3.1. Необходимость получения изображений заданных сечений

Как было показано в предыдущей главе, стандартная рентгенограмма позволяет сразу же выделить определенные анатомические особенности тела. Ребра, например, видны в виде светлой структуры, поскольку они ослабляют рентгеновское излучение сильнее, чем окружающие их мягкие ткани, так что в этих местах фотопленка получает меньшую экспозицию, затеняясь ребрами.

Простой расчет позволяет указать те ткани, которые можно различить с помощью обычной трансмиссионной рентгеновской аппаратуры. Коэффициенты линейного ослабления рентгеновского излучения в воздухе, костной и мышечной тканях, а также в крови имеют соответственно следующие значения:

mвозд = 0,

mкостн. тк = 0,48 см–1,

mмышечн. тк. = 0,180 см–1,

mкрови = 0,178 см–1

для типичного энергетического спектра излучения рентгеновских аппаратов. Ослабление первичного рентгеновского пучка слоем мягкой ткани с полостью внутри размером 1 см можно вычислить непосредственно, используя выражение Бугера – Ламберта - Бера

I(x) = I0exp(–mx).

В табл. 3.1 представлены соответствующие результаты для полости, заполненной различными веществами [1].

Обычные рентгеновские пленки позволяют визуально различать контраст порядка 2 %, так что ребро толщиной 1 см или же заполненная воздухом трахея диаметром 1 см могут быть визуализированы. Однако кровь в кровеносных сосудах и другие тонкие структуры мягких тканей, такие, как детали анатомического строения сердца, желудка, пищевода и тому подобное, различить с помощью обычного рентгеновского аппарата не удается. Чтобы сделать видимыми, например, кровеносные сосуды, в кровь необходимо ввести жидкое контрастное вещество, содержащее соединения йода - это на время увеличивает линейный коэффициент ослабления жидкой среды до такой величины, что возникает требуемый контраст.

Таблица 3.1

Контраст в рентгеновском изображении, полученном в трансмиссионном режиме

Недостатки обычной рентгенограммы, представляющей собой двумерную теневую проекцию реальной трехмерной структуры, известны.

Серьезной проблемой обычной рентгенографии является потеря информации о трехмерных свойствах изучаемого объекта на фотопленке. Трехмерная структура тела проецируется в двумерное изображение, и в некоторых случаях приходится применять другие методы, такие как стереорентгенография или обычная классическая томография, чтобы восстановить трехмерную информацию.

Наиболее полно решают эти проблемы методы томографического, т.е. послойного (от греческого tomos — слой, сечение) исследования структуры неоднородных объектов (кстати говоря, самой разнообразной природы).

Наибольшее распространение вычислительная, или компьютерная томография (КТ), получила в биологии и медицине. Особенно стремительно развивалась рентгенодиагностическая КТ: первая высококачественная томограмма головного мозга человека была получена в 1972 г., а уже в 1979 г. серийно выпускаемые многими фирмами томографы несмотря на их огромную стоимость, часто превышающую миллион долларов, работали более чем в 2000 клиниках мира. В том же году английскому инженеру-исследователю Г. Хаунсфилду и американскому математику А. Кормаку за выдающийся вклад в развитие рентгеновской КТ была присуждена Нобелевская премия по медицине.

С помощью компьютерной томографии можно выделить плоское сечение тела, при этом рентгеновское излучение проходит сквозь это сечение только в тех направлениях, которые лежат внутри него и параллельны этому сечению. Никакая часть тела, расположенная вне данного сечения, не взаимодействует с рентгеновским пучком, и тем самым снимается проблема наложения паразитных изображений от различных сечений.

Полученные в результате изображения дают анатомическую структуру объекта в данном сечении с пространственным разрешением лучше 1 мм и разрешением по плотности порядка 1 % (рис. 3.1, 3.2), причем без проективных искажений, характерных для обычной рентгенографии.

Рис. 3.1. Компьютерная томограмма головы в сечении на уровне лба

КТ-сканер — это аппарат с большим отверстием (туннелем), внутрь которого помещается тело или голова пациента для того, чтобы в результате получить томограммы (рис. 3.3).

.

Рис. 3.2. Компьютерная томограмма грудной клетки на уровне сердца

Под кожухом аппарата находится сложный механизм, осуществляющий перемещение рентгеновской трубки и приемника. В настоящее время принято различать уже 4 поколения аппаратов.

Отметим, что благодаря своей универсальности, методы КТ находят применение не только в медицинской диагностике, но и во многих других областях науки и техники: в астрофизике, астрономии, физике плазмы, аналитической химии, в технике физического эксперимента, геофизике и т.д.

Основные идеи и принципы томографической реконструкции неоднородных объектов были известны довольно давно. Например, метод заметного повышения информативности рентгенограммы, известный в настоящее время как “классическая томография” (иначе томография фокальной плоскости, планиграфия, биотомия), предложил в 20-х годах XX века французский врач Бокаж, а его идею реализовал на практике итальянский инженер Валлебона, назвавший созданный им аппарат томографом [2]. Суть идеи непосредственно видна из рис. 3.4.

Если во время съемки рентгенограммы перемещать в параллельных плоскостях любые два из трех участвующих в ней компонентов (рентгеновская трубка, объект, пленка), оставляя неподвижным третий, то на пленке даст четкое изображение только один слой, а элементы остальных слоев размажутся. Регулируя скорости перемещений или положение неподвижной точки, можно выделять различные слои и тем самым последовательно изучать структуру трехмерного объекта.

Рис. 3.3. Общий вид стандартного КТ - сканера (TOMOSCAN-LX SIEMENS)

Рентгеновская томография по Бокажу до сих пор играет важную роль в медицинской рентгенологии.

Но метод имеет существенные недостатки: значительного увеличения контраста различных органов достигнуть не удается из-за неизбежной паразитной засветки от других расфокусированных сечений тела; последовательная послойная съемка сопряжена с большими дозами облучения пациента; как и в обычной рентгенодиагностике, здесь приходится довольствоваться лишь качественным сравнением плотностей почернений различных участков.

Рис. 3.4. Схема томографии по Бокажу

Источник S1 перемещается в положение S2 в плоскости А, в то время как рентгеновская пленка из R1 переходит в положение R2 (плоскость В). Резко воспроизводятся детали в плоскости F; детали объекта О, соответствующие плоскостям F' и F", размываются.

Компьютерная томография использует другой подход при выделении интересующего нас сечения неоднородного объекта. Поясним его на примере (рис. 3.5).

Излучение рентгеновской трубки может быть сколлимировано до диаметра пучка порядка одного или нескольких миллиметров. Каждый такой луч, прошедший через тело, характеризуется своей интенсивностью, ослабленной по отношению к исходной. Детектор, стоящий на выходе, фиксирует некоторую интегральную величину этого ослабления — лучевую сумму, причем сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя может быть введен в память ЭВМ.

Далее, перемещая луч по определенному закону в выбранной плоскости (например параллельно самому себе или веером с некоторым углом раствора), получаем набор лучевых сумм, определяющий одномерную проекцию. Будем для определенности говорить о параллельном смещении зондирующих лучей; тогда одной проекции соответствует некоторый угол относительно выбранной системы отсчета.

а) б)

Рис. 3.5. Схема компьютерной томографии

а - коллимированный пучок лучей проходит в плоскости F, ослабляется объектом О и регистрируется детектором D; влияние плоскостей F' и F" полностью устранено; б - вид на плоскость F сверху: источник и детектор перемещаются, образуя набор лучевых сумм и формируя проекцию. Затем происходит поворот системы на некоторый угол. Показано получение трех проекций

Поворачивая затем луч в той же плоскости на малый угол, повторяем процесс регистрации лучевых сумм и получаем новую проекцию и т.д. Процесс сканирования по углу продолжается до тех пор, пока полный угол поворота не составит 180°. В результате в памяти ЭВМ накапливается необходимая информация для реконструкции изображения в выделенном сечении. При этом отсутствуют помехи в виде размытых элементов изображения, соответствующих другим плоскостям, и теоретически можно ожидать весьма высокого уровня контраста томограммы, что в действительности и достигается.