Методы медицинской визуализации

Визуализация медицинских изображений

- это различные методы и техники исследования, результатом которых является создание изображений внутренней структуры (органов и тканей) тела человека. В основе большинства современных диагностических и лечебных технологий лежит принцип визуализации с последующим компьютерным анализом полученной серии изображений. Изображения создаются и анализируются при проведении компьютерной томографии (КТ), магнитно-ядерной томографии (МРТ), ультразвукового исследования (УЗИ, допплерография), использовании методов ядерной медицины (ПЭТ, сцинтиграфия, SPECT) и многих других диагностических методов. Одновременное использование нескольких техник визуализации (ПЭТ/КТ, например) дает возможность получения трехмерного изображения (3D Imaging), что является ключевым моментом при проведении миниинвазивных хирургических и радиохирургических манипуляций и использовании роботохирургической техники с компьютерной навигацией.

Многие передовые клиники имеют Image Laboratory или Image Center – отделения, диагностика и лечение в которых проводятся с помощью этих методов.

Методы медицинской визуализации

Рентгенологические Ангиография(метод контрастного рентгенологического исследования кровеносных сосудов. Применяется в рентгенографии, рентгеноскопии, компьютерной томографии. Ангиография изучает функциональное состояние сосудов, окольного кровотока и протяженность патологического процесса) · Компьютерная томография · КТ-ангиография (КТ-ангиопульмонография, КТ-коронарография) · Контрастная рентгенография · Линейная томография · Миелография (рентгеноконтрастное исследование ликворопроводящих путей спинного мозга)· Рентгеновская маммография (исследованием молочной железы)· Рентгенография(исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу.) · Томосинтез · Флюорография

Магнитно-резонансные МР-томография (МРТ) · Функциональная МР-томография (фМРТ) · МР-спектроскопия · МР-ангиография

Радионуклидные Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) · Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Оптические (лазерные) Оптическая когерентная томография · Оптическая маммография · Оптическая томография · Оптическая топография

Ультразвуковые Эхоэнцефалография · Эхокардиография · УЗИ ОБП · УЗИ почек · УЗИ ОМТ · УЗИ плода · УЗИ шеи · Допплерография

Эндоскопические Артроскопия · Бронхоскопия · Гистероскопия · Лапароскопия · Ректоскопия · Торакоскопия · Цистоскопия · Эзофагогастродуоденоскопия

 

2)Ультразвуковое исследование (УЗИ) визуализация — неинвазивное исследование организма человека или животного[1] с помощью ультразвуковых волн.

Физическая основа УЗИ — пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды — прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания — временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой — числом колебаний в единицу времени; длиной — расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости распространения звуковых волн. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление.Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

3. Рентгеновская компьютерная томография — томографический метод исследования внутренних органов человека с использованием рентгеновского излучения.Современный компьютерный томограф представляет собой сложный программно-технический комплекс. Механические узлы и детали выполнены с высочайшей точностью. Для регистрации прошедшего через среду рентгеновского излучения используются сверхчувствительные детекторы, конструкция и материалы, применяемые при изготовлении которых постоянно совершенствуются. При изготовлении КТ томографов предъявляются самые жесткие требования к рентгеновским излучателям. Неотъемлемой частью аппарата является обширный пакет программного обеспечения, позволяющий проводить весь спектр компьютерно-томографических исследований (КТ-исследований) с оптимальными параметрами, проводить последующую обработку и анализ КТ-изображений. Как правило, стандартный пакет программного обеспечения может быть значительно расширен с помощью узкоспециализированных программ, учитывающих особенности сферы применения каждого конкретного аппарата.

С математической точки зрения построение изображения сводится к решению системы линейных уравнений. Так, например, для получения томограммы размером 200×200 пикселей система включает 40000 уравнений. Для решения подобных систем разработаны специализированные методы, ориентированные на параллельные вычисления.

Многослойная компьютерная томография (МСКТ)Многослойная («мультиспиральная») компьютерная томография с внутривенным контрастным усилением и трёхмерной реконструкцией изображения. Рентгеновская компьютерная томография. Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения — просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика). Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела чел. Рентгенодиагностику используют в 2х вариантах: рентгеноскопия — изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография — изображение фиксируется на фотопленке.Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рент­геновское излучение, то применяют спе­циальные контрастные вещества. Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интен­сивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть сделана большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. Интересным и перспективным вариантом рентгенографии явл-ся метод рентгеновской томографией (компьютерная томография). Создается монохромотичный луч постоянной интенсивности и узким сечением, который пронизывает организм и попадает на детектор, неподвижно закрепленные вокруг объекта исследования. Машина проводит регистрацию информации, а затем луч перемещается на доли мм и опять происходит регистрация и тд. После этого источник излучения поворачивается на 1⁰ и опять происходит регистрация. Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, экран, состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения, и ЭВМ, обработать теневое рентгеновское изображение при томографии. Такой современный вариант томографии позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге. Это позволяет, например, различать серое и белое ве­щество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.

 

4 )Первичные механизмы действия ионизирующего излучения Заряженные частицы. Проникающие в ткани организма альфа- и бета-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, вблизи которых они перемещаются. (Гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые в конечном счете также приводят к электрическим взаимодействиям.) Электрические взаимодействия. За время порядка десяти триллионных долей секунды после того, как излучение достигнет соответствующего атома в ткани огранизма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходно нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Свободый электрон может далее ионизировать другие атомы. Физико-химические изменения. И свободный электрон и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционноспособные, как так называемые "свободные радикалы". Химические изменения. В течение следующих миллионных долей секунды образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клеток. Биологические эффекты. Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятки лет после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к возникновению рака. Первичное действие рентг излуч на тк. Регистрация в использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первич­ными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества. В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии ионизации А_и имеют место три главных процесса. 1)Когерентное (классическое) рассеяние. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А_и. Т.к в этом случае энергия фотона рентгеновского излуче­ния и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. 2)Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). При рассеянии жестких рентгеновских лучей уменьшается проникающая способность рассеянного пучка по срав­нению с падающим =>Длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рен­тгеновского излучения с изменением длины волны называют ко герентным, а само явление — эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: hv > А_и. Существенно, что в этом явлении (рис. 31.9) наряду с вторич­ным рентгеновским излучением (энергия hi/' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Е_к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами. 3)Фтоэффект. При фотоэффекте рентгенов­ское излучение поглощается атомом, в резуль­тате чего вылетает электрон, а атом ионизиру­ется (фотоионизация).Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Эти 3 основных процесса взаимодействия являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям.

 

5) Физические основы явления ядерного магнитного резонанса Я дерный магнитный резонанс является методом, основанным на фундаментальных представлениях о строении вещества и затрагивает основы строения материи – строения ядра через квантовомеханическое понятие спина ядра I, связанного с величиной собственного момента количества движения ядра р соотношением:Р = ħ I, (8.1)

где ħ = h/2p, где h – постоянная Планка. По законам квантовой физики величина собственного момента ядра может принимать значения, кратные ħ/2. Спин ядра может иметь значения (0; ½; 1; 3/2; 2 и т.д.).

Это понятие затрагивает представления о строении ядра. Ядро состоит из барионов. Барионы – общее название двух групп элементарных частиц: нуклонов и гиперонов. Известные в настоящее время барионы представлены в таблице 8.1. Барионы с отрицательным зарядом – античастицы. Все барионы имеют спин ½. Согласно гипотезе М. Гелл-Мана и Дж. Цвейга (1964 г.) все адроны (барионы и мезоны) состоят из кварков – наиболее фундаментальных частиц, обладающих спином ½, барионным зарядом 1/3 и электрическим зарядом кратным 1/3 элементарного электрического заряда. В 70-е годы для объяснения новых типов адронов пришлось ввести понятие «очарованный» и «красивый» кварки.Синхронное излучение или поглощение электромагнитной энергии совокупностью ядерных магнитных моментов на частоте n0 и представляет собой явление ядерного магнитного резонанса.

При термодинамическом равновесии вне поля распределение ядер по энергетическим уровням подчиняется распределению Больцмана. Если поместить вещество в постоянное магнитное поле, вещество оказывается в состоянии с неравновесным распределением спинов по энергетическим уровням и соответственно окажется с намагниченностью, направленной вдоль вектора внешнего магнитного поля.

В ЯМР-релаксометрии наблюдают релаксационные процессы (спад и восстановление намагниченности) после радиочастотного импульса, поворачивающего намагниченность на угол θ = 90 о и θ = 180 о. Остается продетектировать (амплитудно или частотно) сигнал после импульса и выделить из суммы экспоненциальных огибающих сигналов их постоянные времени – времена спин-решеточной и спин-спиновой релаксации. Эта процедура может быть выполнена

 

 

6.Химический сдвиг в ЯМР — смещение сигнала ЯМР в зависимости от химического состава вещества, обусловленное экранированием внешнего магнитного поля электронами атомов. При появлении внешнего магнитного поля возникает диамагнитный момент атомов, обусловленный орбитальным движением электронов. Это движение электронов образует эффективные токи и, следовательно, создает вторичное магнитное поле, пропорциональное в соответствии с правилом Ленца внешнему магнитному полю и противоположно направленное. Данное вторичное поле накладывается на внешнее магнитное поле вблизи ядра и в результате локальное магнитное поле в том месте, где находится атомное ядро, уменьшается. Величина относительного уменьшения магнитного поля изменяется от у протона до у тяжёлых ядер. В результате расстояние между уровнями ядерной магнитной энергии уменьшается.

История открытия

Явление химического сдвига открыто в 1951 г. в этиловом спирте. Было получено явление раздельного резонанса протонов, входящих в молекулу.

Практическое значение

Химический сдвиг даёт представление о химическом составе молекулы, о её внутреннем строении, динамических процессах внутри системы.

Химический сдвиг - это умное научное название для положения пика в спектре. Для того, чтобы проградуировать шкалу спектра, необходим некий стандарт. Таким стандартом часто служит тетраметилсилан или ТМС.

В зависимости от местного электронного окружения, разные протоны в молекуле резонируют на слегка отличающихся частотах. Так как и это смещение частоты и основная резонансная частота прямо пропорциональны силе магнитного поля, то это смещение преобразуется в независимую от магнитного поля безразмерную величину известную как химический сдвиг. Химический сдвиг определяется как относительное изменение относительно некоторых эталонных образцов. Частотный сдвиг экстремально мал в сравнении с основной ЯМР частотой. Типичный сдвиг частоты равен 100 Гц, тогда как базовая ЯМР частота имеет порядок 100 МГц. Таким образом химический сдвиг часто выражается в частях на миллион (ppm). Для того что обнаружить такое маленькое различие частоты, приложенное магнитное поле должно быть постоянным внутри объема образца.

Так как химический сдвиг зависит от химического строения вещества, он применяется для получения структурной информации о молекулах в образце. К примеру, спектр для этанола (CH3CH2OH) дает 3 отличительных сигнала, то есть 3 химических сдвига: один для группы CH3, второй для СН2-группы и последний для OH. Типичный сдвиг для CH3-группы примерно равен 1 ppm, для CH2-группы присоединенной к OH-4 ppm и OH примерно 2—3 ppm.

Из-за молекулярного движения при комнатной температуре сигналы 3 метиловых протонов усредняются в течение ЯМР процесса, который длится лишь несколько миллисекунд. Эти протоны вырождаются и формируют пики при том же химическом сдвиге. Программное обеспечение позволяет проанализировать размер пиков для того, чтобы понять как много протонов дает вклад в эти пики.

 

8)Релаксация (от лат. relaxatio — ослабление, уменьшение) — процесс установления термодинамического, а следовательно, и статистического равновесия в физической системе, состоящей из большого числа частиц.

Релаксация — многоступенчатый процесс, так как не все физические параметры системы (распределение частиц по координатам и импульсам, температура, давление, концентрация в малых объёмах и во всей системе и другие) стремятся к равновесию с одинаковой скоростью. Обычно сначала устанавливается равновесие по какому-либо параметру (частичное равновесие), что также называется релаксацией. Все процессы релаксации являются неравновесными процессами, при которых в системе происходит диссипация энергии, то есть производится энтропия (в замкнутой системе энтропия возрастает). В различных системах релаксация имеет свои особенности, зависящие от характера взаимодействия между частицами системы; поэтому процессы релаксации весьма многообразны. Время установления равновесия (частичного или полного) в системе называется временем релаксации.

Процесс установления равновесия в газах определяется длиной свободного пробега частиц и временем свободного пробега (среднее расстояние и среднее время между двумя последовательными столкновениями молекул). Отношение имеет порядок величины скорости частиц. Величины и очень малы по сравнению с макроскопическими масштабами длины и времени. С другой стороны, для газов время свободного пробега значительно больше времени столкновения. Только при этом условии релаксация определяется лишь парными столкновениями молекул.

 

 

9)Принцип работы спектрометра ЯМР

 

10) Наибольший объём вычислений выполняют при использовании проекционно- реконструктивного метода ЯМР- интроскопии. Большой объём промежуточных данных хранят в больших системах памяти и возвращают обратно в память после проведения соответствующих вычислительных операций.

ЯМР- изображения, поступившие из ЯМР- интроскопа, могут быть подвергнуты апостериорной обработке в целях повышения контраста и качества изображения, а также для распознавания образов, корреляционного и других методов диагностики. Подробный анализ методов цифровой обработки ЯМР- изображений выходит за рамки данной работы.