Компьютерная томография: традиционная, спиральная

Мультиспиральная компьютерная томография

Спиральная компьютерная томография с многорядным расположением детекторов (мультиспиральная компьютерная томография)

Компьютерные томографы с многорядным расположением детекторов относятся к самому последнему поколению сканеров. Напротив рентгеновской трубки располагается не один, а несколько рядов детекторов. Это дает возможность значительно укоротить время исследования и улучшить контрастное разрешение, что позволяет, например, четче визуализировать контрастированные кровеносные сосуды. Ряды детекторов Z-оси напротив рентгеновской трубки различны по ширине: наружный ряд шире, чем внутренний. Это обеспечивает лучшие условия для реконструкции изображения после сбора данных.

[5], [6], [7]

Сравнение традиционной и спиральной компьютерной томографии

При традиционной компьютерной томографии получают серии последовательных одинаково пространственно расположенных изображений через определенную часть тела, например, брюшную полость или голову. Обязательна короткая пауза после каждого среза для продвижения стола с пациентом в следующее заранее заданное положение. Толщина и наложение/межсрезовый промежуток выбираются заранее. Сырые данные для каждого уровня сохраняются отдельно. Короткая пауза между срезами дает возможность пациенту, находящемуся в сознании, перевести дыхание и тем самым избежать грубых дыхательных артефактов на изображении. Тем не менее, исследование может занимать несколько минут, в зависимости от области сканирования и размеров пациента. Необходимо правильно подобрать время получения изображения после в/в введения КС, что особенно важно для оценки перфузионных эффектов. Компьютерная томография является методом выбора для получения полноценного двухмерного аксиального изображения тела без помех, создаваемых наложением костной ткани и/или воздуха, как это бывает на обычной рентгенограмме.

При спиральной компьютерной томографии с однорядным и многорядным расположением детекторов (МСКТ) сбор данных исследования пациента происходит постоянно во время продвижения стола внутрь гентри. Рентгеновская трубка при этом описывает винтовую траекторию вокруг пациента. Продвижение стола скоординировано со временем, необходимым для оборота трубки на 360° (шаг спирали) - сбор данных продолжается непрерывно в полном объеме. Подобная современная методика значительно улучшает томографию, потому что дыхательные артефакты и возникающие помехи не затрагивают единый набор данных так значительно, как при традиционной компьютерной томографии. Единая база сырых данных используется для восстановления срезов различной толщины и различных интервалов. Частичное наложение сечений улучшает возможности реконструкции.

Сбор данных при исследовании всей брюшной полости занимает 1 - 2 минуты: 2 или 3 спирали, каждая длительностью 10-20 секунд. Ограничение времени обусловлено способностью пациента задержать дыхание и необходимостью охлаждения рентгеновской трубки. Еще некоторое время необходимо на воссоздание изображения. При оценке функции почек требуется небольшая пауза после введения контрастного вещества, чтобы дождаться экскреции контрастного препарата.

Еще одно важное преимущество спирального метода - возможность выявить патологические образования меньшего размера, чем толщина среза. Маленькие метастазы в печени могут быть пропущены, если в результате неодинаковой глубины дыхания пациента во время сканирования не попадают в срез. Метастазы хорошо выявляются из сырых данных спирального метода при восстановлении срезов, полученных с наложением сечений.

[8]

Пространственное разрешение

Восстановление изображения основано на различиях в контрастности отдельных структур. На основе этого создается матрица изображения области визуализации 512 х 512 или более элементов изображения (пикселей). Пиксели выглядят на экране монитора как участки различных оттенков серого цвета в зависимости от их коэффициента ослабления. На самом деле это даже не квадратики, а кубики (воксели = объемные элементы), имеющие длину вдоль оси тела, соответственно толщине среза.

Качество изображения повышается с уменьшением вокселей, но это относится только к пространственному разрешению, дальнейшее истончение среза снижает соотношение «сигнал-помеха». Другой недостаток тонких срезов - увеличение дозы облучения пациента. Тем не менее, маленькие воксели с одинаковыми размерами во всех трех измерениях (изотропный воксель), дают значительные преимущества: мультипланарная реконструкция (MPR) в корональной, сагиттальной или других проекциях представлена на изображении без ступенчатого контура). Использование вокселей неодинаковых размеров (анизотропные воксели) для MPR приводит к появлению зубчатости реконструированного изображения. Так, например, могут возникнуть трудности при исключении перелома.

[9], [10],

Шаг спирали

Шаг спирали характеризует степень перемещения стола в мм за одно вращение и толщину среза. Медленное продвижение стола формирует сжатую спираль. Ускорение перемещения стола без изменения толщины среза или скорости вращения создает пространство между срезами на получаемой спирали.

Наиболее часто шаг спирали понимают как отношение перемещения (подачи) стола при обороте гентри, выраженное в мм, к коллимации, также выраженной в мм.

Поскольку размерности (мм) в числителе и знаменателе уравновешены, шаг спирали - величина безразмерная. Для МСКТ за т. н. объемный шаг спирали обычно принимают отношение подачи стола к одиночному срезу, а не к полной совокупности срезов вдоль оси Z. Для примера, который был использован выше, объемный шаг спирали равен 16 (24 мм / 1,5 мм). Тем не менее, существует тенденция возврата к первому определению шага спирали.

Новые сканеры дают возможность выбора краниокаудального (ось Z) расширения области исследования по топограмме. Также по мере необходимости корректируются время оборота трубки, коллимирование среза (тонкий или толстый срез) и время исследования (промежуток задержки дыхания). Программное обеспечение, например, «SureView», рассчитывает соответствующий шаг спирали, обычно устанавливая величину между 0,5 и 2,0.

[11], [12],

Коллимирование среза: разрешение вдоль оси Z

Разрешение изображения (вдоль оси Z или оси тела пациента) может также быть адаптировано к конкретной диагностической задаче с помощью коллимирования. Срезы толщиной от 5 до 8 мм полностью соответствуют стандартному исследованию брюшной полости. Однако точная локализация небольших фрагментов переломов костей или оценка едва различимых легочных изменений требуют использования тонких срезов (от 0,5 до 2 мм). Что определяет толщину среза?

Термин коллимирование определяют как получение тонкого или толстого среза вдоль продольной оси тела пациента (ось Z). Врач может ограничить веерообразное расхождение пучка излучения от рентгеновской трубки коллиматором. Размер отверстия коллиматора регулирует прохождение лучей, которые попадают на детекторы позади пациента широким или узким потоком. Сужение пучка излучения позволяет улучшить пространственное разрешение вдоль оси Z пациента. Коллиматор может быть расположен не только сразу на выходе из трубки, но также непосредственно перед детекторами, то есть «позади» пациента, если смотреть со стороны источника рентгеновского излучения.

Зависимая от ширины отверстия коллиматора система с одним рядом детекторов позади пациента (одиночный срез) может выполнять срезы толщиной 10 мм, 8 мм, 5 мм или даже 1 мм. КТ-исследование с получением очень тонких сечений именуется «КТ высокого разрешения» (ВРКТ). Если толщина срезов меньше миллиметра - говорят о «КТ сверхвысокого разрешения» (СВРКТ). СВРКТ, применяемая для исследования пирамиды височной кости со срезами толщиной около 0,5 мм, выявляет тонкие линии перелома, проходящие через основание черепа или слуховые косточки в барабанной полости). Для печени высококонтрастное разрешение используется с целью обнаружения метастазов, при этом требуются срезы несколько большей толщины.

[13], [14], [15],

Схемы расстановки детекторов

Дальнейшее развитие односрезовой спиральной технологии привело к внедрению мультисрезовой (мультиспиральной) методики, при которой используется не один, а несколько рядов детекторов, расположенных перпендикулярно оси Z напротив источника рентгеновского излучения. Это дает возможность одновременно собирать данные с нескольких сечений.

В связи с веерообразным расхождением излучения ряды детекторов должны иметь разную ширину. Схема расстановки детекторов заключается в том, что ширина детекторов увеличивается от центра к краю, что позволяет варьировать комбинациями толщины и количества получаемых срезов.

Например, 16-срезовое исследование может быть выполнено с 16 тонкими срезами высокого разрешения (для Siemens Sensation 16 это методика 16 х 0,75 мм) или с 16 сечениями вдвое большей толщины. Для подвздошно-бедренной КТ-ангиографии предпочтительно получение объемного среза за один цикл вдоль оси Z. При этом ширина коллимирования 16 х 1,5 мм.

Развитие КТ-сканеров не закончилось 16 срезами. Сбор данных можно ускорить, используя сканеры с 32 и 64 рядами детекторов. Однако тенденция к уменьшению толщины срезов ведет к повышению дозы облучения пациента, что требует дополнительных и уже осуществимых мероприятий по снижению воздействия излучения.

При исследовании печени и поджелудочной железы многие специалисты предпочитают уменьшать толщину срезов с 10 до 3 мм для улучшения резкости изображения. Однако это увеличивает уровень помех приблизительно на 80 %. Поэтому, чтобы сохранить качество изображения, нужно или дополнительно прибавить силу тока на трубке, т. е. повысить силу тока (мА) на 80 %, или увеличить время сканирования (возрастает произведение мАс).

[16], [17]

Алгоритм реконструкции изображений

Спиральная компьютерная томография имеет дополнительное преимущество: в процессе восстановления изображения большинство данных не измеряются фактически в конкретном срезе. Взамен этого, измерения, полученные за пределами этого среза, интерполируются с большинством значений вблизи среза и становятся данными, закрепленными за этим срезом. Другими словами: результаты обработки данных вблизи среза являются более важными для восстановления изображения конкретного сечения.

Из этого следует интересный феномен. Доза пациента (в мГр) определяется как мАс за вращение, разделенное на шаг спирали, а доза на одно изображение приравнивается к мАс за вращение без учета шага спирали. Если, например, выставлены настройки 150 мАс за вращение с шагом спирали 1,5, то доза пациента составляет 100 мАс, а доза, приходящаяся на изображение, - 150 мАс. Поэтому использование спиральной технологии может улучшить контрастное разрешение выбором высокого значения мАс. При этом появляется возможность увеличить контрастность изображения, тканевое разрешение (четкость изображения) за счет уменьшения толщины среза и подобрать такой шаг и длину интервала спирали, чтобы доза пациента уменьшалась! Таким образом, большое количество срезов может быть получено без увеличения дозы или нагрузки на рентгеновскую трубку.

Эта технология особенно важна при преобразовании полученных данных в 2-мерные (сагиттальную, криволинейную, корональную) или 3-мерные реконструкции.

Данные измерений от детекторов пропускаются, профайл за профайлом, к электронной части детектора как электрические сигналы, соответствующие фактическому ослаблению рентгеновского излучения. Электрические сигналы оцифровываются и затем пересылаются на видеопроцессор. На этом этапе реконструкции изображения используется метод «конвейера», состоящий из предварительной обработки, фильтрации и обратного проектирования.

Предварительная обработка включает все исправления, произведенные для подготовки полученных данных для восстановления изображения. Например, исправление темнового тока, выходного сигнала, калибровки, коррекция дорожек, увеличение жесткости излучения и др. Эти корректировки выполняются для уменьшения вариаций в работе трубки и детекторов.

Фильтрация использует отрицательные величины для коррекции размазывания изображения, присущего обратному проектированию. Если, например, сканируется цилиндрический водный фантом, который воссоздается без фильтрации, края его окажутся крайне расплывчатыми. Что произойдет, когда восемь профайлов ослабления накладываются друг на друга для восстановления изображения? Так как некоторая часть цилиндра измеряется двумя совмещенными профайлами, вместо реального цилиндра получается звездчатое изображение. Вводя отрицательные величины за пределами положительной составляющей профайлов ослабления, удается достичь того, что края этого цилиндра становятся четкими.

Обратное проектирование перераспределяет данные свернутого скана в 2-мерную матрицу изображения, отображая порченные срезы. Это выполняется, профайл за профайлом, до завершения процесса воссоздания образа. Матрицу изображения можно представить в виде шахматной доски, но состоящей из 512 x 512 или 1024 х 1024 элементов, обычно называемых «пикселями». В результате обратного проектирования каждому пикселю в точности соответствует заданная плотность, которая на экране монитора имеет различные оттенки серого цвета, от светлого до темного. Чем светлее участок экрана, тем выше плотность ткани в пределах пикселя (например, костные структуры).

[18], [19]

Влияние напряжения (кВ)

Когда исследуемая анатомическая область характеризуется высокой поглощающей способностью (например, КТ головы, плечевого пояса, грудного или поясничного отделов позвоночника, таза или просто полного пациента), целесообразно использовать повышенное напряжение или, взамен этого, более высокие значения мА. При выборе высокого напряжения на рентгеновской трубке, вы увеличиваете жесткость рентгеновского излучения. Соответственно, рентгеновские лучи гораздо легче проникают через анатомическую область с высокой поглощающей способностью. Положительной стороной этого процесса является снижение низкоэнергетических компонентов излучения, которые поглощаются тканями пациента, не влияя на получение изображения. Для обследования детей и при отслеживании болюса KB может быть целесообразным использование более низкого напряжения, чем в стандартных установках.

[20], [21], [22], [23], [24], [25]

Сила тока трубки (мАс)

Сила тока, измеряемая в миллиампер-секундах (мАс), также оказывает влияние на дозу облучения, получаемую пациентом. Крупному больному для получения качественного изображения требуется увеличение силы тока трубки. Таким образом, более тучный пациент получает большую дозу облучения, чем, например, ребенок с заметно меньшими размерами тела.

Области с костными структурами, которые больше поглощают и рассеивают излучение, такие как плечевой пояс и таз, нуждаются в большей силе тока трубки, чем, например, шея, брюшная полость худощавого человека или ноги. Эта зависимость активно используется при защите от облучения.

Время сканирования

Следует выбрать максимально короткое время сканирования, особенно при исследовании брюшной полости и грудной клетки, где сокращения сердца и перистальтика кишечника могут ухудшить качество изображения. Качество КТ-исследования также улучшается при снижении вероятности непроизвольных движений пациента. С другой стороны, может возникать необходимость более длительного сканирования для сбора достаточного количества данных и максимального пространственного разрешения. Иногда выбор продленного времени сканирования со снижением силы тока используется сознательно с целью продления срока эксплуатации рентгеновской трубки.

[26], [27], [28], [29], [30]

Трехмерная реконструкция

В связи с тем, что при спиральной томографии собирается объем данных для целой области тела пациента, визуализация переломов и кровеносных сосудов заметно улучшилась. Применяют несколько различных методов трехмерной реконструкции:

[31], [32], [33], [34], [35]

Проекция максимальной интенсивности (Maximal Intensity Projection), MIP

MIP - это математический метод, посредством которого из двухмерного или трехмерного набора данных извлекаются гиперинтенсивные воксели. Воксели выбираются из набора данных, полученных иод различными углами, и затем проецируются как двухмерные изображения. Трехмерный эффект получают изменением угла проецирования с малым шагом, и затем, визуализируя восстановленное изображение в быстрой последовательности (т. е. в динамическом режиме просмотра). Этот метод часто используется при исследовании кровеносных сосудов с контрастным усилением.

[36], [37], [38], [39], [40]

Мультипланарная реконструкция (Multiplanar Reconstruction), MPR

Эта методика делает возможной реконструкцию изображения в любой проекции, будь то корональная, сагиттальная или криволинейная. MPR является ценным инструментом в диагностике переломов и в ортопедии. Например, традиционные аксиальные срезы не всегда дают полную информацию о переломах. Тончайший перелом без смещения отломков и нарушения кортикальной пластинки может быть более эффективно обнаружен с помощью MPR.

[41], [42]

Трехмерная реконструкция затененных поверхностей (Surface Shaded Display), SSD

Этот метод воссоздает поверхность органа или кости, определенную выше заданного порога в единицах Хаунсфилда. Выбор угла изображения, так же как местоположение гипотетического источника света, является ключевым фактором для получения оптимальной реконструкции (компьютер вычисляет и удаляет с изображения участки затенения). На поверхности кости четко виден перелом дистальной части лучевой кости, продемонстрированный с помощью MPR.

Трехмерная SSD также используется при планировании хирургического вмешательства, как в случае травматического перелома позвоночника. Меняя угол изображения, легко обнаружить компрессионный перелом грудного отдела позвоночника и оценить состояние межпозвоночных отверстий. Последние можно исследовать в нескольких различных проекциях. На сагиттальной МПР виден костный фрагмент, который смещается в спинномозговой канал.

Основные правила чтения компьютерных томограмм

• Анатомическая ориентация

Изображение на мониторе - не просто 2-мерное отображение анатомических структур, оно содержит данные о средней величине поглощения тканями рентгеновского излучения, представленное матрицей, состоящей из 512 x 512 элементов (пикселей). Срез имеет определенную толщину (d_S) и представляет собой сумму кубовидных элементов (вокселей) одинакового размера, объединенных в матрицу. Эта техническая особенность лежит в основе эффекта частного объема, объясняемого ниже. Получаемые изображения обычно представляют собой вид снизу (с каудальной стороны). Поэтому правая сторона пациента находится на изображении слева и наоборот. Например, печень, расположенная в правой половине брюшной полости, представлена на левой стороне изображения. А органы, расположенные слева, такие как желудок и селезенка, видны на картинке справа. Передняя поверхность тела, в данном случае представленная передней брюшной стенкой, определяется в верхней части изображения, а задняя поверхность с позвоночником - снизу. Тот же принцип формирования изображения используется при традиционной рентгенографии.

• Эффекты частного объема

Рентгенолог сам устанавливает толщину среза (d_S). Для исследования грудной и брюшной полостей обычно выбирают 8 - 10 мм, а для черепа, позвоночника, глазниц и пирамид височных костей - 2 - 5 мм. Поэтому структуры могут занимать всю толщину среза или только часть ее. Интенсивность окраски вокселя по серой шкале зависит от среднего коэффициента ослабления для всех его компонентов. Если структура имеет одинаковую форму по всей толщине среза, она будет выглядеть четко очерченной, как в случае брюшной аорты и нижней полой вены.

Эффект частного объема возникает, когда структура занимает не всю толщину среза. Например, если срез включает только часть тела позвонка и часть диска, то их контуры оказываются нечеткими. То же самое наблюдается, когда орган суживается внутри среза. Это является причиной плохой четкости полюсов почки, контуров желчного и мочевого пузыря.

• Различие между узловыми и трубчатыми структурами

Важно уметь отличать увеличенные и патологически измененные ЛУ от сосудов и мышц, попавших в поперечное сечение. Сделать это только по одному сечению бывает очень сложно, потому что эти структуры имеют одинаковую плотность (и одинаковый оттенок серого). Поэтому следует всегда анализировать соседние срезы, расположенные краниальнее и каудальнее. Уточнив, на скольких срезах видна данная структура, можно решить дилемму, видим ли мы увеличенный узел или более-менее длинную трубчатую структуру: лимфоузелбудет определяться только на одном - двух срезах и не визуализируется на соседних. Аорта, нижняя полая венаи мышцы, например, пояснично-подвздошная, видны на протяжении серии кранио-каудальных изображений.

Если возникло подозрение на увеличенное узловое образование на одном срезе, то врачу следует немедленно сравнить соседние сечения, чтобы четко определить, не является ли это «образование» просто сосудом или мышцей в поперечном сечении. Такая тактика хороша и тем, что дает возможность быстро установить эффект частного объема.

• Денситометрия (измерение плотности тканей)

Если не известно, например, является ли жидкость, найденная в плевральной полости, выпотом или кровью, измерение ее плотности облегчает дифференциальный диагноз. Точно так же, денситометрию можно применить при очаговых образованиях в паренхиме печени или почек. Однако не рекомендуется делать заключение на основании оценки одиночного вокселя, т. к. подобные измерения малодостоверны. Для большей надежности следует расширить «область интереса», состоящую из нескольких вокселей в очаговом образовании, какой-либо структуре или объеме жидкости. Компьютер рассчитывает среднюю плотность и величину стандартного отклонения.

Следует быть особенно внимательным и не упустить артефакты увеличения жесткости излучения или эффекты частного объема. Если образование распространяется не на всю толщину среза, то измерение плотности включает в себя соседствующие с ним структуры. Плотность образования будет измерена корректно, только если оно заполняет всю толщину среза (d_S). В этом случае более вероятно, что измерения будут затрагивать само образование, а не соседние структуры. Если ds больше, чем диаметр образования, например, очаг маленьких размеров, это приведет к проявлению эффекта частного объема на любом уровне сканирования.

• Уровни плотности различных типов тканей

Современные аппараты способны охватить 4096 оттенков серой шкалы, которыми представлены различные уровни плотности в единицах Хаунсфилда (HU). Плотность воды произвольно была принята за 0 HU, а воздуха за - 1000 HU. Экран монитора может отображать максимум 256 оттенков серого. Однако человеческий глаз способен различить только около 20. Поскольку спектр плотностей тканей человека простирается шире, чем эти довольно узкие рамки, можно выбрать и отрегулировать окно изображения таким образом, чтобы были видны только ткани требуемого диапазона плотности.

Средний уровень плотности окна необходимо установить как можно ближе к уровню плотности исследуемых тканей. Легкое, из-за повышенной воздушности, лучше исследовать в окне с настройками низкого значения HU, тогда как для костной ткани уровень окна следует значительно повысить. От ширины окна зависит контрастность изображения: суженное окно более контрастно, поскольку 20 оттенков серого перекрывают только малую часть шкалы плотностей.

Важно отметить, что уровень плотности почти всех паренхиматозных органов находится в пределах узких границ между 10 и 90 HU. Исключением являются легкие, поэтому, как было указано выше, необходимо установить специальные параметры окна. В отношении кровоизлияний следует принять в расчет, что уровень плотности недавно свернувшейся крови примерно на 30 HU выше, чем свежей крови. Затем уровень плотности снова падает в участках старого кровоизлияния и в зонах лизиса тромбов. Экссудат с содержанием белка более 30 г/л нелегко отличить от транссудата (с содержанием белка ниже 30 г/л) при стандартных настройках окна. В дополнение следует сказать, что высокая степень совпадения плотностей, например, у лимфоузлов, селезенки, мышц и поджелудочной железы, делает невозможным установить принадлежность ткани только на основании оценки плотности.

В заключение следует отметить, что обычные значения плотностей тканей также индивидуальны у разных людей и меняются под влиянием контрастных препаратов в циркулирующей крови и в органе. Последний аспект имеет особое значение для исследования мочеполовой системы и касается в/в введения КВ. При этом контрастный препарат быстро начинает выделяться почками, что приводит к повышению плотности паренхимы почек во время сканирования. Этот эффект можно использовать для оценки функции почек.

• Документирование исследований в различных окнах

Когда изображение получено, для документирования исследования необходимо перенести снимок на пленку (сделать твердую копию). Например, при оценке состояния средостения и мягких тканей грудной клетки устанавливается такое окно, что мышцы и жировая ткань четко визуализируются оттенками серого цвета. При этом используется мягко-тканное окно с центром на 50 HU и шириной 350 HU. В результате серым цветом представлены ткани плотностью от -125 HU (50-350/2) до +225 HU (50+350/2). Все ткани с плотностью ниже чем -125 HU, такие как легкое, выглядят черными. Ткани с плотностью выше +225 HU - белыми, а их внутренняя структура не дифференцируется.

Если необходимо исследовать паренхиму легких, например, когда исключают узловые образования, центр окна должен быть снижен до -200 HU, а ширина увеличена (2000 HU). При использовании данного окна (легочное окно), лучше дифференцируются структуры лёгкого с низкой плотностью.

Для достижения максимальной контрастности между серым и белым веществом головного мозга следует выбрать специальное мозговое окно. Так как плотности серого и белого вещества различаются незначительно, мягкотканное окно должно быть очень узким (80 - 100 HU) и высококонтрастным, а его центр должен находиться в середине значений плотности мозговой ткани (35 HU). При таких установках невозможно исследовать кости черепа, т. к. все структуры плотнее 75 - 85 HU выглядят белыми. Поэтому центр и ширина костного окна должны быть значительно выше - около +300 HU и 1500 HU, соответственно. Метастазы в затылочной кости визуализируются только при использовании костного. но не мозгового окна. С другой стороны, головной мозг практически не виден в костном окне, поэтому небольшие метастазы в веществе мозга будут незаметны. Следуем всегда помнить эти технические детали, т. к. на пленку в большинстве случаев не переносят изображения во всех окнах. Врач, проводящий исследование, просматривает изображения на экране во всех окнах, чтобы не пропустить важные признаки патологии.

[43], [44], [45]