Tomografia computerizată - o metodă de studiu nedistructiv strat cu strat al structurii interne a unui obiect, a fost propusă în 1972 de Godfrey Hounsfield și Allan Cormack , cărora li s-a acordat Premiul Nobel pentru această dezvoltare . Metoda se bazează pe măsurarea și prelucrarea computerizată complexă a diferenței de atenuare a razelor X de către țesuturi de diferite densități. În prezent, tomografia computerizată cu raze X este principala metodă tomografică pentru examinarea organelor interne umane folosind raze X.
Primii algoritmi matematici pentru CT au fost dezvoltați în 1917 de matematicianul austriac I. Radon (vezi transformarea Radon ). Baza fizică a metodei este legea exponențială a atenuării radiațiilor , care este valabilă pentru mediile pur absorbante. În gama de radiații cu raze X, legea exponențială este satisfăcută cu un grad ridicat de precizie, astfel încât algoritmii matematici dezvoltați au fost aplicați pentru prima dată special pentru tomografia computerizată cu raze X.
În 1963, fizicianul american A. Cormack a rezolvat în mod repetat (dar într-un mod diferit de Radon) problema restaurării tomografice, iar în 1969, inginer-fizicianul englez G. Hounsfield de la compania EMI a proiectat „EMI-scanner” - primul tomograf computerizat cu raze X, ale cărui studii clinice au trecut în 1971 - conceput doar pentru scanarea capului. Fondurile pentru dezvoltarea CT au fost alocate de EMI, în special, datorită veniturilor mari primite din contractul cu The Beatles [1] .
În 1979, „pentru dezvoltarea tomografiei computerizate” Cormack și Hounsfield au primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină.
Imaginile obținute prin tomografia computerizată cu raze X își au omoloage în istoria studiului anatomiei . În special, Nikolai Ivanovich Pirogov a dezvoltat o nouă metodă de studiere a poziției relative a organelor de către chirurgii care operează, numită anatomie topografică . Esența metodei a fost studiul cadavrelor înghețate, tăiate în straturi în diferite planuri anatomice („tomografie anatomică”). Pirogov a publicat un atlas intitulat „Anatomia topografică, ilustrată prin tăieturi făcute prin corpul uman înghețat în trei direcții”. De fapt, imaginile din atlas au anticipat apariția unor imagini similare obținute prin metode de cercetare a tomografiei cu radiații. Desigur, metodele moderne de obținere a imaginilor strat cu strat au avantaje incomparabile: netraumatice, permițând diagnosticarea in vivo a bolilor; posibilitatea reprezentării hardware în diferite planuri anatomice (proiecții) odată primite date CT „brute”, precum și reconstrucție tridimensională ; capacitatea nu numai de a evalua dimensiunea și poziția relativă a organelor, ci și de a studia în detaliu caracteristicile lor structurale și chiar unele caracteristici fiziologice , pe baza indicatorilor de densitate cu raze X și a modificărilor acestora în timpul creșterii contrastului intravenos.
În neurochirurgie , înainte de introducerea tomografiei computerizate, au fost folosite ventriculo- și pneumoencefalografia propuse în 1918-1919 de Walter Dandy . Pneumoencefalografia a permis pentru prima dată neurochirurgilor să vizualizeze neoplasmele intracraniene folosind raze X. Acestea au fost efectuate prin introducerea aerului fie direct în sistemul ventricular al creierului (ventriculografie), fie printr-o puncție lombară în spațiul subarahnoidian (pneumoencefalografie). Ventriculografia, propusă de Dandy în 1918, a avut limitările sale, deoarece necesita impunerea unei găuri de bavură și ventriculopunctură în scopuri de diagnostic. Pneumoencefalografia, descrisă în 1919, a fost o tehnică mai puțin invazivă și a fost utilizată pe scară largă pentru a diagnostica masele intracraniene. Cu toate acestea, ambele metode au fost invazive și au fost însoțite de apariția unor dureri de cap intense, vărsături la pacienți și comportau o serie de riscuri. Prin urmare, odată cu introducerea tomografiei computerizate, acestea au încetat să fie utilizate în practica clinică. Aceste metode au fost înlocuite cu ventriculografia CT mai sigură și cisternografia CT, utilizate mult mai rar, conform indicațiilor stricte [2] , alături de tomografia computerizată fără contrast a creierului, utilizată pe scară largă.
Pentru evaluarea vizuală și cantitativă a densității structurilor vizualizate prin tomografie computerizată , se folosește o scară de atenuare a raze X, numită scala Hounsfield (reflexia sa vizuală pe monitorul dispozitivului este un spectru de imagini alb-negru). Gama de unități de scară („ indicatori densitometrici , unități Hounsfield engleze ”), corespunzătoare gradului de atenuare a radiațiilor X de către structurile anatomice ale corpului, este de la -1024 la +3071, adică 4096 de numere de atenuare. Valoarea medie în scara Hounsfield (0 HU) corespunde densității apei, valorile negative ale scalei corespund aerului și țesutului adipos, valorile pozitive corespund țesuturilor moi, țesutului osos și mai dens. substanțe (metal). În aplicațiile practice, valorile de atenuare măsurate pot varia ușor de la aparat la aparat.
„Densitatea razelor X” - valoarea medie a absorbției radiațiilor de către țesut; atunci când evaluăm o structură anatomică și histologică complexă, măsurarea „densității de raze X” a acesteia nu ne permite întotdeauna să precizăm cu exactitate ce țesut este vizualizat (de exemplu, țesuturile moi saturate cu grăsime au o densitate corespunzătoare densității apei) .
Un monitor obișnuit de computer este capabil să afișeze până la 256 de nuanțe de gri, unele dispozitive medicale specializate sunt capabile să afișeze până la 1024 de nuanțe. Datorită lățimii semnificative a scalei Hounsfield și incapacității monitoarelor existente de a reflecta întreaga sa gamă în alb și negru, se utilizează o recalculare software a gradientului de gri în funcție de intervalul de scară de interes. Spectrul alb-negru al imaginii poate fi utilizat atât într-o gamă largă („fereastră”) de indicatori densitometrici (se vizualizează structuri de toate densitățile, dar este imposibil să se distingă structurile apropiate ca densitate), cât și în unul mai mult sau mai puțin îngust, cu un anumit nivel al centrului și lățimii sale („ fereastră pulmonară”, „fereastra țesuturilor moi”, etc., în acest caz, informații despre structurile a căror densitate este în afara intervalului se pierde, dar structurile se închid în densitatea se disting clar). Modificarea centrului unei ferestre și a lățimii acesteia poate fi comparată cu schimbarea luminozității și, respectiv, a contrastului unei imagini.
| Substanţă | HU |
|---|---|
| Aer | −1000 |
| Gras | −120 |
| Apă | unu |
| tesuturi moi | +40 |
| Oase | +400 și peste |
Un scaner CT modern este un complex software și hardware complex. Componentele și piesele mecanice sunt realizate cu cea mai mare precizie. Detectoarele ultrasensibile sunt utilizate pentru a înregistra radiația de raze X care a trecut prin mediu . Designul și materialele utilizate la fabricarea lor sunt îmbunătățite în mod constant. În fabricarea tomografiei computerizate, cele mai stricte cerințe sunt impuse emițătorilor de raze X. O parte integrantă a dispozitivului este un pachet software extins care vă permite să efectuați întreaga gamă de studii de tomografie computerizată (CT) cu parametri optimi , pentru a efectua procesarea și analiza ulterioară a imaginilor CT.
Din punct de vedere matematic, construirea unei imagini se reduce la rezolvarea unui sistem de ecuații liniare . Deci, de exemplu, pentru a obține o tomogramă cu o dimensiune de 200 × 200 pixeli, sistemul include 40.000 de ecuații. Pentru a rezolva astfel de sisteme, au fost dezvoltate metode specializate bazate pe calcul paralel .
Progresul CT este direct legat de o creștere a numărului de detectoare, adică de o creștere a numărului de proiecții colectate simultan.
Dispozitivul de prima generație a apărut în 1973. Prima generație de mașini CT a fost pas cu pas. Era un tub îndreptat către un detector. Scanarea s-a făcut pas cu pas, făcând o tură pe strat. Fiecare strat a fost procesat timp de aproximativ 4 minute.
În a doua generație de dispozitive CT, a fost utilizat un design de tip ventilator. Mai multe detectoare au fost instalate pe inelul de rotație vizavi de tubul cu raze X. Timpul de procesare a imaginii a fost de 20 de secunde.
A treia generație de scanere CT a introdus conceptul de scanare CT elicoidal. Tubul și detectoarele într-o singură etapă a mesei au efectuat sincron rotație completă în sensul acelor de ceasornic, ceea ce a redus semnificativ timpul de studiu. Numărul de detectoare a crescut și el. Timpul de procesare și reconstrucție s-a redus considerabil.
A 4-a generație are 1088 de senzori luminescenți amplasați pe întregul inel al portalului . Doar tubul cu raze X se rotește. Datorită acestei metode, timpul de rotație a fost redus la 0,7 secunde. Dar nu există nicio diferență semnificativă în calitatea imaginii cu dispozitivele CT de a treia generație.
CT elicoidal a fost utilizat în practica clinică din 1988 , când Siemens Medical Solutions a introdus primul scaner CT elicoidal. Scanarea în spirală constă în efectuarea simultană a două acțiuni: rotația continuă a sursei - un tub cu raze X care generează radiații în jurul corpului pacientului și mișcarea continuă de translație a mesei cu pacientul de-a lungul axei longitudinale de scanare z prin deschiderea portalului . . În acest caz, traiectoria tubului cu raze X în raport cu axa z (direcția de mișcare a mesei cu corpul pacientului) va lua forma unei spirale.
Spre deosebire de CT secvenţial , viteza de mişcare a mesei cu corpul pacientului poate lua valori arbitrare determinate de obiectivele studiului. Cu cât viteza de mișcare a mesei este mai mare, cu atât este mai mare întinderea zonei de scanare. Este important ca lungimea traseului mesei pentru o revoluție a tubului cu raze X să poată fi de 1,5-2 ori mai mare decât grosimea stratului tomografic fără a deteriora rezoluția spațială a imaginii.
Tehnologia de scanare elicoidală a redus semnificativ timpul petrecut cu examinările CT și a redus semnificativ expunerea pacientului la radiații .
Tomografia computerizată cu mai multe straturi ("multispirală", "multi-slice" - MSCT) a fost introdusă pentru prima dată de Elscint Co. în 1992. Diferența fundamentală dintre MSCT și tomografele spiralate din generațiile anterioare este că nu unul, ci două sau mai multe rânduri de detectoare sunt situate de-a lungul circumferinței portalului. Pentru ca radiațiile de raze X să fie recepționate simultan de detectoarele amplasate pe diferite rânduri, a fost dezvoltat unul nou - o formă geometrică tridimensională a fasciculului.
În 1992, a apărut primul MSCT cu două rânduri de detectoare (dublu-helix) cu două rânduri de detectoare, iar în 1998, cu patru felii (patru helix) cu patru rânduri de detectoare, respectiv. Pe lângă caracteristicile de mai sus, numărul de rotații ale tubului cu raze X a crescut de la una la două pe secundă. Astfel, MSCT cu patru fire de generația a cincea este acum de opt ori mai rapid decât CT elicoidal convențional de generația a patra. În 2004-2005, au fost prezentate MSCT cu 32, 64 și 128 de secțiuni, inclusiv cele cu două tuburi de raze X. În 2007, Toshiba a introdus pe piață scanere CT cu 320 de felii, în 2013 - cele de 512 și 640 de felii. Ele permit nu numai obținerea de imagini, dar fac posibilă și observarea proceselor fiziologice care au loc în creier și inimă în timp aproape „real”. .
O caracteristică a unui astfel de sistem este capacitatea de a scana întregul organ (inima, articulațiile, creierul etc.) într-o singură rotație a tubului cu raze X, ceea ce reduce timpul de examinare, precum și capacitatea de a scana inima în pacienţii care suferă de aritmii.
Avantajele MSCT față de CT elicoidal convenționalToți acești factori cresc semnificativ viteza și conținutul informațional al cercetării.
Principalul dezavantaj al metodei rămâne expunerea ridicată la radiații a pacientului, în ciuda faptului că în timpul existenței CT aceasta a fost redusă semnificativ.
Avantajul unei rețele de detectoare este că numărul de detectoare pe rând poate fi crescut cu ușurință pentru a obține mai multe secțiuni pe rotație a tubului cu raze X. Deoarece numărul de elemente în sine este mai mic în matricea adaptivă de detectoare, numărul de goluri dintre ele este, de asemenea, mai mic, ceea ce reduce expunerea la radiații a pacientului și reduce zgomotul electronic. Prin urmare, trei dintre cei patru producători mondiali de MSCT au ales acest tip.
Toate inovațiile de mai sus nu numai că măresc rezoluția spațială , dar, datorită algoritmilor de reconstrucție special dezvoltați, pot reduce semnificativ numărul și dimensiunea artefactelor (elementelor străine) din imaginile CT.
Principalul avantaj al MSCT în comparație cu CT cu o singură secțiune este capacitatea de a obține o imagine izotropă la scanarea cu o grosime a feliei submilimetrică (0,5 mm). O imagine izotropă poate fi obținută dacă fețele voxelului matricei imaginii sunt egale, adică voxelul ia forma unui cub . În acest caz, rezoluțiile spațiale în planul transversal x—y și de-a lungul axei z longitudinale devin aceleași .
În 2005, Siemens Medical Solutions a introdus primul dispozitiv cu două surse de raze X (Dual Source Computed Tomography). Premisele teoretice pentru crearea sa au fost încă din 1979 , dar din punct de vedere tehnic implementarea sa în acel moment era imposibilă.
De fapt, este una dintre continuările logice ale tehnologiei MSCT. Cert este că la examinarea inimii (angiografia coronariană CT), este necesar să se obțină imagini ale obiectelor aflate în mișcare constantă și rapidă, ceea ce necesită o perioadă de scanare foarte scurtă. În MSCT, acest lucru a fost realizat prin sincronizarea ECG și examenul convențional cu rotația rapidă a tubului. Dar timpul minim necesar pentru înregistrarea unei secțiuni relativ staționare pentru MSCT cu un timp de rotație a tubului de 0,33 s (≈3 rotații pe secundă) este de 173 ms , adică timpul de jumătate de rotație al tubului. Această rezoluție temporală este destul de suficientă pentru frecvența cardiacă normală (studiile au arătat eficacitatea la frecvențe sub 65 de bătăi pe minut și în jur de 80, cu un decalaj de eficiență redusă între aceste frecvențe și la valori mai mari). De ceva timp au încercat să mărească viteza de rotație a tubului în portalul de tomograf. În prezent, a fost atinsă limita posibilităților tehnice de creștere a acestuia, deoarece cu o rotație a tubului de 0,33 s, greutatea acestuia crește cu un factor de 28 ( supraîncărcări de 28 g ). Pentru a obține o rezoluție în timp mai mică de 100 ms, este necesară depășirea supraîncărcărilor de peste 75 g.
Utilizarea a două tuburi de raze X situate la un unghi de 90°, oferă o rezoluție în timp egală cu un sfert din perioada de rotație a tubului (83 ms pentru o revoluție de 0,33 s). Acest lucru a făcut posibilă obținerea de imagini ale inimii indiferent de rata contracțiilor.
De asemenea, un astfel de dispozitiv are un alt avantaj semnificativ: fiecare tub poate funcționa în propriul mod (la valori diferite ale tensiunii și curentului, kV și respectiv mA). Acest lucru face posibilă diferențierea mai bună a obiectelor din apropiere de diferite densități în imagine. Acest lucru este deosebit de important atunci când contrastăm vasele și formațiunile care sunt aproape de oase sau structuri metalice. Acest efect se bazează pe absorbția diferită a radiațiilor atunci când parametrii acesteia se modifică într-un amestec de sânge și agent de contrast care conține iod, în timp ce acest parametru rămâne neschimbat în hidroxiapatită (baza osului) sau metale.
În rest, dispozitivele sunt dispozitive MSCT convenționale și au toate avantajele lor.
Introducerea masivă a noilor tehnologii și a calculatoarelor a făcut posibilă punerea în practică a unor metode precum endoscopia virtuală , care se bazează pe CT și RMN .
Pentru a îmbunătăți diferențierea organelor unele de altele, precum și a structurilor normale și patologice, sunt utilizate diferite metode de îmbunătățire a contrastului (cel mai adesea, folosind agenți de contrast care conțin iod ).
Cele două tipuri principale de administrare a agentului de contrast sunt orală (un pacient cu un anumit regim bea o soluție de medicament) și intravenoasă (efectuată de personalul medical). Scopul principal al primei metode este de a contrasta organele goale ale tractului gastrointestinal; a doua metodă permite evaluarea naturii acumulării agentului de contrast de către țesuturi și organe prin sistemul circulator. Metodele de îmbunătățire a contrastului intravenos fac în multe cazuri posibilă clarificarea naturii modificărilor patologice detectate (inclusiv indicarea destul de precisă a prezenței tumorilor, până la asumarea structurii lor histologice ) pe fundalul țesuturilor moi care le înconjoară, deoarece precum și pentru a vizualiza modificări care nu sunt detectate în timpul cercetării normale („native”).
La rândul său, contrastul intravenos poate fi efectuat în două moduri: contrast intravenos „manual” și contrast în bolus .
În prima metodă, contrastul este introdus manual de către un asistent de laborator cu raze X sau o asistentă de procedură, timpul și viteza de administrare nu sunt reglementate, studiul începe după introducerea unui agent de contrast. Această metodă este utilizată pe dispozitivele „lente” din primele generații; în MSCT, administrarea „manuală” a unui agent de contrast nu mai corespunde capacităților semnificativ crescute ale metodei.
Odată cu creșterea contrastului în bolus, agentul de contrast este injectat intravenos cu un injector-seringă la o rată și un moment stabilit de livrare a substanței. Scopul măririi contrastului în bolus este de a delimita fazele de intensificare a contrastului. Timpul de scanare variază între aparate, la rate diferite de injectare a agentului de contrast și de la un pacient la altul; în medie, la o viteză de injectare a medicamentului de 4–5 ml/sec, scanarea începe la aproximativ 20–30 de secunde după începerea injectării injectorului de contrast, în timp ce se vizualizează umplerea arterelor (faza arterială de intensificare a contrastului). După 40-60 de secunde, aparatul rescanează aceeași zonă pentru a evidenția faza portal-venoasă, în care se vizualizează contrastul venelor. Se mai distinge o fază întârziată (180 de secunde după începerea administrării), în care se observă excreția agentului de contrast prin sistemul urinar.
Angiografia CT vă permite să obțineți o serie de imagini stratificate ale vaselor de sânge; Pe baza datelor obținute, se construiește un model tridimensional al sistemului circulator folosind post-procesare computerizată cu reconstrucție 3D.
Angiografia CT spirală este unul dintre cele mai recente progrese în tomografia computerizată cu raze X. Studiul se desfășoară în regim ambulatoriu. Un agent de contrast care conține iod într-un volum de aproximativ 100 ml este injectat în vena cubitală . În momentul introducerii unui agent de contrast se efectuează o serie de scanări ale zonei studiate.
O metodă care vă permite să evaluați trecerea sângelui prin țesuturile corpului, în special:
Tomografia computerizată este utilizată pe scară largă în medicină în mai multe scopuri:
La prescrierea unei tomografii, ca și la prescrierea oricăror studii cu raze X, trebuie luate în considerare următoarele aspecte [4] :
Decizia finală cu privire la fezabilitate, sfera și tipul cercetării este luată de medicul radiolog [5] .
Fara contrast:
Cu contrast:
De asemenea, tomografia computerizată crește frecvența deteriorării ADN -ului . La efectuarea tomografiei computerizate , doza de radiații a fost de 150 de ori mai mare decât la o singură radiografie toracică [6] .
| Metode de imagistică medicală | |
|---|---|
| Raze X |
|
| Rezonanță magnetică | |
| Radionuclidul | |
| optică (laser) | |
| cu ultrasunete |
|
| Endoscopic | |