Томографія - це методика рентгенологічного дослідження, за допомогою якої можна
отримати зображення зрізу на певній глибині досліджуваного об'єкта.

Звичайний томографічний знімок отримують, синхронно переміщуючи випромінювач і рентгенівську плівку в протилежних напрямках таким чином, щоб тіні органів, що лежать за межами шару, розмивались при русі, а зображення шару залишалось чітким.

Обчислювальна рентгенівська томографія також забезпечує отримання зображення поперечного шару досліджуваного об'єкта за допомогою математичної обробки множини рентгенівських зображень одного і того ж об'єкта, зроблених під різними кутами.

Уявіть собі, що ми фотографуємо під різними кутами напівпрозорий циліндр, що знаходиться в круглій банці з водою (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 – Схема експерименту

Смуги 1, 2, 3 на рисунку - це проявлені негативи. Якщо їх скласти під тими ж кутами, при яких робили знімок, то отримаємо картину, яка схожа на зображення поперечного перерізу циліндра в банці з водою. Картина не зміниться, якщо замість звичайних зробимо фотознімки вузьких поперечних смуг, а потім розвернемо ці смуги в площину. Чим більше знімків зроблено і чим менше зсунеться кут при зніманні, тим ближче отримане зображення до дійсного зображення перерізу. Але скільки б знімків не накладати один на одного, завжди залишаться зіркоподібні спотворення, які можна побачити на рисунку. На наступному етапі "відтворення" перерізу їх усувають за допомогою фільтрації, так само, як відфільтровують частоти, що заважають, в електронних приладах за допомогою електронних фільтрів. В обчислювальній томографії замість фізичного накладання фотознімків використовують математичні аналоги такого складання і математичні методи фільтрації [2].

На рис. 1.9 зображена схема реєстрації сигналів при рентгенівській обчислювальній томографії. Рентгенівський випромінювач И, що формує вузький «олівцевий» промінь, зміщується в напрямку, показаному стрілкою. Одночасно в тому ж напрямку рухається чуттєвий до рентгенівського випромінювання детектор Д, розташований з іншої сторони об'єкта. Детектор весь час реєструє вузький рентгенівський промінь, що пройшов через об'єкт. Якщо за об'єкт дослідження взяти той же згаданий нами циліндр, то за один поперековий рух - сканування - форма сигналу I₁, зареєстрованого детектором Д, буде така, як показано на рис. 1.9, де провал відповідає перерізу рентгенівського променя і циліндра.

Рисунок 1.9 – Схема реєстрації сигналів

Повторюючи рух і реєстрацію сигналів детектора можна одержати набір кривих I₁, I₂, I₃...

Із зіставлення цих кривих можна із значною імовірністю сказати, що досліджуваний переріз являє собою коло, розташоване ексцентрично відносно осі обертання. Це можна розрахувати, знаючи, що ослаблення рентгенівського випромінювання в речовині відбувається за експонентною залежністю.

Коли мають справу з медичними об'єктами, число сканувань повинно бути дуже великим - до 300 і більше для одержання одного шару, а масив цифрових даних, отриманих від детектора, якими повинна оперувати ЕОМ в процесі розрахунку, досягає мегабайту – 8?10⁶ біт.

На рентгенограмі навіть дуже високої якості розрізняються зміни щільності об'єкта не менше, ніж у 2%. Найбільший перепад густин, що одночасно реєструються на рентгенограмі без спотворень, дорівнює близько 30. Це означає, що на одній рентгенограмі неможливо одержати якісне зображення, скажімо, хребта і легені, оскільки в людському організмі щільності різних тканин, відносно рентгенівського випромінювання, відрізняються в сотні разів.

Саме ці два параметри в більшості випадків виявляються критичними й обмежують можливості сучасної рентгенології: лікаря-діагноста найчастіше цікавлять саме малі зміни в об'єкті з великим інтервалом щільностей, які звичайний рентгенівський знімок не в змозі передати. Контрастна чутливість зображення обчислювального томографа досягає 0,5 і навіть 0,2%, що в десять разів вище, ніж при звичайній рентген-діагностиці. А динамічний діапазон системи в декілька разів вище, що дозволяє одночасно реєструвати коефіцієнти ослаблення від повітря до кістки. Незважаючи на те, що всі інші параметри зображення, отриманого на обчислювальному томографі (просторова і часова роздільна здатність, геометрична і динамічна нерізкості), поступаються рентгенограмі, відзначені переваги виявилися вирішальними для розширення можливостей рентген-діагностики.

На рис.1.10 наведена спрощена схема комплексу для обчислювальної томографії. Як і в звичайному рентгенодіагностичному апараті тут є рентгенівський пристрій живлення і випромінювач. Імпульси рентгенівського випромінювання проходять через об'єкт дослідження і реєструються одночасно всіма детекторами лінійки, сигнали з яких надходять в блок пам'яті, а звідти послідовно зчитуються аналого-цифровим перетворювачем АЦП і надходять в центральну ЕОМ для обробки. Відновлене зображення записується для довгострокового збереження на магнітний диск, а для оперативної роботи – виводиться на екран дисплея. Магнітний диск містить всю інформацію про дослідження. На ньому може бути записане зображення декількох шарів (8-10) залежної від задачі діагностики.

Як уже зазначалося, зображення, отримане за допомогою ЕОМ-томографа, має дуже високу контрастну чутливість. Для оцінки здатності томографа передавати малі зміни коефіцієнта ослаблення ? введена спеціальна величина Н, що називається «хаунсфілдом».

Рисунок 1.10 – Блок-схема комплексу обчислювальної томографії

Один хаунсфілд - це 0,1% ослаблення води. Якщо прийняти ?_в за нуль і вести відлік в плюс і в мінус, то ? повітря складає приблизно мінус 1000 хаунсфілдів, а найбільш щільних кісток – плюс 1000 хаунсфілдів. Послаблення всіх органів і тканин організму знаходиться в таких самих межах.

Контрастна чутливість сучасних томографів складає для всього тіла 4-5 одиниць, для голови – до 2 одиниць. Діапазон градацій, що передаються, сягає ±l000 одиниць. Настільки велика кількість градації не може бути відтворена одночасно на екрані сучасного дисплея, тому блок відтворення зображення дозволяє вибирати так звану «область інтересу», тобто зміщувати середнє значення яскравості від нульового значення в плюс чи в мінус залежно від органа, що досліджується. Передбачається також можливість вибирати "ширину вікна", тобто межі відтворених на екрані дисплея щільностей. Природно, якщо межі обрані так, що діапазон щільностей перевищує можливості дисплея, зображення буде відтворено з меншою чутливістю.

Крім перерахованих можливостей обробки зображення у більшості систем передбачений цілий ряд додаткових маніпуляцій із зображенням, що розширює можливості його аналізу й інтерпретації.

На зображення можуть накладатися масштабні сітки, визначатися точні координати заданої зони і відстань джерела патології від визначених точок на зовнішній поверхні тіла, що особливо важливо при плануванні оперативного втручання чи променевої терапії. Щільність зони, яка цікавить, може бути роздрукована в цифрах.

Поява обчислювальної томографії дала потужний поштовх до створення нового покоління традиційної рентгенодіагностичної апаратури.

Це і цифрова рентгенографія (ЦР), при якій реєстрація зображення проводиться не за допомогою рентгенівської плівки, а матрицею малогабаритних детекторів, сигнали яких в цифровій формі виводяться на майже такий же, як в обчислювальній томографії, дисплейний термінал і цифрова субстракція, при якій рентгеноскопічне телевізійне зображення кожного кадру трансформується в цифровий код і також виводиться на дисплей.

Ще одним потужним стимулом розвитку цифрових методів реєстрації є зростаючий дефіцит срібла в світі. Незабаром просто не буде з чого робити рентгенівську плівку. І тоді ЕОМ цілком візьмуть на себе важку працю мільйонів рентгенологічних обстежень.

Уже з'явилися й успішно застосовуються методи емісійної гамма-томографії, електронно-позитронної томографії ЕПТ (EPT), томографії на основі ядерного магнітного резонансу, ультразвукової томографії. На черзі електронний парамагнітний резонанс і ще маловивчений, але дуже перспективний діапазон надвисоких радіочастот.

Електронно-позитронна томографія відрізняється тим, що використовує ізотоп з енергією гамма-випромінювання вище 1 МеВ. При цьому, взаємодіючи з тканинами організму, кожен квант створює ефект утворення пари «електрон-позитрон». Чудовою властивістю цього ефекту є те, що електрон і позитрон утворюються одночасно і летять точно в протилежні сторони. Виникає можливість, визначаючи траєкторію їх польоту і збіг часу кожної події, обчислювати точні координати їх виникнення, тобто будувати зображення.

П'ятдесят років тому було встановлено, що ядра багатьох атомів мають власний спін - момент кількості руху, викликаний їх обертанням. Оскільки ядра мають електричний заряд, при їх обертанні виникає електромагнітне поле (electromagnetic field), яке в принципі можна зареєструвати. Кожне таке ядро можна уподібнити гіроскопу - маленькому вовчку, що обертається навколо своєї осі. Коли ядер багато, їх вісі спрямовані в різні сторони, але варто тільки прикласти досить сильне постійне магнітне поле, як усі вони встановлюються паралельно магнітним силовим лініям зовнішнього поля. Якщо тепер прикласти поперечне електромагнітне поле певної частоти, осі обертання ядер відхиляться, подібно тому, як відхиляються осі вовчків, якщо на них надавити пальцем. Обертання при цьому не припиниться, тільки вісь обертання сама почне хитатися відносно вертикалі. У вовчка вона так і залишиться похилою, а в ядра в постійному магнітному полі буде намагатися вирівнятися вздовж магнітних силових ліній. Відхилення осі обертання ядра називають прецесією, а повернення в рівноважний стан характеризується часом релаксації [3]. Для того щоб зареєструвати прецесію, досить припинити дію електромагнітного поля, що відхиляє, і виміряти електромагнітне випромінювання від ядер.

Рисунок 1.11 – Комп'ютерний томограф SOMATOM DR (СІМЕНС)

З'ясовано, що ядра водню (протони) дуже чутливі до ЯМР. Людське тіло більш ніж на 75% складається з молекул води, у кожній з який міститься по два протони. Резонансна частота для протонів при напруженості 0,25 Т складає десять з невеликим мегагерц. Це звичайний радіочастотний діапазон, що не робить шкідливої дії на живий організм (чи, скажімо обережніше, шкідливої дії якого на живий організм поки не виявлено), а не рентгенівське чи гамма-випромінювання, шкода яких добре вивчена.

Явище ядерного магнітного резонансу вже більше 30 років досить широко використовується для аналізу речовин методами ЯМР-спектроскопії, де змінюється збурююча частота і за частотою і щільністю резонансного сигналу судять про хімічний склад досліджуваного зразка. ЯМР-спектрометри випускаються у нас в країні і за кордоном.

Однією з основних складностей, що виникають при створенні ЯМР-спектрометрів, є необхідність забезпечити дуже стабільне і рівномірне магнітне поле, оскільки, як випливає з наведеного співвідношення, усяка зміна напруженості приводить до зміни резонансної частоти. У ЯМР-спектрометрах немає необхідності сканувати зразок від точки до точки в заданій площині, щоб побудувати зображення, там шукають тільки резонансну частоту, час релаксації і спінову щільність. А як одержати інформацію про обраний шар?

У ЯМР-томографії, з одного боку, задача простіша: нам заздалегідь відома резонансна частота при заданій напруженості постійного магнітного поля. Але, з іншого боку, вона невимірно складніша, оскільки, по-перше, у магнітне поле повинний бути поміщений не мікроскопічний зразок, а жива людина, по-друге, ми повинні побудувати зображення, що складається з безлічі точок, у кожній з яких необхідно виміряти резонансний сигнал. Тут може допомогти пряма пропорційність між резонансною частотою і напруженістю магнітного поля. Досить створювати в кожній точці обраного перерізу послідовно необхідну напруженість, і тоді можна буде зчитувати резонанс, що послідовно виникає в цих точках.

Перевагою ЯМР-інтроскопії також є можливість вибирати будь-яку площину перерізу чи відновлювати тривимірне зображення, керуючи лише електричними режимами полів. Тут немає потреби у важких деталях, що обертаються, як у рентгенівських чи гамма-томографах.

Зображення, що отримується в ЯМР-томографії, носять принципово інший характер. Зображення в ядерному магнітному резонансі несе інформацію про розподіл водню в тканинах і інколи про молекулярний стан середовищ, що містять водень. Щоб ефективно використовувати цей метод в медичній діагностиці, необхідно мати великий статистичний матеріал про те, як проявляється на ЯМР-зображенні та чи інша патологія.

В існуючих ЯМР-томографах використовується в основному два види магнітів, конструкція яких потребувала довгих пошуків і багатьох конструктивних знахідок: чотирикотушковий магніт без осердя з повітряним охолодженням і надпровідний магніт, що охолоджується рідким гелієм. Повітряний магніт створює напруженість до рівня 0,2Т, достатню для отримання ЯМР-зображення розподілення протонів. Більш високі напруженості, необхідні для визначення розподілу фосфору, здатний забезпечити лише більш дорогий надпровідний магніт.

Перші результати клінічного застосування ЯМР-томографів показують, що при їх допомозі впевнено діагностуються некрози в тканинах, локальні порушення кровообігу, деякі види запалень і злоякісних пухлин. Робляться спроби дослідження серця шляхом синхронізації з його скороченнями, досліджується можливість використання ЯМР для визначення швидкості кровотоку по основних судинах.

Стародавня латинська приказка свідчить: "Diagnosis cetra – ullae therapie fundamentum " ("Достовірний діагноз - основа будь-якого лікування"). Впродовж багатьох століть зусилля лікарів були направлені на розв'язання важкої задачі – покращення розпізнавання захворювань людини.

Потреба в методі, який дозволив би заглянути всередину людського тіла не ушкоджуючи його, була величезною, хоч і не завжди усвідомленою. Адже всі відомості, що стосуються нормальної і патологічної анатомії людини, були засновані тільки на вивченні трупів. Після того, як в Європі стали широко вивчатися розтини трупів, лікарі змогли вивчити будову органів людини, а також зміни, яких вони зазнають при тих або інших захворюваннях.

Яку величезну користь приніс би безпосередній огляд людського організму, якби він став раптом «прозорим». І навряд чи хто-небудь з учених минулого міг припустити, що ця мрія цілком реальна.

Потреба побачити не оболонку, а структуру організму живої людини, її анатомію і фізіологію була такою насущною, що коли чудові промені, які дозволяли здійснити це на практиці, були нарешті відкриті, зазвичай консервативні і часто недовірливі до нововведень лікарі майже відразу зрозуміли, що в медицині наступила нова ера.

Вже в перші дні і тижні після того, як стало відомо про існування і властивості цих променів, лікарі різних країн почали застосовувати їх для дослідження найважливіших органів і систем людського тіла. Протягом першого ж року з'явилися сотні наукових повідомлень у пресі, присвячених результатам таких досліджень.

Кількість повідомлень в подальші роки зростала. З'ясовувалися все нові можливості рентгенологічного методу. З'явилися перші книги, присвячені цьому методу. Незабаром кількість цієї літератури стала неозорою.

У 1946 р. відомий радянський клініцист і організатор охорони здоров'я М. М. Пріоров на засіданні, присвяченому 50-річчю рентгенології, говорив: "Що стало б сьогодні з фізіатрією і урологією, гінекологією і отоларингологією, неврологією і онкологією, хірургією і ортопедією, офтальмологією і травматологією, якби позбавити їх того, що дала рентгенологія в області діагностики і лікування? "

Але процес науки і техніки нестримний. Не встигли лікарі повністю освоїти можливості рентгенівських променів в діагностиці, як з'явилися інші методи, що дозволили отримати зображення внутрішніх органів людини, доповнюючі дані рентгенологічного дослідження. До них відносяться радіонуклеїнові і ультразвукові дослідження, тепловедення, ядерно-магнітний резонанс, фотонна емісія і деякі інші методи, які ще не отримали широкого розповсюдження.

Ці способи засновані на використанні близьких за своєю природою хвильових коливань, для проникнення яких тканини людського тіла не є непереборною перешкодою. Вони об'єднуються і тим, що в результаті взаємодії хвильових коливань з органами і тканинами організму на різних приймачах — екрані, плівці, папері і ін. – виникають їх зображення, розшифровка яких дозволяє судити про стан різних анатомічних утворень.

Таким чином, всі вказані методи принципово близькі рентгенодіагностиці як за своєю природою, так і за характером кінцевого результату їх застосування.

Втілення в практику цих методів (водночас з рентгенологією) привело до виникнення нової обширної медичної дисципліни, що отримала за кордоном назву діагностичної радіології (від латинського radius – промінь), а у нас – променевої діагностики.

Можливості цієї дисципліни в розпізнаванні захворювань людини вельми великі. Їй доступні практично всі органи і системи людини, всі анатомічні утворення, розміри яких вище мікроскопічних.

На відміну від класичних медичних методик (пальпації, перкусії, аускультації) основним аналізатором інформації, отримуваної способами променевої діагностики, є орган зору, за допомогою якого ми отримуємо близько 90% відомостей про навколишній світ, причому найбільш достовірних. Коли широка мережа медичних установ буде оснащена високоякісною апаратурою, що дозволяє використовувати всі можливості променевої діагностики, а лікарі, що працюють в цих установах, будуть навчені поводженню з цією складною апаратурою і, головне, повноцінній розшифровці отримуваних з її допомогою зображень, діагностика основних захворювань людини стане більш ранньою і достовірною не тільки в великих науково-дослідних і клінічних центрах, але і на передовому краю нашої охорони здоров'я — в поліклініках і районних лікарнях. У цих установах працює основна маса лікарів. Саме сюди звертається переважна більшість хворих при виникненні яких-небудь тривожних симптомів. Від рівня роботи саме цих лікувально-діагностичних установ зрештою залежить рання і своєчасна діагностика, а отже багато в чому і результати лікування переважної більшості хвороб [1, С. 3 - 6].

Винахід рентгенівської томографії з обробкою отримуваної інформації на ЕОМ зробив переворот в області отримання зображення в медицині. Вперше повідомив про новий метод інженер С. Ноunsfilend (1972). Апарат, виготовлений і випробуваний групою інженерів англійської фірми "ЕМG", отримав назву ЕМІ-сканера. Його застосовували тільки для дослідження головного мозку.

С. Ноunsfilend в своєму апараті використовував кристалічний детектор з фотоелектронним помножувачем ФЕП (FM), проте джерелом була трубка, жорстко зв'язана з детектором, яка робила спочатку поступальний, а потім обертальний (1°) рух при постійному включенні рентгенівського випромінювання. Такий пристрій томографа дозволяв отримати томограму за 4-20 хвилин.

Рентгенівські томографи з подібним пристроєм (I покоління) застосовувалися тільки для дослідження головного мозку. Це пояснювалося як великим часом дослідження (візуалізація тільки нерухомих об'єктів), так і малим діаметром зони томографування (до 24 см). Проте отримуване зображення несло велику кількість додаткової діагностичної інформації, що послужило поштовхом не тільки до клінічного застосування нової методики, але і до подальшого вдосконалення самої апаратури.

Другим етапом в становленні нового методу дослідження був випуск до 1974 р. комп'ютерних томографів, що містять декілька детекторів. Після поступального руху, який виконувався швидше, ніж у апаратів І покоління, трубка з детекторами робила поворот на 3-10^о, що сприяло прискоренню дослідження, зменшенню променевого навантаження на пацієнта і покращенню якості зображення. Проте час отримання однієї томограми (20-60 с) значно обмежував застосування томографів ІІ покоління для дослідження всього тіла зважаючи на неминучі артефакти, що з'являються через довільні і мимовільні рухи. Аксіальні комп'ютерні рентгенівські томографи даної генерації знайшли широке застосування для дослідження головного мозку в неврологічних і нейрохірургічних клініках.

Отримання якісного зображення зрізу тіла людини на будь-якому рівні стало можливим після розробки в 1976-1977 рр. комп'ютерних томографів III покоління. Принципова відмінність їх полягала в тому, що був виключений поступальний рух системи трубка—детектори, збільшені діаметр зони дослідження до 50-70 см і первинної матриці комп'ютера (фірми "Дженерал Електрик", "Лікер", "Сіменс", "Тошиба", "ЦЖР"). Це призвело до того, що одну томограму стало можливим отримати за 3-5 с. при обороті системи трубка-детектори на 360°. Якість зображення значно покращала і стало можливим обстеження внутрішніх органів.

З 1979 р. деякі провідні фірми почали випускати комп'ютерні томографи IV покоління. Детектори (1100-1200 шт.) в цих апаратах розташовані по кільцю і не обертаються. Рухається тільки рентгенівська трубка, що дозволяє зменшити час отримання томограми до 1-1,5 с при повороті трубки на З60°. Це, а також збір інформації під різними кутами, збільшує об'єм отримуваних відомостей при зменшенні витрат часу на томограму.

У 1986 р. відбувся якісний стрибок в апаратобудуванні для рентгенівської комп'ютерної томографії. Фірмою "Імагпрон" випущений комп'ютерний томограф V покоління, що працює в реальному масштабі часу. У 1988 р. комп'ютерний томограф "Імагпрон" куплений фірмою "Пікер" (США) і тепер він називається "Фастрек".

Враховуючи зацікавленість клінік в придбанні комп'ютерних томографів з 1986 р. визначився напрямок з випуску "дешевих" компактних систем для поліклінік і невеликих лікарень ( М250, "Меди- тек"; 2000Т, "Шимадзу"; СТ МАХ, "Дженерал Електрик"). Маючи деякі обмеження, пов'язані з числом детекторів або часом і об'ємом збираної інформації, ці апарати дозволяють виконувати 75-95% (залежно від виду органу) досліджень, доступних "великим" комп'ютерним томографам [2, С. 8 - 10].

ЗМІСТ