Профессор
И.Н.Бекман
Курс лекций ЯДЕРНАЯ МЕДИЦИНА
Лекция 2. КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ
Содержание.
- РЕНТГЕНОЛОГИЯ
- РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА
- РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
- ИСТОЧНИКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
- ДОЗЫ ПРИ РЕНТГЕНОВСКОЙ И РАДИОНУКЛИДНОЙ ДИАГНОСТИКИ
- КОМПЬЮТЕРНАЯ МЕДИЦИНСКАЯ ТОМОГРАФИЯ
6.1 Принцип компьютерной томографии
6.2 Многосрезовая компьютерная томография.
6.3 Компьютерная обработка изображений.
Практически сразу после открытия рентгеновского излучения (В.К.Рентген, 1895), в медицине возник новый раздел – рентгенология. Рентгенология – область медицины, изучающая применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и систем, рентгенодиагностики заболеваний. Медицинская радиология делится на три основных раздела: рентгенотехнику, рентгенодиагностику (рентгенодиагностика – распознавание заболеваний на основе данных рентгенологических исследований (рентгеноскопии, рентгенографии) и рентгенотерапию (применение рентгеновского излучения для лечения опухолевых и др. заболеваний).
Рентгеноскопия – один из основных методов рентгенодиагностики, заключающийся в получении (обычно на рентгеновском экране) и изображения исследуемого объекта. Она основана на проникающей способности рентгеновских лучей и их свойстве вызывать видимое в темноте свечение (флюоресценцию) химического вещества (например, платиносинеродистого бария или сульфида цинка), нанесенного тонким слоем на просвечивающий (флюоресцирующий) экран. При рентгеноскопии больного помещают между источником возникновения рентгеновских лучей (в рентгеновской трубке) и просвечивающим экраном, на котором в затемненном рентгеновском кабинете появляется теневое рентгеновское изображение исследуемых органов (например, легких, сердца и др. при рентгене грудной клетки). По сравнению с рентгенографией, рентгеноскопия является методом исследования более дешевым, простым и доступным. Но врачу и больному приходится при рентгеноскопии находиться в сфере действия рентгеновских лучей более длительные сроки – минуты вместо секунд, что нежелательно (повторное и длительное действие рентгеновских лучей может быть вредным). Однако рентгеноскопия незаменима при рентгенологическом исследовании внутренних органов, т.к. обеспечивает возможность непосредственного зрительного определения физиологических явлений (пульсация сердца и крупных сосудов; дыхательные смещения ребер и диафрагмы; сокращения стенок пищевода, желудка и кишок). Рентгеноскопия также необходима для точного выяснения отношения болевых точек к тому или иному органу (например, при язве двенадцатиперстной кишки или желудка), для определения смещаемости органа или его неподвижности при наличии спаек и в особенности для распознавания опухолевых образований желудка, кишечника или других органов.
Рентгенография (скиаграфия) – метод рентгенодиагностики, заключающийся в получении фиксированного теневого изображения (снимка) объекта (какого-нибудь органа или части тела) на фотоматериале (рентгеновской пленке) при прохождении через них рентгеновских лучей. Больной располагается так, чтобы снимаемый объект находился между рентгеновской трубкой и алюминиевой кассетой, в которую помещается рентгеновская пленка. Рентгенография возможна в незатемненном помещении. Рентгенограммы (снимки) производятся на расстоянии 60 – 70 см трубки от кассеты и требуют выдержки от долей секунды до нескольких секунд. При рентгенографии костей и суставов обычно делаются снимки в двух взаимо-перпендикулярных направлениях – прямые и боковые рентгенограммы. По сравнению с рентгеноскопией, рентгенография имеет те преимущества, что выявляет тончайшие подробности в рентгеновской картине снимаемой области человеческого тела; больной при этом подвергается значительно меньшему облучению. Кроме того, рентгенография оставляет в распоряжении врача рентгенограмму, являющуюся объективным документом, например, при сравнивании полученных данных повторной рентгенографии, а также для научных и учебных целей.
В результате рентгеновского исследования больного получают рентгенограмму – зафиксированное на фотопленке изображение объекта, возникающее при взаимодействии рентгеновских лучей (их поглощения, отражения, дифракции) с веществом.
Частным случаем рентгенографии является флюорография – получение косвенного уменьшенного теневого рентгеновского изображения на пленке малых размеров (от 24х24 мм до 10х12 см) при помощи фотографирования рентгеновской картины органов человеческого тела на флюоресцирующем экране. Это – метод массового (поточного) рентгенологического исследования больших контингентов населения для выявления ряда скрыто протекающих болезненных состояний и заболеваний. Основной целью флюорографии является отбор людей, не осведомленных о своем заболевании и пораженных различными формами еще не распознанного туберкулеза легких, плевры, лимфатических узлов. С ее помощью можно обнаружить, помимо туберкулеза, и другие острые заболевания легких и плевры. Кроме того, при флюорографии органов грудной полости удается выявить известный процент людей со скрыто протекающими заболеваниями сердечно-сосудистой системы и, что особенно важно, с опухолями легких и средостения. Метод флюорографии отличается значительной пропускной способностью (150 чел/час) поскольку на выполнение флюорограммы уходит все несколько десятков секунд. Важно, что в распоряжении врача остается постоянный документ – флюорограмма.
В заключении упомянем о методе рентгенокимографии – вспомогательном методе рентгенологического исследования, применяемого для функциональной диагностики и заключающейся в регистрации кривых движения или перемещения определенных точек на контуре того или иного органа. Движущийся орган (например, сердце) снимается посредством узкого пучка рентгеновских лучей, пропускаемых через щель в свинцовой пластинке на перемещающейся с равномерной скоростью рентгеновской пленке. Метод применяется для изучения сокращений сердца и пульсации кровеносных сосудов, для регистрации дыхательных движений ребер и диафрагмы, а также сокращений стенок заполненных контрастным веществом пищевода, желудка и петель кишок, почечных лоханок и мочеточников и др. Наибольшее диагностическое значение этот метод имеет для объективной оценки анатомических и функциональных изменений отдельных участков сердечной мышцы после перенесенного инфаркта миокарда.
Рентгенодиагностика – распознавание болезней при помощи рентгеновских лучей. Она основана на свойстве рентгеновских лучей проникать сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Рентгенодиагностика осуществляется двумя основными способами – рентгеноскопией и рентгенографией, разновидностью которой является флюорография. Проходя через человеческое тело, рентгеновы лучи не в одинаковой степени поглощаются и ослабляются тканями различной плотности и дают поэтому тени неодинаковой интенсивности. На рентгеновской пленке или экране получается негативное изображение, т.е. от более плотных тканей, задерживающих большее количество лучей, получаются более светлые участки – «затемнения», и, наоборот, от тканей, в большей или меньшей степени пропускающих лучи, получается темное изображение – «просветление». Рентгенодиагностика построена на учете этого неоднородного теневого изображения. На просвечивающем экране или на рентгеновском снимке видно то, что контрастно – что выделяется затемнением на светлом фоне или же просветлением на темном фоне. Вот почему на рентгенограмме, например, грудной клетки получаются а грубых чертах тени трех степеней густоты, а именно: наиболее плотные ткани костных образований (ребер, ключиц, позвонков), менее интенсивные и сливающиеся друг с другом тени мягких тканей (кожи, жировой клетчатки, мышц, сосудов, нервов и т.д.) и наиболее прозрачные тени легочной ткани, содержащей воздух. При замещении воздуха каким-нибудь болезненным, воспалительным или опухолевым образованием на прозрачном легочном фоне возникают соответствующие затемнения, а при местном разрушении ткани (например, туберкулезной полости – каверне) получается соответствующий участок болезненного ненормального просветления. По этой же причине опухоль брюшной полости или мозга, поскольку она не содержит известковых, задерживающих лучи включений, при обычных условиях рентгенодиагностики ничем не выделяется среди окружающих мягких тканей и, следовательно, не может быть распознана.
Для рентгенодиагностики некоторых органов и систем (костей, сердца, легких) имеются естественные условия контрастности, другие же системы и органы человеческого тела могут стать объектом рентгенодиагностики лишь при условии создания искусственных контрастов, путем введения в эти органы специальных контрастных сред или веществ.
Рентгеноконтрастные средства – различные химические вещества, которые при введении в организм улучшают изображение исследуемого объекта (увеличивая или уменьшая поглощение рентгеновских лучей и создавая контрастность рентгеновского изображения. Наряду с «тяжелыми» (сульфат бария – для заболеваний желудка и кишок, препараты йода) применяются «легкие» вещества (воздух, кислород и др. газы). На физиологической способности некоторых органов избирательно выделять те или иные химические соединения, основана рентгенодиагностика мочевой, желчной или др. систем. Так, например, особый препарат сергозин, введенный в вену, выделяется почками и обеспечивает диагностику мочевыделяющих органов. Так же удается исследовать желчные пути и желчный пузырь препаратами биллитраст, билигност и т.п. Наконец, можно создать искусственную контрастность некоторых органов путем введения таких препаратов, которые избирательно поглощаются и связываются этими органами. Этим методом пользуются, например, при диагностике заболеваний печени и селезенки (вводятся особые коллоидные соединения тория). Йодоорганические используют для рентгенодиагностики щитовидной железы, т.к. йод избирательно накапливаются в щитовидной железе, причем достаточно тяжелые ядра йода хорошо рассеивают рентгеновские лучи, обеспечивая получение исключительно четких рентгеновских снимков отдельных участков тканей и органов.
Рентгенологическое исследование включает в себя анатомическое и физиологическое исследование не только болезненно измененного, но и нормального человеческого организма, а также является ценнейшим и незаменимым методом повторного, динамического наблюдения за возникновением, развитием, течением и исходом самых различных нормальных и патологических процессов.
Радиация - обобщенное понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается природе, другие получаются искусственным путем.
Начнем с некоторых определений.
Излучение электромагнитное - процесс образования свободного электромагнитного поля; излучением называют также само свободное электромагнитное поле. Излучают ускоренно движущиеся заряженные частицы (напр., тормозное излучение, синхротронное излучение, излучение переменных диполя, квадруполя и мультиполей высшего порядков). Атом и другие атомные системы излучают при квантовых переходах из возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией.
Термин «излучение» охватывает диапазон электромагнитных волн, включая видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области, а также радиоволны, электрический ток и ионизирующее излучение. Термин
«ионизирующее излучение» означает вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций.
Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное (фотонное) излучение.
Радиация проникающая - поток гамма-излучения и нейтронов, обладающий большой проникающей способностью (до нескольких сотен метров); доза проникающей радиации зависит от мощности источника, расстояния до него, а также от свойств среды, отделяющей источник от объекта облучения.
Электронное излучение - пучок электронов на выходе электронного ускорителя или электронной пушки. Характеризуется средней энергией излучения и дисперсией (разбросом), а также шириной пучка. Специальными мерами можно получить моноэнергетический узкий пучок высокоэнергетических электронов.
Табл. 1. Характеристики электромагнитных излучений.
| Энергия, эВ |
Длина волны, м |
Частота, Гц |
Источник излучения |
| 109 |
10-16 |
1024 |
Тормозное излучение |
| 105 |
10-12 |
1020 |
Гамма излучение ядер |
| 103 |
10-10 |
1018 |
Рентгеновское излучение |
| 101 |
10-8 |
1016 |
Ультрафиолетовое излучение |
| 10-1 |
10-6 |
1014 |
Видимый свет |
| 10-3 |
10-4 |
1012 |
Инфракрасное излучение |
| 10-5 |
10-2 |
1010 |
Микроволновое излучение |
| 10-7 |
1 |
108 |
СВЧ |
| 10-9 |
102 |
106 |
Радиоволны ВЧ |
| 10-11 |
104 |
104 |
Радиоволны НЧ |
Фотон - элементарная частица энергии, обладающая как свойствами частицы, так и волны: фотон не имеет заряда и массы, но обладает импульсом. Энергия света, рентгеновских лучей, гамма - лучей и т.д. переносится фотонами.
Фотонное излучение - излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.
К фотонному ионизирующему излучению относятся гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или аннигиляции частиц; тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц; характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома; рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и/или характеристического излучений.
Рентгеновские лучи – вид электромагнитного излучения, подобный свету (но невидимые глазом), но имеющий меньшую длину волны и способный проникать через твердые тела. Длина волны 10-3 – 100 нм. Энергетический диапазон от 100 эВ до 0,1 МэВ. Открыто с 1895 году В.Рентгеном.
Характеристическое рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, испускаемое при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (характеристический спектр).
Характеристический спектр – линейчатый рентгеновский спектр, возникающий при переходах электронов верхних оболочек атома на более близко расположенные к ядру K-, L-, M-, N – оболочки. Частоты линий характеристического спектра химических элементов подчиняется закону Мозли.
Закон Мозли – линейная зависимость квадратного корня из частоты характеристического рентгеновского излучения от атомного номера химического элемента. Установлен экспериментально Г.Мозли в 1913 году. Закон Мозли – основа рентгеновского спектрального анализа.
Тормозное рентгеновское излучение (рентгеновские лучи) с непрерывным энергетическим спектром - коротковолновое электромагнитное (фотонное) излучение. Диапазон частот, 3·1016 – 3·1019 Гц, диапазон длин волн 10-8 – 10-12 м. Образуется при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых заряженных частиц, например, при торможении в кулоновском поле ускоренных электронов. Существенно для легких частиц электронов и позитронов. Спектр тормозного излучения непрерывен, максимальная энергия равна начальной энергии частицы. При больших энергиях тормозящихся заряженных частиц, тормозное рентгеновское излучение переходит в энергетический диапазон
g– излучения.
Рентгеновское излучение - невидимое электромагнитное излучение с длинной волны 0.06 - 20 ангстрем; образуется в результате торможения движущихся электронов в веществе, а так же при некоторых переходах электронов в облачках атомов.
Источниками рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители (бетатрон) и накопители электронов (синхротронное излучение), лазеры и др.
Бетатрон – циклический ускоритель электронов, в котором электроны ускоряются вихревым электрическим полем, порожденным переменным магнитным полем. Обычно энергия электронов в бетатроне не выше 50 МэВ.
Линейный ускоритель - ускоритель заряженных частиц, в котором траектории частиц близки к прямой линии. Максимальная энергия электронов, полученная в линейном ускорителе, 20 ГэВ, протонов до 800 МэВ. В линейном ускорителе электронов электроны впрыскиваются в трубку ускорителя и разгоняются там с помощью электромагнитного поля высокой частоты. Может быть использован как источник рентгеновское излучения. С этой целью пучок электронов направляется на мишень, изготовленного из тяжелого тугоплавкого металла. В результате взаимодействия электрона с ядром атома мишени образуется фотон, а электрон отражается с меньшей энергией. Пучок фотонов, с энергией соответствующей рентгеновскому излучению, проходит через выравнивающий фильтр, лучу придается нужная форма с помощью коллиматора до попадания на больного.
Рентгеновская трубка - электровакуумный прибор для получения рентгеновских лучей.
Простейшая рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона с впаянными электродами - катодом и анодом (антикатодом). Электроны, испускаемые катодом, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между электродами и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод их кинетическая энергия частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Важным компонентом рентгеновской трубки является
электронная пушка (электронный прожектор), устройство для создания направленного потока электронов; применяется в телевизионных трубках, рентгеновской аппаратуре, электронных микроскопах.
Таким образом, чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.
В рентгеновской трубке (Рис. 1), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74.
Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований. Рентгеновские трубки различаются по типу конструкции, способу получения пучка электронов, его фокусировки, вакуумированию, охлаждению анода, размерам и форме фокуса (области излучения на поверхности анода) и др. Наиболее широко применяются отпаянные рентгеновские трубки с термоэмиссионным катодом, водяным охлаждением анода, электростатической фокусировкой электронов. Термоэмиссионный катод рентгеновской трубки обычно представляет собой спираль или прямую вольфрамовую нить, накаливаемую электрическим током. Рабочий участок анода – металлическая зеркальная поверхность – расположен перпендикулярно или под некоторым углом к электронному пучку. Для получения сплошного тормозного спектра рентгеновского излучения высоких энергий и интенсивностей служат аноды из Au, W; в структурном анализе используются рентгеновские трубки из Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag. Наиболее распространены рентгеновские трубки с неподвижным либо вращающимся водоохлаждаемым анодом мощностью в несколько кВт. Материалы анодов (и их длина волны,
l) – Cu (1,33 нм), Al (0,834 нм), Mo (0,54 нм), Pd (0,434 нм).
Основные характеристики рентгеновской трубки: предельно допустимое ускоряющее напряжение (1-500 кВ), электронный ток (0,01 мА – 1 А), удельная мощность, рассеиваемая анодом (10 -104 Вт/мм2), общая потребляемая мощность (0,002 Вт – 60 кВт). Кпд рентгеновской трубки составляет 0,1 – 3%.
Рис. 1 Рентгеновская трубка Кулиджа. При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 – электронный пучок; 2 – катод с фокусирующим электродом; 3 – стеклянная оболочка (трубка); 4 – вольфрамовая мишень (антикатод); 5 – нить накала катода; 6 – реально облучаемая площадь; 7 – эффективное фокальное пятно; 8 – медный анод; 9 – окно; 10 – рассеянное рентгеновское излучение.
Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на
Рис. 2. Широкий «континуум» называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии.
Рис.2 Типичный спектр излучения, испускаемого
рентгеновской
трубкой.
Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Обычный рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К\ia и К\ib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон.
Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли
(Рис. 3).
Рис.3. Зависимость длины волны рентгеновского излучения от заряда ядра элемента мишени
Длина волны характеристического рентгеновского излучения, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии.
Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени.
Характеристическое рентгеновское излучение поликристаллического анода рентгеновской трубки распространяется в пространстве изотропно, тогда как распространение тормозного рентгеновского излучения анизотропно. При малых напряжениях на рентгеновской трубке (до 20 – 30 кВ) тормозное рентгеновское излучение имеет максимальную интенсивность в направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной направлению движения электронов, возбуждающих рентгеновское излучение. При очень высоких напряжениях на рентгеновской трубке (более нескольких сотен тысяч кВ) почти все излучение распространяется в направлении движения пучка электронов и выходит наружу через пластинку анода.
Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, бóльшая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.
Недостаток рентгеновских трубок – низкая производительность, обусловленная малым коэффициентом преобразования энергии электронного пучка в мягкое рентгеновское излучение (10-5). Более производительными являются установки, в которых точечными источниками излучения являются плазма, возбуждаемая лазерным излучением, или сильноточный разряд в газе.
Важным компонентом рентгеновской трубки является источник электронов, которым является ускоритель электронов. В отличие от изотопных источников бета-излучения, дающих непрерывный спектр электронов, ускорители дают пучок электронов строго фиксированной энергии, причём и поток и энергия электронов могут варьироваться в широких интервалах. В настоящее время промышленность выпускает ускорители с энергией электронов (0.4-5) МэВ и мощностью (10-200 кВт).
В принципе облучение в медицине направлено на исцеление больного. Однако нередко дозы оказываются неоправданно высокими: их можно было бы существенно уменьшить без снижения эффективности, причем польза от такого уменьшения была бы весьма существенна, поскольку дозы, получаемые от облучения в медицинских целях, составляют значительную часть суммарной дозы облучения от техногенных источников.
Наиболее распространенным видом излучения, применяющимся в диагностических целях, являются рентгеновские лучи. Согласно данным по развитым странам, на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год - и это не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии. Менее полные данные по развивающимся странам показывают, что здесь число проводимых обследований не превышает 100-200 на 1000 жителей. В действительности около 2/3 населения Земли проживает в странах, где среднее число рентгенологических обследований составляет не более 10% от числа обследований в промышленно развитых странах.
В большинстве стран около половины рентгенологических обследований приходится на долю грудной клетки. Однако по мере уменьшения частоты заболеваний туберкулезом целесообразность массовых обследований снижается. Более того, практика показала, что раннее обнаружение рака легких почти не увеличивает шансов на выживание пациента. Сейчас во многих промышленно развитых странах частота таких обследований следований существенно снизилась, однако, в некоторых странах около 1/3 населения по-прежнему ежегодно подвергается подобному обследованию.
Недавно появился целый ряд технологических усовершенствований, которые при условии их правильного применения могли бы привести к уменьшению дозы, получаемой при рентгенологическом обследовании. Тем не менее, это уменьшение оказалось весьма незначительным или отсутствовало вообще. Даже в пределах одной страны дозы сильно варьируют от клиники к клинике. Дозы, получаемые пациентами, могут различаться в сто раз. Известно также, что иногда облучению подвергается большая площадь поверхности, чем это необходимо. Наконец, установлено, что излишнее радиационное облучение BYJULF обусловлено неудовлетворительным состоянием или эксплуатацией оборудования. Тем не менее, известны случаи, когда дозы облучения действительно были снижены благодаря усовершенствованию оборудования и повышению квалификации персонала. Иногда для существенного повышения эффективности диагностики нужно лишь слегка увеличить дозу. Как бы то ни было, пациент должен получать минимальную дозу при обследовании, и имеются резервы значительного уменьшения облучения.
Благодаря техническим усовершенствованиям, по-видимому, можно уменьшить и дозы, получаемые пациентами при рентгенографии зубов. Это очень важно хотя бы потому, что во многих развитых странах данное рентгенологическое обследование проводится наиболее часто. Максимальное уменьшение площади рентгеновского пучка, его фильтрация, убирающая лишнее излучение, использование более чувствительных пленок и правильная экранировка - все это уменьшает дозу.
Меньшие дозы должны использоваться и при обследовании молочной железы. Введенные во второй половине 70-х годов новые методы рентгенографии этого органа уже привели к существенному снижению уровня облучения по сравнению с прежним, однако он может быть уменьшен и далее без ухудшения качества рентгенограмм. Уменьшение дозы позволило увеличить число обследований молочной железы.
Со времени открытия рентгеновских лучей самым значительным достижением в разработке методов рентгенодиагностики стала компьютерная томография. Его применение при обследованиях почек позволило уменьшить дозы облучения кожи в 5 раз, яичников - в 25 раз, семенников - в 50 раз по сравнению с обычными методами.
Разработать методику оценки средней дозы для больших групп населения крайне трудно, в частности из-за недостатка данных о частоте рентгенологических обследований, особенно в развивающихся странах. Задача еще более усложняется большими вариациями доз от клиники к клинике; это означает, что данные для одной из клиник нельзя считать оценкой среднего значения дозы.
Попытки оценить среднюю дозу, получаемую населением при рентгенологических обследованиях, до недавнего времени ограничивались стремлением определить тот уровень облучения, который может привести к генетическим последствиям. Его называют генетически значимой эквивалентной дозой или ГЗД. Величина ГЗД определяется двумя факторами: 1) вероятностью того, что пациент впоследствии будет иметь детей (это в значительной мере определяется его возрастом); 2) дозой облучения половых желез самый большой "вклад" в генетически значимую дозу вносят обследования таза и нижней части спины, бедер, мочевого пузыря и мочевыводящих путей, а также бариевые клизмы.
По оценкам, ГЗД в Великобритании в 1977 году составила примерно 120 мкЗв, в Австралии в 1970 году ~ 150 мкЗв, столько же в Японии в 1974 и 1979 годах и около 230 мкЗв в СССР в конце 70-х годов.
Предпринимались попытки введения понятия эффективной эквивалентной дозы для оценки потенциального ущерба, который наносит облучение другим тканям, а не только репродуктивным органам. Это трудно сделать, поскольку обычные способы оценок не пригодны, когда дело касается облучения в медицинских целях. Кроме того, существуют и технические трудности. Для оценки эффективной эквивалентной дозы нужны точные данные о том, сколько излучения поглощается различными органами и тканями во время каждого обследования. Такое распределение может различаться в 1000 и более раз для и того же типа обследования, несмотря на технические усовершенствования, которые должны были бы уменьшить эти различия. В качестве оценки годовой коллективной эффективной эквивалентной дозы от рентгенологических обследований принимают значение 1000 чел-Зв на 1 млн. жителей.
Радиоизотопы используются для исследования различных процессов, протекающих в организме, и для локализации опухолей. За последние 30 лет их применение сильно возросло, и все же они сейчас применяются реже, чем рентгенологические обследования. Информация об использовании радиоизотопов довольно ограниченна, но имеющиеся данные позволяют предположить, что в промышленно развитых странах на 1000 жителей приходится лишь 10-40 обследований. Так же трудно оценить и дозы; результаты одного исследования, проведенного в Японии, показывают, что годовая эффективная эквивалентная доза составляет ~ 20 мкЗв на человека. Коллективные эффективные эквивалентные дозы лежат в диапазоне от 20 чел-Зв на 1 млн. жителей в Австралии до ~ 150 чел-Зв в США.
Во всем мире имеется также около 4000 радиотерапевтических установок, которые используются для лечения рака. Здесь, как и в описанных выше случаях, мы располагаем лишь ограниченной информацией о том, как часто эти установки используются и какие дозы получают при этом пациенты. Суммарные дозы для каждого пациента очень велики, однако это, как правило, уже тяжелобольные люди и вряд ли у них будут дети. Кроме того, такие дозы получает сравнительно небольшое число людей, поэтому вклад в коллективную дозу оказывается весьма незначительным.
Суммарная доза, получаемая населением Земли ежегодно во время сотен миллионов рентгенологических обследований с применением малых доз, значительно превышает дозу, получаемую в сумме сравнительно малым числом больных раком. Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет, по-видимому, ~ 1 мЗв на каждого жителя, т.е. примерно половину средней дозы от естественных источников. Следует иметь в виду, однако, что средние дозы в разных странах неодинаковы и могут различаться в 3 раза. Поскольку в развивающихся странах облучение в медицинских целях используется существенно реже, средняя индивидуальная доза за счет этого источника во всем мире составляет ~ 400 мкЗв на человека в год. Таким образом, коллективная эффективная эквивалентная доза для всего населения Земли равна примерно 1 600 000 чел-Зв в год.
В последние годы, дозы, получаемые населением от медицинского обследования и терапии начали довольно заметно снижаться. Связано это с внедрением в рентгеновские аппараты трубок, работающих в импульсном режиме. В этом случае, например, при частоте импульсов 2 в секунду получаемая пациентом доза облучения составляет пятую часть от обычной, неимпульсной рентгеноскопии: снижение лучевой нагрузки составляет 80%.
6.1 Принцип компьютерной томографии
Сегодня классическое рентгеновское исследование вместе с рентгеновской ангиографией переходит на цифровые методы получения изображений. Это обеспечивает более высокое качество изображений, снижает лучевую нагрузку, способствует интеграции в систему единой компьютерной сети. С внедрением компьютерных технологий диагностические возможности рентгеновского метода значительно выросли. Появились рентгеновская компьютерная томография, спиральная и многосрезовая КТ, КТ-ангиография. Вместе с тем возникли и альтернативные методы визуализации, не использующие в своей основе рентгеновское излучение. Так, с помощью магнитно-резонансной томографии удается получать более информативные, чем при КТ, изображения различных органов и сосудов. Новые уникальные диагностические возможности появились и у ультразвукового метода.
Томография медицинская - метод использования рентгеновских лучей или ультразвуковых волн для получения снимков анатомических структур, расположенных внутри тела человека; при этом получается четкое изображение выбранного среза ткани, в то время как изображения всех других срезов стираются или затеняются. Получаемая в результате рентгенограмма называется томограммой.
Томография компьютерная - направление в диагностической рентгенологии, предназначенное для обследования мягких тканей тела. Например, с помощью компьютерной томографии можно выявить патологические изменения головного мозга (опухоль, абсцесс, гематома) непосредственно через кости черепа. Компьютерная томография состоит в регистрации срезов человеческого тела с помощью рентгеновского сканера (компьютерного томографа); эта запись затем объединяется с помощью компьютера для получения единого изображения в поперечном сечении. Данное исследование не представляет для пациента совершенно никакой опасности.
Компьютерная томография высокого разрешения (КТВР) – вариант компьютерной томографии, с улучшенным пространственным разрешением. Применяется в основном при визуализации паренхимы легких. В методе используются тонкие срезы (1-2 мм) и высоко-пространственно-частотный алгоритм. Иногда называется тонкосрезовой компьютерной томографией.
Низкодозная компьютерная томография высокого разрешения – использует меньшие токи, чем обычная КТВР. При этом несколько уменьшается разрешающая способность и диагностическая точность методики, но вариант лучше подходит для скрининга или повторных исследований.
Важнейшим достоинством компьютерная томография является возможность работы в динамическом режиме, снимая последовательные «кадры» развития процесса движения жидкости (крови, лимфы, мочи), биения сердца, движения грудной клетки при дыхании) для исследования.
Рис.4. Компьютерная томография
мозга.
Например, при исследовании перфузии компьютерный томограф позволяет получать сверхточные данные о локальном объеме церебрального кровообращения, церебральном кровотоке, среднем времени прохождения и времени до кульминационного момента для пациентов, страдающих нарушениями кровоснабжения мозга
(Рис. 4).
Перфузия - прохождение крови или какого-либо раствора через сосуды изолированного или выключенного из общего круга кровообращения органа (например, легкого).
Мозаичная перфузия - регионарные отличия перфузии легкого, в результате чего становится заметным различие плотности при компьютерной томографии высокого разрешения. Отражает обструкцию сосудов или ненормальную вентиляцию, но чаще встречается при заболевании воздушных путей. Сосуды в прозрачных участках легкого обычно меньше, чем в более плотных участках.
Рис.5. Объемная реконструкция снимка легких.
Бронхи окрашены зеленым, сердце, аорта и позвоночник - красным
Другим примером является прямая радионуклидная цистография. Методика исследования включает катетеризацию уретры, ретроградное заполнение мочевого пузыря физиологическим раствором хлорида натрия, смешанного с меткой, и получение с помощью гамма-камеры изображений области мочевых путей во время заполнения пузыря, в момент мочеиспускания и после него.
Полученное изображение приведено на Рис. 6.
Рис.6. Радионуклидная диагностика мочевого пузыря.
6.2 Многосрезовая компьютерная томография.
Рентгеновские томографы высокого разрешения бывают двух типов: спиральные (СКТ) и многосрезовые (мультиспиральные, МСКТ). Мультиспиральные обычно бывают четырех-срезовыми
(Рис. 7). Многосрезовый сканер на рисунке 7б позволяет сканировать объект четырьмя спиралями за один оборот трубки. С учетом того, что полный оборот на многосрезовом сканере осуществляется в 2 раза быстрее, чем на обычном спиральном (0,5 и 1 сек. соответственно), достигаются следующие преимущества мультиспирального сканирования: в 8 раз больше объем (протяженность поля сканирования) при равных времени сканирования и разрешении (имеется ввиду толщина среза)
(Рис. 7б); в 4 раза быстрее сканирование при равных объеме и разрешении
(Рис. 7в); в 4 раза больше разрешение при равных объеме и времени сканирования
(Рис. 7г).
Рис.7 .
Сравнение спиральных (СКТ) и
многосрезовых (мультиспиральных, МСКТ) томографов на примере четырех-срезового
сканера.
Рис. 8.
Расположение спирали томографа на диагностируемом органе
В отличие от обычного томографа, спиральный томограф вращается непрерывно, не делая пауз. Время исследования при этом намного сокращается. Например, КТ легких проводится за 20-30 секунд.
Рис. 9 на примере исследования пирамиды височной кости иллюстрирует принцип копьютерной томографии высокого разрешения. Применены тонкие срезы (0.5 мм) и "острый" алгоритм реконструкции (кернель 90). (Слева) отчетливо видны элементы внутреннего уха - улитка, полукружные канальцы. (В центре) показана проекция продольного сечения височно-нижнечелюстного сустава. (Справа) - холестеатома.
Рис.
9.
Принципы компьютерной томографии высокого разрешения (КТВР) на примере
исследования пирамиды височной кости.
Рис.10. Металлический стент в аорте. Снимок с обычного компьютерного томографа показан вверху справа.
Спиральный томограф также обладает лучшей разрешающей способностью и позволяет диагностировать многие заболевания на ранних стадиях, например, обнаруживать опухоли небольших размеров, когда они еще поддаются лечению. Также появилась возможность "видеть" артерии и вены (Рис. 10).
Мультиспиральные сканеры позволяют одновременно получать 4 изображения («среза») со скоростью до 120 оборотов в минуту - см верхний рисунок. Томограмма получается за несколько секунд. Самая длительная часть процедуры – это впечатывание фамилии пациента в компьютер!
Рентгеновские компьютерные томографы.
Для примера остановимся на многосрезовых рентгеновских компьютерных томографах фирмы HITACHI Medical Systems.
 |
Многосрезовый
компьютерный томограф PRESTO с субсекундным сканированием.
Сканирующее устройство, включая гентри, генератор, рентгеновскую трубку
5,0 MHU, блок твердотельных детекторов 4х896, позволяющий получать 4
среза за 1 оборот; 100 секунд непрерывного сканирования. Минимальная
толщина среза: 0.75 мм
Рис.11.
Промышленные многосрезовый медицинский томограф |
6.3 Компьютерная обработка изображений.
Возможность достоверной реконструкции дозового поля (и, следовательно, структуры объекта диагностики, существенно зависит от режима проведения томографии. Качество получаемого изображения и разрешающая способность метода (например, многосрезовой компьютерной томографии) зависит от правильности выбора таких параметров, как коллимация, напряжение, сила тока и др. Например, изображение, снятое при напряжении 80 кВ более зашумленное, чем снятое при 140 кВ. Учитывая, что с повышением кВ повышается проникающая способность излучения, при диагностике полных пациентов следует использовать более жесткое излучение. Поскольку, зашумленность изображения с ростом силы тока уменьшается, при исследовании объектов с высокой плотностью (плечевой пояс, металлоостеосинтез) целесообразно использовать большие токи. При исследовании мягких тканей можно уменьшить ток, и, следовательно, снизить дозу. На
рис.12 представлены изображения снятые при неудачном (слева) и правильном (справа) выборе параметров съемки.
Рис.12
Изображения, полученные при разных значениях параметра съемки.
Не менее важен и выбор параметров и режимов цифровой обработки изображений.
Прежде всего, необходимо правильно выбрать контрастность изображения (параметр контрастности называется кернелем). Влияние величины кернеля на контрастность изображения иллюстрирует
рис.13. При кернеле 40 (Рис.13а) изображение более «гладкое», при кернеле 70 (Рис.13б) изображение более «острое». С повышением кернеля повышается контрастная разрешающая способность. Следовательно, для визуализации мягких тканей, характеризующихся низкой контрастностью, рекомендуется более низкий кернель (20-40). Для визуализации высококонтрастных тканей (кости, легочная ткань) необходим более высокий кернель (40-70), обеспечивающий высокое разрешение.
Рис. 13. Влияние алгоритма реконструкции на качество изображения.
При анализе неоднородных структур, в частности, выявления и локализации отдельного включения – очага поражения, аномально сильно сорбирующего радионуклид, важное значение имеет правильный выбор толщины среза. При режиме сканирования полосой, равной толщине среза, очаг, размером меньше половины толщины среза не выявляется (Рис.14а), тогда как при толщине среза, сравнимого с толщиной среза, включение выявляется (Рис.14б).
При реконструкции неоднородной среды существенное значение имеет ширина полосы сканирования (инкремент или интервал реконструкции) и степень перекрытия полос.
Рис.14 демонстрирует влияние величины инкремента на качество реконструкции (в данном случае – на обнаружение патологического очага, размеры которого сравнимы с толщиной среза). Толщина аксиальных срезов, из которых построены обе реконструкции, одинакова и равна 5 мм.
 |
 |
Рис. 14. Влияние толщины среза на выявление мелких очагов. Схематическое объяснение. При толщине среза 4 мм очаг диаметром 1,8 мм не выявляется из-за эффекта усреднения. (б) При толщине среза 2 мм очаг выявляется. |
При сканировании с инкрементом 5 рис.15а очаг не выявляется, при сканировании с инкрементом 1 мм (Рис.15б), изображение гораздо качественнее, оно практически не страдает от ступенчатого артефакта, который сильно выражен на изображении (Слева). Следовательно, качественную реконструкцию можно получить из толстых срезов (в данном случае 5 мм) с маленьким интервалом реконструкции (1 мм).
 |
 |
Рис. 15. Влияние интервала реконструкции на выявление мелких очагов. Схематическое объяснение.
(а) При интервале реконструкции, равном толщине среза (4 мм), очаг диметром 2,2 мм не выявляется. (б) При реконструкции с двойным перекрытием (интервал реконструкции 2 мм) очаг выявляется. |
При не оптимальном сканировании, качество изображения неудовлетворительное из-за выраженного муара, т. е. нежелательных визуальных эффектов ("рябь" на черном фоне) (см.
Рис.16 слева). Для ликвидации муара в процессе сканирования может быть задействована специальная функция Descreen (Рис.16, центр). Ряби на черном фоне уже нет, однако исчезла резкость, что особенно хорошо видно по тексту в верхнем левом углу. Связано это с тем, что использовано низкое значения параметра Descreen (100). С повышением Descreen со 100 до 200 качество изображения улучшается (Рис.16, справа)
