Гибридные и передовые технологии в медицинской визуализации
Суть метода. Гибридная система ПЭТ/КТ объединяет анатомическую информацию, получаемую при помощи рентгеновской компьютерной томографии (КТ), с функциональной информацией, предоставляемой позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ). Радиофармпрепарат, чаще всего фтордезоксиглюкоза (18F-ФДГ), вводится внутривенно и накапливается в тканях с высокой метаболической активностью (например, опухолях).
Физические принципы. ПЭТ основан на регистрации совпадающих гамма-квантов (511 кэВ), образующихся при аннигиляции позитронов с электронами. Благодаря кольцевой геометрии детекторов и принципу временной коинциденции обеспечивается высокая пространственная локализация источников излучения.
Применение. Диагностика онкологических заболеваний, стадирование опухолей, мониторинг эффективности химиотерапии и радиотерапии, нейровизуализация и кардиология. Совмещение с КТ позволяет точно локализовать патологические очаги.
Функциональная МРТ (фМРТ). Измеряет локальные изменения уровня оксигенации крови (эффект BOLD) в ответ на нейронную активность. Метод позволяет визуализировать активные участки мозга при выполнении когнитивных, моторных или сенсорных задач.
Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС). Используется для получения спектров ядер водорода, фосфора или других атомов, что позволяет оценивать концентрации метаболитов в тканях (например, N-ацетиласпартата, холина, лактата).
Физические основы. Феномен ядерного магнитного резонанса заключается в резонансном поглощении радиочастотного излучения ядрами в магнитном поле. Изменение параметров импульсных последовательностей позволяет получать различную контрастность и спектроскопическую информацию.
Клиническое значение. Дифференциальная диагностика опухолей мозга, эпилепсии, рассеянного склероза, мониторинг нейропластичности после инсульта.
Диффузионно-взвешенное изображение (DWI). Регистрирует случайное броуновское движение молекул воды. Нарушение диффузии характерно, например, для ишемического инсульта на ранней стадии.
Перфузионная МРТ. Позволяет оценивать капиллярный кровоток, объем крови и время транзита контрастного агента. Используется как с введением гадолиния, так и с использованием меток артериальной воды (ASL-технологии).
Физические аспекты. DWI основано на градиентных импульсах, чувствительных к перемещениям молекул. Перфузионные методы используют динамическое контрастное усиление или метки спиновой плотности.
Применение. Ранняя диагностика инсульта, оценка злокачественности новообразований, контроль терапии опухолей, кардиологические исследования.
Принцип работы. В двойноэнергетической КТ используются два уровня энергий (обычно 80 и 140 кВ), что позволяет различать материалы по разному коэффициенту ослабления рентгеновского излучения в зависимости от энергии.
Визуализация. Метод даёт возможность выделять конкретные вещества (например, йод, кальций, мочевую кислоту), строить виртуальные неконтрастные изображения и улучшать контраст патологических структур.
Физика процесса. Используются различия в фотоэлектрическом эффекте и эффекте Комптона, которые зависят от атомного номера и энергетического спектра.
Клиническое применение. Дифференциация уролитиаза, виртуальная колоноскопия, выявление тромбов, улучшенная оценка контрастного усиления в ангиографии.
Принцип действия. Оптический аналог УЗИ, использующий интерференцию света ближнего инфракрасного диапазона для построения поперечных срезов тканей с микрометровым разрешением.
Физика. Метод основан на принципе низкокогерентной интерферометрии: отражённые сигналы от разных глубин интерферируют с опорным пучком, обеспечивая высокое пространственное разрешение (до 1–10 мкм).
Области применения. Офтальмология (ретина, зрительный нерв), кардиология (внутрисосудистое исследование), дерматология, онкология слизистых.
Микроволновая радиометрия. Измерение собственного излучения тканей в микроволновом диапазоне (1–10 ГГц). Температурная карта может указывать на патологические процессы с повышенным кровотоком или воспалением.
Терагерцовая визуализация. Технологии на частотах от 0.1 до 10 ТГц. Терагерцовые волны чувствительны к водному содержанию тканей, что позволяет дифференцировать раковые и здоровые клетки, особенно в области поверхностных новообразований.
Физические характеристики. Терагерцовые волны неионизирующие, обладают высокой проникающей способностью при низкой энергии фотона и высокой чувствительностью к изменению диэлектрических свойств тканей.
Применение. Ранняя диагностика рака кожи, контроль краев опухоли при хирургическом вмешательстве, оценка ожогов и отёков.
Принцип действия. ФАТ объединяет преимущества оптического контраста и ультразвукового разрешения. Лазерный импульс поглощается тканями, что вызывает их локальное тепловое расширение и генерацию акустических волн, которые регистрируются ультразвуковыми датчиками.
Физические аспекты. Основной механизм — фотоакустический эффект: преобразование световой энергии в акустическую. Используются лазеры в ближнем ИК-диапазоне (700–1100 нм), где максимальна глубина проникновения в ткани.
Области применения. Оценка оксигенации крови, выявление опухолей, исследование сосудистой архитектуры, контроль ответа на терапию.
Суть метода. Метод измеряет жесткость тканей путём регистрации смещений, вызванных внешними механическими или акустическими импульсами. Изменение упругих свойств характерно для многих патологий.
Физические основы. Используются два типа эластографии: сдвигово-волновая (Shear Wave) и компрессионная. Первая регистрирует скорость распространения поперечных волн, вторая — относительные деформации.
Клиническая значимость. Оценка фиброза печени, диагностика опухолей молочной железы, щитовидной железы, предстательной железы, лимфатических узлов. Высокая точность при неинвазивной диагностике и контроле динамики заболевания.
Автоматизация обработки изображений. Искусственные нейросети (CNN, GAN) позволяют проводить классификацию, сегментацию и реконструкцию изображений с высокой точностью.
Улучшение качества изображений. Применение алгоритмов глубокого обучения позволяет повышать разрешение, подавлять шум и артефакты, особенно при низкодозовых КТ и МРТ.
Клиническое применение. Скрининг патологии лёгких, выявление микрокальцинатов в маммографии, оценка мозговой активности в фМРТ, предсказание ответа на терапию.
Роль медицинского физика. Современные методы визуализации требуют глубокого понимания не только физики используемых технологий, но и биологических, математических, вычислительных аспектов. Медицинский физик играет ключевую роль в разработке, оптимизации и клинической реализации этих методик, а также в обеспечении безопасности и стандартизации визуализации.