BIOFYZIKÁLNÍ WEB                  

SEMINÁRNÍ PRÁCE Z BIOFYZIKY

Téma:

Výpočetní tomografie (CT, VT)

Vypracoval/a: Jana Frelichová
Datum vypracování: 10.dubna 2004
Datum poslední aktualizace:

28.května 2004

Přílohy:

-

Poznámka:

-

Úvod
PRINCIP TOMOGRAFICKÉHO VYŠETŘENÍ
SLOŽKY VÝPOČETNÍHO TOMOGRAFU
GENERACE CT
ZDROJ ZÁŘENÍ
DETEKTORY
GANTRY A ÚLOŽNÝ STŮL

VZNIK VÝPOČETNÍHO TOMOGRAMU
VZNIK CT OBRAZU
KVALITA CT OBRAZU
PROGRAMY SOFTWARE
ZÁKLADNÍ PROGRAMY
DALŠÍ BĚŽNÉ PROGRAMY
SPECIALIZOVANÉ PROGRAMY
ZÁTĚŽ ZÁŘENÍM
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

-----------------------------------------------------------------

Úvod

   Zavedení výpočetní tomografie do klinické praxe (1973) bylo v radiodiagnostice prvním krokem k digitálnímu zpracování obrazu, za který získal Angličan Hounsfield v roce 1979 Nobelovu cenu.

PRINCIP TOMOGRAFICKÉHO VYŠETŘENÍ

   Princip CT se opírá o koordinovaný souhyb dvou ze tří prvků snímkovací konstelace: 1.nemocný

2.zdroj záření

3.film, nebo detektor

Tento koordinovaný souhyb prvků konstelace, probíhá během expozice, kolem středového bodu otáčení, ležícího ve zobrazované vrstvě těla. Vzájemný vztah struktur, ležících v této vrstvě, se proto během expozice nemění. Vzdálenější, mimo vrstvu ležící struktury, se pohybem setřou a na snímku neruší. Obvyklé SUMAČNÍ SNÍMKY v sobě obsahují záznamy i o strukturách, jež pro konkrétní vyšetření nepotřebujeme, ruší. VRSTVOVÉ SNÍMKY-TOMOGRAMY zobrazí jen vybrané struktury, několik mm široké vrstvy a takřka bez rušivých vlivů okolí.

   CT zachovává pohybový princip tomografie, ale s tím rozdílem, že místo rentgenového filmu používá detektory, registrující intenzitu a stupeň oslabení záření, prošlého pacientovým tělem. Množství záření dopadající na detektor, je pak registrováno jako číselná hodnota a předává se ke zpracování počítači. Registrace těchto koeficientů oslabení záření v prvcích tkáňového objemu (voxly) vrstvy, se děje plynule během celého pohybu systému rentgenka-čidla, rotujícího kolem nemocného. Pro soubor voxel vyšetřované vrstvy a hustoty matice, se získává během expozice pro každou vrstvu až několik milionů číselných hodnot. Žádný z těchto údajů není přesným koeficientem souboru voxel- úkolem počítače je vzájemnou korelací těchto hodnot, zjistit skutečnou hodnotu, jejich absorpčního koeficientu. Tento číselný údaj lze změnit v D/A převaděči na stupeň šedi pro analogové zobrazení, nebo ho v digitální formě předat paměti počítače.

   CT je tedy DENSITOMETRICKOU METODOU-měří hutnotu tkáňových objemů výpočetní cestou.

   Výsledkem je rekonstrukce příčné vrstvy tělem nemocného=AXIÁLNÍ VRSTVA, zatím co u klasické tomografie se podle polohy nemocného získávají VRSTVY FRONTÁLNÍ nebo SAGITÁLNÍ.

SLOŽKY VÝPOČETNÍHO TOMOGRAFU

1.     rekonstruovat z nich obraz

2.     počítač velkého výkonu, který zpracovává data specifickými postupy tak, aby pro každou objemovou jednotku vyčíslil koeficient její absorpce záření

3.     zobrazovací systém, dovolující převést absorpční koeficienty na stupně šedi

protože jde o RTG záření, vyžaduje všechny základní prvky RTG přístroje:

-generátor vysokého napětí

-rentgenku

-obslužný pult

-regulační a spínací složky a upevnění rentgenky ve speciálním stativu-PORTÁLU

4.     -zakrytování-brání úniku záření do okolí a do centrálního otvoru kolimovaný snopec záření z výkonné rentgenky, procházející nemocným a dopadající na čidla za ním

5.     velmi citlivé detektory s výhodným poměrem signál/šum, které dovolí registrovat i velmi nízké rozdíly absorpce záření, ke kterým dochází během průchodu tkání

algoritmus výpočetního programu, umožňující zpracovat statisíce číselných údajů a

GENERACE CT

   Je to základní konstelace rentgenka-detektor. Je známo šest systémů generace CT, z nichž se v současné době používají systémy třetí až šesté generace.

1.     TŘĚTÍ GENERACE pracuje za rotace rentgenky o 360°, se širokým snopcem záření a za použití mnoha set detektorů na protilehlé matici. Záznam se snímá po celou dobu plynulé otočky, za pulzní obsluhy rentgenky. Tento používaný princip dosahoje expozičních časů do 1 sekundy.

2.     ČTVRTÁ GENERACE rotuje rentgenku o 360° navnitř od souboru až 1200 detektorů, rozdělených rovnoměrně po celém obvodu kruhu. Jde o systém rotačně-stacionární.

3.     PÁTÁ GENERACE 360° matice fixních detektorů a rotující rentgenku. Podle její polohy se detektory vychylují z kolmice tak, aby paprsky na ně dopadly kolmo. Jde o systém nutační

4.     ŠESTÁ GENERECE zařízení, zavedená původně jako kardio CT, zdrojem záření je zde elektronové dělo a zařízení typu Imatron se liší tím, že masivní anoda je orientovaná jako výseč kolem části obvodu nemocného a má několik prstenčitých ohnisek. Nehýbe se zde žádná složka. Zařízení se budí současně na několik ohniscích a dopadá na dva prstence detektorů- získání několika vrstvových záznamů současně, za extrémě krátké expozice 50ms

ZDROJ ZÁŘENÍ

      Rentgenky musí být v CT výkonné a odolné, protože jejich provozní zátěž je mimořádně veliká. Pulzní obsluha a dokonalé chlazení jsou nezbytností. Čím je záření monochromatičtější, tím spolehlivější jsou výsledky jeho detekce.

DETEKTORY

   CT zařízení se liší velikostí, typem, počtem a uložením detektorů. Větší účinnost detektorů vede k lepšímu rozlišení kontrastů a větší počet detektorů k lepšímu prostorovému rozlišení. Roli zde ale také hrají: geometrická zvětšení, velikost ohniska rentgenky, efektivní apertura detektoru a jejich dynamický rozsah.

   Rozptýlené záření zhoršuje kvalitu obrazu a zvyšuje dávku záření, zatěžující nemocného. Proto se snopec záření v CT důsledně kolimuje štěrbinou. 

   Detektory vyžedují občasnou kalibraci, aby se zajistila jejich stabilní funkce.

GANTRY A ÚLOŽNÝ STŮL

   Úložné stoly jsou pohyblivé vertikálně, podélně i do strany, což dovoluje zasunout nemocného do různé hloubky otvoru gantry.

   Okrouhlý otvor v portálu gantry, v němž je zakrytována rentgenka a systém detektorů, musí mít postačující prostor (až 84cm průměr), aby v něm mohli pohodlně ležet i obézní nemocní a udržovat v klidu stálou polohu. To je pro CT vyšetření zásadní požadavek, protože jakákoliv změna polohy nemocného, zkreslí výsledek rekonstrukce jak dané vrstvy, tak i možnost srovnání vrstev mezi sebou.

   Gantry je sklopitelné od vertikály až do +30° a –30°, což je výhodné pro dosažení ortográdní projekce v některých oblastech, např: lebeční baze, lumbosacrální přechod…apd.

VZNIK VÝPOČETNÍHO TOMOGRAMU

VZNIK CT OBRAZU

   Hrubé číselné produkty, jichž se užívá v CT k rekonstrukci obrazu, jsou absorpční koeficienty, pro každý voxel vrstvy, získané proměřování v různých úhlech pohybu rentgenky. Z těchto hrubých dat se musí složitými matematickými postupy provádět řada korekcí. Po těchto korekcích se filtracemi a korelacemi, dá rekonstruovat obraz vrstvy. Přitom se porovnává přes milion údajů, pro každou jednotlivou vrstvu. Z odlišných údajů o absorpci, téže voxel, vyhodnotí počítač ty, které nejvíce vyhovují souboru nahromaděných dat. Tato hodnota se pak pro rekonstrukci analogového obrazu přiřadí k jistému stupni šedi.

   Jednotkou hutnoty tkáně je ČÍSLO CT, nebo HAUNSFIELDOVA  JEDNOTKA(HU)

Hodnoty HU jsou seřazeny na škále, vztažené k absorpci vody, rovnající se nule. Na rozdíl od RTG snímků, kde více záření vyvolá  na filmu větší zčernání a méně záření světlejší plochy, v CT působí více intenzity záření snížení šumu, ale nemění průměrnou hodnotu HU dané oblasti.

   Četné nepřesnosti systému však brání tomu, aby se sppecifickým anatomickým strukturám, nebo chorobným tkáňovým stavům, vždy přiřadila jednoznačná hodnota HU Cenné je naproti tomu porovnávání relativních rozdílů hutnot tkání v jednotkách HU.

KVALITA CT OBRAZU

   PROSTOROVÉ ROZLIŠENÍ 

CT záznamu je dáno jeho schopností, odlišit od sebe struktury, co nejmenších kontrastních rozdílů a není tak podstatné, kolik se zobrazí linií na jednotku vzdálenosti

   ROZLIŠENÍ KONTRASTU 

bývá v CT omezeno šumem, který se projevuje jako zrnění obrazu. Toto zrnění, pak může zneostřit obrysy struktury a tím setřít rozdíl ve stupních šedi.

Zdroje šumu jsou v CT různorodé: 

1.     KVANTOVÝ ŠUM – je výsledkem omezeného počtu fotonů (kvant), přispívajících k obrazu

2.     ELEKTRONICIKÝ ŠUM – je výsledkem nahodilé elektronické intervence miliard elektronických obvodů komplexu.

3.     POČÍTAČOVÝ ŠUM – se může projevit, jako výsledek aproximací, při měření a průměrování a jako následek, nepostačující geometrické koordinace, mezi divergujícími paprsky záření a polohou pixel. K tomuto šumu velmi přispívá i rozptýlené záření

4.     STRUKTURÁLNÍ ŠUM – je dán překrýváním oblasti, která nás zajímá, anatomickými strukturami z okolí

   Vizuální vnímání šumu je ovlivněno i modifikacemi displeje, který je na obslužném pultu ve formě obrazovky.

   Pozorovací monitor je jediným místem, kde se dá adjustovat vzhled obrazu před definitivní dokumentací, přefotografováním. To provádíme nastavením šíře a úrovně „ okénka šedé škály“

   OKÉNKO ŠEDÉ ŠKÁLY

   Jeho princip se opírá o škálu jednotek HU. Pozornost obvykle soustřeďujeme na určitou tkáň, nebo nález primárního zájmu, jejichž rozmezí jednotek HU je známo, lze kontrolovat rozsah této výseče stupnice šířkou okénka a nastavení úrovně okénka odpovídá nastavení výšky jeho střední hodnoty. Okénko je pak rozsah jednotek HU, které se v záznamu zobrazí diferencovaně. 

   Manipulace s okénkem se dějí tak, jako ostatní obsluha a dialog s počítačem od obslužního pultu. Mohou se provádět ještě dodatečně, po skončení vyšetření z údajů, uložených v paměti zařízení.

   U některých CT lze nastavit současně dvojí okénko, kdy dochází k současnému zobrazování např.: plíce a mediastinum, což jsou tkáně o značně odlišných HU. To vše se děje za plného využití stupňů šedi.

PROGRAMY SOFTWARE

ZÁKLADNÍ PROGRAMY

   Základní programy zahrnují:

1.     zařazení prioritní rekonstrukce jedné potřebné vrstvy, ještě v době získávání údajů o dalších vrstvách

2.     rychlou rekonstrukci během vyšetření a možnost rychlého nalezení vrstvy, která je již v paměti uložená a jejího zobrazení na obrazovce

3.     nastavení a kontrolu šířky a úrovně okénka

4.     promítnutí ukazovátka-cursoru, kterým se mohou  zavádět, měnit nebo rušit instrukce, ohraničovat plochy, určovat jejich středy, měřit vzdálenosti, vymezovat obrysy orgánů a ložisek…atd

5.     zanesení základních údajů do obrazovky

6.     scanogram – dovoluje určit polohy a sklony vyšetřovaných vrstev, kterých je při tomografii několik desítek, nastavit program vyšetření, volit místo a směr punkce. Linie vrstev se na scanogramu zobrazí i s číselnými údaji o hloubce.

7.     auto CT – navazuje koncepcí na scanogram: naprogramuje se ze scanogramu konečná a počáteční vrstva a odstupy vrstev v oblasti, která se má vyšetřit vrstvovými snímky. Toto zařízení pak automaticky zasouvá nemocného do otvoru gantry, exponuje, předává záznamy ke zpracování a to vše bez potřeby individuálního zásahu obsluhy.

8.     urovnání =samoothing – touto technikou se odstraní selektivně větší prostorové frekvence v obraze, které zhoršují prostorové rozlišení a zneostřují obrysy struktur. Vyrovnáním se také sníží dojem zrnitosti obrazu, odfiltrováním jeho šumu.

9.     zdůraznění obrysů – tento postup je opakem předešlého, protože podporuje prostorové frekvence v obraze a tím vyzvedne přechody na rozhraních absorpčních rozdílů. Zlepšuje prostorové rozlišení detailu, ale současně podporuje šum.

10. rekonstrukce sagitální, frontální, nebo libovolné, podélné šikmé vrstvy ze souboru příčných vrstev, uložených v paměti počítače a její speciální varianta:

11. multiplanární rekonstrukce – umožňují prostorové zobrazení objektů v různých směrech, ze souboru příčných vrstev, uložených v paměti. Pro tento postup, slouží v paměti uložené hodnoty ve formě pixel vrstev, jejichž soubor představuje jistý vyšetřený objem.

12. součesné zobrazení více vrsten na monitoru vedle sebe, nebo za stálého promítání scanogramu v levém horním rohu

   Je možná ještě řada dalších speciálních postupů, specifických pro individuální zařízení. 

DALŠÍ BĚŽNÉ PROGRAMY

1.     potlačení artefaktů, např: kovových pomůcek ve snímkované vrstvě

2.     vrstevnicové zdůraznění obrysů skupiny pixel stejné hodnoty HU

3.     obrácení obrazu a jeho převedení z pozitivu na negativ

4.     průměrování jednotek HU ve zvolené ploše záznamu

5.     histogram pixlů-zjištění množství pixlů, zvolené hutnoty, ležících v oblasti našeho zájmu

6.     zanesení veškeré počítačové grafiky do záznamu, což je důležité pro demonstrace, výuku a plánování

7.     zachování obrazu na obrazovce po jistou dobu, než je předán paměťovým médiím

8.     možnost aplikace kontrastních látek, které se používají u řady Ctvyšetření. Orálně slouží pro zobrazení střev, aby se zabránilo záměně nekontrastní střevní kličky, náhodně zachycené ve vrstvě s patologickým ložiskem

9.     křivkové znázornění vztahu: hutnota/čas v obl. zájmu, je možné, při dynamických záznamech průtoku kontrastní látky orgánem

SPECIALIZOVANÉ PROGRAMY

   Speciální postupy vyžadují nejen samostatný software, ale i přídatná hardware a mají význam pro řešení zvláštních problémů.

Patří sem:

1.     3D rekonstrukce

2.     dual energy scan=záznam dvojí energii

3.     odhad obsahu kostních minerálů

4.     cardiac gating=synchronizace záznamů CT se srdeční akcí

5.     korelační zobrazení léze v sérii CT vrstev s automatickým přenosem údaje o ní do scanogramu

6.     dynamický záznam se segmentací

7.     zobrazení krevního toku xenonem

8.     plánování léčby zářením

9.     stereotaktická biopsie, používaná nejvíce v oblasti mozku

10. off-line=oddělené zpracování

11. mobilní CT

ZÁTĚŽ ZÁŘENÍM

   U CT má podobnou úroveň, jako běžné, klasické, snímkovací postupy, a je podstatně nižší. než např: při sériografické angiografii. Zátěž narůstá s delšími expozičními časy, nebo přibližováním rentgenky k nemocnému.
Ochrana personálu se řídí pravidly, která jsou shodná pro všechny radiodiagnostické pracoviště.

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

   1.    Radiologie a nukleární medicína; Prof. MUDr. Oskar Blažek Csc. a kolektiv; Avicenum Praha 1988

   2.    Moderní radiodiagnostické metody; Jaromír Kolář; Státní pedagogické nakladatelství Praha 1988

   3.    Rentgenologické nálezy; Jiří Neuwrith a kolektiv; Triton 2001