Что такое плотность по мрт
25.06.2018
Даны рекомендации по выбору окна визуализации,измерению плотностей, расстояний и других способах количественной оценки, вытекающих из цифровой природы КТ-изображений
Часть 1.
Введение
В последние годы происходит широкая популяризация высоких технологий в медицине и лучевой диагностике в частности. Применительно к КТ – это функциональные методы исследований, виртуальная реальность, двухэнергитическая КТ, использование
плоскопанельных детекторов, гибридные технологии. Значительная масса публикаций посвящена именно этим темам. Вместе с тем, есть ряд причин, которые требуют уделять внимание и базовым вопросам КТ-техники и интерпретации изображений [1, 3, 5], а именно:
— хорошими специалистами не становятся сразу. Ежегодно в наши отделения, на кафедры приходят врачи-стажеры, для которых виртуальная эндоскопия хоть и весьма интересна (особенно зрелищна!), но не характеризует рутинную работу отделения лучевой диагностики;
— даже специалисты с многолетним стажем работы порой, усвоив на начальных этапах профессиональной деятельности ошибочные установки, пользуются ими в последующие годы;
— третья причина сформулирована в народной пословице: «повторение – мать учения».
Авторы данной статьи предлагают на мгновение отвлечься от высоких технологий и просто посмотреть не двухмерные КТ-изображения. Данная публикация основана на личном многолетнем опыте работы в кабинетах
КТ и преподавания на кафедре лучевой диагностики Белорусской медицинской академии последипломного образования.
КТ-изображения по своей природе являются цифровыми, т. е. созданными компьютером и отображенными на экране компьютера. Благодаря этому они могут быть подвергнуты разнообразным цифровым манипуляциям, таким как:
— регулировка яркости и контрастности;
— измерение плотностей, расстояний,углов, площади, объема;
— цифровое увеличение;
— вращение, отражение по вертикали и горизонтали;
— добавление указателей (стрелок),подписей;
— цветовое картирование, инвертирование (негатив-позитив);
— вырезание участков изображений (сегментация);
— двухмерная и трехмерная реконструкция;
— отправка изображений по сети, запись на цифровые носители информации.
В данной статье рассмотрим основные операции, связанные с просмотром и количественной оценкой двухмерных КТ-изображений.
Окно визуализации
Средством регулировки компьютерно-томографических и других видов цифровых диагностических изображений по яркости и контрастности является так называемое окно визуализации, позволяющее оптимально отобразить на мониторе просмотровой станции часть всего диапазона структур в томографическом срезе в зависимости от их плотности (КТ числа).
Шкала КТ-плотностей (шкала Хаунсфилда) включает 4096 значений –от -1024 до +3071 единиц Хаунсфилда (HU).
Экран монитора может отображать максимум 256 оттенков серого.
Если бы монитор отображал весь диапазон шкалы Хаунсфилда, то на одну градацию серого цвета пришлось бы 4096/256 = 16 HU. Это означает, что невозможно было бы отличить по яркости ткани, разность плотностей которых менее 16 HU (например, серое и белое вещество головного мозга). С помощью окна визуализации осуществляется регулировка яркости и контрастности КТ-изображений таким образом, чтобы на экране монитора в шкале серого цвета были видны только ткани требуемого диапазона плотностей – определенного участка шкалы Хаунсфилда.
Ткани с меньшей плотностью будут перекрыты черным цветом, ткани с большей плотностью – белым.
Окно визуализации характеризуется параметрами ширины и центра. Ширина окна (англ. window width, W) – это величина разности наибольшего и наименьшего значений КТ чисел, отображаемых на экране монитора в шкале серого цвета. Центр, или уровень, окна (англ. window level, L) – это значение КТ числа, расположенного по середине между наибольшим и наименьшим значениями отображаемого диапазона КТ чисел. Центр окна должен быть как можно ближе к значению плотности тканей, которые требуется отобразить наилучшим образом.
Так, если плотность интересующих тканей попадает в интервал от -100 до +200 HU (диапазон плотностей большинства мягкотканных структур), то ширина окна составит 300 HU, центр окна +50 HU. Пикселям с плотностью -100 HU и меньше в этом случае будет присвоена наименьшая яркость (черный цвет), пикселям с плотностью +200 HU и больше – наибольшая яркость (белый цвет). Ткани с КТ числами в диапазоне от -100 до +200 будут отображены в шкале серого цвета, на одну градацию серого цвета придется 300/256 = 1,2 HU (рис. 1).
Такое окно, служащее для визуализации нормальных и патологических изменений в мягких тканях, принято называть мягкотканным (рис. 2а). Окно, в котором наилучшим образом визуализируется легочная ткань, называют легочным (рис. 2б).
Наконец окно, в котором наилучшим образом визуализируется плотные структуры (кости, кальцинаты), называют костным (рис. 2в).
Большинство программ просмотра КТ-изображений имеют предустановленные (рекомендованные производителем) параметры окон визуализации. Примерные значения параметров окна при наиболее частых видах КТ-исследований представлены в табл. 1 [7].
На практике обычно используют плавную регулировку параметров ширины и центра окна в зависимости от конкретной цели исследования, особенностей монитора и привычек индивидуального специалиста. Правилом должен оставаться просмотр всех КТ-изображений как минимум в двух окнах – мягкотканном и костном, а при исследованиях органов грудной полости – еще и в легочном.
При КТ грудной полости ранее использовали совмещение легочного и мягкотканного окон на одном изображении – так называемое двойное окно.
При этом на границах перепада плотностей появлялись темные обводки (рис. 3).
На современных сканерах возможность двойного окна визуализации, как правило, не предусмотрена.
Сужение (уменьшение ширины) окна делает КТ-изображение более контрастным, поскольку в этом случае на одну градацию серого цвета приходится меньше КТ чисел.
Такая визуализация особенно полезна при исследованиях паренхиматозных органов (например, печени), помогая лучше видеть низкоконтрастные образования (рис. 4)
Измерение плотностей
Количественная оценка плотностей (денситометрия) является одним из важнейших преимуществ КТ перед другими методами лучевой диагностики, такими как рентгенография, ультразвуковое исследование и МРТ.
Образования, КТ-плотность которых равна плотности окружающих тканей, называют изоденсивными (например, некоторые опухоли), плотность которых выше плотности окружающих тканей – гиперденсивными (кальцинат в легком), при плотности ниже плотности окружающих тканей – гиподенсивными (киста в почке).
Для измерения КТ-плотностей используют инструмент ROI (англ. region of interest, зона интереса), который может иметь форму круга, овала, прямоугольника или быть неправильной формы.
В зависимости от настроек программы при измерении плотностей могут отображаться (рис. 5):
— среднее значение плотностей всех вокселей, включенных в зону интереса (англ. mean);
— стандартное отклонение значений плотностей вокселей в зоне интереса (англ. standard deviation, SD);
— минимальное и максимальное значения плотностей вокселей в зоне интереса;
— площадь зоны интереса (англ. area).Наибольшее значение в диагностике имеет среднее значение плотности, но следует обращать внимание и на стандартное отклонение, характеризующее степень разброса (неоднородность) плотностей. Значение SD обычно указывается второй цифрой через знак «±» или «/» после среднего значения плотности.
Слишком большое стандартное отклонение может говорить о неоднородности структуры объекта, неправильном размещении ROI либо недостаточном качестве КТ-изображений.В этих случаях к интерпретации среднего значения плотности необходимо относиться с осторожностью. Ориентиром величины SD при измерении плотности однородных объектов может служить значение не более 10-15 HU [2, 4].
Для повышения достоверности измерений плотностей необходимо учитывать следующие обстоятельства:
— размер ROI должен быть достаточно большим, чтобы снизить вклад в измерение «выскакивающих» – слишком высоких или слишком низких
– значений плотности отдельных вокселей (ROI 1 на рис. 5);
— ROI следует размещать в наиболее однородном участке, не включая соседние органы или неоднородности в структуре органа, например, сосуды в паренхиме печени, участки некроза в опухоли (ROI 2 на рис. 5);
— не следует размещать ROI в зоне артефактов, например под ребром (ROI 3 на рис. 5) или вблизи сердца (рис. 6);
— достоверность измерения плотности снижается при уменьшении размера очага и увеличении толщины среза, поскольку в этих случаях возрастает эффект усреднения (рис. 7).
Еще одним способом анализа КТ-плотностей является использование гистограмм, применяемых главным образом для научного анализа информации (рис. 8).
Для избежания диагностических ошибок значения плотности необходимо интерпретировать в сочетании с другими КТ-симптомами. Примером ситуаций, в которых не стоит опираться исключительно на денситометрию, являются изоденсивные патологические образования:
— плотность узла фокальной узловой гиперплазии может практически не отличаться от плотности паренхимы печени, для его выявлении следует обращать внимание на симптомы смещения сосудов и выбухание капсулы;
— большинство фибромиом матки неотличаются по плотности от миометрия, следует обращать внимание на выбухание контура органа. Мелкие фибромиомы не будут выявлены при КТ, но замечательно визуализируются при МРТ;
— некоторые метастазы в печени могут быть пропущены при обычном КТ-исследовании, но выявляться после внутривенного введения йодсодержащего контрастного вещества;
— посттравматическая оболочечная гематома и зона ишемического инсульта в головном мозге проходят в своем развитии изоденсивную стадию, но могут быть выявлены по симптомам смещения структур мозга и сужению борозд.
Еще одним примером, показывающим относительную ценность КТ-денситометрии, является аденома надпочечника, плотность которой соответствует жидкости. Такая нетипично низкая для мягкотканной опухоли плотность обусловлена наличием липидов. Незнание этой особенности может привести к неверному заключению «киста надпочечника».
Все эти примеры характеризуют недостаточную контрастную разрешающую способность КТ-визуализации. По данному параметру
МРТ во многих случаях имеет преимущество перед КТ.
Наконец, не следует забывать о зависимости КТ-чисел от напряжения в рентгеновской трубке. При сканировании пациента на разных томографах или том же аппарате с различными значениями киловольт плотность одного и того же образования может отличаться (больше киловольты – ниже плотность).
Измерение расстояний
Размер нормальных и патологических структур является вторым важнейшим количественным параметром, наряду с плотностью, включаемым в описание практически любого КТ-исследования.
На корректность измерения на КТ-изображениях расстояний влияют:
— подготовка пациента к исследованию (например, толщина стенок желудка зависит от степени его наполнения и содержимого – оптимально вода или йодсодержащее контрастное вещество; при заполнении пищей дифференциация стенок может ухудшаться);
— методика сканирования: качество задержки дыхания, толщина среза, использование внутривенного контрастного усиления.
Так, визуализация и, соответственно, измерение некоторых опухолей оптимальны лишь в определенную фазу контрастного усиления: метастазы инсулиномы в печени лучше видны в артериальной фазе контрастного усиления (рис. 9), а метастазы рака ободочной кишки – в портовенозной. Выполнение следующих простых рекомендаций обеспечит однотипность и воспроизводимость измерений расстояний:
— для надежной визуализации (безусреднения) и достоверного измерения толщина среза должна быть в два раза меньше размера измеряемой структуры [6].
Т. е. при толщине среза 5 мм достоверными будут измерения очагов, размер которых составляет 10 мм и более.
Очаги размером менее½ толщины среза на КТ-изображениях могут вообще не визуализироваться вследствие эффекта усреднения (рис. 10);
— необходимо использовать окно визуализации, в котором измеряемая структура видна наилучшим образом (например, измерять очаг в легком в легочном окне). При повторных измерениях использовать то же окно визуализации, поскольку в другом окне размер очага может отличаться (рис. 11);
— для образований округлой формы достаточно указать один размер, при неправильной форме обычно указывают два максимальных взаимно перпендикулярных размера в аксиальной плоскости [8] (рис. 12);
— для образований, имеющих максимальный размер не в аксиальной плоскости, целесообразно указать третий наибольший размер. Необходимо стремиться к тому, чтобы все три размера находились во взаимно перпендикулярных плоскостях
Наиболее высоки требования к точности измерений в онкологии. Продолжение, прекращение или изменение схемы лечения часто напрямую зависит от динамики размеров злокачественной опухоли после проведенного курса лечения.
Некорректное измерение может стать причиной неправильной тактики и, как следствие, иметь негативные последствия для здоровья пациента и экономики здравоохранения (например, ошибочный отказ в дальнейшем лечении или, напротив, продолжение неэффективной схемы химиотерапии).
Поэтому международными организациями выработаны рекомендации по измерению и оценке эффективности лечения злокачественных опухолей – так называемые критерии RECIST (response evaluation criteria in solid tumours, критерии оценки регрессии солидных опухолей) [6].
Помимо стандартизации измерений (см. рекомендации выше) важными моментами критериев RECIST являются:
— рекомендация в целях оценки эффективности лечения измерять лишь один максимальный размер опухоли до и после лечения;
— четкая категоризация эффективности лечения злокачественных опухолей в зависимости от степени их уменьшения (табл. 2).
Так, о прогрессировании опухолевого процесса можно говорить лишь при увеличении максимального размера опухоли более чем на 20 % (т. е. при увеличении с 50 до 59 мм следует говорить о стабилизации, а не прогрессировании).
Это имеет важное практическое значение, поскольку даже при полной стандартизации измерений два врача при измерении одного и того же образования неправильной формы могут получить несколько отличающиеся размеры. По этой причине рекомендуется самостоятельно измерять опухоль при текущем и более ранних КТ-исследованиях, а не опираться на измерения опухоли при предыдущих исследованиях, выполненные другим врачом. Такой алгоритм работы подразумевает наличие предыдущих КТ-исследований в цифровом формате.
Измерение углов, площади и объема
Измерение углов, площади и объема находит применение в особых случаях, нередко связанных с необходимостью научного анализа информации. Примерами клинических ситуаций, требующих указанных измерений, являются:
— измерение угла сколиоза или кифоза позвоночника (для этого необходимо построение реконструкций в коронарной или сагиттальной плоскостях соответственно);
— измерение площади гематомы при внутримозговом кровоизлиянии для принятия решения о необходимости нейрохирургического вмешательства;
— измерение объема метастазов в печени как один из критериев принятия решения о выполнимости хирургической резекции.
Измерение объема (вольюметрия) может выполняться в ручном или автоматическом режиме.
Первый способ подразумевает следующую последовательность действий:
— обведение контура образования на каждом КТ-срезе;
— программа рассчитывает площадь обведенного участка на каждом срезе;
— умножаем площадь образования на каждом срезе на толщину среза;
— суммируем полученные значения.
До проведения подобных расчетов необходимо убедиться, что срезы прилежат друг к другу без взаимного наложения или пропусков между ними. Недостатком такого способа является его трудоемкость.
Для автоматического расчета объема необходима специальная программа, которая выделяет ткани в указанном диапазоне плотностей. Необходимым условием работы программы автоматической вольюметрии является отличие плотности образования от плотности окружающих тканей или наличие достаточно четкой границы между ними.
Данный способ позволяет измерить объем быстрее, чем вручную, но может быть использован не во всех случаях и быть менее точным, например, если структура опухоли неоднородна, т. е. не попадает в узкий диапазон плотностей.
Увеличение изображений
Для увеличения изображения или его участка можно использовать два способа: цифровое увеличение или реконструкцию из сырых данных с меньшим полем реконструкции. Оба способа служат для улучшения рассмотрения деталей изображения, но решают они эту задачу по разному.
Для понимания сути вопроса уместно заметить, что пространственная разрешающая способность КТ изображений определяется размером пикселя.
Пиксель – это наименьший цифровой элемент КТ-изображения, видеть детали менее размера пикселя невозможно.
Чтобы узнать размер пикселя, необходимо размер поля реконструкции разделить на размер матрицы реконструкции, которая в современных томографах составляет 512×512.
Например, если при КТ грудной полости исходное поле реконструкции 40×40 см, то размер пикселя составит 400 мм/512 = 0,8×0,8 мм.
Если сделать прицельную реконструкцию участка этого изображения с уменьшенным полем реконструкции 4×4 см, размер пикселя составит 40 мм/512 = 0,08×0,08 мм, чем достигается улучшение пространственного разрешения в 10 раз по сравнению с исходным изображением
В противоположность такому подходу при цифровом увеличении (зуммировании) изображение растягивается аналогично рассмотрению деталей под лупой. Размер пикселя и, следовательно, пространственная разрешающая способность, при этом не меняются. В результате на изображении может появиться пикселизация, т. е. становятся видны растянутые квадратики-пиксели.
Заключение
Мы живем в эпоху перехода на цифровые технологии практически во всех областях повседневной реальности и науки. В данной статье рассмотрены основные принципы визуализации и количественной оценки КТ-изображений, вытекающие из их цифровой природы. Большинство из указанных возможностей применимы и к другим видам медицинских диагностических изображений – цифровым рентгенограммам, УЗИ, МРТ, ядерной медицины. Гораздо более сложным и наглядным способом представления КТ-данных является их двухмерная и трехмерная реконструкция, что станет темой следующей публикации.
Хоружик С.А. Республиканский научно-практический центр онкологии и медицинской радиологии им. Н,Н. Алексанрова
Михайлов. А.Н. Белорусская медицинская академия последипломного образования (БелМАПО),кафедра лучевой диагностики
Список литературы
1. Прокоп М., Галански М. Спиральная и многослойная компьютерная томография: Учебное пособие: пер. с англ.; под ред. А.В. Зубарева, Ш.Ш. Шотемора. М.: МЕДпресс-информ, 2007. 712 с.
2. Тарутин И. Г., Хоружик С. А., Чиж Г.В. Протокол контроля качества работы рентгеновских компьютерных
томографов // Контроль качества лучевой терапии и лучевой диагностике: сб. норматив. док. / сост. Н.А. Артемова [и др.]. Мн., 2009. С. 92-119.
3. Труфанов Г., Рудь С. Рентгеновская компьютерная томография. Руководство для врачей: Фолиант, 2008. 1202 с.
4. Хоружик С. А., Михайлов А. Н. Доза облучения при компьютерно-томографических исследованиях: дозиметрические параметры, измерение, способы снижения, радиационный риск //Вестник рентгенологии и радиологии. 2007. No 6. С. 53-62.
5. Хофер М. Компьютерная томография. Базовое руководство. 2е изд., перераб. и доп.: М.: Мед.лит., 2008. 224 с.
6. Eisenhauer E. A., Therasse P., BogaertsJ. New response evaluation criteria in solid tumours: Revised RECIST guideline (version 1.1) // European J of Cancer. 2009. Vol. 45. P. 228-247.
7. European Guidelines on QualityCriteria for Computed Tomography, Report EUR 16262. – Luxembourg: Office for official publications of EC, 1999.
8. Miller A. B., Hoogstraten B., StaquetM., Winkler A. Reporting results of cancer treatment // Cancer. 1981. Vol. 47. N 1. P. 207-214