книги / Экспериментальные методы в биомеханике

метод называется флюорографией). Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель, фотодиод и т. п.). Полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет реги-

стрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощенного фотона.

В цифровой системе рентгеновский луч проходит через тело пациента и проецируется на специальный излучающий экран, который, в свою очередь, преобразует рентгеновские лучи в видимое излучение. За экраном, воспроизводящим информацию в электронной системе, расположена система линз с высоким разрешением, состоящая из миллионов тонких светочувствительных областей, которые накапливают рентгенологическую информацию. Свет

в цифровые превращает их в цифровые данные и сохраняет в компьютере для последующего отображения и обработки.

Области применения. При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело и в результате получить изображение костей, а в современных приборах – и внутренних органов (рис. 2.2). Кроме обычных приборов, которые дают двухмерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объемное изображение внутренних органов.

Выявление дефектов в изделиях с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры ве-

31

ществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определен химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлюоресцентным анализом.

2.2.3.Виды рентгеновских исследований

1)Рентгенография (рентгеновская съемка) – способ рентгенологического исследования, при котором фиксированное рентгеновское изображение объекта получается на твердом носителе, в подавляющем большинстве случаев на рентгеновской пленке (бумага, экран монитора). Снимок части тела (голова, таз, живот и др.) называют обзорным (рис. 2.3), а сам метод – обзорной рентгенографией. Снимок интересующего органа или даже части органа называют прицельным, а метод – прицельной рентгенографией.

2)Рентгеноскопия (рентгеновское просвечивание) – метод рентгенологического исследования, при котором изображение предмета получают на экране в процессе исследования. Пациента

32

ганизм вводят вещества, которые поглощают рентгеновское излучение сильнее или, наоборот, слабее, чем мягкие ткани, и тем самым создают достаточный контраст с исследуемыми органами. Вещества, задерживающие больше излучения, чем мягкие ткани, называют рентгенопозитивными. Они созданы на основе тяжелых элементов – бария или йода. В качестве рентгенонегативных контрастных веществ используют газы – закись азота, углекислого газа.

Существует два принципиально различных способа конт-

растирования. Первый заключается в прямом механическом введении контраста в полость органа. Например, в желудок контрастные вещества вводятся перорально, в кишечник – при помощи клизмы (рис. 2.4). Второй способ основан на способности некоторых органов поглощать из крови введенное в нее контрастное вещество, концентрировать и выделять его (мочевыделительная система

ижелчные пути).

4)Ангиокардиография – метод рентгенодиагностики; визуализация камер сердца посредством серийной рентгеновской съемки или рентгенокинематографии после заполнения их контрастным веществом под рентгенотелевизионным контролем. Заполнение ле-

вой половины сердца осуществляется через катетер, введенный в бедренную артерию и продвинутый в левый желудочек через восходящую аорту. Для контрастирования правой половины сердца катетер проводится через бедренную вену или вену предплечья в правое предсердие или правый желудочек сердца или верхнюю полую вену – в зависимости от задачи исследования. Метод детально отображает морфологию сердечных камер и клапанов, позволяет измерять функциональные параметры сердечной деятельности

33

и визуализировать функциональные нарушения. Осложнения связаны с инвазивным характером. Метод нашел широкое применение в диагностике пороков сердца и, несмотря на использование эхокардиографии и магнитно-резонансной томографии, остается «золотым стандартом» визуализации сердца.

2.3.Компьютерная томография

Втечение десятилетий рентгеновская диагностика оставались практически на неизменном уровне. Первые математические алгоритмы для КТ были разработаны в 1917 году австрийским математиком И. Радоном (см. преобразование Радона). Физической основой метода является экспоненциальный закон ослабления излучения, который справедлив для чисто поглощающих сред. В рентгеновском диапазоне излучения экспоненциальный закон выполняется

свысокой степенью точности, поэтому разработанные математические алгоритмы были впервые применены именно для рентгеновской компьютерной томографии.

В1963 году Аллан Кормак, физик из Кейптауна, разработал компьютерный метод рентгеновской томографии. В то время еще не было достаточно совершенных компьютеров, поэтому идея Кормака реализовалась лишь в 1969 году. Английский инженер Годфри Хаунсфилд создал первый действующий компьютерный томограф.

Появился сравнительно безопасный и точный метод, успешно применяемый при обычных исследованиях, – компьютерная томография (КТ), которая произвела подлинную революцию в методах медицинской диагностики. В 1979 году Кормак и Хаунсфилд были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии» [22, 25].

2.3.1.Принцип компьютерной томографии

Компьютерная томография (КТ) — метод исследования, при котором, как и при других рентгенологических методах, используются рентгеновские лучи (Х-лучи). При обычном исследовании рентгеновские лучи проходят через тело и оставляют след на пленке. Рентгеновский снимок представляет собой проекционное изображе-

34

ние, на котором видны не органы и ткани человека, а лишь их тени, которые накладываются друг на друга.

В отличие от обычной рентгенографии, КТ позволяет получить снимок определенного поперечного слоя (среза) человеческого тела, досконально осмотреть органы человека по отдельно-

сти. С помощью КТ можно увидеть структуры, которые не видны на обычных рентгенограммах.

При КТ лучи попадают на специальную матрицу, передающую информацию в компьютер, который обрабатывает полученные данные о поглощении Х-лучей организмом человека и выводит изображение на экран монитора. На выходе получается цветное телевизионное изображение, показывающее детальное строение внутренних органов.

Чувствительность томографа охватывает диапазон плотностей от тысячи до 1/1000 доли плотности воды, что позволяет дифференцированно регистрировать поглощение рентгеновских лучей различными веществами – от воздуха до кости и исследовать ткани размером с булавочную головку. Фиксируются мельчайшие изменения поглощаемости лучей, что, в свою очередь, и позволяет увидеть то, что не видно на обычном рентгеновском снимке. Для усиления «видимости» в организм могут вводиться контрастные вещества, это называется «усиленной КТ». Контрастные вещества, заполняя определенные пространства, позволяют повысить контрастность изображения, выделить сосудистые образования, бессосудистые кисты, опухоли и их метастазы и т.д.

2.3.2. Поколения компьютерных томографов

Прогресс компьютерных томографов напрямую связан с увеличением количества детекторов, то есть с увеличением числа одновременно собираемых проекций. В первом поколении КТ

35

количество детекторов равнялось 2, во втором – 30–50, в третьем – 300–500, в четвертом – 1000–5000. Во втором поколении была впервые применена веерная форма пучка рентгеновского излучения. Каждое последующее поколение компьютерных томографов имело существенно меньшее время реконструкции КТ-изображений и большую скорость вращения рентгеновской трубки, что позволило ускорить и расширить сферы диагностического применения КТисследований.

Современный компьютерный томограф представляет собой сложный программно-технический комплекс с самыми прогрессивными компьютерами, электронными и механическими технологиями. Он представляет собой стол, входящий в куб с большим круглым окном. Внутри окна находится луч и матрица (рис. 2.5).

Механические узлы и детали компьютерного томографа выполнены с высочайшей точностью. Для регистрации прошедшего через среду рентгеновского излучения используются сверхчувствительные детекторы. При изготовлении КТ к рентгеновским излучателям предъявляются самые жесткие требования.

Неотъемлемой частью аппарата является обширный пакет программного обеспечения, позволяющий проводить весь спектр ком- пьютерно-томографических исследований (КТ-исследований) с оптимальными параметрами, проводить последующую обработку и анализ КТ-изображений. Как правило, стандартный пакет программного обеспечения может быть значительно расширен с помощью узкоспециализированных программ, учитывающих особенности сферы применения каждого конкретного аппарата.

В 2005 году компанией Siemens Medical Solutions представлен первый аппарат с двумя источниками рентгеновского излучения. Теоретические предпосылки к его созданию были еще в 1979 году, но технически его реализация в тот момент была невозможна. Использование двух рентгеновских трубок, расположенных под углом 90° дает возможность получать изображения сердца независимо от частоты сокращений. Такой аппарат имеет еще одно значительное преимущество: каждая трубка может работать в своем режиме (при различных значениях напряжения и тока, кВ и мА соответственно). Это позволяет лучше дифференцировать на изображении близко-

36

расположенные объекты различных плотностей. Особенно это важно при контрастировании сосудов и образований, находящихся близко от костей или металлоконструкций. По сути, он является продолжением технологии мультисрезовой КТ.

2.3.3. Спиральная томография

Спиральная компьютерная томография используется в медицинской практике с 1988 года. Спиральное сканирование заключается в одновременном выполнении двух действий: непрерывного вращения источника – рентгеновской трубки, генерирующей излучение, вокруг тела пациента и непрерывного поступательного движения стола с пациентом вдоль продольной оси сканирования через апертуру гентри (сканирующей системы томографа).

Это дает более полную информацию об интересующем органе. На основе данной методики появилась компьютерная ангиография, позволяющая эффективно выявлять патологию сосудов, объемная рентгенография и даже виртуальная эндоскопия. Современные компьютерные программы дают возможность получать трехмерные изображения.

Мультиспиральная, или мультисрезовая компьютерная томография (МСКТ) была впервые представлена 1992 году, когда появились первые двухсрезовые (двухспиральные) МСКТ-томогра- фы с двумя рядами детекторов по окружности гентри. В 1998 году появились четырехсрезовые (четырехспиральные) МСКТ-томогра- фы с четырьмя рядами детекторов соответственно. Кроме того, было увеличено количество оборотов рентгеновской трубки с одного до двух в секунду. Таким образом, четырехспиральные МСКТтомографы пятого поколения на сегодняшний день в восемь раз быстрее, чем обычные спиральные КТ-томографы четвертого поколения. В 2004–2005 годах были представлены 32- и 64-срезовые МСКТ-томографы, а сегодня в ведущих клиниках и исследовательских центрах и США и Канады уже имеются 320-срезовые томографы.

Принципиальное отличие МСКТ-томографов от спиральных томографов предыдущих поколений в том, что в них имеется

37

не один, а два и более ряда детекторов. Для того чтобы рентгеновское излучение могло одновременно приниматься детекторами, расположенными на разных рядах, была разработана новая объемная геометрическая форма пучка. Необходимо отметить, что лучевая нагрузка при компьютерной томографии значительно ниже, чем при обычном рентгеновском исследовании. Это позволяет говорить о большей безопасности метода по сравнению с другими исследованиями, использующими Х-лучи.

2.3.4. Этапы томографии

Получение компьютерной томограммы можно схематически разбить на несколько этапов [1, 4, 5, 9, 10].

1.Сканирование. Узкий пучок излучения сканирует тело, двигаясь вокруг него по окружности. На противоположной стороне установлена круговая система датчиков излучения, преобразующих излучение в электрические сигналы.

2.Усиление и запись сигнала. Сигнал от датчиков усиливается и преобразуется в цифровой код, поступающий в память компьютера. Процесс этот дискретен, т. е. после снятия одной элементарной томограммы компьютер дает сигнал сканирующему устройству повернуться на заданный угол и снять следующую томограмму.

Кконцу вращения излучателя в памяти компьютера оказываются зафиксированными сигналы от всех датчиков. Время сканирования всего слоя – не более 3 секунд.

3.Синтез и анализ изображения. Компьютер воссоздает внутреннюю структуру объекта. Используя цифровые компьютерные технологии, можно легко масштабировать полученную картинку. Это помогает детальнее рассмотреть интересующий нас участок слоя, определить размеры органа, число, размеры и характер патологических образований.

Благодаря высокой информативности и безопасности по сравнению с другими рентгеновскими методами КТ получила огромное распространение. Особенно велико ее значение для травматологии и нейрохирургии, когда необходимо убедиться в наличии повреждения и определить его характер. В онкологии КТ используется для

38

определения степени распространения опухолевого процесса и планирования лучевого лечения (для того чтобы воздействовать на опухоль ионизирующим излучением, необходимы ее точные координаты). С помощью КТ можно обнаружить многие патологические состояния: травмы и их последствия, опухоли, поражение лимфатических узлов, расширение сосудов (аневризмы), воспалительные, в том числе гнойные процессы (пневмонию, абсцессы), пороки развития, процессы дистрофического характера и др.

2.3.5. Проведение томографического исследования

При компьютерной томографии исследуются в основном три зоны — голова и шея, грудная и брюшная полости. Нередко прицельно изучается только один орган или структура.

Во время томографического исследования пациент лежит на столе, который очень медленно перемещается внутри вращающегося кольца.

На этом кольце с одного края находится рентгеновская трубка, а с другого – цепочка очень чувствительных детекторов. Постепенно сканер продвигается вдоль тела человека. После полного оборота излучателя рентгеновских волн и детекторов вокруг остановившегося стола на экране соединенного с ними компьютера возникает срез исследуемого органа. В компьютерной томографии редко ограничиваются получением изображения одного «среза» толщиной в несколько миллиметров. Как правило, современные томографы делают не менее 10 срезов толщиной около 1 мм и выполняются они с различным шагом (обычно в несколько миллиметров). Для ориентации в расположении полученных слоев относительно тела человека сразу же делается обзорный цифровой снимок всей изучаемой области (рентгенотопограмма.), на которой и отображаются различные слои.

Так срез за срезом собирается информация об этом органе и о его внутреннем содержимом. Как правило, исследование укладывается в 1 час, а для определенных областей, например только головы или только шеи, достаточно нескольких минут. Чуть дольше длится сканирование грудной клетки или органов брюшной полости.

39

Никакой особой подготовки перед процедурой не проводится. При плохой переносимости закрытых пространств пациенту за несколько часов до исследования дают успокоительные средства.

Для лучшего отображения информации применяют искусственное цветное контрастирование. В компьютерной томографии принято определять плотность ткани по шкале Хаунсфильда, где за 0 принимается плотность воды, +1000 – костной ткани, –1000 – воздуха. Такой широкий диапазон нужен не всегда. Чаще всего проводится исследование слоя в строго определенном диапазоне значений, чтобы изображение изучаемого объекта было наиболее отчетливым.

В кардиологии при компьютерной томографии иногда используют кардиосинхронизаторы, которые позволяют делать снимки в определенную фазу работы сердца. Это дает возможность оценить размеры предсердий и желудочков, а также работу сердца по многим функциональным параметрам.

2.4. Радионуклидные методы исследования

Медицинская радиоизотопная диагностика возникла на стыке таких наук, как ядерная физика, ядерная электроника, радиохимия, вычислительная техника, биохимия, физиология.

Несмотря на сравнительно короткий период, медицинская радиоизотопная диагностика проделала большой путь эволюции: от простейших лабораторных измерений до сложных клинических исследований. Радиоизотопная индикация, по существу, является одним из наиболее популярных методов исследования, способным поставлять информацию, пригодную для машинной обработки, с помощью средств вычислительной техники.

Радиоизотопные исследования проводятся для оценки функции органа и получения его изображения [10]. Исследования основаны на том, что в организм различными путями вводятся сотые и тысячные доли микрограмма (чувствительность метода очень высокая) радиоактивных изотопов – веществ, обладающих свойством радиоактивного излучения (чаще всего гамма-лучи). Их называют ра-

диофармацевтическими препаратами (РФП). Пути введения

40