Принцип метода рентгеновской компьютерной томографии

Обновлено: 03.07.2024

Компьютерная томография (КТ), также известная, особенно в старой литературе и учебниках, как компьютерная аксиальная томография (КТ), представляет собой процедуру диагностической визуализации, в которой используются рентгеновские лучи для построения изображений поперечного сечения ("срезов"). ) тела. Сечения реконструируются по измерениям коэффициентов ослабления рентгеновских лучей в объеме исследуемого объекта.

Компьютерная томография основана на фундаментальном принципе, согласно которому плотность ткани, проходящей через рентгеновский луч, может быть измерена путем расчета коэффициента затухания. Используя этот принцип, КТ позволяет реконструировать плотность тела с помощью двухмерного сечения, перпендикулярного оси системы сбора данных.

Рентгеновская трубка КТ (обычно с уровнями энергии от 20 до 150 кэВ) излучает N фотонов (монохроматических) в единицу времени. Испускаемые рентгеновские лучи образуют пучок, который проходит через слой биологического материала толщиной Δx. Детектор, расположенный на выходе из образца, измеряет N + ΔN фотонов, ΔN меньше 0. Регистрируются значения ослабления рентгеновского луча, и данные используются для построения трехмерного представления сканируемого объекта/ткани.

Существуют два основных процесса поглощения: фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. Это явление представлено одним коэффициентом mju.

В частном случае КТ излучатель рентгеновских лучей вращается вокруг пациента, а детектор, расположенный с диаметрально противоположной стороны, улавливает изображение участка тела (луч и детектор движутся синхронно).

В отличие от рентгеновской рентгенографии, детекторы компьютерного томографа не создают изображения. Они измеряют пропускание тонкого пучка (1-10 мм) рентгеновских лучей при полном сканировании тела. Изображение этого участка снимается с разных ракурсов, что позволяет получить информацию о глубине (в третьем измерении).

Чтобы получить томографические изображения пациента из данных "сырого" сканирования, компьютер использует сложные математические алгоритмы реконструкции изображения.

Если рентгеновское излучение на выходе из трубки сделать монохроматическим или квазимонохроматическим с соответствующим фильтром, можно рассчитать коэффициент ослабления, соответствующий объему облучаемой ткани, по общей формуле поглощения рентген в полевых условиях (см. рис. 1).

Исходящая интенсивность I(x) измеряемого пучка фотонов будет зависеть от местоположения. На самом деле I(x) меньше там, где тело более рентгеноконтрастно.

Хаунсфилд выбрал шкалу, влияющую на четыре основные плотности, со следующими значениями:

воздух = -1000 HU (единицы Хаунсфилда)
жир = от -60 до -120 HU
вода = 0 HU
компактная кость = +1000 HU

Изображение участка объекта, облучаемого рентгеновским излучением, восстанавливается из большого количества измерений коэффициента ослабления. Он собирает воедино все данные, поступающие от элементарных объемов материала через детекторы. С помощью компьютера он представляет элементарные поверхности реконструированного изображения из проекции данных матричной реконструкции, тональность которых зависит от коэффициентов затухания.

Изображение, полученное компьютерным томографом, представляет собой цифровое изображение и состоит из квадратной матрицы элементов (пикселей), каждый из которых представляет собой воксель (элемент объема) ткани пациента.

В заключение, измерение, сделанное детектором CT, пропорционально сумме коэффициентов ослабления.

Типичное КТ-изображение состоит из 512 строк по 512 пикселей в каждой, т. е. квадратной матрицы 512 x 512 = 262 144 пикселей (по одной на каждый воксель). В процессе изображения необходимо вычислить значение коэффициента затухания для каждого вокселя, соответствующего этим пикселям.

Каждая точка изображения окружена звездой в форме ореола, которая снижает контрастность и размывает границы объекта. Чтобы избежать этого, используется метод фильтрованной обратной проекции. Действие функции фильтра таково, что созданное отрицательное значение представляет собой отфильтрованную проекцию, которая при обратном проецировании удаляется, и создается изображение, которое является точным представлением исходного объекта.

Компьютерная томография связана с затуханием рентгеновских лучей во время прохождения через сегмент тела. Однако от обычной радиологии ее отличает несколько особенностей: изображение восстанавливается на основе большого количества измерений коэффициента затухания.

Перед тем, как данные будут представлены на экране, было выполнено обычное перемасштабирование в числа CT, выраженные в единицах Хаунсфилда (HU), как упоминалось ранее.Числа КТ, основанные на измерениях с помощью сканера электромагнитных помех, изобретенного сэром Годфри Хаунсфилдом 6 , лауреатом Нобелевской премии за свою работу в 1979 году, связали линейный коэффициент затухания локализованной области с коэффициентом затухания воды, коэффициент умножения 1000 используется для Целые числа CT.

Итак, сигнал, передаваемый детектором, обрабатывается ПК в виде цифровой информации, реконструкции КТ-изображения.

Рентгеновская томография использует способность рентгеновского излучения проникать в объекты. На пути через объект часть падающего излучения поглощается. Чем больше радиографическая длина объекта, тем меньше излучения уходит с противоположной стороны. Поглощение также зависит от материала. Детектор рентгеновского излучения (датчик) улавливает выходящее рентгеновское излучение в виде двумерного рентгенографического изображения. При размерах детектора примерно от 50 мм до 400 мм большая часть измеряемого объекта может быть захвачена на одном изображении.

Чтобы использовать томографию объекта, последовательно делают несколько сотен двухмерных рентгенографических изображений, при этом измеряемый объект находится в различных повернутых положениях (рис. 35а). Для этого объект располагается на вращающемся столе, который постепенно, шаг за шагом, вращается. Трехмерная информация об измеряемом объекте, содержащаяся в этой серии изображений, извлекается с использованием подходящего математического процесса и становится доступной в виде «воксельного изображения». Каждый воксель (пиксель объема) отражает поглощение рентгеновских лучей измеряемым объектом в определенном месте в измеряемом объеме. Как и при обработке двумерных изображений, фактические измеренные точки рассчитываются на основе данных вокселей с использованием подходящего порогового процесса.

Используемые в настоящее время датчики фиксируют до 4 миллионов точек изображения. Обычно в измеренном объеме получают от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов точек измерения. Эти точки равномерно распределены по поверхности измеряемой детали. Геометрия внутри измеряемого объекта, такая как полые полости или выточки, также фиксируется. Точки измерения можно оценить с помощью известных методов координатно-измерительной техники.

Подобно измерению с помощью обработки изображений, можно изменить увеличение с помощью томографии (рис. 35b), чтобы захватить мелкие детали с большим увеличением или более крупные части полностью с меньшим увеличением. Для этого либо измеряемый объект располагается на пути излучения, либо рентгеновские компоненты (рентгеновский источник и детектор) перемещаются в осевом направлении относительно измеряемого объекта.

В некоторых случаях размер сенсора или количество доступных пикселей по-прежнему недостаточно для выполнения требований задачи измерения. В таких случаях несколько изображений сшивают (рис. 35в) путем перемещения поворотного стола с измеряемым объектом относительно рентгеновских составляющих. Затем выполняется реконструкция воксельного объемного изображения на основе сшитых двухмерных рентгенографических изображений.

Все рентгеновские изображения основаны на поглощении рентгеновских лучей при их прохождении через различные части тела пациента. В зависимости от количества, поглощенного определенной тканью, такой как мышца или легкое, различное количество рентгеновских лучей пройдет через тело и выйдет из него. Количество поглощенных рентгеновских лучей влияет на дозу облучения пациента. Во время обычного рентгеновского изображения выходящие рентгеновские лучи взаимодействуют с устройством обнаружения (рентгеновской пленкой или другим приемником изображения) и обеспечивают двухмерное проекционное изображение тканей внутри тела пациента - рентгеновскую «фотографию». называется «рентгенограмма». Рентген грудной клетки (рис. 1) является наиболее распространенным медицинским визуализирующим исследованием. Во время этого обследования на пленку записывается изображение сердца, легких и других анатомических структур.

Компьютерная томография (КТ)

Рисунок 2: Изображение брюшной полости в поперечном сечении

Как работает система компьютерной томографии

Рисунок 3. Пациент в системе визуализации КТ

Моторизованный стол перемещает пациента (рис. 3) через круглое отверстие в системе визуализации КТ.
Когда пациент проходит через систему компьютерной томографии, источник рентгеновского излучения вращается вокруг внутренней части круглого отверстия. Один оборот занимает около 1 секунды. Источник рентгеновского излучения создает узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей, используемых для облучения участка тела пациента (рис. 4). Толщина веерного луча может составлять от 1 до 10 миллиметров.В типичных экзаменах есть несколько этапов; каждый состоит из 10-50 оборотов рентгеновской трубки вокруг пациента в координации со столом, перемещающимся через круглое отверстие. Пациенту может быть сделана инъекция «контрастного вещества», чтобы облегчить визуализацию сосудистой структуры.
Детекторы на стороне выхода пациента регистрируют рентгеновские лучи, выходящие из облучаемого участка тела пациента, в виде рентгеновского «моментального снимка» при одном положении (угле) источника рентгеновских лучей. Во время одного полного вращения создается много разных "моментальных снимков" (ракурсов).
Данные отправляются на компьютер для реконструкции всех отдельных «моментальных снимков» в поперечное сечение (срез) внутренних органов и тканей для каждого полного оборота источника рентгеновского излучения.

Достижения в области технологий и клинической практики

Рисунок 4. Веерный луч КТ

Сегодня большинство компьютерных томографов способны к «спиральному» (также называемому «винтовым») сканированию, а также к сканированию в более традиционном «аксиальном» режиме. Кроме того, многие компьютерные томографы способны одновременно отображать несколько срезов. Такие достижения позволяют визуализировать относительно большие объемы анатомии за относительно меньшее время. Еще одним достижением в технологии является электронно-лучевая компьютерная томография, также известная как EBCT. Хотя принцип создания изображений поперечного сечения такой же, как и для обычной КТ, будь то одиночный или многосрезовый, сканер EBCT не требует каких-либо движущихся частей для создания отдельных «моментальных снимков». В результате сканер EBCT позволяет получать изображения быстрее, чем обычные компьютерные томографы.

Читайте также: