Томография

    Томография основана на получении послойных изображений объекта исследований. Впервые этот метод был разработан Н.И. Пироговым. Он создал атлас под названием "Топографическая анатомия", содержащий изображения послойных разрезов, проведённых через замороженное тело человека в трёх направлениях. Современная томография также основана на получении послойных изображений. Однако, современная томография позволяет проводить прижизненные исследования и с помощью математической обработки производить трехмерную реконструкцию изображения исследуемого органа.
    В медицине используется различные методы томографии: Компьютерная томография (КТ), Магниторезонансная томография (МРТ), Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОЭФКТ) и Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ).

Компьютерная томография

Рис. 1. Иллюстрация различия обычной рентгенограммой и послойным изображением

   Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутреннего строения был предложен в 1979 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенных за эту разработку Нобелевской премии.
    У обычных рентгеновских методов есть недостатки. Во-первых, в двумерной рентгеновской картине объекты расположены в глубине накладываться (см. рис.1). Во-вторых, обычно рентгеновские лучи не могут различать мягкие ткани. Изменения в мягких тканях, таких как печень и поджелудочная железа, не различимы, а некоторые другие органы могут быть сделаны видимыми только посредством использования рентгеноконтрастных красителей. В-третьих, при использовании обычных рентгеновских методов, не представляется возможным количественно измерить плотности отдельных веществ, через которые прошло рентгеновское излучение. Радиограмма фиксирует только среднее поглощение всех различных тканей.  Компьютерная томография измеряет ослабление рентгеновских лучей, проходящих через участки тела из сотен различных углов, получая срезы, а затем, с помощью компьютерной обработки, большой серии двумерных рентгенографических снимков, сделанных вокруг одной оси вращения, получается трехмерное изображение.

    Прогресс КТ-томографов напрямую связан с увеличением количества детекторов, то есть с увеличением числа одновременно собираемых проекций.
    Аппарат 1-го поколения появился в 1973 году. КТ-аппараты первого поколения были пошаговыми. Была одна трубка, направленная на один детектор. Сканирование производилось шаг за шагом, делая по одному обороту на слой. Каждый слой обрабатывался около 4 минут.

    Дальнейший прогресс связан с появлением
спиральных компьютерных томографов (1988 г.) и увеличением количества детекторов. Спиральное сканирование заключается в непрерывном вращении рентгеновской трубки и непрерывном поступательного движения стола с пациентом вдоль продольной оси сканирования z через апертуру гентри*. Технология спирального сканирования позволила значительно сократить время, затрачиваемое на КТ-исследование и существенно уменьшить лучевую нагрузку на пациента.

Рис.2. Современный компьютерный томограф

    В 1992 г. появились первые мультисрезовые компьютерные томографы (МСКТ). В них по окружности гентри расположены не один, а два и более ряда детекторов. К 2013 г. количество срезов было доведено до 512 и 640. Для того, чтобы рентгеновское излучение могло одновременно приниматься детекторами, расположенными на разных рядах, была разработана новая — объёмная геометрическая форма пучка. Стали производиться томографы с двумя рентгеновскими трубками, расположенными под углом 90°, что позволило еще уменьшить временное разрешение.
    Современные томографы позволяют не только получать изображения, но и дают возможность практически в «реальном» времени наблюдать физиологические процессы, происходящие в головном мозге и в сердце. Они дают возможность сканирования целого органа (сердце, суставы, головной мозг и т. д.) за один оборот рентгеновской трубки, что значительно сокращает время обследования, а также дает возможность для сканирования сердца даже у пациентов, страдающих аритмиями.

    КТ на сегодняшний день - ведущий метод диагностики многих заболеваний головного мозга, позвоночника, легких и средостения, печени, почек, поджелудочной железы, надпочечников, аорты и легочной артерии, сердца и ряда других органов. КТ можно использовать и как метод первичной диагностики, и как уточняющую методику, когда предварительный диагноз уже поставлен с помощью УЗИ или клинического обследования.
    МСКТ - это лучший метод диагностики заболеваний легких и костей скелета. При введении контрастного препарата КТ позволяет получать качественные трехмерные изображения сосудов и сердца, в том числе коронарных артерий и аортокоронарных шунтов. Для проведения этих исследований не требуется госпитализация и введение катетера в сосуды сердца.

Сцинтиграфия и однофотонная эмиссионная компьютерная томография Сцинтиграфия     Сцинтиграфия — метод функциональной визуализации, заключающийся во введении в организм радиоактивных изотопов и получении двумерного изображения путём определения испускаемого ими излучения. * Иногда в качестве меток (меченных атомов применяют стабильные изотопы, которые фиксируются масс-спектрометрами.     Пациенту вводят препарат, состоящий из молекулы-вектора и радионуклида*. Молекула-вектор поглощается определённой структурой организма (орган, ткань, жидкость). Радионуклид излучает, и его излучение регистрируется детектором (гамма-камерой). Рис. 3. Схема гамма-камеры.     В состав современной гамма-камеры входят (см. рис. 3) многоканальный коллиматор, выделяющий направление гамма-квантов; сцинтиллятор большой площади (~ 60×45 см); матрица из ФЭУ; электроника, с помощью которой извлекается информация о координатах и интенсивности сцинилляции; ЭВМ, в котором строится сцинтиграфическое двумерное изображение исследуемого органа.     Чтобы получить информацию о направлении вылета из человеческого тела γ-квантов, происходит их коллимация в многоканальном коллиматоре. Сцинтиллятор детектора просматривается матрицей фотоумножителей. Таким образом определяется направление прихода γ-кванта, что дает возможность реконструировать точку его испускания. Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (Single-photon emission computed tomography, SPECT) Рис. 4. Однофотонный эмиссионный компьютерный томограф.    Дальнейшее развитие радиоизотопной диагностики привело к созданию однофотонных эмиссионных компьютерных томографов (ОФЭКТ). В этих томографах трехмерное изображение получается путём компьютерной обработки серии плоскостных сцинтиграмм.     Для того, чтобы получить изображения в ОФЭКТ, гамма-камера поворачивается вокруг пациента. Проекции фиксируются, как правило, через каждые 3-6 градусов. В большинстве случаев для получения оптимального восстановления, используется полное вращение на 360 градусов. Типичное время, необходимое для получения каждой проекции 15-20 секунд. Соответственно общее время сканирования 15-20 минут. Для уменьшения времени сканирования используются детектирующие системы состоящие из двух или более гамма-камер.     Использование электрокардиографа в качества триггера в ОФЭКТ позволяет получить дифференциальную информацию о работе сердца в различные моменты сердечного цикла.     В сцинтиграфии и ОФЭКТ используются одни и те же радиоактивные препараты. В большинстве диагностических процедур (~80%) в течение последних 30 лет используются препараты с 99mTc. Однако используют и другие радиоизотопы. В таблице приведены некоторые изотопы, используемые в диагностике Изотоп T1/2 Орган 201Tl 73 ч сердце 99m Тс 6 ч сердце, легкие, почки, кости, костный мозг 67Ga 78 ч сердце 131I 8 дн лёгкие,  головной  мозг, почки, печень, щитовидная железа и др 189Au 28.7 м печень, лимфоузлы 111In 2.8 дн печень     Так для сцинтиграфии сердца используют 201Tl, пирофосфат 99mТс, 67Ga. Галлий, например, накапливается в воспалительных очагах в сердце, что проявляется на сцинтиграммах. При сцинтиграфии легких: с помощью альбумина, меченного 131I или 99mТс, на сцинтиграммах обнаруживают зоны значительного уменьшения накопления изотопа, что свидетельствует о тромбоэмболии легочной артерии. Изображение костного мозга можно получить с помощью серного коллоида, меченного технецием 99mТс,  который накапливается в клеточных элементах  костного мозга. При острых лейкозах, у больных миелосклерозом, при лимфогранулематозе в изображениях костного мозга имеются особенности. Сцинтиграфия щитовидной железы проводится с помощью препаратов 131I или 99mТс, что позволяет диагностировать в ней узловые образования. КТ + ОФЭКТ   Объединение компьютерной томографии и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии в единой системе приводит к повышению точности обоих типов исследования. Так ослабление гамма-излучения, внутри пациента может привести к существенной недооценке активности в глубоких тканях, по сравнению с поверхностными тканями. Использование интегрированного с ОФЭКТ компьютерного томографа позволяет оптимизировать коррекцию поглощения гамма-излучения в тканях. Интегрированная система позволяет точно определить локализацию поражения при наложении изображения, проводить своевременную диагностику онкологических заболеваний, осуществлять дифференциацию злокачественных и доброкачественных образований различных органов и систем, выявлять наличие структурных изменений и функциональных нарушений на стадии минимальных клинических проявлений заболевания. Рис. 5. Изображения в ОФЭКТ, КТ и интегрированной системе  ОФЭКТ/КТ

Позитронно-эмиссионная томография
(Двухфотонная эмиссионная томография)

    ПЭТ  сегодня  является одним из самых совершенных диагностических инструментов.
    Рентгеновская, ультразвуковая, и магнитно-резонасная томография проявляют структуру органа на стадии её патологического изменения. ПЭТ же способен зарегистрировать изменения в обменных процессах, которые этому предшествуют. ПЭТ помогает самому раннему распознаванию патологических сдвигов задолго до появления морфологических изменений. ПЭТ применяется  в онкологии, кардиологии и неврологии, при изучении метаболических процессов в мозге и других органах, механизмов действия лекарственных препаратов. Возможности ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений — радиофармпрепаратов (РФП).
    Рассмотрим принцип работы ПЭТ.
    Пациенту вводят РФП, содержащий β⁺-активный изотоп.
    Позитроны, испущенные радионуклидами, имеют в биологических тканях очень короткий пробег (несколько мм). В результате аннигиляции позитронов образуются два γ-кванта с энергиями 511 кэВ. Таким образом, аннигиляция происходит практически в том же месте, где находилась молекула РФП. γ-Кванты разлетаются в противоположных направлениях и регистрируется методом совпадений. Пара датчиков располагается на одной прямой с различных сторон пациента, и оба γ-кванта  попадают на свои датчики одновременно. В результате регистрации такого события можно построить прямую линию, проходящую через область концентрации радионуклида. Сегментированный детектор выполнен в виде нескольких колец, окружающих пациента см. рис. 6. Зарегистрировав большое число пар γ-квантов, и, построив пересечение их траекторий, можно получить  изображение распределения РФП и таким образом визуализовать исследуемый орган.
    В современных системах с высоким временным разрешением используется метод "время пролета", позволяющий с точностью нескольких сотен пикосекунд определить разницу во времени между обнаружением двух фотонов. Это позволяет локализовать место, где произошла аннигиляция в пределах десяти сантиметров. Этой точности недостаточно для ПЭТ, однако использование дополнительной информации, которую дает использование метода времени пролета позволяет при реконструкции изображения значительно улучшить его качество, особенно отношение сигнал-шум.

Рис. 6.  Схематическое изображение ПЭТ.

    В ПЭТ использую радиофармпрепараты содержащие  ¹⁵O (период полураспада 2.04 мин),
¹³N (9.96 мин). ¹¹С (20.4 мин). ¹⁸F (110 мин) и др. ¹⁸F обладает оптимальными характеристиками для использования в ПЭТ: наибольшим периодом полураспада и наименьшей энергией β⁺-излучения. С одной стороны, относительно небольшой период полураспада фтора-18 позволяет получать ПЭТ-изображения высокой контрастности при низкой дозовой нагрузке на пациентов. Низкая энергия позитронного излучения обеспечивает высокое пространственное разрешение ПЭТ-изображений. Относительно большой период полураспада ¹⁸F позволяет располагать его производство отдельно, транспортируя полученный РФП в несколько близлежащих ПЭТ- центров. Наиболее распространенным радиофармпрепаратом (РФП) для ПЭТ является фтордезоксиглюкоза (FDG). Однако, наиболее качественные изображения получаются при использовании таких радионуклидов, как  ¹⁵O, ¹³N и ¹¹С
     Технология ПЭТ используется для зондирование структуры мозга. Глюкоза наиболее активно поглощается теми областями мозга, которые в данный момент выполняют определенную функцию. ПЭТ позволяют получать изображения областей поглощения маркированной радионуклидом глюкозы. Таким образом выявляются те области мозга, которые связаны с различными видами умственной деятельности.

    ПЭТ все чаще используется вместе с КТ или магнитно-резонансной томографией (МРТ). Таким образом практически одновременно получается информация как о структуре, так и о биохимии. ПЭТ наиболее полезна в сочетании с анатомической визуализацией. Современные ПЭТ-сканеры теперь доступны с интегрированными КТ-сканерами, размещенными в одном гантри (ПЭТ-КТ). Два сканирования могут быть выполнены последовательно в течение одного сеанса. Больной не изменяет положение между двумя типами сканирования. Таким образом, функциональная визуализация, получаемая с помощью ПЭТ, который изображает пространственное распределение метаболических или биохимической активности в организме, может быть скоррелировано с анатомической визуализациуй полученной с помощью КТ. ПЭТ-КТ добавляет точность анатомической локализации в функциональную визуализацию, которой ранее не хватало у обычной ПЭТ.
    Новые установки ПЭТ состоят почти исключительно из комбинированных сканеров ПЭТ-КТ.         Однако, ПЭТ-КТ имеет определенные недостатки, в том числе невозможность одновременно осуществлять сбор данных и значительного дозы облучения пациента, внесенной КТ.
   В последнее время активно ведутся работы по альтернативной ПЭТ-КТ гибридной технологии визуализации – технологии ПЭТ-МРТ. По сравнению с КТ МРТ, в частности, дает лучший контраст между мягкими тканями. Вообще, комбинация ПЭТ-МРТ обеспечивает много преимуществ, которые выходят за рамки простого сочетания функциональной информации от ПЭТ с структурной информацией от МРТ. Области клинического применения ПЭТ-МРТ онкология, кардиология и неврология.

Рис. 7. Снимки экрана компьютера. Слева направо изображения ПЭТ, МРТ и комбинированное изображение ПЭТ-МРТ.

     Изотопы для ПЭТ, как правило, вырабатывают на месте проведения исследования. Это связано с тем, что большинство ПЭТ- изотопов являются ультракороткоживущими, с периодами полураспада  которые исчисляется несколькими минутами и даже секундами. Ускорители производящие необходимые для ПЭТ часто располагаются вблизи томографа, либо являются составной части комплекса. Поскольку для получения позитронных эмиттеров достаточно иметь протоны с энергией от 10-18 МэВ или дейтроны с энергией 5-9 МэВ (для этой цели подходят малогабаритные циклотроны). Часто томографы поставляются  вместе с циклотроном. Кроме того необходима автоматическая радиохимическая лаборатория.
    Альтернатива такой организации ПЭТ в ряде случаев − генератор радионуклидов.