Компьютерная томография

Компьютерная томография (КТ), также известная (особенно в старой литературе и учебниках) как компьютерная аксиальная томография (КАТ), представляет собой метод визуализации, в котором используется рентгеновское излучение для создания томографических изображений («срезов») тела. Поперечные срезы реконструируются на основе измерений коэффициентов ослабления рентгеновских пучков, проходящих через объем исследуемого объекта.

КТ основана на фундаментальном принципе, согласно которому плотность ткани, через которую проходит рентгеновский пучок, может быть определена путем расчета коэффициента ослабления. На основе этого принципа КТ позволяет реконструировать плотность структур тела в виде двухмерного среза, перпендикулярного оси системы сбора данных.

Сбор проекционных данных

Рентгеновская трубка КТ (обычно с уровнем энергии от 20 до 150 keV) испускает N фотонов (монохроматических) в единицу времени. Испускаемое рентгеновское излучение формирует пучок, который проходит через слой биологического материала толщиной Δx. Детектор, расположенный на выходе из образца, регистрирует N + ΔN фотонов, где ΔN меньше 0. Значения ослабления рентгеновского пучка фиксируются, и эти данные используются для построения 3D-изображения сканируемого объекта/ткани.

Существуют два процесса поглощения: фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. Это явление выражается единым коэффициентом мю (μ).

В частном случае КТ источник рентгеновского излучения вращается вокруг пациента, а детектор, расположенный с диаметрально противоположной стороны, регистрирует изображение среза тела (пучок и детектор движутся синхронно).

В отличие от рентгенографии, детекторы КТ-сканера не формируют изображение напрямую. Они измеряют прохождение тонкого пучка (1-10 мм) рентгеновского излучения через тело при сканировании. Изображение этого сечения регистрируется под разными углами, что позволяет получить информацию о глубине (в третьем измерении).

Если рентгеновское излучение на выходе из трубки сделать монохроматическим или квазимонохроматическим с помощью подходящего фильтра, можно рассчитать коэффициент ослабления, соответствующий объёму облучённой ткани, применяя общую формулу поглощения рентгеновского излучения (см. рисунок 1).

Измеренная интенсивность выходящего пучка фотонов I(x) зависит от локализации. Значение I(x) меньше там, где тело обладает большей рентгеноконтрастностью.

КТ-изображение представляет собой цифровое изображение и состоит из квадратной матрицы элементов (пикселей), каждый из которых отображает воксель (элемент объёма) ткани пациента.

Типичное КТ-изображение состоит из 512 строк, по 512 пикселей в каждой, то есть представляет собой квадратную матрицу 512 x 512 = 262 144 пикселей (по одному на каждый воксель). При обработке изображения необходимо рассчитать значение коэффициента ослабления для каждого вокселя, соответствующего этим пикселям.

В заключение, измерение, выполняемое детектором КТ, пропорционально сумме коэффициентов ослабления.

Реконструкция изображения

КТ регистрирует ослабление рентгеновского излучения при прохождении через исследуемую область тела. Однако ряд особенностей отличает её от традиционной рентгенологии: изображение реконструируется на основе большого количества измерений коэффициентов ослабления. Она собирает воедино все данные, поступающие от элементарных объёмов вещества через детекторы.

Для получения томографических изображений пациента из «предварительно обработанного» набора данных КТ компьютер использует сложные математические алгоритмы реконструкции изображений. С помощью компьютера он отображает элементарные поверхности реконструированного изображения из проекции матрицы данных реконструкции, при этом оттенок зависит от коэффициентов ослабления.

Обратная проекция — это самый прямой способ реконструкции изображения. Однако каждая точка изображения окружена звездообразным ореолом, который снижает контрастность и размывает границы объекта. Чтобы избежать этого, используется метод фильтрованной обратной проекции. Действие фильтрующей функции таково, что возникающие отрицательные значения в отфильтрованной проекции при обратном проецировании устраняются, в результате чего формируется изображение, являющееся точным представлением исходного объекта.

Перед отображением данных на экране выполняется стандартное масштабирование в КТ-числа, выражаемые в безразмерных единицах Хаунсфилда (HU), как упоминалось выше. КТ-числа, основанные на измерениях с помощью сканера EMI, изобретённого Sir Godfrey Hounsfield, лауреатом Нобелевской премии за свою работу в 1979 году, связывают линейный коэффициент ослабления локальной области с коэффициентом ослабления воды; для целочисленных значений КТ-чисел используется масштабный коэффициент 1000.

Hounsfield выбрал шкалу, отражающую четыре основные рентгенологические плотности в организме человека со следующими значениями:

• воздух = -1000 HU (единиц Хаунсфилда)

• жир = от -60 до -120 HU

• вода = 0 HU

• компактная кость = +1000 HU

Итоговое изображение содержит КТ-числа в каждом вокселе.

Терминология

Хотя термин «КТ-сканирование» часто встречается в речи и на письме, добавление слова «сканирование» в большинстве случаев избыточно. Например, фраза «Миссис JS выполнили КТ-сканирование органов грудной клетки» будет ничуть не менее понятной, если сказать «Миссис JS выполнили КТ органов грудной клетки». Действительно, добавление слова «сканирование» здесь совершенно излишне; столь же тавтологично и бессмысленно выражение «МРТ-сканирование». Совершенно очевидно, что «сканирование костей» (bone scan) — это другой случай, поскольку здесь слово «сканирование» используется как синоним сцинтиграфии. Фраза «Миссис JS выполнили сканирование костей» станет бессмысленной, если заменить её на «Миссис JS выполнили кость»!

Однако называть оборудование, используемое для выполнения КТ, КТ-сканером допустимо, в том числе для того, чтобы читатель понимал, что речь идет о самом оборудовании, а не о полученном цифровом изображении. Хотя во многих случаях контекст (например, когда говорят «мы установили новый КТ») делает слово «сканер» не всегда обязательным.

История и этимология

Физико-математические теоретические основы, лежащие в основе КТ, берут начало в трудах австрийского математика Johann Radon; он показал (в 1917 году) возможность реконструкции трехмерного объекта по бесконечному числу его двумерных проекций (преобразование Радона).

См. также

• КТ на практике