Компьютерный томограф
Компьютерный томограф
Компьютерный томограф – это прибор, принцип работы которого заключается в круговом просвечивании объекта рентгеновским излучением с последующим построением послойного изображения данного объекта при помощи быстродействующей ЭВМ.
Стоит сразу обратить внимание на тот факт, что компьютерная томография имеет целый ряд преимуществ по сравнению с обычными рентгенологическими методами исследования, но наиболее принципиальным преимуществом является возможность определения плотности тканей и сред организма при помощи денситометрии, за счет чего становится возможным процесс тонкого дифференцирования исследуемого субстрата, в качестве примера можно привести жидкую или свернувшуюся кровь, заполненную жидкостью кисту или опухоль, границы отека ткани и т. п. Также из достоинств компьютерной томографии можно отметить то, что данный метод исследования дает возможность установить локализацию и распространенность патологического процесса в определенном органе или же разных тканях организма, проследить динамику различных патологических физиологических процессов и оценить результаты лечения.
Компьютерная томография позволяет осуществлять тонометрию исследуемых объектов при определенном планировании лучевой терапии, выбирать те или иные подходы и объем оперативного вмешательства, осуществлять стереотаксическую биопсию внутричерепных опухолей и многое другое.
Вообще идею послойного рентгенологического исследования впервые высказал в 1901 г. французский ученый Э. Босаж. Практическая разработка данного метода была осуществлена в Голландии Цидзес де Плантом – 1931 г. и в России В. И. Фемтистовым – 1935 г. Что же касается компьютерной томографии, то все математические принципы были обоснованы А. Кормаком уже в 60-х гг. XX в.
Первое официальное свидетельство о применении компьютерной томографии для исследования головы человека сделано Г. Н. Хаунсфилдом и К. Амброусу в 1972 г. В 1974 г. Д. Ледли был создан первый компьютерный томограф для всего человеческого тела.
Каждый компьютерный томограф имеет сканирующее устройство, которое состоит из источника рентгеновского излучения, определенных детекторов, которые принимают излучение рентгена, и системы, обеспечивающей их перемещение. Также компьютерный томограф включает в себя систему преобразования регистрируемой детекторами информации, специализированную ЭВМ. Она производит необходимые для построения изображения вычисления по определенному алгоритму и систему записи и воспроизведения реконструированных изображений внутреннего строения достаточно тонких слоев объекта в поперечном сечении. Само сканирующее устройство современного компьютерного томографа представлено в виде круговой рамы, внутри которой установлены специальная вращающаяся рентгеновская трубка и расположенные кольцом многочисленные сцинтилляционные детекторы.
В процессе работы компьютерного томографа рентгеновская трубка вращается вокруг объекта или же какой-то области тела человека, находящейся внутри рамы сканера. Также при работе томографа тонкий коллимированный пучок рентгеновского излучения проходит через просвечиваемый слой под разными углами.
При прохождении пучка излучения через исследуемые ткани различной плотности интенсивность его ослабляется, изменение регистрируется детекторами, данные передаются для специальной обработки ЭВМ. Как известно, различные органы и ткани человека поглощают рентгеновское излучение в неравной степени, другими словами, они имеют различные коэффициенты поглощения. Именно благодаря ЭВМ устанавливается значение коэффициента поглощения рентгеновского излучения для каждой точки сканируемого слоя. После сложной обработки в ЭВМ компьютерного томографа всего массива коэффициентов поглощения в просвеченном слое машина выдает их в условной шкале целых чисел, причем величина коэффициента рентгеновского излучения водой принимается равной нулю. Масштаб шкалы плотностей выбран таким образом, что содержащиеся в организме человека ткани и среды находятся в диапазоне условных единиц от -1000 (что приравнивается к плотности воздуха) до +1000 (что приравнивается к плотности кости).
Для процесса визуализации изображения вычислительная машина выводит на экран телевизионного устройства величины поглощения рентгеновского излучения не только в определенных условных КТ-единицах, но может и преобразовывать их в градацию световой яркости, причем большим значениям плотности соответствует более светлое изображение, и наоборот. На экране компьютерного томографа одновременно воспроизводится 15—20 воспринимаемых человеческим глазом градаций серого изображения. Но при исследовании слоя или среды могут быть использованы специальные приемы денситометрии, а именно модуляция яркости, что дает возможность улавливать 0,5%-ное различие в коэффициенте поглощения.
Поглощенная доза рентгеновского излучения при компьютерной томографии в среднем не превышает 1—2 рад. В зависимости от того, каковы задачи исследования и размеры излучаемой области, производят различное количество поперечных срезов на разном расстоянии друг от друга. По тем данным, которые введены в память ЭВМ, могут быть реконструированы изображения боковой прямой, а иногда – и косых поперечных проекций изучаемой области.
Компьютерная томография осуществляется, как правило, в положении больного лежа на спине. Противопоказаний компьютерная томография не имеет, кроме индивидуальной непереносимости рентгеноконтрастных препаратов. Больные легко переносят данное исследование, поэтому его можно производить в амбулаторных условиях, а также в том случае, если исследуемый тяжело болен.
Современные компьютерные томографы позволяют определить слои толщиной от 2 до 10 мм при скорости сканирования одного слоя 2—5 с с моментальным воспроизведением изображения в черно-белом или цветном варианте. Изображение просвеченного слоя с телевизионного экрана может быть переснято фотокамерой моментального действия или же воспроизведено на обычной листовой рентгеновской пленке с помощью специального устройства, причем формат изображения можно произвольно изменять.
У совершенствованные компьютерные томографы третьего и четвертого поколений дают возможность производить компьютерную томографию как головы, так и всего тела, а также решать сложные диагностические задачи.
Магнитно-резонансный томограф
Магнитно-резонансный томограф – это прибор, предназначенный для рентгенологического исследования, принцип работы заключается в получении теневого изображения идеальных слоев исследуемых объектов, расположенных на разной глубине, за счет избирательного поглощения электромагнитного излучения. Это обусловлено переориентацией магнитных моментов атомных ядер, которые находятся в постоянном магнитном поле.
Магнитно-резонансный томограф включает в себя такие составляющие, как магнит – центральная часть томографа, создает то самое необходимое поле напряженностью до 10 Т и более; генератор радиочастотных колебаний для выработки необходимого потока электронов; приемник, который является пространством для помещения исследуемого; а также регистрирующее устройство. Запись спектров проводится двумя способами: через изменение величины магнитного поля с последующим созданием резонансных условий для разных линий в самом спектре магнитно-резонансного излучения либо через возбуждение резонанса сразу и одновременно во всей полосе спектра с помощью мощного радиочастотного импульса, что способствует достаточно резкому сокращению времени измерения.
В основе работы магнитно-резонансного томографа лежит явление ядерного магнитного резонанса. Само явление основано на том факте, что ядра атомов большинства химических элементов обладают определенным моментом количества движения и постоянным магнитным моментом, за исключением ядер, обладающих четным числом протонов и нейтронов. Если поместить в постоянное магнитное поле магнитный момент системы ядер подобно вращающемуся волчку, который выведен из вертикального положения, то движение данного магнитного момента по поверхности конуса будет осуществляться с вращением вокруг оси направления поля, данное явление получило еще одно название как прецессионное движение, причем данное вращение совершается с определенной частотой, которую можно вычислить, зная константу для каждого вида ядер, а также напряженность постоянного магнитного поля. Дальнейшее воздействие переменного электромагнитного излучения вместе с данной частотой на те ядра, которые находятся именно в постоянном магнитном поле, в основном приводит к избирательному, или резонансному, поглощению всей энергии электромагнитного излучения и, как следствие, к получению сигнала магнитного резонанса.
Ядрам соответствуют разнообразные частоты резонанса, которые в основном находятся в пределах от единиц до нескольких сотен мегагерц в тех магнитных полях, напряженность которых составляет порядка 1—10 Т. Как правило, данную область частот относят к радиочастотному диапазону электромагнитных волн, за счет чего магнитный резонанс считается одним из методов радиоспектроскопии.
В итоге применение магнитного резонанса для структурного исследования основано на том, что, кроме внешнего магнитного поля, на само ядро в веществе действуют и различные внутренние поля. За счет их влияния происходит сдвиг частоты резонанса и расщепление на несколько или же множество резонансных линий, другими словами, за счет действия внутренних полей происходит образование спектра магнитного резонанса и изменение формы линии времени релаксации. А изучение спектров магнитного резонанса в свою очередь позволяет определить некоторые выводы о химической и пространственной структуре различных веществ, даже не производя химического анализа данного объекта.
Таким образом, картину пространственного распределения отдельных видов молекул в организме получают именно при помощи магнитно-резонансного томографа. При этом происходит создание за счет последовательно приложенных градиентов магнитного поля по разнообразным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы именно в данный момент различным элементам объема в пределах одного изучаемого сечения соответствовали свои определенные, характерные для их местоположения частоты резонанса.
Изменение градиентов во времени и специальная обработка всех результатов измерений осуществляется с помощью ЭВМ, что позволяет получить определенную пространственную картину распределения молекул, которые могут содержать различные атомы водорода или фосфора. Также необходимо обратить внимание, что при регистрации магнитно-резонансного изображения амплитуда самого резонанса в каждом элементе объема может быть выражена посредством интенсивности освещения или в цветовой шкале.
Таким образом, кровеносные сосуды при магнитно-резонансной томографии выглядят достаточно темными вследствие оттока крови из исследуемого объекта за все время измерения. В случае с магнитным моментом ядер в различных элементах объема может быть измерено время релаксации (расслабления), в частности по уменьшению амплитуды резонанса, которая не успевает полностью восстановиться при достаточно большой частоте следования импульсов. Это способствует увеличению контрастности в изображениях различных тканей, что широко используется в медицинской практике, например для различения изображения серого вещества мозга и белого вещества или опухолевых клеток и здоровых.
Сам метод магнитно-резонансной томографии нашел широкое применение в медико-биологических исследованиях, поскольку имеет огромное количество достоинств, в частности одним из преимуществ данного метода является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также достаточно высокая разрешающая способность вплоть до долей миллиметра. И при помощи магнитно-резонансного томографа можно получить изображение исследуемого объекта абсолютно в любом сечении. Именно на этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов.
Стоит отметить, что получение изображения с помощью данного метода может быть синхронизировано с определенными циклами физиологических процессов, что также имеет немаловажное значение в медико-биологических исследованиях. Помимо всего вышеперечисленного, магнитно-резонансную томографию применяют для установления структуры биологически активных веществ и изучения механизмов их действия. По спектрам магнитного резонанса можно определить особенности структуры биополимеров в водной среде и ее изменения при их взаимодействии с субстратом и биологически важными веществами.
Еще спектры применяются для анализа липидного состава мембран, их фазового состояния, взаимодействия липидов с белками и другими веществами для определения положения в мембранах различных необходимых соединений, проницаемости мембран, состояния и количественной характеристики разных ионов в клетках, для определения продуктов биологических реакций. При помощи метода магнитно-резонансной томографии появилась возможность измерять количество АТФ и других макроэргических соединений и их изменения непосредственно в организме исследуемого. Но наиболее важной особенностью метода является низкая энергия используемых в магнитно-резонансных томографах излучений, что существенно снижает их вредное воздействие на организм человека. Данная особенность значима для таких наук, как медицина и биология.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.