Шкала Хаунсфилда

Шкала Хаунсфилда (единицы Хаунсфилда, HU) — это количественная шкала, используемая в компьютерной томографии (КТ) для описания степени ослабления рентгеновского излучения различными тканями и веществами. Шкала названа в честь британского инженера Годфри Хаунсфилда, одного из изобретателей компьютерной томографии, удостоенного Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1979 году. Значения по шкале Хаунсфилда (HU) позволяют врачам-рентгенологам и медицинским физикам объективно оценивать плотность биологических тканей, что является основой для дифференциальной диагностики множества заболеваний.

История создания

Шкала Хаунсфилда была разработана в начале 1970-х годов в процессе создания первого коммерческого КТ-сканера. До появления компьютерной томографии рентгеновские снимки давали лишь двухмерное проекционное изображение, где плотность тканей оценивалась субъективно по степени затемнения плёнки. Хаунсфилд и его коллеги столкнулись с необходимостью количественного представления данных, получаемых при сканировании.

В 1971 году был установлен первый прототип КТ-сканера, а в 1972 году — проведены первые клинические испытания. Для калибровки системы Хаунсфилд предложил использовать две реперные точки: плотность воды (принята за 0 HU) и плотность воздуха (принята за −1000 HU). Такая линейная шкала позволяла легко сопоставлять значения, полученные на разных аппаратах, при условии стандартной калибровки. Первоначально шкала использовалась только для головного мозга, но с развитием технологий была распространена на всё тело.

Принцип измерения

В основе шкалы лежит линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения (μ), который зависит от атомного номера элемента и плотности ткани. При прохождении через вещество рентгеновские лучи ослабляются — часть фотонов поглощается, часть рассеивается. КТ-сканер измеряет ослабление для каждого вокселя (трёхмерного пикселя) и преобразует его в число Хаунсфилда.

Значение HU для данного вещества (X) рассчитывается по формуле:

\[ HU_X = \frac{\mu_X - \mu_{вода}}{\mu_{вода}} \times 1000 \]

где:

• μ_X — линейный коэффициент ослабления для вещества X,
• μ_{вода} — линейный коэффициент ослабления для дистиллированной воды при стандартных условиях (энергия излучения около 70–120 кэВ).

Таким образом, шкала является линейной и безразмерной. Вода всегда имеет значение 0 HU, воздух — −1000 HU. Плотная костная ткань может достигать значений +1000 HU и выше, а плотные металлические имплантаты — до +3000 HU и более.

Классификация значений

Значения по шкале Хаунсфилда для различных тканей и веществ имеют характерные диапазоны. Ниже приведена таблица типичных значений:

Важно отметить, что точные значения зависят от энергии рентгеновского излучения (кВ), калибровки аппарата и наличия артефактов. Например, жировая ткань у разных пациентов может варьироваться от −100 до −80 HU.

Применение в медицине

Диагностика заболеваний

Шкала Хаунсфилда является основой для количественного анализа КТ-изображений. Врачи используют значения HU для:

• Дифференциации тканей: например, отличить кисту (близкая к воде плотность, 0–20 HU) от солидного образования (40–80 HU) или абсцесса (иногда с газом, −500 HU).
• Оценки плотности костей: при остеопорозе плотность губчатой кости снижается, что выражается в уменьшении HU.
• Выявления кровоизлияний: свежая кровь имеет плотность 50–80 HU, что выше, чем у окружающей мозговой ткани (30–40 HU), что позволяет диагностировать инсульты.
• Определения характера камней в почках: уратные камни имеют низкую плотность (100–200 HU), а оксалатные — высокую (400–1000 HU).
• Оценки жировой инфильтрации печени: при жировом гепатозе плотность печени снижается ниже 40 HU.

Планирование лечения

Значения HU используются для расчёта доз при лучевой терапии. Поскольку разные ткани по-разному ослабляют излучение, знание их плотности позволяет точно рассчитать распределение дозы в опухоли и окружающих здоровых органах. Для этого создаются карты плотности (density maps), где каждому значению HU ставится в соответствие относительная электронная плотность.

Контроль качества

В медицинской физике шкала Хаунсфилда применяется для калибровки и контроля качества КТ-сканеров. Используются фантомы (специальные объекты с известными значениями HU), чтобы убедиться, что аппарат выдаёт точные и воспроизводимые результаты. Отклонения более чем на 5–10 HU от эталонных значений могут указывать на неисправность или необходимость повторной калибровки.

Ограничения и артефакты

Несмотря на широкое применение, шкала Хаунсфилда имеет ряд ограничений:

• Зависимость от энергии излучения: значения HU могут меняться при изменении напряжения на рентгеновской трубке (кВ). Это особенно заметно для материалов с высоким атомным номером (например, кость или металл), где эффект фотоэлектрического поглощения сильнее зависит от энергии.
• Артефакты: металлические имплантаты, зубные протезы или хирургические клипсы создают полосчатые артефакты, искажающие значения HU в соседних областях. Аналогично, артефакты могут возникать из-за движения пациента, «усиления луча» (beam hardening) или частичного объёмного эффекта.
• Неоднородность тканей: биологические ткани не являются однородными, поэтому значения HU в одном и том же органе могут варьироваться в зависимости от кровоснабжения, отёка или фиброза.
• Калибровка: разные производители КТ-сканеров могут использовать slightly different калибровки, что может приводить к небольшим различиям в значениях HU для одних и тех же тканей.

Интересные факты

• Шкала Хаунсфилда иногда называется «шкалой Хаунсфилда-Кормака» в честь Аллана Кормака, который независимо разработал математические основы компьютерной томографии. Однако в клинической практике используется именно название «шкала Хаунсфилда».
• Диапазон шкалы обычно составляет от −1024 до +3071 HU (12-битное представление), но в некоторых исследованиях (например, для визуализации лёгких) может использоваться расширенный диапазон.
• Значение 0 HU для воды было выбрано Хаунсфилдом произвольно, но оказалось чрезвычайно удобным для калибровки, так как вода является универсальным эталоном.
• В некоторых случаях, например, при оценке плотности костной ткани для диагностики остеопороза, используется не шкала Хаунсфилда, а специальные единицы — T-критерий и Z-критерий, основанные на денситометрии, но КТ-денситометрия также опирается на HU.

Источники

• Hounsfield G. N. Computerized transverse axial scanning (tomography): Part 1. Description of system. British Journal of Radiology, 1973.
• Kalender W. A. Computed Tomography: Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications. 3rd ed. Publicis, 2011.
• Bushberg J. T., Seibert J. A., Leidholdt E. M., Boone J. M. The Essential Physics of Medical Imaging. 3rd ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2012.
• ГОСТ Р 57432-2017 «Изделия медицинские. Компьютерные томографы. Общие технические требования».