Компьютерная томография

Принцип действия компьютерной томографии

Компьютерная томография (КТ) основана на измерении ослабления рентгеновского излучения при его прохождении через тело пациента под различными углами. В отличие от традиционной рентгенографии, где изображение формируется проекционным способом, КТ позволяет реконструировать поперечное сечение объекта. Это достигается путем сбора множества проекций с разных углов, последующего численного анализа и построения изображения с помощью алгоритмов реконструкции, таких как метод обратной проекции с фильтрацией (FBP) или итерационные методы.

Сканирующий комплекс КТ

Компьютерный томограф включает в себя следующие ключевые компоненты:

  • Рентгеновская трубка — источник ионизирующего излучения, вращающийся вокруг пациента.
  • Детекторная система — множество датчиков, регистрирующих интенсивность прошедшего излучения.
  • Гентри (gantry) — кольцевая конструкция, в которую встроены рентгеновская трубка и детекторы. Вращение гентри обеспечивает сбор проекционных данных под разными углами.
  • Стол пациента — перемещается вдоль продольной оси, позволяя осуществлять послойное сканирование.
  • Компьютерная система — выполняет управление процессом сканирования, сбор данных, реконструкцию изображений и визуализацию.

Физика ослабления рентгеновского излучения

КТ измеряет коэффициенты линейного ослабления различных тканей. Величина ослабления зависит от:

  • атомного номера элементов в ткани;
  • плотности ткани;
  • энергии рентгеновского излучения.

Основные механизмы взаимодействия излучения с веществом — фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние. В мягких тканях доминирует комптоновское рассеяние, в костной ткани — фотоэффект.

Поглощение и реконструкция

Каждый измеренный сигнал представляет собой интеграл ослабления по лучу, проходящему через объект. Система уравнений, соответствующая всем измеренным проекциям, решается численно для восстановления распределения коэффициентов ослабления в каждом вокселе (объемном пикселе) реконструируемого среза.

Алгоритмы реконструкции:

  • Обратная проекция с фильтрацией (FBP) — классический быстрый метод, применяемый в большинстве коммерческих томографов.
  • Итерационные методы — обеспечивают более высокое качество изображения при низких дозах, но требуют значительных вычислительных ресурсов.

Характеристики и параметры изображения

  • Пространственное разрешение — определяется размером детектора, коллимацией пучка и шагом реконструкции. В современных КТ-устройствах может достигать 0,25 мм.
  • Контрастное разрешение — способность различать ткани с близкими коэффициентами ослабления. Повышается с увеличением дозы и использованием контрастных веществ.
  • Шум — обусловлен статистическими флуктуациями в измерениях. Уменьшается при увеличении количества фотонов (дозы).
  • Артефакты — искажения изображения, возникающие из-за движения пациента, металлических объектов, лучевых эффектов и других факторов.

Шкала Хаунсфилда (HU)

Для количественной оценки коэффициентов ослабления применяется шкала Хаунсфилда:

  • Вода — 0 HU
  • Воздух — -1000 HU
  • Кость — +1000 HU и выше

Переход к HU позволяет стандартизировать изображения и облегчает дифференциальную диагностику.

Типы компьютерной томографии

  • Спиральная КТ (helical CT) — стол перемещается непрерывно во время вращения гентри. Позволяет проводить быструю объемную съемку.
  • Мультиспиральная КТ (MSCT) — использование нескольких рядов детекторов для одновременного получения множества срезов за один оборот.
  • КТ с двойной энергией — регистрация изображений при двух разных уровнях энергии, позволяющая дифференцировать ткани по составу.
  • КТ-ангиография — визуализация сосудов с помощью контрастного вещества.
  • Перфузионная КТ — оценка кровотока и объема крови в тканях, особенно в нейровизуализации.

Лучевая нагрузка и дозиметрия

Объемная доза в КТ значительно выше, чем в традиционной рентгенографии. Основные дозиметрические параметры:

  • CTDI (Computed Tomography Dose Index) — индекс дозы на один срез.
  • DLP (Dose-Length Product) — произведение CTDI на длину сканирования.
  • Эффективная доза — с учетом чувствительности органов, измеряется в миллизивертах (мЗв).

Для снижения дозы применяются:

  • автоматическая регулировка тока трубки (ATCM);
  • ограничение области сканирования;
  • использование низкодозовых протоколов;
  • итерационные алгоритмы реконструкции.

Контрастные вещества в КТ

Контрастные препараты на основе йода увеличивают коэффициент ослабления сосудов и паренхиматозных органов, повышая диагностическую ценность. Контраст вводится внутривенно, иногда — перорально или ректально.

Физико-химические свойства контрастов:

  • высокая атомная масса (йод, Z=53);
  • водорастворимость;
  • осмолярность;
  • вязкость.

Контрастирование позволяет визуализировать:

  • опухолевые образования;
  • сосудистую патологию;
  • воспалительные процессы;
  • перфузионные характеристики тканей.

Качество изображения и оптимизация

Качество изображения в КТ зависит от множества параметров: напряжения и тока трубки, времени экспозиции, реконструкционного алгоритма, толщины среза, шага сканирования, типа фильтра и т.д.

Для оптимизации изображения важно соблюдение принципов ALARA (As Low As Reasonably Achievable) и баланс между диагностической значимостью и лучевой безопасностью.

Технические и физические особенности современных КТ-устройств

  • Скорость сканирования — современные системы способны получать до 320 срезов за один оборот, что позволяет сканировать весь орган за доли секунды.
  • Синхронизация с ЭКГ — особенно важна при кардиологической КТ, позволяет избежать артефактов, связанных с движением сердца.
  • 3D и 4D реконструкция — объемные изображения и динамические серии, например, при дыхательной синхронизации.

Будущие направления и инновации

  • фотонно-счетные детекторы;
  • КТ с искусственным интеллектом для анализа изображений;
  • спектральная КТ для определения молекулярного состава тканей;
  • уменьшение дозовой нагрузки при сохранении качества.

Роль компьютерной томографии в клинической практике

КТ занимает ключевое место в диагностике:

  • черепно-мозговых травм;
  • острых сосудистых состояний (инсульт, ТЭЛА, аневризма);
  • заболеваний органов грудной и брюшной полости;
  • онкологических процессов;
  • патологий костной системы.

Быстрота, доступность, высокая пространственная и контрастная разрешающая способность делают КТ незаменимым инструментом современной медицинской визуализации.

Оглавление