3.3. Принципы рентгеновской трансмиссионной компьютерной томографии.

Как указано выше (§3.1), с помощью обычной рентгенографии легко различить костную и мышечную ткани, трахею, заполненную воздухом. Однако различить кровь в кровеносных сосудах и структуры мягких тканей с помощью обычной рентгеновской пленки с контрастным разрешением около 2% не удается. При использовании обычной рентгенографии теряется также информация о трехмерной структуре изучаемого объекта.

Базируясь на экспоненциальном ослаблении РИ при прохождении через вещество в 1917 г. австрийский математик Ч. Родон разработал систему теорем (преобразования Родона), которые стали основой создания алгоритмов восста-новления изображений в компьюторной томографии. В 1963 г. А. Мак-Кормак усовершенствовал математический аппарат для получения томограмм, а в 1969 г. Г. Хаунсфилд создал первый рентгеновский компьютерный томограф (РКТ).

Для того, чтобы найти коэффициент ослабления РИ некоторым объектом длины l, необходимо просветить его рентгеновскими лучами и, зная интенсив-ности I₀ и I, найти этот коэффициент из формулы . Из неё следует, что

.

Если расположить подряд два слоя одинаковой длины l и просветить их рентгеновскими лучами, то интенсивность луча после прохождения первого слоя будет равна

,

где ₁ – коэффициент ослабления для первого слоя. Тогда после прохождения второго слоя интенсивность РИ

.

Из последней формулы следует, что натуральный логарифм отношения равен

.

Таким образом, по измеренному соотношению интенсивностей получить информацию о коэффициентах ₁ и ₂ ослабления по отдельности нельзя, тра-диционные методы рентгенографии дают инфомацию об ослаблении, среднем по нескольким органам, встреченным по пути рентгеновским лучом [5, 6].

Рентгеновское изображение, полученное с помощью компьютерной томо-графии (КТ), представляет собой изображение некоторого среза толщиной в не-сколько миллиметров с пространственным разрешением порядка 1 мм и разре-шением по плотности (коэффициенту линейного поглощения) не хуже 1% [24].

Авторы КТ предложили получать изображение в срезах, просвечивая объект с разных сторон. Смысл такой методики легко понять из следующего модельного эксперимента. Пусть имеются четыре области квадратной формы (рис. 3.3) с разными коэффициентами ослабления РИ: ₁, ₂, ₃ и ₄. Располо-жим источник РИ слева от этой структуры (положение I) и направим на неё поток рентгеновский лучей интенсивностью I₀. Тогда датчик справа от структу-ры зафиксирует интенсивности I₂ и I₄, которые можно вычислить по формулам:

; .

Считая, что интенсивности I₀, I₂ и I₄, а также сторона квадрата l известны, получим систему двух уравнений с 4 неизвестными (₁, ₂, ₃ и ₄). Для их нахождения потребуются ещё два уравнения.

Повернём источник на 90 и расположим его в положении II (см. рис.3.3). Тогда для интенсивностей лучей, прошедших квадраты 1 и 3 и квадраты 2 и 4, получим:

; .

Таким образом, имеем ещё два уравнения с теми же неизвестными. Теперь, 4 неизвестных коэффициента ослабления можно однозначно найти. Если каждому из 4 квадратов присвоить ту или иную яркость и раскрасить их, получится некий прообраз томограммы.

Это позволяет просвечивать по нескольку раз одни и те же ткани и учитывать соответствующие коэффициенты ослабления малых квадратов, на которые математически разбита поверхность обследуемого среза, много раз. Когда число уравнений становится равным числу неизвестных (то есть числу малых квадратов, на которые ЭВМ разбивает исследуемый срез объекта), ЭВМ решает их и раскрашивает изображения с той или иной яркостью в зависимости от полученного значения . После получения изображения органа в разных срезах можно восстановить и его объёмное изображение. В таком изображении принципиально не может быть наложения изображений одних органов на другие (как на обычном рентгеновском снимке) и есть возможность добиться более высокой, чем при обычной методике контрастности.

Основной частью компьютерного томографа является КТ-сканер ― аппарат с большим отверстием, внутрь которого помещается тело или только голова пациента для того, чтобы получить изображение (рис. 3.4).

И сточник формирует остронаправленный пучок рентгеновских лучей, параметры которых потом измеряются детектором. Эта пара источник-приемник последовательно измеряет параллельные проекции, перемещаясь линейно поперёк исследуемого объекта. После снятия каждой проекции рама, на которой установлены источник и детектор, поворачивается на некоторый угол для получения следующей проекции. Время функционирования такой системы довольно велико ― около 4 минут.

Недостатки первых томографов были очевидны: большая дозовая нагрузка, малое быстродействие, наличие массивных перемещающихся частей, создающих опасность травмирования пациента в ходе исследования. Плата за возможность увеличения массива диагностической информации получалась недопустимо высокой. Поэтому за время, прошедшее с момента появления первых томографов, этот вид аппаратуры претерпел ряд существенных модернизаций. В настоящее время в медицинской практике применяются аппараты четвертого и пятого поколений.

КТ-сканер четвертого поколения оснащен стационарным кольцом из 1000 детекторов, а вращается только один источник, который создает веерный пучок РИ (раствор пучка перекрывает ширину объекта). Такой томограф работает в непрерывном режиме сканирования. Время обследования около 0,1 с, что позволяет «замораживать» изображения движения фаз сердца и пр.

К Т-сканеры пятого поколения вообще не имеют механически движущихся частей (рис. 3.5). Мишень рентгеновской трубки имеет форму дуги окружности величиной 210. Пациент помещается в центр этой дуги, а луч от рентгеновского источника передвигается по поверхности мишени. При этом время сканирования можно снизить до миллисекунд.

В настоящее время в медицине используются также спиральные РКТ, разработанные в 80-е гг. прошлого века [5, 6]. Спиральное сканирование заключается в одновременном выполнении двух действий: непрерывного вращения источника РИ вокруг тела пациента и непрерывного поступательного движения стола с пациентом вдоль оси сканирования через кольцо. Тогда траектория движения источника луча относительно движения стола с пациентом примет форму спирали.

В последних моделях используют одновременно несколько слоёв принимающих детекторов, что позволяет за один оборот источника получить несколько слоёв органа. Такая технология получила название мультиспиральной рентгеновской компьютерной томографии. Число слоёв детекторов доведено до 32 и 64. Оборот источника осуществляется за 0,42 с, давая толщину одного среза до 0,6 мм с пространственным разрешением до 0,17 мм. При этом обеспечивается длительность спирали в 100 с.

Неотъемлемой частью современных томографов является компьютер, ис-полняющий целый ряд важнейших функций: управление работой сканирую-щего устройства, обработка информации с фотоприемного устройства, форми-рование и анализ трехмерных изображений исследуемого органа. В ходе иссле-дования врач-оператор управляет всеми процессами с помощью персонального компьютера, обеспеченного необходимым пакетом программ. Информация как считывается с экрана дисплея в режиме реального времени, так и заносится в базу данных для последующей углубленной обработки. Учитывая, что алгорит-мы обработки информации в рентгеновской томографии имеют много общего с томографами других типов, наработки в части информационных технологий имеют значение, существенно выходящее за рамки рентгенодиагностики.