Использование ионизирующих излучений в медицине 1 страница

6.1. Применение рентгеновского излучения

Задачи, к решению которых стремятся все известные методы визуализации, могут быть обобщены следующим образом:

1) выявление патологических изменений и функциональных нарушений;

2) уточнение локализации и распространённости патологических изменений с целью дальнейшего наведения лечебных процедур;

3) нацеливание биопсии, существенно облегчающее её выполнение и увеличивающее точность её результатов;

4) сужение круга дифференциальной диагностики;

5) оценка динамики прогрессирования или регресса патологических изменений.

Рентгеновское исследование должно быть применено, если очевидная клиническая выгода для пациента намного превышает радиационный риск, связанный с его применением.

Одним из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения (РИ) является просвечивание внутренних органов с диагностической целью — рентгенодиагностика. Для неё используют фотоны с энергией порядка 60...120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления потока излучения m_m в основном определяется фотоэффектом. Напомним, что ослабление плотности потока фотонов описывается формулой

,                                                    (6.1)

где x — толщина поглощающего слоя, r — плотность поглотителя. Значение m_m обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (т. е. пропорционально длине волны фотона в кубе — l³), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и прямо пропорционально атомному номеру вещества поглотителя Z в третьей степени:

,                                                       (6.2)

где k — коэффициент пропорциональности.

Поглощение рентгеновских лучей почти не зависит от того, в каком соединении находится атом в веществе. Это позволяет сравнивать массовые коэффициенты ослабления, например, для кости (основное соединение Ca₃(PO₄)₂) и мягкой ткани (основное соединение H₂O):

.

Существенное различие поглощения РИ различными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов человека. Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют РИ, то применяют специальные рентгеноконтрастные вещества. Например, для желудка и кишечника — это кашеобразная масса сульфата бария. Главным их свойством является отсутствие химического взаимодействия с тканью, они только улучшают визуализацию. В рентгенологии различают позитивные (йодсодержащие соли бария) и негативные (воздух) контрастирующие вещества. Они накапливаются в тех или иных тканях или полостях тела, улучшают контраст изображения. При использовании ангиографии в исследуемые сосуды для получения их рентгеновских снимков вводят водорастворимые йодистые препараты. При этом на приёмном устройстве можно видеть теневое изображение органов.

В рентгенодиагностике используют в два метода исследования: рентгено-скопию, когда изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, и рентгенографию, когда изображение фиксируется на фотопленке. При массовом обследовании населения широко применяется флюорография — метод рентгенографии, при котором на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, поскольку световой поток рентгенолюминесценции мал; готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе. В современном исполнении вместо плёнки изображение фиксируется в памяти компьютера и выводится на его экран).

Методами рентгенографии также являются рентгеновская томография и рентгеновская компьютерная томография. Слово «томография» в переводе с греческого означает «послойная запись». Томография позволяет получать послойные изображения исследуемого объекта на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями меньше 2 мм при различии поглощения рентгеновского излучения до 0,1%. Это дает возможность различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования. Кроме того, компьютерная обработка многослойных изображений позволяет восстанавливать трехмерную картину биообъекта, что составило настоящий «прорыв» в рентгенодиагностике.

За разработку компьютерного рентгенотомографа Г. Хаунсфилду и А. Мак-Кормаку была присуждена Нобелевская премия за 1979 г.

Рентгенотерапию применяют главным образом для лечения злокачественных образований и некоторых других заболеваний опухолевого характера.

3.2. Подбор рентгеновской аппаратуры для оптимизации изображения

различных биоструктур

На рис. 6.1 показана обобщенная схема рентгеновской установки для рентгенодиагностики. Она состоит из рентгеновской трубки, сетки, задерживающей рассеянные кванты, и приемника излучения. Упрощенно процесс формирования изображения может быть описан следующим образом (см. рис. 6.1): квант A поглощается биотканями, кванты C, D рассеиваются, кванты B, E проходят через биообъект без взаимодействия. Сетка препятствует попаданию рассеянного излучения на приёмное устройство. Попадание квантов B, E на приемник излучения дает картину ослабления потока излучения (за счет поглощения кванта А) по мере прохождения слоя биотканей, причем вклад в ослабление вносят все ткани, оказавшиеся на пути прохождения излучения. Иначе говоря, изображение представляет собой двумерную («теневую») проекцию трехмерного распределения ослабления потока РИ в теле пациента. При этом рассеянное излучение (условно показанное на рис. 6.1 квантами C, D) создает фон, не несущий информации о внутреннем строении биообъекта, и от него желательно по мере возможности избавляться, чтобы увеличить контрастность изображения.

Проникающая способность РИ увеличивается с ростом энергии квантов и зависит от характера биоткани. Играет свою роль и абсолютная толщина просвечиваемого слоя биоткани: при большом поглощении лишь малая доля потока излучения достигает приемника, и радиационная нагрузка на ткани будет очень высокой. С другой стороны, если коэффициент прохождения излучения через разные ткани близок к единице (степень прозрачности высока), то различия в интенсивности излучения, необходимые для формирования изображения, будут слишком малыми, и контраст изображения будет низким. Поэтому при выборе конструкции рентгеновской установки постоянно приходится искать компромисс между противоречащими друг другу требованиями малой дозы облучения и высокого контраста изображения.

Еще один важный фактор, влияющий на качество изображения, ― разрешающая способность. Она обусловлена следующими причинами: наличием фокусного пятна от рентгеновской трубки, которое дает полутень на изображении (геометрическая нерезкость); разрешением самого приемника; движениями пациента во время обследования. Последнее особенно существенно при получении изображения движущихся органов (сердце и связанные с ним кровеносные сосуды).

Даже если система получения изображения обладает высоким контрастом и хорошим разрешением, в случае большого уровня шумов возникают серьезные проблемы идентификации биообъектов. Существует ряд механизмов возникновения шумов в рентгеновском изображении, преобладающими из которых являются флуктуации числа квантов, регистрируемых единицей площади поверхности приемника (квантовый шум) и флуктуации, обусловленные характеристиками приемника и системы преобразования сигнала. Уровень квантового шума можно снизить за счет увеличения потока излучения, т.е. числа квантов, формирующих изображение. Однако при этом растет также и доза облучения пациента, следовательно, необходима оптимизация и по шумовым параметрам.

Рассмотрим подробнее работу рентгеновской трубки. Рентгеновские трубки состоят из наполненного маслом кожуха с колбой в виде вакуумированного сосуда из термостойкого стекла, внутри которого размещены накаливаемый катод и анод.

Катод специальной конструкции разогревается за счёт прохождения через вольфрамовую спираль электрического тока, в результате чего создается узконаправленный поток электронов, ускоряемый разностью потенциалов в 25...150 кВ и бомбардирующий анод. Около 1% энергии, передаваемой электронами аноду, преобразуется в РИ. Некоторая его часть проходит через выходные окна колбы кожуха и используется в рентгенографии, остальная часть поглощается кожухом трубки. Вся конструкция трубки устанавливается на штативе и снабжена коллиматором, так что геометрию выходного излучения можно изменять по необходимости.

Форма спектра РИ зависит от материала анода, величины и формы прикладываемого к трубке напряжения, а также от характеристики фильтров, помещаемых на пути прохождения РИ.

Трубки с вольфрамовым анодом целесообразно использовать для получения изображения более массивных участков тела благодаря более высокой энергии испускаемых квантов для вольфрама. Молибден дает излучение с меньшей энергией, которое более уместно для получения изображений в тонких слоях биотканей. Если излучение слишком «мягкое», то низкоэнергетические кванты будут сильно поглощаться и тем самым вносить вклад лишь в дозу облучения, не участвуя в формировании изображения. Поэтому важно, чтобы такие кванты были отфильтрованы прежде, чем они достигнут поверхности биообъекта. Это реализуется путем введения алюминиевого или медного фильтра.

Размеры фокального пятна в рентгенографических устройствах общего применения со сдвоенным фокусом составляют от 0,6 до 1,0 мм. Нерезкость, обусловленная приемником на основе рентгеновской пленки, составляет обычно от 0,1 до 0,2 мм.

Приемники излучения различаются способом преобразования падающего распределения энергии в какую-либо другую форму, воспринимаемую человеческим глазом. Рассмотрим некоторые типы приёмников излучения, применяемых в рентгеновских установках.

Рентгеновская плёнка прямого экспонирования имеет высокий контраст изображения и наибольшее разрешение. Применяется в тех случаях, когда эти показатели более важны, чем относительно высокая общая доза облучения (кисти рук, зубы).

Система «экран-пленка» обладает более высокой скоростью экспонирования, но худшим разрешением по сравнению с пленкой прямого экспонирования. Применяется, когда ограничение дозы облучения более важно, чем потеря мелких деталей в изображении.

Схема усилителя рентгеновского изображения показана на рис. 6.2. Доза облучения в таких приёмниках излучения очень невысокая, однако, в них возникает дополнительная нерезкость и шум, превышающий соответствующие значения для системы «экран-пленка». Усилители рентгеновского изображения используются для исследования процессов движения, течения и заполнения в организме.

После прохождения через входное металлическое окно рентгеновские

фотоны бомбардируют поверхность флуоресцирующего экрана (входного люминофора), располагающегося на внутренней поверхности окна. Фотоны, испускаемые этим экраном, бомбардируют фотокатод, в результате чего образуются фотоэлектроны, которые в свою очередь ускоряются разностью потенциалов от 20 до 30 кВ и фокусируются электронно-оптической системой на выходной флуоресцирующий экран (выходной люминофор). Диаметр входного экрана (окна) составляет от 12,5 до 35 см (иногда до 57 см), диаметр выходного экрана — около 2,5 см, и это уменьшение размера изображения, связанное с ускорением электронов, гарантирует высокое усиление светового потока в усилителе изображения. Получаемое изображение регистрируется на фотопленке или с помощью телекамеры.

Фокусирующие электроды предназначены для уменьшения размера изображения с минимальными искажениями. Выходной экран с люминофором должен иметь высокое разрешение, но при этом он всё же будет вносить значительный вклад в нерезкость изображения из-за уменьшения его размера. Кроме того, происходит потеря контраста и возникновение бликов из-за рассеяния и преломления светового излучения в люминофоре выходного экрана.

Преимущество от использования высокого фотонного усиления в усилителях изображения — малое время экспозиции при получении изображения (высокое быстродействие).

Все чаще в качестве приемников излучения применяют цифровые системы, которые обладают следующими достоинствами: цифровым отображением изображения; пониженной дозой облучения; цифровой обработкой изображений; цифровым хранением и улучшением качества изображений.

Как уже обсуждалось выше, перед рентгенологами и разработчиками медицинской техники постоянно стоит задача нахождения компромисса между улучшением качества изображения и снижением дозы рентгеновского облучения. Существует ряд способов уменьшения дозовых нагрузок: ограничение поперечного сечения рабочего пучка излучения в зависимости от размеров исследуемого объекта; уменьшение мощности рассеянного излучения на выходе рабочего пучка из кожуха рентгеновской трубки; экранировка гонад с помощью просвинцованных резиновых экранов и т.п.; правильный выбор режима работы рентгеновского аппарата, в частности, увеличение напряжения на рентгеновской трубке при рентгеноскопии и рентгенографии (при этом значительно снижается мощность экспозиционной дозы при рентгенографии и сокращается время экспозиции при рентгеноскопии).

 

3.3. Принципы рентгеновской трансмиссионной компьютерной

томографии.

Как указано выше, с помощью обычной рентгенографии легко различить костную и мышечную ткани, трахею, заполненную воздухом. Однако различить кровь в кровеносных сосудах и структуры мягких тканей с помощью обычной рентгеновской пленки с контрастным разрешением около 2% не удается. При использовании обычной рентгенографии теряется также информация о трехмерной структуре изучаемого объекта.

Базируясь на экспоненциальном ослаблении РИ при прохождении через вещество в 1917 г. австрийский математик Ч. Родон разработал систему теорем (преобразования Родона), которые стали основой создания алгоритмов восстановления изображений в компьютерной томографии. В 1963 г. А. Мак-Кормак усовершенствовал математический аппарат для получения томограмм, а в 1969 г. Г. Хаунсфилд создал первый рентгеновский компьютерный томограф (РКТ).

Для того, чтобы найти коэффициент ослабления РИ некоторым объектом длины l, необходимо просветить его рентгеновским излучением и, зная интенсивности I ₀и I, найти этот коэффициент из формулы . Из неё следует, что

.

Если расположить подряд два слоя одинаковой длины l и аналогичным образом просветить их, то интенсивность после прохождения первого слоя будет равна

,

где m₁ – коэффициент ослабления для первого слоя. Тогда после прохождения второго слоя интенсивность РИ

Из последней формулы следует, что натуральный логарифм отношения  равен

.

Таким образом, по измеренному соотношению интенсивностей получить информацию о коэффициентах m ₁ и m ₂ ослабления по отдельности нельзя, традиционные методы рентгенографии дают информацию об ослаблении, среднем по нескольким органам, встреченным по пути пучком излучения.

Рентгеновское изображение, полученное с помощью компьютерной томографии (КТ), представляет собой изображение некоторого среза толщиной в несколько миллиметров с пространственным разрешением порядка 1 мм и разрешением по плотности (коэффициенту линейного поглощения) не хуже 1%.

Авторы КТ предложили получать изображение в срезах, просвечивая объект с разных сторон. Смысл такой методики легко понять из следующего модельного эксперимента. Пусть имеются четыре области квадратной формы (рис. 6.3) с разными коэффициентами ослабления РИ: m₁, m₂, m₃ и m₄. Расположим источник РИ слева от этой структуры (положение I) и направим на неё поток рентгеновский лучей интенсивностью I ₀. Тогда датчик справа от структуры зафиксирует интенсивности I ₂ и I ₄, которые можно вычислить по формулам:

; .

Считая, что интенсивности I ₀, I ₂ и I ₄, а также сторона квадрата l известны, получим систему двух уравнений с 4 неизвестными (m₁, m₂, m₃ и m₄). Для их нахождения потребуются ещё два уравнения.

Повернём источник на 90° и расположим его в положении II (см. рис.6.3). Тогда для интенсивностей лучей, прошедших квадраты 1 и 3 и квадраты 2 и 4, получим:

; .

Таким образом, имеем ещё два уравнения с теми же неизвестными. Теперь, 4 неизвестных коэффициента ослабления можно однозначно найти. Если каждому из четырех квадратов присвоить ту или иную яркость и раскрасить их, получится некий прообраз томограммы.

Это позволяет просвечивать по нескольку раз одни и те же ткани и учитывать соответствующие коэффициенты ослабления малых квадратов, на которые математически разбита поверхность обследуемого среза, много раз. Когда число уравнений становится равным числу неизвестных (то есть числу малых квадратов, на которые ЭВМ разбивает исследуемый срез объекта), ЭВМ решает их и «раскрашивает» изображения с той или иной яркостью в зависимости от полученного значения m. После получения изображения органа в разных срезах можно восстановить и его объёмное изображение. В таком изображении принципиально не может быть наложения изображений одних органов на другие (как на обычном рентгеновском снимке) и есть возможность добиться более высокой, чем при обычной методике, контрастности.

Основной частью компьютерного томографа является КТ-сканер ― аппарат с большим отверстием, внутрь которого помещается тело или только голова пациента для того, чтобы получить изображение (рис. 6.4).

Источник формирует остронаправленный пучок рентгеновских лучей, параметры которых по прохождении измеряются детектором. Эта пара источник-приемник последовательно измеряет параллельные проекции, перемещаясь линейно поперёк исследуемого объекта. После снятия каждой проекции рама, на которой установлены источник и детектор, поворачивается на некоторый угол для получения следующей проекции. Время функционирования такой системы довольно велико ― около 4 минут.

Недостатки первых томографов были очевидны: большая дозовая нагрузка, малое быстродействие, наличие массивных перемещающихся частей, создающих опасность травмирования пациента в ходе исследования. Плата за возможность увеличения массива диагностической информации получалась недопустимо высокой. Поэтому за время, прошедшее с момента появления первых томографов, этот вид аппаратуры претерпел ряд существенных модернизаций. В настоящее время в медицинской практике применяются аппараты четвертого и пятого поколений.

КТ-сканер четвертого поколения оснащен стационарным кольцом из 1000 детекторов, а вращается только один источник, который создает веерный пучок РИ (раствор пучка перекрывает ширину объекта). Такой томограф работает в непрерывном режиме сканирования. Время обследования около 0,1 с, что позволяет «замораживать» изображения движения фаз сердца и пр.

КТ-сканеры пятого поколения вообще не имеют механически движущихся частей (рис. 6.5). Мишень рентгеновской трубки имеет форму дуги окружности величиной 210°. Пациент помещается в центр этой дуги, а луч от рентгеновского источника передвигается по поверхности мишени. При этом время сканирования можно снизить до миллисекунд.

В настоящее время в медицине используются также спиральные РКТ, разработанные в 80-е гг. минувшего века. Спиральное сканирование заключается в одновременном выполнении двух действий: непрерывного вращения источника РИ вокруг тела пациента и непрерывного поступательного движения стола с пациентом вдоль оси сканирования через кольцо. Тогда траектория движения источника луча относительно движения стола с пациентом примет форму спирали.

В последних моделях используют одновременно несколько слоёв принимающих детекторов, что позволяет за один оборот источника получить несколько слоёв органа. Такая технология получила название мультиспиральной рентгеновской компьютерной томографии. Число слоёв детекторов доведено до 32 и 64. Оборот источника осуществляется за 0,42 с, давая толщину одного среза до 0,6 мм с пространственным разрешением до 0,17 мм. При этом обеспечивается длительность спирали в 100 с.

Неотъемлемой частью современных томографов является компьютер, исполняющий целый ряд важнейших функций: управление работой сканирующего устройства, обработка информации с фотоприемного устройства, формирование и анализ трехмерных изображений исследуемого органа. В ходе исследования врач-оператор управляет всеми процессами с помощью персонального компьютера, обеспеченного необходимым пакетом программ. Информация как считывается с экрана дисплея в режиме реального времени, так и заносится в базу данных для последующей углубленной обработки. Учитывая, что алгоритмы обработки информации в рентгеновской томографии имеют много общего с томографами других типов, наработки в части информационных технологий имеют значение, существенно выходящее за рамки рентгенодиагностики.

6.4. Применение методов ядерной медицины

В нашей стране принято называть совокупность методов диагностики и лечения с применением радиоактивных изотопов ядерной медициной. Массовое внедрение методов ядерной медицины в клиническую практику началось с конца 50-х годов минувшего века, после выхода приказа Министра здравоохранения о создании в крупных онкологических учреждениях отделений радиоизотопной диагностики и о строительстве типовых радиологических корпусов.

Развитие ядерной медицины к настоящему времени превратило ее в мощную отрасль здравоохранения, без которой вообще немыслимы диагностика и лечение особо тяжелых заболеваний, в первую очередь, онкологических. Каждый специалист в области ядерной медицины должен обладать глубоким пониманием физических основ радиоактивности и детектирующих систем, равно как и знанием химии радиофармпрепаратов (РФП) и процессов, определяющих локализацию РФП в определенных тканях и органах.

Весь раздел ядерной медицины можно разделить на три основных направления: радионуклидная диагностика, радионуклидная терапия, радиофармакология (рис. 6.6). В живой организм радиоактивные атомы вводят в таком небольшом количестве, что ни они, ни продукты их распада не оказывают вреда организму.

Рис. 6.6. Классификация методов ядерной медицины

 

Радионуклидная диагностика (РНД) — это совокупность диагностических методов, основанных на применении в качестве индикатора либо чистого радионуклида, либо РФП.

В пределах РНД можно выделить четыре класса исследований, три из которых относятся к диагностике in situ (непосредственно на организме), и один — к диагностике in vitro.

К первому классу относятся методы, в которых собирается информация в виде процента накопления РФП в каком-либо органе или ткани по отношению к внутренней дозе. Например, определение функции щитовидной железы по накоплению в ней радиоактивного йода ( или ), или измерение кровотока у лабораторных животных с помощью радиоактивного радона.

Второй класс включает в себя методы, основанные на визуализации распределения РФП в ткани, органе или во всем организме. Пример — визуализация печени.

Третий класс охватывает динамические исследования — наблюдение процессов и изменений в функции органов и тканей при прохождении РФП через ткань или орган. Например, исследование мозгового кровотока с помощью радиоактивного ксенона, исследование почечного кровотока.

Особняком стоят исследования продуктов жизнедеятельности организма, т.е. исследования in vitro. Пример — радиоиммунные исследования, когда РФП добавляется в пробу крови или тканей, изъятую у пациента, и определяются концентрации гормонов, антител, лекарств и других клинически важных веществ.

 

6.4.1. Общие принципы построения приборов для радионуклидной диагностики

В общем случае приборы, применяемые в РНД, можно разделить на две группы:

· приборы для определения процента накопления радиоизотопа (РФП) в организме (органе, ткани);

· приборы для динамических исследований.

Соответственно каждой группе структурные схемы приборов имеют характерные отличия.

Структурная схема прибора для определения процента накопления радиоизотопа содержит детектор γ-излучения, усилитель, анализатор амплитуд (устройство обработки сигналов), дисплей, блок питания, таймер (рис. 6.7). Структурная схема прибора для динамических исследований не содержит таймера.

В настоящее время все большее распространение приобретают цифровые устройства для регистрации γ-излучения и последующей обработки результатов измерений на ЭВМ. Это возможно благодаря современным достижениям в области преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и широким возможностям компьютерной обработки получаемых результатов в реальном вре
мени в сочетании с практически неограниченными возможностями хранения и представления получаемой информации.

Передача данных в компьютер осуществляется в цифровой форме. В зависимости от конкретной задачи аналоговый сигнал может быть преобразован в цифровой различными способами.

В случае радиометрических устройств, где необходима простая регистрация γ-квантов, наличие электрического импульса на выходе одноканального анализатора представляет один отсчет при измерении накопления РФП. В других случаях данные имеются первоначально в аналоговой форме. При этом для обработки с использованием ЭВМ необходимо иметь информацию об амплитуде сигнала детектирующего устройства. Переход от аналогового сигнала к соответствующему цифровому коду осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Требования, предъявляемые к разрядности АЦП, основаны на необходимой точности определения амплитуды входного сигнала.

Для спектрометрических детекторов цифровой код на выходе АЦП должен соответствовать энергии регистрируемых γ-квантов. Это достигается одним из следующих способов:

1. Аналоговое интегрирование сигналов детектора с последующим преобразованием полученной величины в цифровой код.

2. Преобразование аналогового сигнала детектора в сигнал определенной формы, амплитуда которого соответствует энергии регистрируемых γ-квантов, с последующим преобразованием этой амплитуды в цифровой код.

3. Преобразование мгновенных значений аналогового сигнала детектора в цифровой код с последующим цифровым интегрированием.

Следует отметить, что последний способ требует использования быстрых АЦП (время преобразования не более 10 нс) и мощных дополнительных вычислительных средств.

Полученные цифровые данные передаются в компьютер для последующей обработки и получения конечных результатов измерений. В ядерной медицине компьютеры выполняют следующие основные функции:

· сбор и коррекция данных в реальном масштабе времени (с учетом амплитудного анализа сигналов детектора);

· обработка полученной информации;

· представление результатов измерения (в первую очередь формирование и преобразование изображений);

· управление режимами работы детектирующей системы;