Компьютерная томография (краткая запись — КТ) объединяет комплекс средств, которые используются для определения внутренней структуры тканей и органов без нарушения их целостности при исследовании. Под это определение подходит не только сама компьютерная томография, но и магнитно-резонансная томография, позитронно-эмиссионная томография и ультразвуковое исследование.
В качестве объектов исследования могут выступать технические конструкции — элементы приборов, машин и сооружений, природные.
Мы будем рассматривать задачу получения информации для диагностики болезней, когда объектом исследования есть тело человека. Эта задача имеет определенную специфику и налагает особые ограничения как на конструкцию информационно-измерительных приборов и систем, так и на процессы проведения измерении.
Слово томография объединяет два слова — томо (слой) и графоа (записать). Таким образом, слово томография означает записать слой.
Основные виды компьютерной томографии
Компьютерная томография не должна влиять на протекание биохимических процессов, обмена, диффузии и других процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма.
Для решения главной задачи компьютерной томографии — определения параметров структуры применяются следующие виды воздействии на организм:
- рентгеновское излучение (рентгеновские кванты) — обычная компьютерная томография;
- радиоактивное излучение; в этом методе радиофармпрепарат (сокращенно РФП) — вещество с кратким периодом радиоактивного полураспада – вводится в организм при помощи инъекций или через пищеварительный тракт; установившееся в течение некоторого времени распределение РФП по исследуемому органу является основной характеристикой структуры.
- электромагнитное поле; этот вид используется в КТ в форме эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМР-эффект).
- Ультразвуковое излучение; здесь также в основном речь идет об определении распределения плотности по объему, хотя с помощью ультразвуковой техники могут решаться и другие задачи, например, задача о распределении скорости тока крови в сосудах;
В диагностике болезней используют также воздействие потоком видимого света (диафаноскопия), лазерным излучением, воздействие распределенным электрическим током, измерение собственного теплового излучения организма (термография), собственных электрических токов (электрокардиография, электроэнцефалография).
Обзор развития компьютерной томографии
Приведем краткий исторический обзор развития перечисленных выше основных четырех методов диагностики — от измерений простейшего вида до томографических, позволяющих определить тонкую структуру в плоском срезе или во веем объеме.
Открытие немецким физиком Рентгеном проникающих сквозь непрозрачные объекты Х-лучей 8 ноября 1893 года в лаборатории в Вюрцбурге произвело революцию в медицинской диагностике. Материал этого открытия был опубликован К. В. Рентгеном в декабре 1893 года, причем К. В. Рентген принципиально отказался от патентования, лицензирования и вообще от подписания любых коммерческих договоров, связанных с использованием Х-лучей, считая, что его открытие принадлежит всему человечеству. Первое медицинское применение аппаратов Рентгена было сделано в Бирмингеме (Великобритания) для обнаружения и последующего удаления иголки в ладони.
С тех пор конструкция рентгеновских аппаратов и методики их использования не претерпели существенных изменений — совершенствовались отдельные узлы и детали, но не менялись основные принципы.
Основным недостатком обычной рентгенодиагностики есть то, что здесь происходит проектирование структур на плоскость и, вследствие этого, затенение одних органов другими, что можно избежать в компьютерной томографии.
Изобретение компьютерного томографа
Революционным изобретением, позволившим избавиться от этого недостатка, стало изобретение в начале 70-х компьютерного томографа — это сделали Хаунсфнлд и Мак-Кормак, удостоенные за это Нобелевской премии медицине 1979 года. В рентгеновском компьютерном томографе Хаунсфилда и Мак-Кормака, который на Западе чаще называют сканером, используется тонкий пучок рентгеновских квантов, пересекающий объект по всем возможным направлениям в необходимой плоскости.
Как выяснилось впоследствии, впервые такая задача была поставлена и решена математиком Радоном еще в 1917 году. Хаунсфнлд и Мак-Кормак и их последователи переоткрыли решение Радона, разработав попутно ряд новых алгоритмов решения основной задачи КТ, использующих возможности современной вычислительной техники.
Отметим, что известны работы, опубликованные до Хаунсфилда и Мак-Кормака, в которых была доказана возможность восстановления структуры по интегралам от характеристик структуры или, как говорят, возможность решения задачи восстановления изображений по проекциям. Этому вопросу посвящены публикации Корснблюма, Тетельбаума, Тютина и Олдендорфа. Однако первыми реальное томографическое изображение получили все же именно Хаунсфилд и Мак-Кормак.
Поколения компьютерных томографов
В развитии компьютерной томографии в настоящее время различают пять этапов и насчитывают пять поколений томографов:
- 1 поколение томографов — просвечивание объекта дет пучками параллельных лучей, для перехода от пучка к пучку делают поворот системы
- 2 поколение томографов — просвечивание идет пучком расходящихся лучей (веером) в сочетании с плоско-параллельным движением веера и, естественно, вращением
- 3 поколение томографов — для комьютерной томографии используется веер с широким углом раствора, что позволяет не делать параллельный перенос, остается только вращение
- 4 поколение томографов — для компьютерной томографии используют вращающийся веер со стационарным кольцом детекторов
- 5 поколение томографов — сканирование проводят лучом, управляемым электронной схемой; в этих томографах движущихся элементов нет вообще, однако нужны большие вакуумные трубки для формированиня и управления лучом.
Большинство клиник оснащены в основном сканерами 4 поколения, которые выпускаются такими фирмами как Siemens, Hewlett-Packard. Отметим, что рентгеновские компьютерные томографы первых поколений выпускались также в СССР — медицинского назначения в Киеве, промышленного — в Москве.
Другие виды томографии
МРТ
Ядерный магнитный резонанс, используемый в ЯМР-томографах, открыт Bloch F. и Purcell F.М. в 1946 году. Как уже отмечалось, это явление заключается в резонансном взаимодействии элементарных магнитных моментов (спинов), помещенных в постоянное магнитное поле, с магнитной компонентой электромагнитной волны. ЯМР-томограф позволяет с помощью электронных схем управления излучающими, градиентными и приемными катушками произвести сканирование сечений исследуемых объектов и по результатам измерений параметров излученной из объекта электромагнитной волны восстановить внутреннюю структуру. Первым разработал ЯМР-томограф и получил томографическое изображение Лаутербур в 1973 году. Следует отметить, что первым предложил использовать явление ЯМР для медицинских целей американский ученый Дамадян в 1972 году. Заявки на авторское свидетельство на изобретение ЯМР-томографа подавались В. А. Ивановым (г. Ленинград) в 1959-1960 гг..
Компьютерная ЯМР-томография оказалась намного разнообразнее рентгеновской компьютерной томографии — всего таких способов к настоящему времени предложено и реализовано более двух десятков.
Позитронно-эмиссионная томография
Идея применить радиоактивные вещества для просвечивания непрозрачных тканей и получения компьютерной томограммы возникла, по-видимому, на основе сходства в поведении квантов видимого света, рентгеновских квантов и квантов радиоактивного излучения. Проблема заключалась в том, чтобы найти надежные способы измерения яркости излучения и изобрести линзы — устройства для фокусировки квантов. Начало таким разработкам было положено с момента изобретения способов получения искусственных радиоизотопов на атомных ускорителях (1940 год).
Одной из существенных проблем на пути создания эмиссионной томографии была проблема измерения и регистрации гамма-излучения тела человека, интенсивность которого ограничивается требованиями радиационной безопасности. Эта проблема была решена Энгером в 1932-33 году, который разработал камеру со сцинтилляционным кристаллом йодистого натрия, выполняющим функцию усилителя, а также камеру, оснащенную фотоэлектронными умножителями. В 1968 г. Энгер предложил использовать изобретенную им камеру с фокусирующим коллиматором — линзой для квантов для получения томографического изображения.
Дальнейшее развитие позитронно-эмиссионной томографии связано с разработкой однофотонной эмиссионной томографии (ОФЭКТ), в которой регистрируются одиночные кванты, распространяющиеся вдоль некоторой прямой с последующим вощением этой прямой, и с разработкой позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), где фиксируются пары квантов, образующиеся в результате аннигиляции позитрона и электрона и разлетающиеся в прямо противоположных направлениях. Эти приборы разрабатывались одновременно во многих фирмах и лабораториях и поэтому, как отмечается в известном обзоре С. Уэбба, невозможно в точности установить приоритет в изобретениях. Значительный вклад в разработку и клиническое внедрение эмиссионной компьютерной томографии внесли G. Muelilenner, R. A. Wetzel, 1971 г., A. R. Bowley, 1973 г. и многие другие. Обзор работ отечественных ученых в области медицинской эмиссионной диагностики и томографии приведен в книге Г. А. Федорова и С. А. Терещенко.
УЗИ
В ультразвуковых (акустических) методах диагностики измеряются параметры естественных или искусственно созданных механических колебаний и волновых движений в диагностируемых объектах. Преимущество ультразвука перед рентгеновским или радиационным воздействием — в их безопасности для живого организма, недостаток — и меньшей разрешающей способности. Ультразвуковые измерения, как известно, давно и широко используются в подводной локации, особенно для военных целей, однако медицинские приложения метода стали возможными только в результате развития электронной измерительной и управляющей техники после второй мировой воины. Большинство ультразвуковых диагностических приборов основано на измерении отраженных от границ неоднородностей ультразвуковых сигналов — эхо-сигналов, хотя известны также разработки трансмиссионных ультразвуковых приборов и систем —аналогов рентгеновских систем. Первые публикации по проблеме применения ультразвука для медицинских целей относятся к началу 40-х годов первый патент по данной проблеме был получен Фанерстоном еще в 1940 году. Двумерное эхо-изображение метабластомы ноги, полученное при помощи секторного сканирования, было опубликовано впервые Уайльдом и Райдом (J. J. Wild, J. М. Reid) в 1952 г. В том же году Хаури и Блисс получили двумерное ультразвуковое изображение кисти руки. В дальнейшем развитие ультразвуковой техники происходило по пути совершенствования конструкции излучателей, приемников, сканирующих приспособлений и устройств для сбора, обработки и отображения информации в виде, удобном для врача-диагноста. К настоящему времени создано большое количество весьма совершенных приборов, серийно выпускаемых в Японии, Великобритании, Германии, Франции, США, России и других странах.