Методи отримання медичних зображень

Медичне зображення є одним з важливих засобів отримання візуальної інформації про внутрішні структури й функції людського тіла. Воно може бути отримане променевими (радіологічними) або нерадіологічними методами.

Призначення променевих (радіологічних) методів  зробити доступним для візуального сприйняття інформацію, що не сприймається безпосередньо зором. Така інформація (зображення органів або частин органів) отримується за допомогою різноманітних фізичних випромінювань та полів. Можуть використовуватися звукові хвилі (переважно ультразвук), електромагнітне випромінювання різних діапазонів, постійне і змінне електромагнітне поле, гамма-випромінювання радіофармацевтичного препарату. Медичні зображення органів (medical imaging) отримані засобами радіологічної діагностики є головним джерелом інформації в галузі охорони здоров’я. Всі ці методи для отримання зображень використовують обчислювальні процедури.

Нерадіологічнимиметодами отримують зображення, що відзняті відеокамерою (ендоскопія) або сфотографовані (мікроскопічні зображення в гістології, патології, дерматологічні зображення тощо). Ці типи зображень також можуть бути переведені в цифрову форму й згодом оброблені.

До методів променевої діагностики належать: рентгенологія, комп'ютерна томографія, ультразвукове дослідження, магнітно-резонансна томографія, радіонуклідний метод, термографія.

Такий поділ є дещо умовним, кожен метод містить кілька (інколи десятки) методик. Наприклад: рентгенографія, рентгеноскопія, лінійна томографія, бронхографія – рентгенологічний метод; доплерографія, кольорове картування – УЗД (ультразвукова діагностика), ціла низка методик (спектроскопія та ін.) входять до МРТ (магнітно-резонансна томографія).

Рентгенологія використовує іонізуюче випромінювання від джерела рентгенівських променів. Виділяють 2 основних методи у рентгенологічному методі: рентгенографія, рентгеноскопія. У даний час рентгенівське зображення отримують, використовуючи широкий спектр різних методів, що використовують прямі аналогові, непрямі аналогові і цифрові технології.

Рентгенографія використовується для діагностики інфекційних, пухлинних та інших захворювань легень, середостіння, хребта (остеохондроз, викривлення), досліджень різних відділів периферичного скелету при травматичних (переломи, вивихи), інфекційних та пухлинних змінах, черевної порожнини, зубів (ортопантомографія).

На знімках виходить чітке зображення більшості органів. Деякі з них, наприклад кістки, легені, серце, добре помітні завдяки природній контрастності (рис. 10). Інші органи ясно відображаються на знімках після їхнього штучного контрастування.

Рис.10. Рентгенографія грудної клітки

Основний принцип прямого аналогового зображення полягає у формуванні інформаційного змісту об'єкта на рентгенівській плівці або флуоресцентному екрані крапками, оптична щільність яких відображає ступінь поглинання об'єктом рентгенівського випромінювання. У результаті проходження через тканини різної щільності і складу пучок випромінювання розсіюється і гальмується, у зв'язку з чим на плівці формується зображення різного ступеня інтенсивності. На плівці виходить усереднене зображення всіх тканин (тінь).

При діагностичній рентгенографії необхідно отримувати зображення щонайменше в двох проекціях. Це спричинено тим, що рентгенограма є плоским зображенням 3-х мірного об'єкту. І, як наслідок, локалізацію виявленого патологічного осередку можна встановити тільки за допомогою 2 проекцій.

Рентгенографія є надійним і випробуваним методом, вона має найвищу на сьогодні просторову роздільну здатність. Однак низька квантова ефективність плівки спричиняє застосування великих експозиційних доз, що призводить до зайвого радіаційного опромінення пацієнта. У свою чергу, обмежений динамічний діапазон плівки перешкоджає одночасному передаванню на одному знімку як м'яких, так і тугих тканин, а також ускладнює вибір оптимальної експозиції. Витрати на фотохімічний процес та фотопроявну техніку зростають і стають вирішальними для багатьох клінік, що зумовлює зацікавленість у переході на дешевші способи реєстрації рентгенівського зображення.

Непрямі аналогові технології – це технології формування зображення у декілька етапів: первинне зображення відтворюється на флуоресцентному екрані, потім воно проходить через підсилювач, який збільшує яскравість зображення в тисячі разів, і лише після цього воно фіксується приймальною телевізійною камерою з подальшим виводом на екран монітора або відеомагнітофона. Якість такого зображення щодо роздільної здатності помітно поступається класичній рентгенографії, але безперечною перевагою цієї технології є зменшення дози опромінювання пацієнта і можливість дистанційного керування при дослідженні.

В останні роки стала бурхливо розвиватися цифрова рентгенологія, що дозволило підвищити радіаційну безпеку для пацієнтів, отримувати зображення високої якості, різко скоротити терміни постановки діагнозу.

У цифровому вигляді рентгенівське зображення отримують двома способами: з допомогою прямих цифрових рентгенографічних систем і з допомогою перетворення традиційного рентгенівського зображення в цифрове.

Принцип формування цифрового зображення полягає у визначеннісередньої оптичної густини на кожній одиниці площі аналогового зображення. Відповідні числові значення формують зображення у вигляді цифрової матриці. При цьому у пам'яті комп'ютера зберігатися інформація про оптичну густину та координати кожного пікселя.

Незважаючи на те, що цифрове зображення поступається аналоговому за просторовою роздільною здатністю, воно має ряд істотних переваг: висока контрастна роздільна здатність у широкому динамічному діапазон, що забезпечує більшу ймовірність виявлення деталей низького контрасту у широкому динамічному діапазоні, можливість математичної обробки, невелике променеве навантаження, можливість зберігання на всіх видах сучасних носіїв інформації і передачі зображення через комп’ютерні і телефонні мережі.

Рентгеноскопія – метод рентгенологічного дослідження, при якому зображення об'єкта одержують на флуоресцентному екрані. Звичайну рентгеноскопію проводять в затемненому приміщенні (після світлової адаптації). При рентгенотелевізійному просвічуванні зображення підсилюють за допомогою електроннооптичного перетворювача і передають на екран монітора, що не потребує попередньої світлової адаптації пацієнта. Рентгеноскопія дозволяє досліджувати органи в процесі їх роботи - дихальні рухи діафрагми, скорочення серця, перистальтику стравоходу, шлунку, кишечника. Можна також візуально визначати взаєморозташування органів, локалізацію патологічних утворень. Під контролем рентгеноскопії виконують багато діагностичних і лікувальних маніпуляцій, наприклад, катетеризацію судин. Однак, нижча, ніж у рентгенографії, роздільна здатність і неможливість об'єктивно документувати результати знижують значення методу. У багатьох випадках рентгеноскопію поєднують з рентгенографією.

Методи отримання звичайних тіньових зображень у традиційній рентгенівській діагностиці мають суттєві обмеження. По-перше, при їх використанні завжди отримують двовимірні проекції тривимірних структур, внаслідок чого отримане зображення є результатом накладання декількох планів об'єкта, що значно ускладнює ідентифікацію нормальних і патологічних утворень. По-друге, при стандартних рентгенологічних методах важко диференціювати м'які тканини, оскільки роздільна здатність за густиною не більше, ніж 2 %. Крім того, такі методи не дають можливості кількісної оцінки рентгенівської густини досліджуваних тканин, тому що лікаря-діагноста цікавлять, перш за все, малі відхилення густини в об'єкті з великим діапазоном густин, а також найбільш точна локалізація патологічних змін.

Комп'ютерна томографія (КТ) – методика пошарового рентгенологічного дослідження органів і тканин із застосуванням комп'ютерної обробки множинних рентгенівських зображень, виконаних під різними кутами, з подальшою реконструкцію зображення і визначенням щільності будь-якої ділянки цих тканин.

Метод був запропонований у 1972 році Годфрі Хаунсфілдом і Алланом Кормаком.

Головною і принциповою відмінністю зображення в комп'ютерній томографії від звичайного рентгенівського зображення є те, що воно постає як результат точних вимірювань і обчислень, які відносяться саме до обраного шару. Тому зображення в рентгенівській комп'ютерній томографії мають в десятки разів більшу, ніж на традиційних рентгенівських знімках, роздільну здатність за густиною тканин, що дозволяє добре диференціювати м'які тканини, розділяти зображення структур, які накладаються одне на одне, і точно визначати ділянки патологічних змін.

Принципи комп'ютерної томографії у графічному вигляді зображені на рис. 11. Точковий рентгенівський випромінювач і детектор синхронно переміщуються з протилежних сторін від досліджуваного об'єкта, "розсікаючи" цей об'єкт поперек. Чутливий детектор увесь час реєструє випромінювання, що пройшло через об'єкт. Потім система "випромінювач-детектор" обертається на деякий кут відносно центру об'єкта, і процес сканування повторюється. Усі послідовні сигнали детектора квантуються (переводяться в цифрову форму) за допомогою АЦП (аналого-цифрового перетворювача) і надходять до ЕОМ, де обробляються за спеціальною програмою, в результаті чого синтезується двовимірне, площинне(2D) або об’ємне (3D) зображення об'єкту, що представляється на моніторі (рис.12, 13).

Було створено декілька поколінь комп’ютерних томографів. Новим досягненням є створення «спіральної» комп'ютерної томографії, що дозволяє на основі безперервного обертання рентгенівської трубки і руху столу добитися отримання чіткої диференціації між тканинами патологічного осередку розміром 2-3 мм, а також і тривимірного зображення органів і судин.

Рис.11. Принцип роботи комп’ютерного томографа

а) б)

Рис.12. Комп'ютерна томограма а) черевної порожнини: у печінці видно метастази злоякісної пухлини у вигляді округлих просвітлень

б) головного мозку в нормі

Рис.13. КТ-реконструкція серця

Переваги КТ перед звичайним рентгенологічним дослідженням

1) КТ дозволяє отримати чітке зображення органів і патологічних вогнищ тільки у площині досліджуваного зрізу, без нашарування вище і нижче розташованих структур. Таким чином, подолано один із головних недоліків рентгенографії – суперпозиція структур, розташованих на різній глибині.

2) КТ забезпечує зображення в аксіальній площині, яка недоступна у рентгенодіагностиці. Від цього повна назва цього методу: рентгенівська аксіальна комп’ютерна томографія. Ця площина необхідна для уявлення топографії органів та просторових співвідношень між ними.

3) КТ забезпечує високий рівень тканинного контрасту.

4) КТ характеризується високою чутливістю, що дозволяє віддиференціювати окремі органи і тканини один від одного по щільності у межах 1-2%, а на томографах 3-4 генерації - до 0,5%;

5) КТ дозволяє отримати точну кількісну інформацію про розміри і щільність окремих органів, тканин і патологічних утворень, що дає можливість робити висновки відносно характеру пошкодження;

6) КТ дозволяє оцінити не тільки стан органу, що досліджується, але взаємовідношення патологічного процесу з тканинами та органами, які розташовані поруч, наприклад, інвазії пухлин в сусідні органи;

7) КТ дозволяє отримувати топограми, тобто поздовжнє зображення досліджуваної області подібне рентгенівському знімку шляхом переміщення хворого повздовж нерухомої трубки. Топограми використовують для встановлення довжини патологічного вогнища і визначення кількості зрізів.

Ультразвукове дослідження (УЗД) відноситься до основних методів медичної візуалізації. При цьому використовуються ультразвукові хвилі, і їхня здатність відбиватися від границь середовищ, що відрізняються за щільністю. Метод УЗД заснований на ехолокації глибоких тканин організму, а саме на вивченні зондуючого імпульсу ультразвуку і прийомі сигналів, відбитих від поверхні розділу тканинних середовищ, які володіють різними акустичними властивостями. Чим більша різниця хвилевих опорів середовищ, що межують один з одним, тим амплітуда сигналу більша. Відбиті ультразвукові хвилі вловлюються давачем. Після підсилення і перетворення на електричні сигнали інформація оцифровується за допомогою АЦП (аналогово-цифрового пристрою) і подається в комп’ютер. За допомогою програмного забезпечення інформація обробляється і на екран подається двовимірне зображення тканин, через які пройшли ультразвукові хвилі.

Ультразвукове дослідження за короткий час пройшло шлях від низькочастотного сканування та чорно-білого зображення (рис.14) до високочастотних методик з кольоровою візуалізацією і можливістю вивчення потоку крові у судинному руслі – доплерографії (рис.15). За допомогою УЗД досліджують в основному органи шиї, черевної порожнини та порожнини таза (щитоподібну залозу, печінку, підшлункову залозу, селезінку, жовчний міхур, нирки, надниркові залози, внутрішні жіночі та чоловічі статеві органи тощо). Можна дослідити стан суглобів та м'яких тканин, наявність випоту в плевральній та очеревинній порожнинах, виявити збільшені лімфовузли. Можливості методу розширилися за рахунок застосування внутрішньопорожнинних здавачів. УЗД серця (ехокардіографія) практично витіснила рентгенографію серця, що проводилася з контрастуванням стравоходу.

Рис.14. УЗД нирки. Пухлина лівої нирки

Рис.15. Кровотік в судинах нирок

Рис.16. УЗД зображення плоду

До основних переваг УЗД належать:

• універсальність та інформативність;

• швидкість виконання;

• неінвазивність;

• відсутність променевого навантаження.

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) – найважливіший клінічний метод діагностики багатьох захворювань людини. Метод може виявляти пухлини будь-якої локалізації, більшість захворювань головного і спинного мозку, серця, опорно-рухового апарату та ін. За допомогою МРТ можна досліджувати судини без застосування контрастних речовин.

Магнітно-резонансна томографія - променевий метод дослідження, заснований, як і КТ, на одержанні пошарових зображень. Проте в його основі лежить не рентгенівське випромінювання, а ядерно-магнітний резонанс - фізичне явище взаємодії зовнішніх магнітних полів з протонами ядер досліджуваної речовини. Ядра певних елементів мають здатність під дією зовнішнього електромагнітного поля поглинати енергію, а потім віддавати її у вигляді радіосигналу (магнітного резонансу). За допомогою комп'ютера проводять збір та обробку інформації про розподіл диполів речовини та кількість виділеної енергії у заданій площині об'єкта. На дисплеї виникає зображення томографічного зрізу, яке характеризує не тільки фізичні, але й хімічні властивості тканин.

Феномен ядерно-магнітного резонансу був описаний незалежно один від одного Е.М. Purcell і F. Bloch в 1946 р., за що автори отримали в 1952 г. Нобелівську премію. Однак перші МРТ-томограми внутрішніх органів людини були зроблені лише в 1977р.

Тіло людини складається в основному з жиру і води, які містять множину атомів водню. Таким чином, тіло людини на 63 % складається з атомів водню, які здатні випромінювати ЯМР-сигнали. Метод візуалізації ЯМР-сигналів від атомів водню, який дає змогу пошарового дослідження органів і тканин організму людини, називається магнітно резонансною томографією (МРТ). Міжнародна назва MRI.

МРТ-зображення показує розподіл атомів водню в досліджуваному шарі об'єкту. Методика МРТ для візуалізації внутрішніх органів людини виглядає таким чином. Пацієнта розміщують у сильне магнітне поле, це призводить до того, що всі атоми водню в тілі пацієнта стають паралельно напрямку магнітного поля. У цей момент апарат посилає електромагнітний сигнал перпендикулярно основного магнітного поля. Атоми водню, що мають однакову з сигналом частоту, "порушуються" і генерують свій сигнал, який вловлюється апаратом. Різні види тканин (кістки, м'язи, судини і т.д.) мають різну кількість атомів водню і тому вони генерують сигнал з різними характеристиками. Тіло людини послідовно сканується радіочастотним променем і реєструється відповідь у вигляді випромінювання ядер, яке перетворюється на електричні сигнали, що надходять до ЕОМ, обробляються за допомогою відповідних алгоритмів реконструкції і будується зображення шарів досліджуваного органу.

Інформативність дослідження є особливо високою для м'яких тканин (зокрема, головного та спинного мозку, суглобів). МРТ дає змогу аналізувати і отримувати зображення внутрішніх органів, які відповідають не тільки їх анатомічній структурі, але й їхнім хімічним властивостям. Для ЯМР-сигналу не є перешкодою ні кістки, ні заповнені повітрям порожнини, наприклад легені, кишківник, шлунок. МРТ дозволяє отримувати зображення практично в будь-якій площині без зміни положення тіла пацієнта, змінюючи лише градієнти магнітних полів.

а) б)

Рис.17. МРТ зображення головного мозку в нормі (а) та при ішемічному інсульті (б)

Досі не доведено шкідливого ефекту змінного магнітного поля. Однак металевий (феромагнітний) об'єкт під впливом потужного змінного магнітного поля розігрівається, що може бути небезпечним для пацієнта. Тому наявність у тілі сторонніх металовмісних предметів (наприклад, кардіостимуляторів) є протипоказанням до застосування МРТ.

Метод радiонуклiдного дослідження (РНД) ґрунтується на вимірюванні гамма-випромінювання радіофармацевтичного препарату (РФП), який вводять в організм з діагностичною метою. Цей препарат вибірково затримується різними органами і тканинами, містить у своєму складі радіонуклід, що розпадається з випроміненням певних квантів. Ділянки підвищеного нагромадження РФП (гарячі вогнища) виявляють у вогнищах запалення, гіперплазії, деяких пухлинах та метастазах. Ділянки зменшеного нагромадження РФП (холодні вогнища) відображають втрату функціональної активності тканини в області пухлини, кісти, розростання сполучної тканини, зниження кровотоку.

Візуалізацію органів здійснюють шляхом сцинтиграфії і сканування.

Сцинтиграфія - метод радіонуклідного дослідження внутрішніх органів, заснований на візуалізації з допомогою сцинтиляційної гама-камери розподілу введеного в організм радіофармацевтичного препарату. Сцинтиляційні гамма-камери складаються з детектора (сцинтиляційного кристалу), фотоелектронного помножувача (ФЕП) і змінних свинцевих коліматорів (тубусів для екранування детектора). Гамма-кванти від РФП, розподіленого в тілі пацієнта, через отвори в коліматорі, збуджують у кристалі світлові спалахи - сцинтиляції, які враховуються ФЕП і за допомогою електронного блоку формуються в позиційний сигнал на електронно-променевій трубці. Фотографічна або поляроїдна камера, приставлені до електронно-променевої трубки, дозволяють отримувати фото- або поляроїднї зображення - сцинтиграми. Сучасні сцинтиляційні гамма-камери включають спеціалізовану ЕОМ, у пам'яті якої реєструються зображення розподілу РФП в досліджуваній області.

Сцинтиграфія дозволяє вивчити топографію органу, виявити в ньому морфологічні, функціональні та метаболічні порушення. Сцинтиграфія з остеотропним РФП у багатьох випадках дозволяє виявляти метастази пухлини в кістках за 4-6 міс. до появи їх рентгенологічних ознак. На патологічні зміни в органах вказує підвищене нагромадження або зниження РФП в ньому (рис.18, 19 ).

Рис.18. Сцинтиграма легенів при тромбоемболії дрібних гілок легеневих артерій з переважним ураженням правої легені	Рис.19. Сцинтиграма рук: ліва кисть не змінена; на правій кисті спостерігається відсутність великого пальця, внаслідок порушення кровопостачання.

Сканування, яке виконується для отримання статичних радіонуклідних зображень, так само як і сцинтиграфія, відображає розподіл РФП в органі, характеризуючи величину органу, його топографію, наявність патологічних вогнищ. Однак, на відміну від сцинтиграфії, цей метод не дозволяє провести аналіз функціональних поруше+7\ду - сканера. Імпульси випромінювання автоматично реєструються порядково скануючим детектором, а потім за допомогою спеціального електронного блоку трансформуються в штрихові позначки на звичайному папері. Штрихові рядки, поступово заповнюючи поле реєстрації, утворюють сканограму. За щільністю штрихування та її розподілу роблять висновки шодо ступеню нагромадження радіофармацевтичного препарату у різних ділянках досліджуваної області. У системах кольорового сканування штрихи сканограми мають різний колір. Кожному кольору відповідає певне число імпульсів за одиницю часу; залежно від інтенсивності випромінювання колір штрихів змінюється.

а) б)

Рис.20. Сканограма печінки а) - в нормі (розподіл РФП рівномірний), б - при хронічному активному гепатиті (печінка збільшена, нижня межа значно опущена; розподіл РФП нерівномірний, інтенсивність акумуляції підвищена)

Негативними властивостями даного методу є велика тривалість отримання сканограми (кілька десятків хвилин), а також неможливість опрацювання отриманих даних на ЕОМ, що також знижує інформативність дослідження. У клінічній практиці цей метод використовують для дослідження нирок, печінки, легенів, щитовидної залози, підшлункової залози, головного мозку, скелету та ін.

Вимірювання інтенсивності нагромадження РФП в організмі і його виведення, призначене в основному для отримання інформації про функціональний стан органу, здійснюють за допомогою радіометрії і радіографії.

Під час радіометрії детектор, який розміщують над досліджуваним органом, вимірює інтенсивність гамма-випромінювання від органа після введення в організм пацієнта РФП. Результати дослідження виражають у відносних величинах, найчастіше у відсотках, по відношенню до кількості РФП, введеного в організм пацієнта, або порівняно з симетричною ділянкою тіла хворого чи навколишніми тканинами.

Радіографія, що виконується на одно-та багатоканальних радіографії, дозволяє вивчити динаміку концентрації (накопичення, виведення) РФП в органі або проходження РФП по органу зі струменем рідини (крові, сечі та ін.). Результати виражаються у вигляді графіка, який показує зміну концентрації РФП з часом (кількість імпульсів за секунду чи хвилину).

За допомогою радіометрії і радіографії досліджують функціональний стан органа (нирки, печінки, щитоподібної залози, головного мозку).