Андрей Смирнов
Время чтения: ~8 мин.
Просмотров: 1

История компьютерной томографии — history of computed tomography

Побочные эффекты КТ

Несмотря на лучевую нагрузку, при правильном применении, процедура КТ безопасна и не имеет побочных эффектов.

Для минимизации риска побочных эффектов РИ, исследование должно назначаться исключительно специалистом, после обследования пациента и исключения наличия противопоказаний к выполнению компьютерной томографии.

Частое и нерациональное назначение КТ запрещено.

При использовании КТ с контрастированием, возможны аллергические реакции на контрастное вещество различной степени тяжести (крапивница, лихорадка, анафилактический шок и т.д.). Также возможны диарея, вздутие и боли в животе на протяжении 1-2 дней после приема контраста.

Проблемы разработки

При создании отечественного МР-томографа разработчики столкнулись с рядом проблем. Прежде всего это относится к системе резистивного магнита.

В рабочей зоне, т.е. в центре магнитного томографа, требовалось достичь однородности поля на 1,5-2 порядка выше, чем в существующих приборах, использующих явление ядерного магнитного резонанса. В медицинских МР-томографах такая однородность магнитного поля должна обеспечиваться в достаточно большом объеме — сфере диаметром не менее 300 мм.

Второй не менее сложной задачей явилось создание уникальной системы электропитания магнита, обеспечивающий стабильность тока не хуже 10-6 в течение 10 минут работы томографа от бытовой сети при колебаниях напряжения 10% и частоты 1 Гц. В известных прецизионных системах электропитания, например применяемых в разделительных производствах, стабильность питающего тока того же порядка, что и в томографах (200-250 А), характеризуется значениями порядка 10-3. И при разработке системы электропитания градиентно-корректирующего модуля требовалась стабильность тока не хуже 10-4. При этом следует иметь в виду, что в состав модуля входит несколько независимых обмоток.

Кроме того, нужно было обеспечить пространственную линейность магнитного поля, которая на фантоме диаметром 200 мм должна быть не более 3%, а также однородность изображения, которая на том же фантоме должна быть не хуже 15%.

Можно упомянуть и ряд задач конструкторского и технологического плана, например изготовление обмоток электромагнита и градиентно-корректирующего модуля с точностью до десятых долей миллиметра при базовом размере порядка 1000 мм.

Но наиболее сложной и в то же время главной научно-технической проблемой, от решения которой зависел успех создания МР-томографа, явилась разработка программного обеспечения вычислительно-отображающего комплекса. В структурной схеме МР-томографа вычислительно-отображающий комплекс является тем звеном, от которого зависит работа всех основных функциональных систем томографа, и естественно, чем эффективнее заложенные в программы алгоритмы управления, тем эффективнее работа томографа в целом.

В состав томографа входят:

магнитная система (МС), включающая в себя воздушный электромагнит (ЭМ), и градиентно-корректирующий модуль (ГКМ) с источниками питания (ИП) ЭМ, ИП ГКМ и системой охлаждения (СО);

устройство получения МР-сигнала УПСИ, состоящее из электронного блока формирования радиочастотных (РЧ) импульсов, передатчика и приемно-передающих РЧ-катушек с усилителем;

вычислительный управляюще-отображающего комплекс ВОУК ПЭВМ;

стол пациента;

консоль оператора.

При подаче питания на томограф в исследуемой области с помощью электромагнита создается постоянное магнитное поле. Градиенты магнитного поля и его коррекция в заданном направлении обеспечивается градиентно-корректирующим модулем. Сканирование и переориентация градиентов осуществляются программно от ПЭВМ, и реализуются через блок формирования РЧ-импульсов и систему питания градиентных катушек. Требуемая для возбуждения магнитного резонанса последовательность импульсов формируется ПЭВМ, которая задает форму огибающих для РЧ-импульсов в передатчике и блокирует усилитель на время излучения импульсов РЧ-катушкой.

Обработка МР-сигнала и реконструкция изображения осуществляется с помощью ПЭВМ.

Список литературы

1. Розенштраух Л.С. Невидимое стало зримым (успехи и проблемы лучевой диагностики).—М.: Знание, 1987.- 64 с.

2. Томография грудной клетки / Помозгов А.И., Терновой С.К., Бабий Я.С., Лепихин Н.М. — К.:Здоровья,1992.- 288 с.

3. Компьютерная томография мозга. Верещагин Н.В., Брагина Л.К., Вавилов С.Б., Левина Г.Я.-М.:Медицина,1986.-256 с.

4. Коновалов А.Н., Корниенко В.Н. Компьютерная томография в нейрохирургической клинике.—М.: Медицина,1988. — 346 с.

5. Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т.1:Пер. с англ./Под ред. С.Уэбба.-М.:Мир,1991.- 408 с.

6. Антонов А.О., Антонов О.С.,Лыткин С.А.//Мед.техника.-1995.- № 3 — с.3-6

7. Беликова Т.П., Лапшин В.В., Яшунская Н.И.//Мед.техника.-1995.- № 1-с.7

Контрастное усиление

Для улучшения дифференцировки органов друг от друга, а также нормальных и патологических структур, используются различные методики контрастного усиления (чаще всего, с применением йодсодержащих контрастных препаратов).

Двумя основными разновидностями введения контрастного препарата являются пероральное (пациент с определённым режимом выпивает раствор препарата) и внутривенное (производится медицинским персоналом). Главной целью первого метода является контрастирование полых органов желудочно-кишечного тракта; второй метод позволяет оценить характер накопления контрастного препарата тканями и органами через кровеносную систему. Методики внутривенного контрастного усиления во многих случаях позволяют уточнить характер выявленных патологических изменений (в том числе достаточно точно указать наличие опухолей, вплоть до предположения их гистологической структуры) на фоне окружающих их мягких тканей, а также визуализировать изменения, не выявляемые при обычном («нативном») исследовании.

В свою очередь, внутривенное контрастирование можно проводить двумя способами: «ручное» внутривенное контрастирование и болюсное контрастирование.

При первом способе контраст вводится вручную рентгенлаборантом или процедурной медсестрой, время и скорость введения не регулируются, исследование начинается после введения контрастного вещества. Этот способ применяется на «медленных» аппаратах первых поколений, при МСКТ «ручное» введение контрастного препарата уже не соответствует значительно возросшим возможностям метода.

При болюсном контрастном усилении контрастный препарат вводится внутривенно шприцем-инжектором с установленными скоростью и временем подачи вещества. Цель болюсного контрастного усиления — разграничение фаз контрастирования. Время сканирования различается на разных аппаратах, при разных скоростях введения контрастного препарата и у разных пациентов; в среднем при скорости введения препарата 4—5 мл/сек сканирование начинается примерно через 20—30 секунд после начала введения инжектором контраста, при этом визуализируется наполнение артерий (артериальная фаза контрастирования). Через 40—60 секунд аппарат повторно сканирует эту же зону для выделения портально-венозной фазы, в которую визуализируется контрастирование вен. Также выделяют отсроченную фазу (180 секунд после начала введения), при которой наблюдается выведение контрастного препарата через мочевыделительную систему.

КТ-ангиография

Основная статья: КТ-ангиография

КТ-ангиография позволяет получить послойную серию изображений кровеносных сосудов; на основе полученных данных посредством компьютерной постобработки с 3D-реконструкцией строится трёхмерная модель кровеносной системы.

Спиральная КТ-ангиография — одно из последних достижений рентгеновской компьютерной томографии. Исследование проводится в амбулаторных условиях. В локтевую вену вводится йодсодержащий контрастный препарат в объёме около 100 мл. В момент введения контрастного вещества делают серию сканирований исследуемого участка.

КТ-перфузия

Метод, позволяющий оценить прохождение крови через ткани организма, в частности:

  • перфузию головного мозга
  • перфузию печени

Появление компьютерных томографов

Первые математические алгоритмы для КТ были разработаны в 1917 году австрийским математиком И. Радоном (см. преобразование Радона). Физической основой метода является экспоненциальный закон ослабления излучения, который справедлив для чисто поглощающих сред. В рентгеновском диапазоне излучения экспоненциальный закон выполняется с высокой степенью точности, поэтому разработанные математические алгоритмы были впервые применены именно для рентгеновской компьютерной томографии.

В 1963 году американский физик А. Кормак повторно (но отличным от Радона способом) решил задачу томографического восстановления, а в 1969 году английский инженер-физик Г. Хаунсфилд из фирмы «EMI Ltd.» сконструировал «ЭМИ-сканер» — первый компьютерный рентгеновский томограф, клинические испытания которого прошли в 1971 году, — разработанный только для сканирования головы. Средства на разработку КТ были выделены фирмой EMI, в частности, благодаря высоким доходам, полученным от контракта с группой The Beatles.

В 1979 году «за разработку компьютерной томографии» Кормак и Хаунсфилд были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Математическая теория

Математическая теория компьютерной томографической реконструкции восходит к 1917 году, когда австрийским математиком Иоганном Радоном было изобретено преобразование Радона , который математически показал, что функция может быть восстановлена ​​из бесконечного набора ее проекций. В 1937 году польский математик Стефан Качмарц разработал метод поиска приближенного решения большой системы линейных алгебраических уравнений. Это, наряду с теоретической и экспериментальной работой Аллана МакЛеода Кормака , заложило основу для метода алгебраической реконструкции , который был адаптирован сэром Годфри Хаунсфилдом в качестве механизма реконструкции изображения в его первом коммерческом компьютерном томографе.

В 1956 году Рональд Н. Брейсвелл использовал метод, аналогичный преобразованию Радона, для восстановления карты солнечной радиации . В 1959 году невролог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Уильям Олдендорф придумал идею «сканировать голову с помощью прошедшего пучка рентгеновских лучей и иметь возможность реконструировать структуру радиоплотности самолета через голову» после наблюдения за автоматическим устройством, построенным для отбрасывания обмороженных фруктов обнаружение обезвоженных частей. В 1961 году он построил прототип, в котором источник рентгеновского излучения и механически связанный детектор вращались вокруг объекта, который нужно было отобразить. Реконструируя изображение, этот инструмент мог получить рентгеновский снимок ногтя, окруженного кругом других ногтей, что делало невозможным рентгеновское излучение под любым углом. В своей знаменательной статье 1961 года он описал основную концепцию, позже использованную Алланом МакЛеодом Кормаком для развития математики, лежащей в основе компьютерной томографии.

В октябре 1963 года Ольдендорф получил в США патент на «устройство лучистой энергии для исследования выбранных областей внутренних объектов, скрытых плотным материалом», за что он разделил премию Ласкера 1975 года с Хаунсфилдом. Область математических методов компьютерной томографии продолжает активно развиваться.

В 1968 году Нирвана Макфадден и Майкл Сарасват разработали рекомендации по диагностике распространенных патологий брюшной полости, включая острый аппендицит , непроходимость тонкой кишки , синдром Огилви , острый панкреатит , инвагинацию и атрезию кожуры яблок .

Обычная томография фокальной плоскости оставалась основой радиологической диагностики до конца 1970-х годов, когда доступность мини-компьютеров и развитие поперечного осевого сканирования привели к постепенному вытеснению КТ в качестве предпочтительного метода получения томографических изображений. С математической точки зрения, метод основан на использовании преобразования Радона. Но, как позже вспоминал Кормак, он должен был найти решение самому, поскольку только в 1972 году он случайно узнал о работе Радона.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации