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.

Нерадіологічними методами 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.

Основний принцип прямого аналогового зображення полягає у формуванні інформаційного змісту об'єкту на рентгенівській плівці або флюоресцентному екрані крапками, оптична щільність яких відображає ступінь поглинання об'єктом рентгенівського випромінювання. 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 флюоресцентному 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.

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, можливість математичної обробки, невелике променеве навантаження, можливість зберігання на всіх видах сучасних носіїв інформації і передачі зображення через комп’ютерні і телефонні мережі.

Комп'ютерна томографія (КТ) – це метод рентгенологічного дослідження, що полягає в круговому просвічуванні пацієнта рентгенівським випромінюванням з подальшою реєстрацією рентгенівського зображення чутливими детекторами, де воно перетвориться в електричні імпульси. Останні після посилення передаються в ЕОМ, де по спеціальному алгоритму вони реконструюються і створюють зображення об'єкту, що представляється на моніторі. Зображення може бути площинне (2D) і об’ємне (3D). 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.

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 до високочастотних методик з кольоровою візуалізацією і можливістю вивчення потоку крові у судинному руслі - доплерографії. 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.

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.

Інформативність дослідження є особливо високою для м'яких тканин (зокрема, головного та спинного мозку, суглобів). 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 накопичення РФП (гарячі вогнища) виявляють у вогнищах запалення, гіперплазії, деяких пухлинах та метастазах. Під час радіометрії детектор, який розміщують над досліджуваним органом, вимірює інтенсивність гамма-випромінювання від органа після введення в організм пацієнта РФП. Зміну цієї інтенсивності з часом (кількість імпульсів за секунду чи хвилину) можна записати у вигляді графіка (радіографія). За допомогою радіометрії і радіографії досліджують функціональний стан органа (нирки, печінки, щитоподібної залози, головного мозку).