Начало >> Статьи >> Архивы >> Компьютерная томография мозга

Принцип получения изображения - Компьютерная томография мозга

Оглавление
Компьютерная томография мозга
Принцип получения изображения
Компьютерная томография головного мозга в норме
КТ головного мозга в норме - средний уровень
КТ головного мозга в норме - верхний уровень, цистернография
Симптомы поражения головного мозга
Кровоизлияния в мозг
Эволюция кровоизлияний в мозг по данным компьютерной томографии
Внутримозговые кровоизлияния
Медиальные кровоизлияния
Субарахноидальные кровоизлияния
Эпидуральные геморрагии
Инфаркты мозга
Осложнения инфарктов мозга
Супратенториальные инфаркты мозга
Субтенториальные инфаркты мозга
Сосудистые энцефалопатии
Воспалительные и паразитарные заболевания ЦНС
Арахноидит головного мозга
Абсцессы головного мозга
Цистицеркоз головного мозга
Рассеянный склероз и другие демиелинизирующие заболевания
Наследственные заболевания ЦНС
Болезнь Вильсона—Коновалова
Пороки развития головного мозга
Пороки развития сосудов головного мозга
Опухоли головного мозга
Олигодендроглиальные опухоли
Гиперденсивные внутричерепные менингиомы
Опухоли, исходящие из оболочек нервов
Опухоли, исходящие из кровеносных сосудов
Опухоли гипофиза
Дизонтогенетические опухоли головного мозга
Критерии дифференциальной диагностики поражений головного мозга
Методологические аспекты
Векторные характеристики изображений
Практические аспекты в клинической неврологии

ЧАСТЬ 1. ОБЩАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ
Глава 1. К ИСТОРИИ ВОПРОСА. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
Метод КТ, теоретически обоснованный A. McCormack в 1962— 1963 гг. и впервые реализованный в аппарате для обследования головы G. Hounsfield в 1971—1972 гг., ознаменовал собой начало принципиально нового этапа в развитии медицинской техники и занял особое место в ряду современных рентгенодиагностических систем.
В медицинской рентгенологии на протяжении многих лет применялся традиционный способ получения изображения, основанный па прямом преобразовании разной степени ослабления рентгеновского излучения за исследуемым объектом в видимое изображение на фотопленке, флюоресцирующем экране или другом носителе. Основные недостатки этого метода в малой разрешающей способности, кроме того, в получаемом изображении происходит наложение теней от неоднородных по рентгеновской плотности анатомических образований, усложняющее визуальный анализ рентгенологической картины, не позволяющее точно представить внутреннюю, пространственную структуру органов или систем и оценить характер патологического процесса. Обычные методы рентгенологического исследования не обеспечивают дифференциации тканей, мало отличающихся друг от друга по своей физической плотности. Все это ограничивает диагностические возможности обычной рентгенографии.
Фундаментальное отличие КТ от рентгенографии в том, что, во-первых, томографическое изображение не связано непосредственно с принятым излучением, а является результатом точных измерений и вычислений показателей ослабления рентгеновского излучения, относящихся только к выбранному слою; во-вторых, картина анатомического сечения органа не имеет теней, содержащихся в других слоях, и не зависит от наличия или порядка чередования тканей с различной плотностью; в-третьих, результаты компьютерно-томографического исследования представляются в количественной цифровой форме в виде распределения по слою коэффициентов ослабления излучения; в-четвертых, метод позволяет различать ткани, незначительно отличающиеся между собой по поглощающей способности.
W. Oldendorf в 1961 г. первым предпринял попытку создать метод получения изображения на основе измерения показателей плотности поглощения рентгеновских лучей за объектом исследования. Он описал экспериментальную установку, с помощью которой можно получать картину поперечного среза головы при внешнем ее облучении с помощью рентгеновской трубки. Однако вследствие недостаточно развитой вычислительной техники и технологии регистрации проникающего излучения W. Oldendorl’ не смог воплотить в какой-либо установке идеи математического восстановления изображения.
В начале 60-х годов американский ученый А. МсСоmаск также теоретически и экспериментально доказал возможность вычислительного, математического построения изображения внутренней структуры объекта по данным измерения большого числа показателей поглощения рентгеновских лучей в различных проекциях за объектом исследования.
Создание первого в мире компьютерного томографа для медицинских целей было осуществлено в Англии фирмой электромузыкальных инструментов «EMI» под руководством инженера G. Hounsfield в период с 1967 до 1971 г. независимо от работ американца A. Cormack. За разработку теоретических основ метода КТ и их практическую реализацию его авторам, A. Cormack и G. Hounsfield, была присуждена Нобелевская премия по медицине и биологии за 1979 г.
В общем виде принцип КТ основан на технике последовательною, сканирующего просвечивания тонким рентгеновским лучом объекта исследования (например, головы), последующей регистрации не поглощенной части пучка, проходящего через объект под разными углами, и математическом восстановлении двухмерного распределения коэффициентов поглощения рентгеновского излучения в структурах полученного слоя. Восстановленное пространственное распределение коэффициентов поглощения с помощью ЭВМ преобразуется в изображение на экране полутонового дисплея, доступное визуальному и количественному анализу. Таким образом, в методе КТ используются три базовые идеи: сканирующее просвечивание узким пучком рентгеновских лучей, цифровое представление результатов измерения степени ослабления сканирующего луча и вычислительная, математическая реконструкция цифрового изображения объекта исследования по различным проекциям луча.
Менее чем за одно десятилетие произошел быстрый переход от лабораторных изысканий к разработке и внедрению в клиническую практику перспективного и высокоинформативного неинвазивного метода прижизненного рентгенологического исследования — компьютерной томографии. Уже в конце 70-х годов около 20 зарубежных фирм производили 26 моделей компьютерных томографов различного назначения [Adomssent S., Kroger W., 1978]. Прошедший период развития компьютерно-томографических систем условно делят на четыре этапа, каждый из которых характеризовался появлением более совершенных поколений этих аппаратов [Рубашов И. Б. и др., 1980J. В установках раннего периода, так называемых системах первого поколения, использовался одиночный источник излучения и один воспринимающий детектор, а сканирующее движение имело два направления — вращательное и поступательное. Серьезным недостатком томографов первого поколения было довольно продолжительное время получения изображения одного среза, достигавшее 4—6 мин. В системах второго поколения устройство «излучатель — детекторы» во время исследования совершает то же движения. Однако с целью ускорения обследования было увеличено количество детекторов, что позволило сократить время сканирования до 20—40 с. На этом принципе построено большинство нейродиагностических томографов.
Дальнейшая модернизация компьютерных томографов сопровождалась значительным увеличением числа детекторов и появлением только одного движения источника излучения — вращательного. Это позволило заметно улучшить качество томограмм и резко сократить время получения одного среза, составляющее в аппаратах четвертого поколения всего несколько секунд. Создание быстродействующих и многодетекторных томографов обеспечило проведение исследований сердца и легких.
Клиническое освоение КТ, начавшееся в неврологии и нейрохирургии, а затем и в общей рентгенологии, было отмечено лавинообразным ростом числа научных публикаций. Причем, если в 1973 г., т. с. через год после начала первых исследований в ней-рорентгенологии, было опубликовано лишь 14 статей, то в настоящее время количество печатных работ по результатам применения метода в различных областях медицины превышает несколько тысяч.
Большое значение метод КТ приобрел в диагностике заболеваний ЦНС. Это обусловлено тем, что ранее ни один из методов не давал возможности прижизненно видеть структуры мозга. Высокая разрешающая способность метода КТ позволила в сотни раз увеличить выход полезной диагностической информации, что впервые в практике; использования рентгеновских лучей в медицине обеспечило прижизненную визуализацию серого, белого вещества головного мозга и ликворосодержащего пространства без предварительного введении в сосудистое русло или ликворное ложе каких-либо контрастных веществ. Высокая чувствительность компьютерных томографии и определении даже незначительных колебаний поглощающей способности патологически измененного мозгового вещества сделала его эффективным в диагностике сосудистых, опухолевых, воспалительных, дегенеративных, паразитарных и других поражений головного мозга Впедрепие в клинику КТ оказало тормозящее влияние на такие, широко применявшиеся инвазивные методы, как пневмо- и вентрикулография, церебральная ангиография и др. Так, по данным II. Baker и соавт. (1975), G. Du Boulay (1977), количество контрастных исследований головного мозга уменьшилось на 20 30%, пневмоэнцефалографических — на 60%. G. Hungerfonl и P. Koss (1977), ссылаясь на обобщенные данные 16 институток США, также отметили снижение числа автографических исследований в среднем па 20%, пневмоэнцефалографических — па 65% и радиоизотопных — на 35%.
В нашей стране метод КТ впервые освоен в ЛИН неврологии АМН СССР, в рентгено-радиологическом отделе которого 21 июня 1977 г. было выполнено первое обследование на нейрорентгенологическом аппарате фирмы «EMI» (Англия). В последующем исследования с помощью КТ выполнялись также на моделях отечественного производства. За прошедший период клинического применения нового метода лучевой диагностики проведено более 8000 исследований. Накопленный опыт позволил не только выделить ведущие направления использования КТ в неврологической практике, но и сформулировать основные медицинские требования для разработки систем подобного типа. Эти требования были реализованы в первом отечественном вычислительном томографе для обследования головы, созданном инженерами и конструкторами Министерства электротехнической промышленности СССР совместно с учеными НИИ неврологии АМН СССР.
Наибольшее значение, как показал наш клинический опыт, метод КТ приобрел в диагностике сосудистых заболеваний и опухолей головного мозга. Ценность метода определяется возможностью устанавливать характер нарушения мозгового кровообращения, локализацию и распространенность. В острой стадии инсульта выявляемость церебральных кровоизлияний, по нашим данным, составляет 98,9%, инфаркта мозга — 78,2%. В этих условиях КТ обеспечивает прижизненный контроль изменений в очаге поражения и окружающем веществе мозга, позволяет оценивать выраженность отека мозга и эффективность противоотечной терапии, выявлять симптомы дислокации и деформации различных отделов головного мозга.
Использование КТ у больных, перенесших мозговой инсульт, открывает перспективы для клинико- рентгенологического изучения путей и возможностей компенсации двигательных и речевых расстройств в восстановительном периоде, для поиска и разработки эффективных методов лечения.
Томографическое обследование больных с внутричерепными опухолями проводится с целью дифференциальной диагностики с сосудистыми заболеваниями нервной системы, а также предварительного определения характера опухоли. При этом совпадение диагнозов, подтвержденных гистологическим исследованием операционных биопсий и патологоанатомических данных, было установлено при менингиомах в 95% наблюдений, при глиомах — в 71,3%.
Метод КТ имеет определенную ценность при диагностике рассеянного склероза, распознавание которого в клинике нередко представляет большие трудности в связи с отсутствием патогномоничных симптомов болезни. Выявление очагов поражения там, где они в большом числе наблюдений не обнаруживаются клинически, представляется важным в случаях атипичного течения рассеянного склероза. Кроме того, томографическое обследование имеет большое значение в начальных стадиях заболевания я при формах с преимущественно спинальной или мозжечковой локализацией очагов, где полученные данные могут указать на распространенность патологического процесса.
В клинике наследственных заболеваний ЦНС применение КТ нередко имеет решающее значение для уточнения диагноза и определения морфологических изменений при некоторых формах болезней. Известно, например, что клиническая диагностика наследственно-семейных атаксий нередко представляет значительные трудности. Использование КТ в подобных Наблюдениях позволяет выявлять рентгенологические симптомы атрофии мозжечка и ствола мозга, причем главным образом у больных с разными формами геридитарных мозжечковых атаксий.
Огромное значение для дальнейшего совершенствования метода КТ, улучшения диагностики и определения его разрешающей способности имеет сочетанное проведение томографического и гистологического исследования. Основу подобных сравнительных исследований составляют соотносимые между собой данные морфологических и томографических способов оценки патологических изменений, полученные при летальных исходах заболевания. Использование результатов этих исследований в практике томографических обследований позволяет решать вопросы прижизненной количественной оценки таких патологических состояний, как отек мозга, а также помогает осуществлять прогноз структурных изменений в очаге поражения, определять их «возраст» и др. Кроме того, сопоставление изменений в мозговом веществе, устанавливаемых в процессе томографического обследования, с последующим патологоанатомическим и микроскопическим исследованием открывает пути для изучения вопросов патогенеза некоторых заболеваний головного мозга.
Томографическое обследование неврологических больных проводится па специализированном нейротомографе либо на томографе, предназначенном для изучения органов и систем всего тела*. Оно проводится в одном из стандартных режимов. При этом плоскость получаемого среза проходит параллельно линии, соединяющей наружный край орбиты и наружный слуховой проход (ОМ — орбитомеатальная линия).
Получение компьютерной томограммы (среза) головы па выбранном уровне основывается на выполнении следующих операций: 1) формирование требуемой ширины рентгеновского луча (коллимирование); 2) сканирование головы пучком рентгеновского излучения, осуществляемого движением (вращательным и поступательным) вокруг неподвижной головы пациента устройства «излучатель — детекторы»; 3) измерение излучения и определение его ослабления с последующим преобразованием результатов в цифровую форму; 4) машинный (компьютерный) синтез томограммы по совокупности данных измерения, относящихся к выбранному слою; 5) построение изображения исследуемого слоя на экране видеомонитора (дисплея).
В использованных нами системах компьютерных томографов сканирование и получение изображений происходят по описанной схеме следующим образом. Рентгеновская трубка в режиме излучения «обходит» голову больного по дуге 240°, останавливаясь через каждые 3° этой дуги и делая продольное перемещение. На одной оси с рентгеновским излучателем закреплены детекторы — кристаллы йодистого натрия, преобразующие ионизирующее излучение в световое. Последнее попадает на фотоэлектронные умножители, превращающие эту видимую часть в электрические сигналы. Электрические сигналы подвергаются усилению, а затем преобразованию в цифры, которые вводят в мини-ЭВМ. Рентгеновский луч, пройдя через среду поглощения, ослабляется пропорционально плотности тканей, встречающихся на его пути, и несет информацию о степени его ослабления в каждом положении сканирования. Причем интенсивность неослабленной (непоглощенной) части излучения во всех проекциях сравнивается с величиной сигнала, поступающего с контрольного детектора, регистрирующего исходную энергию излучения сразу же на выходе луча из рентгеновской трубки.
Следовательно, формирование показателей поглощения (ослабления) для каждой точки исследуемого слоя происходит после вычисления отношения величины сигнала на выходе рентгеновского излучателя к значению его после прохождения объекта исследования (коэффициенты поглощения).
В мини-ЭВМ выполняется математическая реконструкция вычисленных коэффициентов поглощения и пространственное их распределение на квадратной многоклеточной матрице, а полученные изображения передаются для визуальной оценки на экран полутопового дисплея.
За одно сканирование получают два соприкасающихся между собой среза толщиной 10 мм каждый. Картина среза восстанавливается на матрице размером 160X160 клеток с величиной каждой клетки 1,5 X 1,5 мм.
Полученные коэффициенты поглощения выражают в относительных единицах шкалы, нижняя граница которой ( — 1000 ед. Н) соответствует ослаблению рентгеновских лучей в воздухе, верхняя (+ 1000 ед. Н) —ослаблению в костях, а за ноль принимается коэффициент поглощения воды. Различные ткани мозга и жидкие среды имеют разные по величине коэффициенты поглощения (рис. 1). Это обеспечивает возможность получать на компьютерных томограммах основные структуры мозга и многие патологические процессы в них. Чувствительность системы и улавливании перепада рентгеновской плотности в обычном режиме исследования не превышает 5 ед. Н, что составляет 0,5%.
Поглощение (μ, мю) различными тканями мозга
1. Поглощение (μ, мю) различными тканями мозга и жидкими средами (коэффициенты к единицах Хаунсфилда — ед. Н).  

На экране дисплея высоким значениям плотности (например, кости) соответствуют светлые участки, низким темные. Комбинации различных значений плотности исследуемого объекта и соответствующая им яркость свечения экрана видеомонитора в каждой точке матрицы создает многоклеточную мозаику черно-белого изображения данного объекта. Компьютерный томограф, как показано выше, способен различать до 2000 значений относительных коэффициентов поглощения, однако одновременно воспроизвести все эти значения на телевизионном экране невозможно. Градационная способность экрана составляет 15—16 полутоновых ступеней, различаемых человеческим глазом. На каждую ступень, таким образом, приходится около 130 значений коэффициентов поглощения. Для полной реализации высокой разрешающей способности томографа по плотности в аппарате предусмотрены средства управления так называемой ширины окна и его уровня (положения), чтобы дать рентгенологу возможность анализировать изображение на различных участках шкалы коэффициентов поглощения. Окно представляет собой заданную оператором часть из полного диапазона шкалы, которой соответствует перепад величины яркости от белого до черного. Таким образом, ширина окна — это величина разности наибольшего и наименьшего коэффициентов поглощения, соответствующая указанному перепаду яркости. Положение или уровень окна (центр окна) — это величина коэффициента ослабления, равная середине окна и выбираемая из условий наилучшего выявления плотностей интересующей группы структур или тканей.
Важнейшей характеристикой систем для КТ является качество получаемого изображения. Развитие КТ направлено на улучшение разрешающей способности метода с целью выявления малых различий плотности, а также снижения количества артефактов, появляющихся па томограммах, как за счет аппаратных ошибок, так и при движении пациента. Известно, что качество визуализации анатомических образований головного мозга и очагов поражения зависит в основном от двух факторов: размера матрицы, на которой строится томограмма, и перепада показателей поглощения. Величина матрицы как показали специальные исследования [Messina A., Chemik N.. 1977], может оказывать существенное влияние на точность диагностики. Так, количество ошибочных диагнозов при анализе томограмм на матрице 80X80 клеток (одна клетка 3X3 мм) составляло 27%, а при работе па матрице 160X160 —уменьшилось до Итак, компьютерный томограф обладает двумя видами разрешающей способности: пространственной и по перепаду плотности. Первый тип определяется размером клетки матрицы (обычно — 1.5X1,5 мм), второй равен 5 ед, Н (0,5%). В соответствии с этими характеристиками теоретически можно различать элементы изображения размером 1,5X1,5 мм при перепаде плотности между ними не меньше 5 ед. Н. Однако в эксперименте [Gawel J. et al., 1975] показано, что при разнице коэффициентов поглощения близлежащих объектов в 10 ед. Н (1%) удается выявлять очаги величиной не менее 6X6 мм, а при разнице в 30 ед.Н (3%) —детали размером 3X3 мм. По данным В. В. Клюева (1980), обычная рентгенография позволяет уловить минимальную разницу по плотности между соседними участками в 10—20%. Однако при очень значительном перепаде плотностей рядом расположенных структур возникают специфические для данного метода условия, снижающие его разрешающую способность, так как при построении изображения в этих случаях происходит математическое усреднение величин КП этих образований и при этом очаги небольших размеров могут быть не обнаружены. Чаще это происходит при небольших зонах пониженной плотности, расположенных вблизи массивных костных структур (пирамиды височных костей) или костей свода черепа. Важным условием для обеспечения проведения компьютерной томографии является неподвижное положение пациента, ибо движения во время исследования приводят к возникновению артефактов — наводок: полос темного цвета от образований с низким коэффициентом поглощения (воздух) и белых-полос от структур с высоким КП (кость, металлические хирургические клипсы), что также снижает диагностические возможности.
Лучевая нагрузка на больного в процессе томографического исследования зависит от конструктивных особенностей аппаратов, а также от количества сканирований.
(С целью определения радиационной безопасности применяемого нами компьютерного томографа были проведены фантомные исследования [Вавилов С. Б. и др., 1979]. Изучение показателей лучевой нагрузки обусловливалось также необходимостью уточнения минимальной дозы облучения, соответствующей полному обследованию больного и не ухудшающей качество томограмм.
Измерение доз выполняли на водяном фантоме дозиметром с шариковой каморой в четырех режимах сканирования:

  1. нормальный режим с углом поворота излучателя по дуге 180е и временем сканирования 60 с; 2) нормальный режим с углом поворота излучателя по дуге 240 градусов и временем сканирования 80 с; 3) режим повышенной точности с углом поворота трубки 180° и временем сканирования 240 с 4) режим повышенной точности с углом поворота излучателя 240° и временем сканирования 320 с.

Точность измерения коэффициентов поглощения зависела от режима томографического сканирования несколько превышала 5 ед. Н. Во втором режиме ошибка измерения составляла 0, 5%, а в двух последних была меньше 0, 25%. С увеличением точности измерения улучшалось качество изображений, причем в первом режиме оно было не вполне удовлетворительным, во втором — отвечало предъявляемым к нему требованиям, а в двух последних — было наилучшим.

Экспозиционные дозы, вычисленные в 5 точках фантома, расположенных симметрично по окружности и в центре, приведены в табл. 1.


Таблица 1. Экспозиционные дозы за одно сканирование (среднее значение из 5 измерений), в греях

Точка измерения

Режим сканирования (угол поворота и время)

 

180’, 60 с

240°, 80 с

180”, 240 с.

240 320 с

Верхняя

0,32

1.55

0.88

6.2

Правая

1.73

2.25

6.9

10,4

Нижняя

2.9

3,95

11,6

16.2

Левая

2,6

3,85

10,4

15,6

Центр

0,8

1,05

3.2

4,2

Во всех измерениях начало отсчета дозы и начало облучения проводили от нулевого положения, при котором рентгеновская трубка располагалась в крайнем правом положении и пучок излучения был направлен горизонтально.
Как показали результаты исследования, величины входных экспозиционных и интегральных поглощенных доз, получаемых пациентом в обычных режимах сканирования (180°, 60 с; 240°, 80 с), сравнимы с подобными показателями при краниографии. По данным Международной комиссии по радиологической защите при одном снимке черепа в латеральной проекции экспозиционная доза лежит в пределах 0, 8—1, 2 Гр, а во фронтальной проекции — в диапазоне 1, 2—1, 6 Гр. Однако, по данным Е. Е. Колесникова и соавт. (1962), экспозиционная доза облучения при одном снимке черепа может колебаться от 4, 5 до 7, 0 Гр, а по данным Минздрава СССР — от 1, 58 до 4, 0 Гр [Моисеев А. А., Иванов В. И., 1974].
В отличие от рентгенографии черепа для КТ характерна локальность лучевой нагрузки, приходящейся на исследуемый слой, что обеспечивает в целом более низкое ее значение и относительно высокий уровень защиты других органов от рассеянного излучения.
В соответствии с полученными дозами для выполнения рутинных томографических исследований был выбран режим сканирования по дуге 240° в течение 80 с.



 
« Комплементарная медицина   Коррекция нарушений липидного обмена у детей страдающих инсулинзависимым сахарным диабетом с помощью электропунктуры »