюються датчиком апарата. Піс­ля посилення УЗХ і перетворення їх на електричні сигнали ін­формація оцифровується за допомогою АЦП і передається в пам'ять комп'ютера. Комп'ютер за допомогою програмного за­безпечення обробляє цю інформацію і видає на екран двовимір­ну реконструкцію зображення всіх тканин, крізь які пройшли УЗХ. Метод УЗД простий у застосуванні, доступний і безпеч­ний.

Контрольні питання

1. Назвіть відомі вам медичні комп'ютерні системи візуалі­зації.

2. Як відбувається збирання інформації в системах візуалі­зації?

3. Чому комп'ютерні системи візуалізації можна розгляда­ти як новий напрямок радіології?

4. Які інформаційні промені використовуються в системах візуалізації.

5. Назвіть сучасне трактування терміну "комп'ютерна то­мографія".

6. Визначте фізичний принцип дії рентгенівського комп'ю­терного томографа.

7. Які три точки покладено в основу шкали Хаунсфілда?

8. Наведіть приклади третього покоління томографів.

9. Які інформаційні промені використовуються в МРТ?

10. Перерахуйте протипоказання до проведення МРТ.

11. Які інформаційні промені використовуються в ПЕТ?

12. Який із трьох методів КТ найбезпечніший для людини?

13. Назвіть етапи процесу обробки інформації при УЗД.

14. Назвіть галузі застосування УЗД.

Для самостійного вивчення

Системи дозиметричного планування. Системи дозиметричного планування (СДП) належать до спеціальних інформаційних систем, що працюють у променевій терапії. Призначення систем — планування променевого навантаження на пацієнта при проведенні променевої терапії. При цьому здійснюється прогнозування результатів лікування після моделю­вання того радіаційного поля, впливу якого зазнаватиме па­цієнт. СДП застосовують в Україні з кінця 80-х років XX сто­ліття. Для кращого розуміння роботи СДП слід на понятійному рівні розібрати суть променевої терапії.

Онкологічні захворювання — одна з найактуальніших про­блем у світовій охороні здоров'я. У середньому близько 70 % онкологічних хворих проходять курс променевої терапії. Іоні­зуючий вплив на злоякісні новоутворення є одним із найефек­тивніших терапевтичних методів. В основі такого лікування лежить процес опромінення ракової пухлини різними за своєю фізичною природою видами випромінювання: електронним, позитронним, нейтронним, фотонним, рентгенівським. Час­тинки високих енергій руйнують ракові клітини пухлини і при­гнічують їхнє відтворення. Підхід "чим вища доза випроміню­вання, тим краще" у променевій терапії онкологічних захво­рювань абсолютно неприйнятний. Наприклад, відповідно до медичних норм оптимальним є променеве навантаження 70 Гр. При меншому навантаженні частина ракових клітин зали­шиться живою, при більшому народжуються нові клітини-мутанти, резистентні до випромінювання. І при цьому вони збері­гають здатність розмножуватися. Розподіл дози іонізуючого випромінювання в тканинах і органах пацієнтів підпорядко­вується складним фізичним законам. Високі дози шкідливі, низькі не ефективні. Це завдання потрібно вирішувати щора­зу, в індивідуальному порядку.

Друге завдання пов'язане з першим: оскільки чітка межа безпеки між здоровими тканинами прилеглих органів та опро­мінюваною мішенню відсутня, то виникає проблема ураження здорових тканин, що може загрожувати здоров'ю і життю па­цієнта. Ідеальної дози, здатної стерилізувати пухлину без ура­ження здорової тканини, не існує. На цьому етапі вводиться поняття про оптимальну дозу, тобто дозу, що дає максимум шансів зруйнувати пухлину і мінімальний ризик розвитку ус­кладнень. Потрібний точний розрахунок променевих навантажень на прилеглі здорові органи. До появи СДП такий розра­хунок вівся вручну за допомогою ізодозних прозорих карт. З погляду фізики, людина — це насамперед багатошарова система, що складається з великої кількості різнорідних тканин, які неоднаково поглинають випромінювання.

Таким чином, при плануванні променевої терапії необхід­но:

• застосувати однорідну дозу на весь опромінюваний об'єкт, наскільки це можливо, щоб уникнути як передозуван­ня, так і недостатньої дози порівняно з оптимальною;

• знайти такий технічний спосіб опромінення, що дав би змогу обмежити вплив опромінення (застосовувати найнижчу дозу) на здорові тканини;

• точно оцінити дози, які застосовують при опроміненні різних ділянок тіла, і впевнитися, що жоден орган не зазнає впливу небезпечної для нього дози.

Для вирішення таких завдань у комп'ютер СДП уводять дані:

• ЛПЗ, прізвище хворого, вік тощо;

• вихідну дозиметричну інформацію про радіоактивне джерело, що міститься в апараті. Комп'ютер коригуватиме вихідну потужність дози з урахуванням розпаду радіоактивного джерела;

• контури тіла пацієнта, мішені (ділянки, що зазнає опромінення), внутрішніх органів уводяться вручну з рентгенівських знімків або шляхом "скачування" томограми з комп'ютерного томографа;

• розміри полів опромінення — розміри мішені (пухлина, лімфовузли, доопераційне поле, післяопераційне поле) Таку інформацію, як було зазначено, безпосередньо одержують із даних томографічних досліджень локалізації пухлин;

• щільність тканин, що зазнають опромінення. У такті спосіб буде враховано їхню неоднорідність (гетерогенність), не однакову їх "прозорість" для опромінення;

• режим опромінення (ротація, один зі статичних, комбінований).

Таким чином, скласти індивідуальний план опроміненення можна на основі введених у комп'ютер трьох вузлових 11 метрів, які є вихідними точками обробки даних: анатомічних даних (п. 3,4), точного опису джерела опромінення (п. 2) і обраного режиму променевих процедур (п. 6).

Після цього запускається програма на виконання і на екрані монітора системи поверх уведеного контуру (п. 3) з'являються лінії замкнутих кривих — ізодозні лінії, що показують кіль­кісний розподіл дози у відсотках по всьому контуру. Саме на цьому етапі на екрані монітора можна побачити будь-яку ді­лянку, що опромінюється. Якщо здорові тканини потрапляють у зону високої дози опромінення, на що вказує карта ізодоз, то такий варіант лікування відкидається і в комп'ютер СДП уво­дять інші дані (змінюють режими опромінення). Цей процес здійснюють кілька разів, поки не буде обрано найкращі умови і модель поля прогнозуватиме терапевтичний ефект із наймен­шими ускладненнями. Окрім графічного зображення поля СДП розраховує дози, оцінює дозовий розподіл у тканинах і за­дає оптимальні параметри сеансу опромінення. Отриманий у вигляді сукупності ізоліній (ізодоз) розподіл доз наносять на топометричну карту і використовують для визначення таких параметрів опромінення, як разова поглинена доза, час опро­мінення, розмір поля опромінення, розташування точки центрації осей пучків випромінювання. Таким чином, перебираю­чи різні варіанти моделей поля, обирають найкращий варіант променевої терапії в кожному конкретному випадку.

На сьогодні створено такі СДП, які самостійно оптимізують, моделюють об'ємне радіаційне поле, розраховують опти­мальну дозу опромінення за заданим об'ємом пухлини тощо. Така робота неможлива без застосування комп'ютерних сис­тем, які працюють на високопродуктивних процесорах і вико­ристовують для розрахунку складні математичні алгоритми. У СДП останніх поколінь перед початком курсу опромінення для перевірки адекватності вже отриманого дозиметричного плану проводиться віртуальна симуляція (об'ємне моделювання). Система віртуальної симуляції складається зі звичайного спі­рального комп'ютерного томографа, оснащеного спеціальною системою лазерного наведення, і високопродуктивної робочої станції (ПК), на яку надходять комп'ютерні скани. На робочій станції здійснюється переведення поперечних сканів у триви­мірне зображення, контурування мішені та критичних органів і розробка попереднього плану опромінення (мал. 35, 36).

Програмне забезпечення СДП дає змогу використати тривимірне зображення досліджуваного органа (об'ємну томограму), му), переглянути його і зробити розріз у будь-якій площині. Лікар може вибрати точку на цій моделі в середині пухлини і дати завдання комп'ютерній системі розрахувати кількість енергії, яку потрібно підвести конкретно в цю зону.

СПД оснащено потужними робочими станціями — сучасни­ми комп'ютерами, які дають змогу лікарю-радіотерапевту про­водити віртуальну КТ-симуляцію будь-яких процедур дистан­ційного опромінення і здійснювати передпроменеву розмітку тіла пацієнта, а так само миттєво відтворювати відхилення дози від запланованого значення.

Сучасні СДП ґрунтуються на найширшому застосуванні новітніх комп'ютерних та інформаційних технології і забезпечують прямий доступ через Internet до серверів провідних клінік Європи і США для одержання медичних зображень. СДП "прив'язані" до систем випромінювання, які настільки складні і "витончені", що дають змогу фактично перетворити променеву терапію на променеву хірургію. Можна, наприклад, "вирізати" певну ділянку пухлини і передати в неї енергію іонізуючого випромінювання, мало зачепивши прилеглі здо­рові тканин, тобто розрахувати променеві навантаження без­посередньо в будь-якій точці ураженого органа.

Програмне забезпечення систем планування сумісне з Microsoft Windows і має аналогічний користувальницький ін­терфейс.

Сучасні СДП інтегровані в радіологічну інформаційно-керувальну систему ЛПЗ, медична інформаційна система якого складається із серверів, робочих станцій, мережевого облад­нання, що поєднує всю опромінювальну апаратуру й апаратуру передпроменевої підготовки для введення, перегляду, обробки і зберігання даних про всіх пацієнтів, які проходять лікування у відділенні променевої терапії. Сьогодні у світі встановлено понад 1400 ефективно функціонуючих систем планування, з'єднаних із радіологічною системою. Деякі СДП стали свого роду еталонами при розробці ще досконаліших систем (SERA, NCTPlan тощо).

Стисло про головне

• СДП належать до спеціальних інформаційних систем, які застосовуються у променевій терапії. Призначення систем — планування променевого навантаження на пацієнта при проведенні променевої терапії.

• В основі променевої терапії лежить процес опромінення ракової пухлини різними за своєю фізичною природою видами випромінювання. Частинки високих енергій руйнують раком і клітини пухлини і пригнічують їхнє відтворення. При цьому у зв'язку з розбіжністю іонізуючого променя частина енергії потрапляє на прилеглі здорові органи, чинячи на них негативний вплив.

Розподіл дози іонізуючого випромінювання в тканинах і органах пацієнтів підпорядковується складним фізичним законам. Високі дози — шкідливі, низькі — не ефективні. Ідеальної дози, здатної стерилізувати пухлину без ураження здо­рової тканини, не існує. Уводять оптимальну дозу, що дає мак­симум шансів на руйнування пухлини і мінімальний ризик розвитку ускладнень.

• У процесі передпроменевої підготовки хворого застосо­вують СДП, які дають можливість побудувати модель радіа­ційного поля, заздалегідь спрогнозувати результати лікуван­ня, підібрати оптимальний варіант опромінення. Індивідуаль­ний план опромінення ґрунтується на уведених у комп'ютер трьох вузлових параметрах, які є вихідними точками обробки даних: анатомічна інформація про пацієнта, точний опис дже­рела опромінення і обраний режим променевих процедур.

• СДП моделюють процес опромінення, дають можливість багаторазово переглядати їхні різні варіанти. Якщо здорові тканини потрапляють у зону впливу високої дози опромінен­ня, то такий варіант лікування відкидається і в комп'ютер СДП уводять інші дані (змінюють режими опромінення).

• За допомогою СДП останніх поколінь проводять вірту­альну симуляцію (об'ємне моделювання). Система віртуальної симуляції складається зі звичайного спірального комп'ютерно­го томографа, оснащеного спеціальною системою лазерного на­ведення, і високопродуктивної робочої станції (ПК), на яку надходить тривимірне зображення органа, який зазнає опро­мінення.

Контрольні питання

1. У якій сфері застосовують СДП?

2. Перерахуйте основні завдання, які вирішують СДП.

3. Які медичні дані вводять у СДП для вирішення її за­вдань?

4. У який спосіб можна ввести анатомічну інформацію І систему?

5. Назвіть особливості СДП останніх поколінь