Компьютерная томография

Компьютерная томография (КТ) — это метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, основанный на измерении и компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения тканями различной плотности. В медицине КТ является одним из основных методов лучевой диагностики, позволяющим получать детальные поперечные срезы (томограммы) тела человека, которые затем могут быть реконструированы в трёхмерную модель.

История

Предпосылки и открытия

Фундамент для компьютерной томографии заложили математические работы Иоганна Радона (1917 год), доказавшего возможность восстановления функции по её проекциям (преобразование Радона). Однако практическая реализация метода стала возможной лишь с появлением вычислительной техники.

Первый КТ-сканер

Первый в мире клинический КТ-сканер был разработан в 1972 году английским инженером Годфри Хаунсфилдом (EMI Central Research Laboratories) и независимо от него — американским физиком Алланом Кормаком. В 1979 году оба исследователя были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Первый аппарат (EMI Mark I) сканировал головной мозг; время сканирования одного среза составляло около 4 минут.

Эволюция поколений

Смена поколений КТ-аппаратов (с 1-го по 5-е) определялась конструкцией системы «источник — детекторы»:

• 1-е поколение: веерный пучок с одним детектором, поступательное вращение (сканирование до 5 минут на срез).
• 2-е поколение: веерный пучок с несколькими детекторами, сокращение времени.
• 3-е поколение: вращение источника и дуги детекторов как единого блока, время среза — 1–2 секунды.
• 4-е поколение: неподвижное кольцо детекторов, вращается только рентгеновская трубка.
• 5-е поколение: электронно-лучевая (ультрабыстрая) КТ (EBCT) для визуализации сердца.
• Спиральная КТ (1989 год): непрерывное вращение трубки при одновременном движении стола пациента, что позволяет сканировать объём за одну задержку дыхания.
• Многосрезовая (мультиспиральная) КТ (1998 год): несколько рядов детекторов (4, 16, 64, 128, 256, 320 и более) для одновременного получения десятков срезов за оборот.

Физические принципы

Метод основан на рентгеновском излучении. Источник (рентгеновская трубка) вращается вокруг объекта, излучая узкий веерный пучок. Детекторы, расположенные напротив источника, измеряют интенсивность прошедшего через ткани излучения. Компьютер реконструирует матрицу коэффициентов ослабления (в единицах Хаунсфилда, HU) для каждого элемента объёма (вокселя). Шкала Хаунсфилда градуируется относительно воды (0 HU) и воздуха (−1000 HU); плотность костной ткани составляет +400…+1000 HU и выше.

Реконструкция изображения осуществляется алгоритмами обратной проекции (в простейшем случае) либо итеративными методами (современные системы), что позволяет снижать дозу облучения и уменьшать артефакты.

Устройство и характеристики КТ-сканера

Основные компоненты:

• Рентгеновская трубка — источник высокоэнергетического излучения (обычно 120–140 кВ).
• Детекторная система — массив твёрдотельных или газовых датчиков, преобразующих рентгеновское излучение в электрический сигнал.
• Гентри — рама с вращающимся узлом «трубка — детекторы».
• Стол пациента — с точным позиционированием и скоростью движения.
• Вычислительная станция — компьютер с программным обеспечением для реконструкции, обработки и архивирования изображений (DICOM).

Ключевые технические параметры:

• Количество срезов за оборот (от 1 до 640);
• Время оборота трубки (0,2–0,5 с для современных аппаратов);
• Пространственное разрешение (до 0,2–0,3 мм);
• Мощность рентгеновской трубки (20–100 кВт);
• Диаметр апертуры гентри (стандартно 70–85 см).

Методики сканирования

Нативное (бесконтрастное) исследование

Выполняется без введения контрастных веществ. Применяется для оценки плотности тканей, выявления камней, кровоизлияний, переломов и обызвествлений.

Контрастное усиление

Внутривенное введение йодсодержащих контрастных препаратов (неионных, низкоосмолярных). Выделяют фазы:

• Артериальная (через 15–25 с после инъекции) — исследование аорты, артерий, паренхиматозных органов;
• Венозная/портальная (40–70 с) — печень, селезёнка, поджелудочная железа;
• Отсроченная/экскреторная (3–10 мин) — мочевыводящие пути.

КТ-ангиография

Протокол с тонкими срезами и быстрым сканированием для визуализации артерий и вен (коронарная КТ-ангиография, КТ-ангиография лёгочной артерии, сосудов головного мозга).

Перфузионная КТ

Динамическое сканирование при болюсном введении контраста для оценки кровотока, объёма крови и среднего времени транзита в тканях (инсульт, опухоли).

Показания к применению

КТ применяется в широком спектре клинических ситуаций:

• Голова и шея: травмы черепа, инсульты, опухоли головного мозга, патология глазницы, придаточных пазух носа, височной кости.
• Грудная клетка: рак лёгкого, тромбоэмболия лёгочной артерии, пневмония, аневризмы аорты, лимфаденопатия средостения.
• Брюшная полость и забрюшинное пространство: опухоли паренхиматозных органов (печень, поджелудочная железа, почки), абсцессы, мочекаменная болезнь, травмы.
• Опорно-двигательная система: сложные переломы, остеомиелит, оценка костных опухолей, металлоостеосинтез.
• Сердечно-сосудистая система: коронарная КТ-ангиография, оценка стентов и шунтов, кардиосинхронизация.
• Планирование лучевой терапии: трёхмерное моделирование зон облучения.
• Челюстно-лицевая область: дентальная КТ (томография) для имплантации и диагностики заболеваний челюстей.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Высокая пространственная и контрастная разрешающая способность.
• Возможность мультипланарной (MPR) и трёхмерной (3D) реконструкции.
• Быстрота сканирования (все тело за 5–15 секунд).
• Относительно низкая чувствительность к движениям пациента по сравнению с МРТ.
• Доступность по сравнению с МРТ (аппараты КТ дешевле в закупке и эксплуатации).

Ограничения и недостатки

• Ионизирующее излучение. Эффективная доза зависит от области и протокола (например, КТ головы — ~2 мЗв, КТ брюшной полости — ~8 мЗв, КТ органов грудной клетки — ~5–7 мЗв). Для сравнения, рентгенография грудной клетки — 0,02–0,1 мЗв.
• Необходимость введения йодсодержащего контраста при некоторых исследованиях, что сопряжено с риском аллергических реакций и нефротоксичности.
• Артефакты от металлических имплантатов (протезы суставов, стенты, зубные коронки) — снижают качество изображения.
• Более низкое мягкотканное контрастное разрешение по сравнению с магнитно-резонансной томографией.

Лучевая нагрузка и безопасность

Всемирная организация здравоохранения и национальные регулирующие органы (в РФ — Роспотребнадзор) устанавливают нормы радиационной безопасности. Для каждого исследования проводится обоснование польза/риск. Для детей и беременных по возможности применяются альтернативные методы (УЗИ, МРТ) или протоколы с уменьшенной дозой (педиатрические протоколы, свинцовая защита). Ионизирующее излучение при многократных КТ-исследованиях может повышать пожизненный риск развития злокачественных новообразований.

Промышленная и научная томография

Помимо медицины, компьютерная томография используется:

• В материаловедении: контроль качества (дефектоскопия) литья, сварных швов, композитных материалов.
• В археологии и палеонтологии: неразрушающее исследование мумий, окаменелостей, артефактов.
• В микроэлектронике: анализ структуры микросхем.
• В геологии и нефтегазовой отрасли: изучение керна горных пород.
• В таможенном контроле: сканирование багажа и грузов.

Источники

1. Хаунсфилд Г.Н. «Компьютерная томография» — Нобелевская лекция, 1979.
2. Боровков А.И., Дубов А.Л., Коршунова Н.А. «Компьютерная томография: физические основы и клиническое применение». — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2018.
3. Webb W.R., Brant W.E., Helms C.A. «Fundamentals of Body CT» — 4th ed., Elsevier, 2015.
4. Адам А., Диксон А., Грейсон Л. «Радиология: компьютерная томография. Руководство для врачей» — пер. с англ., М.: Медицина, 2007.
5. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009) — СанПиН 2.6.1.2523-09, Роспотребнадзор РФ.