Докладики / 2503_Кузнецов_Рентгеновская_томография

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра биотехнических систем

РЕФЕРАТ по дисциплине «Технические методы диагностических

исследований и лечебных воздействий» Тема: Рентгеновская томография.

Санкт-Петербург

2025

ЗАДАНИЕ

НА РЕФЕРАТ

Студент Кузнецов Д.А.

Группа 2503

Тема реферата: Рентгеновская томография.

Исходные данные:

Цели, функциональные возможности, физические принципы, аппаратура,

состав получаемых результатов, их визуализация и интерпретация,

руководствуясь принятыми нормами оформления рефератов и ГОСТ 7.322017

Предполагаемый объем реферата:

Не менее 20 страниц (обязательны разделы «Содержание», «Введение», «Заключение», «Список использованных источников»).

Дата выдачи задания: 05.02.2025

Дата сдачи реферата:

Дата защиты реферата:

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются физические принципы работы КТ,

особенности аппаратуры, методы реконструкции изображений и применения в медицине. Также проводится обзор современных моделей томографов, их технических характеристик и применения, что позволяет оценить актуальность и перспективы развития данной технологии в области здравоохранения.

SUMMARY

This paper discusses the physical principles of CT, the characteristics of the equipment, image reconstruction methods, and medical applications. Additionally, an overview of modern CT models, their technical specifications, and uses is provided, offering insight into the relevance and future prospects of this technology in healthcare.

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Рентгеновская томография (компьютерная томография, или КТ) – один из важнейших методов медицинской визуализации и технического контроля.

Он позволяет получать послойные изображения внутренних структур объектов без разрушения их целостности.

Метод рентгеновской томографии был основан на принципах,

разработанных в начале XX века. Само рентгеновское излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном, за что он получил первую Нобелевскую премию по физике в 1901 году. Основная цель его исследования заключалась в изучении свойств невидимого излучения, способного проходить сквозь непрозрачные объекты.

Принципы послойной визуализации, положенные в основу КТ, начали активно разрабатываться в 1960-70-х годах. Первый полноценный компьютерный томограф был создан британским инженером Годфри Хаунсфилдом в 1972 году. За эту разработку он и южноафриканский физик Аллан Кормак были удостоены Нобелевской премии в 1979 году. Целью создания метода было получение более детализированных изображений внутренних структур организма без хирургического вмешательства.

Актуальность темы обусловлена широким применением КТ в диагностике заболеваний, неразрушающем контроле изделий, а также постоянным развитием технологий в этой области. Целью данного доклада является рассмотрение физических принципов метода, устройства томографов, особенностей визуализации данных, а также обзор современных моделей томографов на рынке.

5

1 ПРИНЦИПЫ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ

1.1 Физическая природа рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны

сдлиной волны от 0,01 до 10 нанометров. Оно было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном в ходе экспериментов

скатодными лучами. Он заметил, что невидимое излучение может засвечивать фотопластинку, проходя через плотные предметы, и назвал его «икс-лучами»

(от англ. X-rays).

Всовременных аппаратах рентгеновское излучение получают в специальной рентгеновской трубке. В этой трубке электроны ускоряются электрическим полем и направляются на анод – металлическую пластину

(чаще всего из вольфрама). При резком торможении электронов происходит преобразование их кинетической энергии в электромагнитное излучение,

включая рентгеновские лучи (см. рис. 1)[1].

Рисунок 1 – Устройство рентгеновской трубки.

Благодаря своей высокой проникающей способности рентгеновское излучение способно проходить через ткани организма и технические материалы, ослабляясь в зависимости от плотности среды. Именно эта способность позволяет различать структуры с разной плотностью – например,

кости, органы и мягкие ткани.

6

В отличие от других методов визуализации, таких как магнитно-

резонансная томография (МРТ), рентгеновская томография основывается на воздействии ионизирующего излучения. МРТ использует сильные магнитные поля и радиоволны, что делает её более безопасной в плане излучения, но менее подходящей для исследования костей. С другой стороны, КТ быстрее,

даёт более чёткие изображения твёрдых тканей и доступна в большинстве медицинских учреждений. Фотографии аппаратов КТ и МРТ представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Аппараты КТ (слева) и МРТ (справа).

Однако есть и минусы. В сравнении с магнитно-резонансной томографией (МРТ) компьютерная томография (КТ) обладает рядом недостатков:

• Ионизирующее излучение – КТ использует рентгеновские лучи, что влечёт за собой определённый риск для здоровья при частом применении.

МРТ же работает без ионизирующего излучения.

•Ограниченная визуализация мягких тканей – в отличие от МРТ, КТ менее чувствительна к деталям в мягких тканях (например, в головном мозге или суставах).

•Ограничения при использовании контраста – КТ часто требует введения йодсодержащего контраста, который может быть противопоказан пациентам с почечной недостаточностью или аллергией.

7

• Меньшая функциональность – МРТ позволяет проводить функциональные исследования, такие как фМРТ (функциональная МРТ), для изучения активности мозга, что невозможно при использовании КТ.

Эти недостатки делают МРТ предпочтительным методом в некоторых клинических ситуациях, несмотря на более высокую стоимость и длительность процедуры [2].

1.2 Принцип получения изображений (срезов)

ВКТ основана на сборе серии рентгеновских проекций под разными углами вокруг исследуемого объекта. Впервые идея объединения нескольких рентгеновских изображений для создания одного подробного изображения была предложена в 1963 году южноафриканским физиком Алланом Кормаком. Практическая реализация этого подхода была достигнута в 1972

году инженером Годфри Хаунсфилдом, который создал первый рабочий КТ-

сканер.

Собранные проекции проходят цифровую обработку с использованием алгоритмов реконструкции изображений. Наиболее распространённым методом является фильтрованная обратная проекция (FBP), при которой каждый рентгеновский снимок (проекция) обрабатывается специальным фильтром, а затем проецируется обратно на изображение среза, суммируясь с другими проекциями. Более современные методы, такие как итеративная реконструкция, используют математические модели, учитывающие шум и свойства ткани, чтобы повысить качество изображения и снизить дозу излучения.

Благодаря этим алгоритмам создаются изображения поперечных срезов тела. Серии таких срезов можно объединить в трёхмерную модель, что позволяет более точно визуализировать внутренние структуры.

Сбор объёмного изображения на основе серии срезов позволяет получить детальную трёхмерную информацию о внутренней структуре объекта без необходимости хирургического вмешательства или разрушения

8

материала. Такой подход обеспечивает высокую точность локализации патологий, выявление мельчайших изменений в тканях и возможность анализа объекта в различных плоскостях. Это особенно важно в медицинской диагностике, где требуется точная визуализация анатомических структур, и в промышленности — для контроля качества и выявления дефектов. Благодаря этому подходу стало возможным не только диагностировать заболевания на ранних стадиях, но и планировать хирургические вмешательства с минимальными рисками.

Однако сбор трёхмерной модели по срезам имеет и свои ограничения.

Во-первых, при построении объёма могут возникать артефакты – искажения,

вызванные движением пациента, металлическими объектами или ошибками реконструкции. Во-вторых, высокая детализация требует большого объёма данных, что увеличивает требования к вычислительным ресурсам и хранилищу. Кроме того, для получения качественной модели необходимо обеспечить равномерное покрытие срезами и учитывать геометрию сканирования. При несоблюдении этих условий итоговая модель может терять точность и информативность. Несмотря на эти сложности, современные алгоритмы реконструкции и программное обеспечение позволяют минимизировать большинство недостатков и обеспечивают надёжную визуализацию [3].

1.3 Функциональные возможности КТ

Компьютерная томография предоставляет широкие функциональные возможности, выходящие за рамки обычной визуализации анатомических структур.

Прежде всего, данный метод позволяет получать изображения высокого разрешения, что делает возможным детальное изучение мельчайших изменений в тканях и органах. Благодаря способности различать структуры с минимальными отличиями в плотности, КТ эффективно применяется для диагностики опухолей, воспалений, травматических повреждений и

сосудистых патологий.

9

Одной из ключевых особенностей является возможность построения многоплоскостных и трёхмерных реконструкций, что облегчает интерпретацию данных и повышает точность планирования хирургических вмешательств.

Современные томографы также позволяют выполнять ангиографические исследования без необходимости катетеризации сосудов,

путём введения контрастного вещества и получения изображений сосудистой системы в различных фазах кровотока.

Кроме того, КТ используется для функциональных исследований, таких как оценка вентиляции и перфузии лёгких, измерение плотности костной ткани, а также мониторинг изменений в динамике – например, при отслеживании эффективности лечения онкологических заболеваний.

В совокупности эти возможности делают КТ универсальным инструментом, сочетающим анатомическую точность с высоким уровнем информативности, что способствует как медицинской диагностике, так и инженерным задачам анализа объектов [2, 3].

10