Томографія в медицині
томографія
Томографія заснована на отриманні пошарових зображень об'єкта досліджень. Вперше цей метод був розроблений Н.І. Пироговим. Він створив атлас під назвою "Топографічна анатомія", що містить зображення пошарових розрізів, проведених через заморожене тіло людини в трьох напрямках. Сучасна томографія також заснована на отриманні пошарових зображень. Однак, сучасна томографія дозволяє проводити прижиттєві дослідження і за допомогою математичної обробки виробляти тривимірну реконструкцію зображення досліджуваного органу.
У медицині використовується різні методи томографії: Комп'ютерна томографія (КТ), магнітно-резонансна томографія (МРТ), Однофотонна емісійна комп'ютерна томографія (ОЕФКТ) і Позитронна емісійна томографія (ПЕТ).
Комп'ютерна томографія
Мал. 1. Ілюстрація відмінності звичайної рентгенограммой і пошаровим зображенням
Комп'ютерна томографія - метод неруйнівного пошарового дослідження внутрішньої будови був запропонований в 1979 році Годфрі Хаунсфілда і Алланом Кормаком. удостоєних за цю розробку Нобелівської премії.
У звичайних рентгенівських методів є недоліки. По-перше, в двовимірної рентгенівської картині об'єкти розташовані в глибині накладатися (див. Рис.1). По-друге, зазвичай рентгенівські промені не можуть розрізняти м'які тканини. Зміни в м'яких тканинах, таких як печінка і підшлункова залоза, не помітні, а деякі інші органи можуть бути зроблені видимими тільки за допомогою використання рентгеноконтрастних барвників. По-третє, при використанні звичайних рентгенівських методів, не представляється можливим кількісно виміряти щільності окремих речовин, через які пройшло рентгенівське випромінювання. Радіограма фіксує тільки середнє поглинання всіх різних тканин. Комп'ютерна томографія вимірює ослаблення рентгенівських променів, що проходять через ділянки тіла з сотень різних кутів, отримуючи зрізи, а потім, за допомогою комп'ютерної обробки, великий серії двовимірних рентгенографічних знімків, зроблених навколо однієї осі обертання, виходить тривимірне зображення.
Прогрес КТ-томографів безпосередньо пов'язаний зі збільшенням кількості детекторів, тобто зі збільшенням числа одночасно збираються проекцій.
Апарат 1-го покоління з'явився в 1973 році. КТ-апарати першого покоління були покроковими. Була одна трубка, спрямована на один детектор. Сканування проводилося крок за кроком, роблячи по одному обороту на шар. Кожен шар оброблявся близько 4 хвилин.
* Гентрі - рухлива, як правило кільцева, частина томографічного апарату, що містить скануючий обладнання.
Подальший прогрес пов'язаний з появою
спіральних комп'ютерних томографів (1988 р) і збільшенням кількості детекторів. Спіральне сканування полягає в безперервному обертанні рентгенівської трубки і безперервному поступального руху столу з пацієнтом уздовж поздовжньої осі сканування z через апертуру гентрі *. Технологія спірального сканування дозволила значно скоротити час, що витрачається на КТ-дослідження і істотно зменшити променеве навантаження на пацієнта.
Рис.2. Сучасний комп'ютерний томограф
КТ на сьогоднішній день - провідний метод діагностики багатьох захворювань головного мозку, хребта, легенів і середостіння, печінки, нирок, підшлункової залози, наднирників, аорти та легеневої артерії, серця і ряду інших органів. КТ можна використовувати і як метод первинної діагностики, і як уточнюючу методику, коли попередній діагноз вже поставлений за допомогою УЗД або клінічного обстеження.
МСКТ - це найкращий метод діагностики захворювань легенів і кісток скелета. При введенні контрастної препарату КТ дозволяє отримувати якісні тривимірні зображення судин і серця, в тому числі коронарних артерій і аортокоронарне шунтів. Для проведення цих досліджень не потрібна госпіталізація і введення катетера в судини серця.
Сцинтиграфія і однофотонная емісійна комп'ютерна томографія
сцинтиграфия
Сцинтиграфия - метод функціональної візуалізації, що полягає у введенні в організм радіоактивних ізотопів і отриманні двовимірного зображення шляхом визначення випускається ними випромінювання.
* Іноді в якості міток (мічених атомів застосовують стабільні ізотопи, які фіксуються мас-спектрометрами.
Пацієнту вводять препарат, що складається з молекули-вектора і радіонукліда *. Молекула-вектор поглинається певною структурою організму (орган, тканина, рідина). Радіонуклід випромінює, і його випромінювання реєструється детектором (гамма-камерою).
Мал. 3. Схема гамма-камери.
До складу сучасної гамма-камери входять (див. Рис. 3)
- багатоканальний коліматор, що виділяє напрямок гамма-квантів;
- сцинтилятор великої площі
(
Щоб отримати інформацію про направлення вильоту з людського тіла γ-квантів, відбувається їх колімація в багатоканальному коліматорі. Сцинтілятор детектора проглядається матрицею фотопомножувачів. Таким чином визначається напрямок приходу γ-кванта, що дає можливість реконструювати точку його випускання.
Однофотонна емісійна комп'ютерна томографія
(Single-photon emission computed tomography, SPECT)
Мал. 4. емісійної комп'ютерний томограф.
Подальший розвиток радіоізотопної діагностики призвело до створення однофотонних емісійних комп'ютерних томографів (ОФЕКТ). У цих томографах тривимірне зображення може бути отримане шляхом комп'ютерної обробки серії площинних сцінтіграмм.
Для того, щоб отримати зображення в ОФЕКТ, гамма-камера повертається навколо пацієнта. Проекції фіксуються, як правило, через кожні 3-6 градусів. У більшості випадків для отримання оптимального відновлення, використовується повне обертання на 360 градусів. Типовий час, необхідне для отримання кожної проекції 15-20 секунд. Відповідно загальний час сканування 15-20 хвилин. Для зменшення часу сканування використовуються детектирующие системи складаються з двох або більше гамма-камер.
Використання електрокардіографа в якості тригера в ОФЕКТ дозволяє отримати диференціальну інформацію про роботу серця в різні моменти серцевого циклу.
У сцинтиграфії та ОФЕКТ використовуються одні й ті ж радіоактивні препарати. У більшості діагностичних процедур (
80%) протягом останніх 30 років використовуються препарати з 99m Tc. Однак використовують і інші радіоізотопи. У таблиці наведено деякі ізотопи, використовувані в діагностиці
Так для сцинтиграфії серця використовують 201 Tl, пірофосфат 99m Тс, 67 Ga. Галій, наприклад, накопичується в запальних вогнищах в серці, що проявляється на сцінтіграммах. При сцинтиграфії легенів: за допомогою альбуміну, міченого 131 I або 99m Тс, на сцінтіграммах виявляють зони значного зменшення накопичення ізотопу, що свідчить про тромбоемболії легеневої артерії. Зображення кісткового мозку можна отримати за допомогою сірчаного колоїду, міченого технецием 99m Тс, який накопичується в клітинних елементах кісткового мозку. При гострих лейкозах, у хворих міелосклероза, прилімфогранулематозі в зображеннях кісткового мозку є особливості. Сцинтиграфія щитовидної залози проводиться за допомогою препаратів 131 I або 99m Тс, що дозволяє діагностувати в ній вузлові утворення.
КТ + ОФЕКТ
Об'єднання комп'ютерної томографії та емісійної комп'ютерної томографії в єдиній системі призводить до підвищення точності обох типів дослідження. Так ослаблення гамма-випромінювання, всередині пацієнта може привести до суттєвої недооцінки активності в глибоких тканинах, у порівнянні з поверхневими тканинами. Використання інтегрованого з ОФЕКТ комп'ютерного томографа дозволяє оптимізувати корекцію поглинання гамма-випромінювання в тканинах. Інтегрована система дозволяє точно визначити локалізацію ураження при накладенні зображення, проводити своєчасну діагностику онкологічних захворювань, здійснювати диференціацію злоякісних і доброякісних утворень різних органів і систем, виявляти наявність структурних змін і функціональних порушень на стадії мінімальних клінічних проявів захворювання.
Мал. 5. Зображення в ОФЕКТ, КТ та інтегрованій системі ОФЕКТ / КТ
Позитронно-емісійна томографія
(Двухфотонная емісійна томографія)
ПЕТ сьогодні є одним з найдосконаліших діагностичних інструментів.
Рентгенівська, ультразвукова, і магнітно-резонасной томографія виявляють структуру органу на стадії її патологічного зміни. ПЕТ ж здатний зареєструвати зміни в обмінних процесах, які цьому передують. ПЕТ допомагає самому раннього виявлення патологічних зрушень задовго до появи морфологічних змін. ПЕТ застосовується в онкології, кардіології та неврології, при вивченні метаболічних процесів у мозку та інших органах, механізмів дії лікарських препаратів. Можливості ПЕТ в значній мірі визначається арсеналом доступних мічених сполук - радіофармпрепаратів (РФП).
Розглянемо принцип роботи ПЕТ.
Пацієнту вводять РФП, що містить β + -активний ізотоп.
Позитрони, випущені радіонуклідами, мають в біологічних тканинах дуже короткий пробіг (кілька мм). В результаті анігіляції позитронів утворюються два γ-кванта з енергіями 511 кеВ. Таким чином, анігіляція відбувається практично в тому ж місці, де знаходилася молекула РФП. γ-Кванти розлітаються в протилежних напрямках і реєструється методом збігів. Пара датчиків розташовується на одній прямій з різних сторін пацієнта, і обидва γ-кванта потрапляють на свої датчики одночасно. В результаті реєстрації такої події можна побудувати пряму лінію, що проходить через область концентрації радіонукліда. Сегментований детектор виконаний у вигляді декількох кілець, що оточують пацієнта см. Рис. 6. Зареєструвавши велике число пар γ-квантів, і, побудувавши перетин їх траєкторій, можна отримати зображення розподілу РФП і таким чином візуалізувати досліджуваний орган.
У сучасних системах з високим тимчасовим дозволом використовується метод "час прольоту", що дозволяє з точністю декількох сотень пикосекунд визначити різницю в часі між виявленням двох фотонів. Це дозволяє локалізувати місце, де сталася анігіляція в межах десяти сантиметрів. Цією точності недостатньо для ПЕТ, проте використання додаткової інформації, яку дає використання методу часу прольоту дозволяє при реконструкції зображення значно поліпшити його якість, особливо ставлення сигнал-шум.
Мал. 6. Схематичне зображення ПЕТ.
У ПЕТ використовую радіофармпрепарати містять 15 O (період напіврозпаду 2.04 хв),
13 N (9.96 хв). 11 С (20.4 хв). 18 F (110 хв) і ін. 18 F володіє оптимальними характеристиками для використання в ПЕТ: найбільшим періодом напіврозпаду і найменшою енергією β +-випромінювання. З одного боку, відносно невеликий період напіврозпаду фтору-18 дозволяє отримувати ПЕТ-зображення високої контрастності при низькій дозового навантаження на пацієнтів. Низька енергія позитронного випромінювання забезпечує високу просторову роздільну здатність ПЕТ-зображень. Щодо великий період напіврозпаду 18 F дозволяє розташовувати його виробництво окремо, транспортуючи отриманий РФП в кілька прилеглих ПЕТ центрів. Найбільш поширеним радіофармпрепаратів (РФП) для ПЕТ є фтордезоксіглюкози (FDG). Однак, найбільш якісні зображення виходять при використанні таких радіонуклідів, як 15 O, 13 N і 11 С
Технологія ПЕТ використовується для зондування структури мозку. Глюкоза найбільш активно поглинається тими областями мозку, які в даний момент виконують певну функцію. ПЕТ дозволяють отримувати зображення областей поглинання маркованої радіонуклідом глюкози. Таким чином виявляються ті області мозку, які пов'язані з різними видами розумової діяльності.
ПЕТ все частіше використовується разом з КТ або магнітно-резонансною томографією (МРТ). Таким чином практично одночасно виходить інформація як про структуру, так і про біохімії. ПЕТ найбільш корисна в поєднанні з анатомічної візуалізацією. Сучасні ПЕТ-сканери тепер доступні з інтегрованими КТ-сканерами, розміщеними в одному гантрі (ПЕТ-КТ). Два сканування можуть бути виконані послідовно протягом одного сеансу. Хворий не змінює положення між двома типами сканування. Таким чином, функціональна візуалізація, що отримується за допомогою ПЕТ, який зображує просторовий розподіл метаболічних або біохімічної активності в організмі, може бути скоррелировано з анатомічної візуалізації отриманої за допомогою КТ. ПЕТ-КТ додає точність анатомічної локалізації в функціональну візуалізацію, якої раніше бракувало у звичайній ПЕТ.
Нові установки ПЕТ складаються майже виключно з комбінованих сканерів ПЕТ-КТ. Однак, ПЕТ-КТ має певні недоліки, в тому числі неможливість одночасно здійснювати збір даних і значного дози опромінення пацієнта, внесеної КТ.
Останнім часом активно ведуться роботи по альтернативної ПЕТ-КТ гібридної технології візуалізації - технології ПЕТ-МРТ. У порівнянні з КТ МРТ, зокрема, дає кращий контраст між м'якими тканинами. Взагалі, комбінація ПЕТ-МРТ забезпечує багато переваг, які виходять за рамки простого поєднання функціональної інформації від ПЕТ з структурної інформацією від МРТ. Області клінічного застосування ПЕТ-МРТ онкологія, кардіологія і неврологія.
Мал. 7. Знімки екрану комп'ютера. Зліва направо зображення ПЕТ, МРТ і комбіноване зображення ПЕТ-МРТ.
Ізотопи для ПЕТ, як правило, виробляють на місці проведення дослідження. Це пов'язано з тим, що більшість ПЕТ ізотопів є ультракороткоіснуючих, з періодами напіврозпаду які обчислюється кількома хвилинами і навіть секундами. Прискорювачі виробляють необхідні для ПЕТ часто розташовуються поблизу томографа, або є складової частини комплексу. Оскільки для отримання позитронного емітерів досить мати протони з енергією від 10-18 МеВ або дейтрони з енергією 5-9 МеВ (для цієї мети підходять малогабаритні циклотрони). Часто томографи поставляються разом з циклотроном. Крім того необхідна автоматична радіохімічна лабораторія.
Альтернатива такої організації ПЕТ в ряді випадків - генератор радіонуклідів.