КТ в настоящее время заняла прочное место в арсенале средств диагностической визуализации. КТ была изобретена в 1972 году Нобелевским лауреатом Годфри Хаунсфилдом, работы которого финансировались из средств, полученных компанией Electrical and Music Industries (EMI) от продаж пластинок Битлз. С момента своего создания эта технология очень быстро эволюционировала. Первым КТ сканером был аксиальный сканер, период вращения которого для получения каждого изображения составлял пять минут.
Последующие исследования в середине 1970-х привели к появлению четырех поколений пошаговых КТ сканеров, в которых использовался конический пучок лучей и вращающийся блок, включающий в себя рентгеновскую трубку и детектор. Наиболее широкое распространение на сегодняшний день получили сканеры именно такого типа. Главным ограничением этих аксиальных КТ сканеров было отсутствие временного разрешения и невозможность построения объемных изображений.
Второй технологический прорыв в эволюции КТ-технологий произошел в 1989 году, когда появилась технология скользящего кольца, которая дала возможность непрерывного спирального волюметрического сканирования без остановки сканера для возвращения детектора или лучевой трубки в исходное положение. Появление однодетекторных спиральных КТ сканеров (ОДКТ) в 1990-х привело к возрождению интереса к этому методу диагностики.
Последняя волна революционных изменений КТ-технологий началась в конце 1990-х с появлением мультидетекторных КТ сканеров (МДКТ), которые расширили z-покрытие и тем самым увеличили скорость и z-разрешение (возможность получения тонкосрезовых изображений во всем диапазоне сканирования) исследования. С добавлением в МДКТ сканеры большого числа детекторов мы теперь можем сканировать протяженные участки тела всего лишь за несколько секунд.
Современные МДКТ сканеры обеспечивают покрытие длиной до 16 см за один оборот трубки вокруг пациента, этот оборот занимает не более 0,4 секунды. Наряду со стремлением увеличить число детекторов некоторые производители начали оборудовать свои устройства дополнительными блоками, включающими лучевую трубку и детекторы, что привело к появлению МДКТ-технологии с двойными источниками. Технология значительно увеличила временное разрешение, а сканирование в режиме двойных энергетических характеристик (кВ) стало революционным.
Скорость, с которой эволюционируют технологии КТ в последние годы, намного превышает развитие всех остальных медицинских технологий.
С повсеместным внедрением в практику КТ ученые стали задаваться вопросом, как быть с дозой облучения, которую получают пациенты во время исследования. В 2006 году только в одних Соединенных Штатах выполнено 67 миллионов КТ. Это составляет лишь 17% всех рентгенологических и радиоизотопных исследований, но при этом на долю КТ приходится 49% коллективной дозы облучения, полученной пациентами.
В отчете № 160 Национального Совета по защите от радиации (National Council for Radiation Protection (NCRP)) говорится, что использование KT с каждым годом растет на 8-15%, и на этом фоне эффективная поглощенная доза из расчета на каждого жителя США возросла с 3,2 мЗв в начале 1980-х до 6,2 мЗв в 2006, что связано в первую очередь с широким применение диагностических методов на основе ионизирующего излучения. Дозы облучения, получаемые пациентами при одних и тех же, а также при различных протоколах КТ, варьируют в широких пределах.
К примеру, средний томографический индекс дозы (CTDIvol) для КТ легких в США варьирует от 11 мГр при КТ без контрастирования до 26 мГр при биопсии легкого в условиях КТ-навигации. С одной стороны, современные МДКТ сканеры обладают широкими возможностями в самых различных клинических сферах при существенно меньшей лучевой нагрузке по сравнению с более старыми КТ-системами, с другой стороны эффектная детализация, которую обеспечивают высокоэнергетические рентгеновские трубки современных сканеров, таит в себе риск избыточного или неправильного применения технологий КТ.
Все это заставляет нас пересматривать протоколы исследований с учетом нужд конкретного пациента и показания к исследованиям в целом. В этой и последующих статьях на сайте мы обсудим не только различные существующие варианты исследований, но и рассмотрим их особенности с точки зрения возможностей снижения доз облучения, получаемых пациентами.
а) Ключевые различия между мультидетекторными и однодетекторными КТ сканерами при исследовании органов грудной клетки. Появление многорядных детекторов произвело революцию в КТ по многим причинам. Основные преимущества МДКТ по сравнению ОДКТ следующие: (1) более высокое пространственное разрешение, (2) увеличение скорости сканирования, (3) возможность сканирования больших площадей, (4) возможность создавать качественные трехмерные (3D) изображения, (5) режимы сканирования с различными энергетическими характеристиками, (6) более низкая доза облучения.
Пространственное разрешение — это возможность дифференциации двух смежных точек на изображении, измеряется оно в пикселях. Современные МДКТ сканеры обеспечивают разрешение до 1024x1024 пикселя, в отличие от первого сканера, разработанного Хаунсфилдом, разрешение которого составляло 80x80 пикселей. Время вращения трубки в современных МДКТ сканерах составляет 0,25 секунд, что вкупе с полувращающимися режимами реконструкции увеличивает временное разрешение до 0,125 секунд.
Сканерам же с двойными источниками для получения изображений достаточно четверти поворота каждого источника, поэтому временное разрешение у них еще выше — 0,063 сек.
Получение МДКТ сканерами изображений с одинаковым разрешением открывает широкие возможности для их постобработки, которая включает такие методы, как многоплоскостная реконструкция (MPR), проекция минимальной интенсивности (MinIP), проекция максимальной интенсивности (MIP) и объемная реконструкция (VRT). Все эти методы обеспечивают великолепную детализацию изображений и лишены т.н. «ступенчатых» артефактов, наблюдавшихся при использовании однодетекторных сканеров. Без такой постобработки невозможно эффективное исследование сосудистых или сложных трехмерных анатомических структур.
МДКТ по сравнению с ОДКТ также позволяет более эффективно использовать внутривенное контрастирование. Это значит, к примеру, что КТ органов грудной клетки на современном МДКТ сканере может быть выполнено менее, чем за одну секунду, в то время как ОДКТ сканеру требуется 15-30 секунд. Такое ультрабыстрое сканирование на субмиллиметровом разрешении вдоль вектора сканирования позволяет генерировать великолепные по качеству 3D изображения в любых плоскостях.
Существуют различные МДКТ технологии, позволяющие выполнять исследования одновременно с двумя различными энергетическими характеристиками излучения и генерировать виртуальные моно-энергетические и декомпозиционные изображения лишенные, например, металлических артефактов. Существующие опасения в отношении дозы облучения, получаемой пациентами, также не остались без внимания, поэтому МДКТ сканеры стали более эффективными по сравнению с ОДКТ сканерами и с этой точки зрения. Современные МДКТ сканеры имеют ряд аппаратных и программных улучшений, позволяющих снизить дозу облучения без ущерба для качества исследования.
С появлением МДКТ каждый из трех основных аппаратных компонентов сканеров претерпел значительные изменения. Были усовершенствованы рентгеновские трубки, блоки детекторов и оборудование для получения и обработки изображений.
Необходимость увеличения скорости сканирования протяженных участков тела без ущерба для разрешающей способности привело к совершенствованию источников рентгеновского излучения. Современные рентгеновские трубки обладают более высокими энергетическими характеристиками (100-120 кВ) и меньшими габаритами. Некоторые из этих трубок позволяют работать с напряжениями 70-150 кВ и максимальными значениями тока до 1300 мА, что дает возможность рутинного сканирования при более низких напряжениях.
Эти значения ближе к k-краю полосы поглощения йода, что обеспечивает более эффективное контрастирование и позволяет уменьшить дозу вводимого контраста. Быстрое изменение вольтажа некоторых сканеров сегодня позволяет выполнять двухэнергетическое сканирование (ДЭКТ) в течение одного поворота рентгеновской трубки. Использование модулирующих пучок фильтров позволяет менять форму пучка в соответствии с размерами пациента, что в свою очередь положительным образом влияет на распределение шумов на изображении и снижает дозу облучения, приходящуюся на более тонкие периферические участки тела.
Специальные рентгеновские фильтры (например, оловянный фильтр у КТ сканеров с двойным источником излучения) обеспечивают лучшее распределение энергии излучения при проведении ДЭКТ сканерами с двойным источником. Селективная фильтрация с отделением 100 кВ лучей с помощью специального оловянного фильтра при КТ-мониторинге по поводу узелкового образования легкого позволяет снизить дозу облучения до 0,1 мЗв.
Рентгеновская трубка испускает фотоны рентгеновского излучения в непрерывном спектре. Низкоэнергетические фотоны увеличивают дозу облучения пациентов, подвергающихся ОДКТ, тогда как в формировании изображения они не участвуют. Фотоны рентгеновского излучения в плоскости сканирования обычно следуют по эллиптической траектории, поэтому ослабление излучения по краям оказывается минимальным, а в центре — максимальным. Это ведет к дополнительному облучению пациента, а также образованию артефактов на изображениях (например, артефактов усиления жесткости пучка).
С тем, чтобы минимизировать поглощение низкоэнергетических фотонов и выраженность артефактов усиления жесткости, используются металлические фильтры (в форме бабочки), которые модулируют форму пучка, испускаемого рентгеновской трубкой. Эти фильтры имеют более значительную толщину по периферии, в результате чего высокоэнергетические фотоны отсеиваются по периферии, обеспечивая получение однородного по качеству изображения и минимизируя дозу облучения пациента.
Одним из недостатков применения фильтров являются некоторые потери среднеэнергетических фотонов, которые могли бы участвовать в формировании изображения. Операторы томографов не должны забывать, что правильная работа этих фильтров напрямую связана с хорошей центрацией пациента на столе. Некоторые производители томографов сегодня комплектуют свое оборудование фильтрами с изменяемым уровнем фильтрации с тем, чтобы операторы могли менять степень фильтрации в зависимости от клинических нужд. Фильтры-бабочки сегодня являются неотъемлемой частью большинства современных компьютерных томографов.
б) Ключевые характеристики современных мультидетекторных КТ сканеров. КТ технологии развивались и продолжают развиваться очень быстрыми темпами, поэтому любое обсуждение текущего состояния дел в этой индустрии будет справедливо лишь для короткого периода времени, потому что производители КТ оборудования постоянно внедряют более новые и совершенные технологии.
На момент выхода этой книги наиболее современный КТ сканер с двойным источником (Siemens SOMATOM Force) обеспечивал ток рентгеновской трубки в 1300 мА и напряжение на каждой из трубок в 120 кВ. Такое высокое значение силы тока обеспечивает рутинное применение низкоэнергетического излучения (70-100 кВ), что в свою очередь позволяет улучшить контрастность изображения, снизить дозу облучения и уменьшить объем вводимых контрастных препаратов. Большинство КТ органов грудной клетки с контрастным усилением на таких сканерах может быть выполнено при напряжении 70-80 кВ.
Кроме того, более широкий блок детекторов и два блока из рентгеновских трубок и детекторов позволяют использовать более высокий питч (1,6-3,4:1), при котором срезы не будут накладываться друг на друга, что значительно увеличивает скорость сканирования. Так, сканирование всей грудной клетки на таких сканерах занимает всего секунду.
Некоторые другие производители выпускают сканеры с увеличенной площадью детекторного блока (например, GE Revolution, Toshiba Aquilion One), который состоит из 256-320 рядов детекторов, расположенных вдоль направления сканирования. Такие сканеры обеспечивают покрытие зоны длиной 16 см за одно вращение рентгеновской трубки. В большинстве современных КТ сканеров один оборот рентгеновской трубки занимает меньше 0,4 сек, что также увеличивает скорость сканирования. Быстрое получение данных вкупе с улучшенными характеристиками временного разрешения обеспечивают возможность сканирования практически в режиме реального времени (четырехмерная [4D] визуализация).
Для снижения дозы облучения большинство современных МДКТ сканеров оборудуются системой коллимации рентгеновских лучей, которая повышает эффективность дозы, т.е. отношение излучения, достигающего детекторов, к излучению, проходящему мимо них. Постпациентные 3D отсеивающие решетки помогают уменьшить количество отсеивающихся фотонов, достигающих детекторов, что снижает количество шумов на изображении и также позволяет снизить дозу облучения. Большинство производителей для снижения дозы облучения используют сегодня методы конкурентной итеративной реконструкции (IR), которые заменили собой традиционные методы обратного проецирования с фильтрацией (FBP).
Еще один производитель (Philips Healthcare) разработал многослойный детектор, обеспечивающий возможность извлечения спектральных КТ данных из массива, полученного при одной и той же энергии излучения. Преимуществ у такой системы немало — увеличение эффективности дозы за счет устранения необходимости одновременного сканирования излучением низкой и высокой энергии, возможность покрытия всего поля исследования (отсутствие разницы в покрытии между блоками трубок и детекторов) и устранение рассеянных перекрестных фотонов от разных трубок сканера.
Современные технологии КТ постоянно эволюционируют. В следующих статьях на сайте мы также обсудим ряд важных аппаратных особенностей современных МДКТ сканеров.
1. Улучшенные детекторные элементы. Ни один другой компонент КТ сканера в последнее десятилетие не подвергся таким многочисленным изменениям, как детекторные элементы. С увеличением продольной ширины детекторных блоков возросло покрытие, обеспечиваемое одним поворотом трубки, а также увеличилась эффективность используемой дозы. МДКТ сканеры с увеличенной площадью детекторного блока (>64 рядов) по сравнению со сканерами ранних поколений, имевших 4-8 рядов детекторов, обладают практически идеальной эффективностью дозы.
Современные МДКТ сканеры имеют до 256-320 рядов детекторов, два блока детекторов (сканеры с двойным источником) или двуслойные блоки (сэндвич-детекторы). Типичный детекторный блок современного МДКТ сканера представляет собой твердотельный блок, состоящий из сцинтиллятора, который превращает энергию потока фотонов в свет, в отличие от газовых детекторов ОДКТ сканера. Затем свет конвертируется в электрический потенциал следующим слоем фотодиодов. Получившиеся электрические потенциалы усиливаются и с помощью сложных математических алгоритмов конвертируются в изображения.
Таким образом, главными составляющими, определяющими временное разрешение КТ сканера, являются время затухания, а также время послесвечения детекторных элементов.
В качестве детекторного элемента в большинстве современных МДКТ сканеров используется оксид гадолиния на керамическом носителе. Время затухания и послесвечения у такого элемента находится в пределах нескольких миллисекунд, что делает сканирование очень быстрым, а на двухэнергетических сканерах позволяет быстро менять параметры трубки.
2. Предпациентная эффективность дозы. Выделяют два фактора, влияющие на эффективность дозы излучения КТ сканера (см. выше). Под избыточным излучением понимается часть лучей, не попадающих на детекторы и не участвующих в формировании изображения. Современные МДКТ сканеры имеют коллиматоры, работающие в режиме реального времени, которые фокусируют пучок по отношению к детекторам и тем самым отсекают это лишнее излучение.
Под запредельным излучением понимается часть лучевой нагрузки в начале и в конце зоны сканирования, выходящая за пределы этой зоны при спиральном методе сканирования. Многие современные МДКТ сканеры имеют на уровне «до пациента» адаптивные коллиматоры, отсекающие часть этого излучения в начале и в конце зоны сканирования.
Видео различий КТ и МРТ, показаний и прототивопоказаний к ним
