Проблеми та перспективи розвитку комп’ютерної томоґрафії

Хоча комп’ютерна томоґрафія є відносно не новим методом досліджень (перший діючий томоґраф був створений на початку 70-х), проте вона стрімко розвивається та впроваджується в різні галузі науки і техніки, де потрібний неруйнівний контроль внутрішніх структур об’єктів. На сьогоднішній день комп’ютерна томоґрафія використовується в техніці, радіоастрономії, електронній мікроскопії, фізиці Землі, океану, космосу, біохімії, промисловості, та найбільшого поширення вона набула в області медичної діаґностики. Зокрема, для задач медичної діагностики, найширше застосування має Х-променева томоґрафія. Вона поки що значно випереджає за ефективністю всі інші розроблені методи, особливо в області „м’яких” Х-променів.

Значний розвиток відбувається також для методів томоґрафії, що ґрунтуються на явищі ядерного магнітного резонансу, які мають велику потенційну перевагу — можливість одночасного вимірювання декількох різних характеристик тканин. Особливо привабливою є перспектива того, що з допомогою належним чином орґанізованих ЯМР-вимірювань можна було б оцінювати хід процесів метаболізму. Проте швидкість формування високоякісних зображень в ЯМР-томоґрафії ще значно нижча, ніж в Х-променевій. В медицині маґніторезонансні томоґрафи мають широку сферу застосування за рахунок нижчої інвазивності у порівнянні з Х-променевими та можливості формування якісних зображень м’яких тканин, що погано діаґностуються Х-променевими томоґрафами. Кісткові тканини навпаки краще передаються Х-променевими томоґрафами, тому часто ці два методи діаґностики використовують спільно, доповнюючи інформацію отриману з Х-променевих та маґніторезонансних томоґрафічних зображень.

В ультразвуковій комп’ютерній томоґрафії принципова задача залишається тою ж, що і в Х-променевій, — отримати зображення поперечних січень, що містять детальні кількісні характеристики організму. Однак на відміну від Х-променевої томоґрафії, отримання зображень з допомогою ультразвуку ускладнюється тим, що промені звукової енерґії не обов’язково розповсюджуються по прямих лініях. Вони можуть значно заломлюватись на границі розділу твердих і м’яких тканин. Тому ультразвукова томоґрафія в найближчому майбутньому буде використовуватись виключно для дослідження тих частин організму, що не містять кісткових тканин. Зокрема, основною областю використання ультразвукової томоґрафії стало діаґностування пухлин молочної залози.

Систематизацій різноманітних фізичних принципів, на основі яких вже здійснюється, або може здійснюватися в майбутньому комп’ютерна реконструктивна томоґрафія, вони зведені в табл. 12.3 [1].

 

Таблиця 12.3

Фізичні поля, які використовуються, або могли б знайти успішне використання в томоґрафічних системах різного призначення

Фізичне поле	Фізична величина	Перетворювачі	Область використання
Х-промені	Коефіцієнти ослаблення Х-променів	Джерела Х-променів; сцинтиляційні детектори	Медична діаґностика (МД), неруйнівний контроль (НРК), огляд поштових відправлень і багажу
Гамма-промені від помічених радіоактивною міткою речовин, що вводяться в організм з їжею або шляхом ін’єкції	Концентрація речовини з ізотопною міткою	Сцинтиляційні детектори	МД, ядерна медицина
Х- і гамма-випромінюван-ня, що пройшло комптонівське розсіювання	Електронна густина або розподіл атомного номера	Джерела Х-променів; сцинтиляційні детектори	МД, НРК, Х-променева кристалоґрафія
Важкі частинки: піни, альфа-частинки, протони і т. д.	Січення розсіювання/ поглинання	Лінійні прискорювачі, блоки детекторів	МД, НРК
Електронні (хвилеві пучки)	Розподіл потенціалу Шредінґера	Електронні пучки; плівки; фотопомножувач	Мікроскопія “слабких” зразків

 

Продовження таблиці 12.3

Ультразвук; сейсмічні і акустичні хвилі	Ослаблення; показник заломлення; зміна акустичного імпедансу	Будь-який електромеханічний перетворювач	МД, НРК, сейсмо­розвідка
Низькочастотні електричні струми	Розподіл електропровід-ності	Електроди	Візуалізація крово­носних судин, геолого­розвідка, НРК
Маґнітні поля	Розподіл ядерних спінів, потік крові	(Електро)маґніти; ви­со­ко­частотні котушки; рамкові, дипольні, рупорні та ін. антени	ЯМР, маґнітогідродина-міка
Високочастотні (ВЧ) і НВЧ-поля	Електронні спіни; роз­поділ ді­електрич­­ної проникності і провідності	Конденсатори; котушки; рамкові, дипольні, рупорні та ін. антени	ЯМР, картування роз­поділу ді­електричної про­ник­ності і про­від­ності (на ВЧ і НВЧ)
Просторово-ненкоґе­ре­нтне електромаґні­тне випромінювання від НВЧ до м’якого Х-ви-промінювання	Об’ємний розподіл температури; розподіл яскравості космічних джерел	Рупорні та ін. антени; радіо-, інфрачервоні, оптичні, ультра­фіолетові і Х-променеві телескопи	Картування роз­поділу температу­ри всередині тіла людини і інших об’єктів; синтез зо­бражень в астрономії

 

Розвиток комп'ютерної техніки не міг не відбитись на розвитку такого її практичного застосування, як комп'ютерна томоґрафія. При цьому із появою нових поколінь процесорів, зростанням швидкодії, об'ємів пам'яті комп'ютерів, з'являються нові покоління промислових томоґрафів, що реалізують ефективні алґоритми реконструкції і розширюють область застосувань томоґрафії на нові клінічні використання. Це дозволяє діаґностувати все ширше коло патологій, проводити масові обстеження для їх ранньої діаґностики [2].

Розширення сфери використання комп’ютерної томоґрафії на нові області медичної діаґностики неможливе без нових технічних рішень, спрямованих на подолання недоліків існуючих томоґрафічних систем. Розглянемо докладніше основні з цих недоліків та способи їх подолання.

Сучасні медичні томоґрафи випускаються багатьма фірмами світу, найвідоміші з яких: Siemens (Німеччина), Picker, General Electric (США), Elscint (Ізраїль), Philips (Нідерланди), Toshiba, Sanyo, Shimadzu, Hitachi (Японія). Як правило, усі вони мають універсальне призначення (для діаґностики всього тіла). Технічні характеристики у всіх таких томоґрафів є приблизно аналогічними: зменшення часу сканування досягається за рахунок збільшення потужності випромінювання, що значно збільшує дозу опромінення пацієнта при проведенні діаґностичної процедури.

Основні технічні рішення, що використовуються в універсальних томоґрафах, спрямовані на розширення сфери медичних застосувань такого томоґрафа, включення додаткових сервісних функцій, можливостей архівування та документування отриманих діаґностичних зображень тощо. Все це приводить до значної вартості універсального томоґрафа (близько 1 млн. доларів США), тому використання таких універсальних томоґрафів є економічно вигідним лише у великих клініках. Враховуючи високу завантаженість, велику кількість пацієнтів, використання таких томоґрафів для масової діаґностики, наприклад, для діаґностування стану опорно-рухового апарату на початкових стадіях патології чи травмі, є проблемним, оскільки такий випадок досить специфічним (локальним).

В універсальній томографії проблему локалізації частково вирішують „локалізуючою” обробкою проекційних даних (наприклад, за алгоритмами 3D-rendering, див табл. 11.1). Проте вирішити її можна, розділивши томоґрафи за клініками шляхом побудови спеціалізованих, локальних томоґрафів, призначених для діагностування окремого органу, чи навіть окремої патології. Вузька спеціалізація такого томоґрафа, значне врахування апріорної інформації про характеристики досліджуваного біооб’єкта уможливить, підібравши оптимальні по відношенню до нього варіанти алґоритму, функції та параметри реґуляризацiї тощо, отримати якісні зображення при мінімальних дозах опромінення.

На прикладі томоґрафії голови, де використовуються спеціалізовані томоґрафи, точність реконструкції в таких томоґрафах в 2–2, 5 рази вища, ніж в томоґрафах універсальних, призначених для томоґрафії всього тіла [3]. Крім того, що спеціалізовані локальні томоґрафи забезпечують вищу точність, вони мають ще ряд інших переваг над універсальними томоґрафами всього тіла, основні з яких зведені у табл. 12.4.

З точки зору потреби зниження інвазивності при проведенні діагностування, яка відбиває основний принцип медицини " не нашкодь", основною перевагою спеціалізованих локальних томоґрафів є нижча доза опромінення пацієнта. Отже, основною задачею при проектуванні локальних томоґрафів, розробці методів та алґоритмів реконструкції слід приділити питанню зниження інтенсивності енергії Х-випромінювання, що використовується при отриманні проекційних даних.

Важливою проблемою в Х-променевій томоґрафії поряд із зменшенням дози опромінення залишається енерґетична: значна електрична споживана потужність томоґрафа та відповідно проблема відведення великої кількості тепла від анода. Разом із потребою переміщувати масивне джерело випромінювання при скануванні проблема тепловідведення від цього джерела приводить до того, що час служби джерела Х-променів становить кілька місяців, тобто основний внесок у вартість експлуатації робить заміна джерела випромінювання.

Таблиця 12.4