57. Рентгенова диагностика. Рентгенова компютърна томография.

57.1. Рентгенова диагностика

Приложението на рентгеновите лъчи за образна диагностика започва много скоро след откриването им. Първата рентгенова снимка на ръката на г-жа Рентген е направена на 22 декември 1895. Основата на метода е зависимостта на общия коефициент на отслабване на рентгеновите лъчи μ от вида на биологичните тъкани. Най-големи са стойностите на μ  за костите, многократно по-малки за меките тъкани и най-малки – за въздушните кухини. Затова интензитетът на рентгеновите лъчи, преминали през костни структури е най-малък, а зад въздушните кухини – най-голям. Разликата между стойностите на µ  за тези тъкани е по-голяма при по-ниски енергии на фотоните, отколкото при по-високи (фиг. 57.1). Това определя по-големия контраст на рентгеновия образ при по-ниски енергии на фотоните, получаван обаче за сметка на по-голяма погълната лъчева енергия в тялото при по-големите стойности на μ.

Фиг. 57.1.Зависимост на коефициента на отслабване на рентгеновите лъчи от вида на биологичните тъкани

Класическите методи за използване на рентгеновите лъчи за диагностика са:

• Рентгеноскопия – образ се наблюдава върху флуоресцентен екран.
• Рентгенография – образ се получава върху фотоплака.

Недостатък на тези класически методи е, че диагностичният образ е двумерна проекция на пролъчените тримерни структури.

57.1.1. Рентгеноскопия

При рентгеноскопията на пътя на лъчението се поставя обектът (човек, животно). След обекта се намира флуоресциращ екран, на който се наблюдава сянковия образ (фиг. 57.2). В зависимост от изследваните тъкани се подбира интензивността на лъчението и дължината на вълната. В случаите, когато се изследват органи, които поглъщат слабо лъчението, в тялото на пациента се внасят вещества с по-голяма поглъщателна способност. Така могат да се изследват формата, размерите и нееднородностите на изпълнените с контрастно вещество вътрешни органи.

Фиг. 57.2 . Първи рентгеноскопски изследвания

Недостатък на рентгеноскопията е:

• ниска чувствителност
• ниска яркост
• гледане на тъмно
• дълго време на облъчване
• възможно облъчване и на доктора

В последните години скопията се усъвършенства, като вместо флуоресциращ екран се използват усилвател на рентгеновото изображение, в които се намира електронно-оптичен преобразовател и образ се получава на монитор (фиг. 57.3). Това позволява да се получи хиляди пъти по-ярък образ при намалено лъчево натоварване

Фиг. 57.3.Рентгеноскоп, използван при ангиографска катетаризация, Рентгеновата тръба се намира под масата, на която лежи пациента, а над него се намира приемника, който приема и усилва преминалите рентгенови лъчи и ги предава на монитор. .

Основно преимущество на рентгеноскопията е възможността да се получи образ в реално време, да се оцени не само структурата на органа, но и неговата съкратимост или подвижност, локализацията на обекти чрез завъртане на пациента, проследяване запълването на стомаха и червата с контрастна материя. Рентгеноскопията позволява и да се контролира провеждането на някои инструментални процедури като ангиография.

57.1.2. Рентгенография.

При рентгенографията се използва фотохимичното действие на рентгеновите лъчи върху фотоемулсия. Образът се получава на рентгенов филм или филм-фолийна комбинация (Фиг. 57.4). Рентгенографията е основен метод за диагностика на костната система, както и като скринингов метод за изследване на белите дробове. Качеството на получените образи зависи от интензивността и дължината на вълната на лъчението, като в зависимост от изследвания орган и пациента трябва да се подберат подходящите параметри на облъчването.

Вече се използват и дигитални детектори като CCD, като изображението се записва и съхранява в компютър и се наблюдава на монитор (Фиг. 57.5).

   

Фиг. 57.4. Получаване на образ при рентгенографията.

   

Фиг. 57.5. Дигитални детектори

Преимуществата на рентгенографията са свързани с широката достъпност на изследването, относително ниска стойност, снимките могат до се използват и за последващи консултации. Недостатъците са свързани с много малкия контраст при меките тъкани.

57.2. Компютърна рентгенова томография (СТ)

През последните години се разработват и нови методи за използване на рентгеновите лъчи за диагностика: Това е компютърна рентгенова томография. Наименованието томография се формира от гръцките думи томос (част, сектор) и графос (пиша). В основата на СТ са публикуваните през 1917 г. от Радон уравнения за получаване на образ на двумерен или тримерен обект от неговите едномерни проекции, както и разработената от Мак Кормак през 1956 г. математичната теория за реконструиране на образа. Първият рентгенов компютърен томограф е създаден от Хаунсфийлд за изследване на главния мозък. През 1979 г. Мак Кормак и Хаунсфийлд получават Нобелова награда по физиология или медицина за създаването на СТ.

Принципът на компютърната томография е илюстриран на фиг. 57.6. При класическите методи като рентгенография, диагностичният образ (Р) е двумерна проекция на пролъчените тримерни структури. При компютърната томография се получават серия от образи през различни направления (S₁, S₂), които след това се обединяват в образ чрез компютърни алгоритми за реконструкция на образа. Снимка на съвременен компютърен томограф е представена на фиг. 57.6.

Фиг. 57.6. Принцип на компютърната томография и снимка на съвременен компютърен томограф.

Фазите на формиране на образа при компютърната томография са сканиране, реконструиране и  визуализиране.

Сканиране

• Pтесен колимиран сноп рентгенови лъчи преминава под различни ъгли през тънък слой тъкани между две напречни равнини (фиг. 57.7 ).
• Pсигналите от преминалото лъчение се измерват с голям брой детектори
• Pсигналите постъпват в паметта на компютър, който управлява диагностичен процес

Фиг. 57.7. Сканиране при СТ.

Реконструиране

• коефициентът на отслабване в определена точка от среза μ(x,y) се получава като сума от  едномерните сигнали;
• μ(x,y) на всеки елемент (x,y) от матрицата (пиксел) се представя чрез т.н. Хаунсфийлдови единици:

Различните вещества и тъкани имат различна стойност на Хаунсфийлдовите единици. Като еталон се използва водата и за нея HU=0. Скалата на Хаунсфийлдовите единици е от минус 1000 (за въздух) до плюс 3000 (за плътни кости); меките тъкани имат HU от минус 300 до минус100

Визуализиране

При третия етап от формирането на образа – визуализирането, на всяка HU се приписва определена яркост, като черният цвят съответства на най-малките стойности на HU, а белият – на най-големите. Използва се 2¹² или 2¹⁶ степени на сивота. Разделителната способност е по-малка от тази на конвенционалните рентгенови методи – до 0,4 – 0,5 mm, и е ограничавана от физичните размери на детекторите и големината на цифровата матрица.

По този начин може да се реконструират образите, както е показано на фиг. 57.6 . Типична информация, получавана от СТ, е илюстрирана на фиг. 57.8.

Фиг. 57.8. Реконструиране на СТ образ.

При съвременните СТ уредби рентгеновият сноп в равнината на среза е ветрилообразен и широк, обхващащ изцяло тялото на пациента. Това намалява времето за получаването на образа на един срез до по-малко от секунда. Модерна модификация са спиралните СТ, при които по време на непрекъснатото въртене на системата тръба-детектори, масата с пациента извършва бавно линейно движение. Последно поколение са многосрезовите СТ, при които увеличеният брой детектори по оста z осигурява получаването едновременно на образите на повече (от 4 до 64) успоредни среза (фиг. 57.9). Това съкращава още повече времето на сканирането и позволява изследването на бързи динамични процеси, например в кардиологията.

Фиг. 57.9. Многосрезови и спирални СТ.

Предимства на компютърната рентгенова томография:

• разграничаване на разлики в рентгеновата плътност на тъканите до 0,25 – 0,5 %       (2 % при конвенционалната графия)
• визуализиране на сигналите от тънък слой тъкани;

допълнително компютърно увеличение на  контраста чрез “прозоречна техника”

Недостатък на компютърната рентгенова томография е относително голямото лъчево натоварване на пациента. Типична стойност на ефективната доза при СТ на глава е 2,3 mSv, при стойност за същата величина при рентенография на черепа е 0,07 mSv. При изследвания на тазовата област стойностите на тази величина при са съответно 13,3 mSv при СТ и 0,8 mSv при рентгеновата графия. При рентгенграфия на бял дроб получената доза е 0.02 mSv, а при СТ на бял дроб е между 5.8 и 8 mSv. Това изисква строго обосноваване на всяко СТ диагностично изследване. Въпреки това голямата диагностична стойност на този тип изследвания ги прави оправдани.

Фиг. 57.10. Едно тримерно и 3 едномерни изображения от СТ.