Нейронауки для всех. Методы: компьютерная томография

Мы уже опубликовали четыре материала, рассказывающие самые основы нейронаук. Но ни одна наука не может существовать без инструментов, которыми она получает знания. К медицинским и биологическим наукам (к коим относятся нейронауки) это справедливо вдвойне. Поэтому параллельно с общим курсом «нейрофизиологии для чайников» мы будем вести еще две серии рассказов: о методах нейронаук и о нейроанатомии, каждой из сотен деталей мозга, имеющих свою функцию и название. Сегодня мы поговорим об одном из способов узнать, что творится у нас в голове, не вскрывая черепную коробку: компьютерной томографии.

Компьютерная томография (КТ) – это не нарушающее целости тела послойное измерение плотности объекта рентгеновскими лучами с последующей математической обработкой полученных данных и построением трехмерной картины объекта.

Термин «томография», или с греческого τομή — сечение + γράφω — изображать, обозначает метод получения изображения сечений тела. При этом могут быть использованы различные способы физического воздействия на эти объекты, в том числе — рентгеновские лучи. В литературе под термином «компьютерная томография» или «компьютерная аксиальная томография» (КАТ) принято обозначать метод получения изображений сечений тела именно с применением рентгеновского излучения.

компьютерная томография
Компьютерно-томографическое изображение зкзотических фруктов

Как говорит один из ведущих специалистов страны в области лучевой диагностики Григорий Кармазановский, «компьютерная томография – основа мощи современной рентгенологии». Но разберемся подробнее, в чем же заключается столь уважаемый медиками метод?

Принцип работы

В общем виде метод КТ основан на технике последовательного, сканирующего просвечивания тонким рентгеновским лучом объекта исследования (например, головы) с дальнейшей регистрацией не поглощенной части пучка, который проходит через объект под разными углами. После этого идет специфическая двумерная сортировка и «расфасовка» коэффициентов поглощения лучей в тканях, а затем — математическое восстановление полученного слоя. По этой модели выстраивается картина распределения коэффициентов в пространстве и с помощью компьютера преобразуется в изображение на экране, доступное визуальному и количественному анализу.

Проще говоря, три базовые идеи КТ в том, чтобы:

просветить слои тела узким пучком рентгеновских лучей,

зафиксировать и перевести в «цифру» те моменты, когда луч, проходя сквозь тело и поглощаясь тканями, ослабевает,

— провести математическую и визуальную реконструкцию цифрового изображения объекта по различным проекциям луча.

компьютерная томография
Четыре поколения компьютерных томографов
компьютерная томография
Схема важнейших компонентов компьютерного томографа. Коллиматор – устройство для получения параллельных пучков лучей. Для КТ может представлять собой отверстия в свинцовой пластине

Чем КТ отличается от обычной рентгенографии?

Фундаментальное отличие КТ от рентгенографии в том, что томографическое изображение непосредственно не связано с принятым излучением, а представляет собой результат точных измерений и вычислений данных там, где рентгеновское излучение при приеме детектором ослабляется. Причем, это относится только к выбранному слою.

Картина анатомического сечения органа не имеет теней, содержащихся в других слоях и не зависит от наличия или порядка чередования тканей с различной плотностью. Так же отличительно то, что метод позволяет различать ткани, даже незначительно отличающиеся между собой по поглощающей способности, что, несомненно, связано с возможностью диагностики онкологии.

компьютерная томография
Слева – КТ головы, справа – рентгенограмма.

История создания

История компьютерной томографии начинается в 1895 году, когда Вильгельм Конрад Рентген открыл новый вид лучей, которое позже назвали рентгеновским излучением.  В 1917 году Иоганн Радон, австрийский математик, создал интегральное преобразование (сейчас оно называется преобразование Радона), легшее в основу математического обеспечения работы томографов.

компьютерная томография
Иоганн Радон
компьютерная томография
Двумерное преобразование Радона. В данном случае R(s,α) есть интеграл от f(x,y) вдоль прямой AA‘

В 1963-1964 годах Аллан Кормак опубликовал несколько своих работ посвященных технике расчета распределения поглощения рентгеновских лучей в теле человека, но в тот момент научное сообщество не обратило должного внимания на эти факты. В 1972 году он совместно с Годфри Хаунсфилдом  — инженером из EMI (Electric and Music Industries — крупнейшая британская звукозаписывающая компания) — сконструировал EMI-сканер, первый компьютерный рентгеновский томограф. В 1972 году провели первые успешные клинические испытания прибора. За разработку компьютерной томографии Годфри Хаунсфилд и Аллан Кормак удостоились Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1979 году. В 1989 году появилась спиральная КТ — совмещающая в себе непрерывное вращение источника рентгеновских лучей вокруг стола и непрерывного движения стола  с пациентом вперед вдоль продольной оси. Через 10 лет появилась многослойная КТ — в окружности томографа расположились несколько рядов детекторов, разработчики создали новую геометрическую форму пучка. Сегодня существует огромное количество разновидностей КТ —  многосрезовые (от самого распространенного 16-срезового до  320-срезового сканирования), КТ с двумя источниками излучения, КТ с рентгеноконтрастным усилением.

Контрастное усиление лежит в основе КТ-ангиографии, позволяя получить подробное трехмерное изображение сосудов. Почему это так важно? Трехмерное изображение позволяет планировать хирургические операции индивидуально для каждого пациента, снижая риск осложнений. Также 3D-реконструкции используют, анализируя вовлеченность сосудов в опухолевый процесс.

Первые томографы предназначались только для исследования головного мозга. Однако быстрое развитие вычислительной техники позволило к 1976 году создать томограф для исследования всего тела. Сегодня КТ используют и как метод первичной диагностики, и как уточняющую методику при заболеваниях головного мозга, позвоночника, легких и средостения, печени, почек, поджелудочной железы, надпочечников, аорты и легочной артерии, сердца и ряда других органов и крупных сосудов.

Более того, использование внутривенных или пероральных контрастных препаратов (как правило, содержащих йод) позволяет  точнее дифференцировать ткани и органы друг от друга. Кроме этого, метод КТ используется в качестве дополнительного визуализационного инструмента при позитронной эмиссионной томографии (так называемый комплекс ПЭТ-КТ).

компьютерная томография
Слева – КТ-ангиография сосудов и шеи, справа — многослойный спиральный компьютерный томограф Aquilion 64 (Toshiba).

Текст: Дарья Прокудина

Литература:

1. Kalender W. A. Computed tomography: fundamentals, system technology, image quality, applications. – John Wiley & Sons, 2011.
2. Компьютерная томография – основа мощи современной рентгенологии. Г.Г. Кармазановский. Медицинская визуализация  2005г  №6  с.139
3. Учебник. Компьютерная томография мозга, Н.В. Верещагин, 2002 г.
4. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1979/
5. Salamon G., Huang Y. P. Computed tomography of the brain: atlas of normal anatomy. – Springer Science & Business Media, 2012.

Ссылка на источник