Компьютерные технологии в медицине мрт

На сегодняшний день медицина во всём мире развивается стремительно, и хоть применяемые технологии, увы, удовлетворяют далеко не все потребности людей, но, тем не менее, демонстрируют довольно высокие темпы роста.

Появление новых диагностических методик обусловлено появлением новой же высококачественной медицинской техники. С этим связана и тенденция перехода к неинвазивным методикам исследования (тем, которые нe «вторгаются» в тело каким-либо прямым способом). В этой статье хочется рассказать о некоторых методиках исследования человеческого организма, а также и о машинах, позволяющих реализовывать эти методики на практике. Собственно, речь пойдёт о томографии (от греч. tomos — «рассечение»), а точнее — о магнитно-резонансной томографии (МРТ), о компьютерной томографии (КТ) и о позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Наиболее распространёнными на сегодняшний день методами визуализации являются КТ и МРТ. КТ и МРТ — это медицинские технологии получения изображений, которые применяются для диагностики и изучения различных заболеваний. Эти технологии весьма дороги, т.к. требуют больших затрат не только на закупку, но и на обслуживание оборудования.

Магнитно-резонансная томография

Технология МРТ появилась не так давно (в начале 80х годов XX века), спустя некоторое время после появления компьютерной томографии, однако первой предпосылкой к этому изобретению можно назвать открытие явления электронного парамагнитного резонанса, которое в 1944 г. наблюдал Евгений Завойский. Суть этого явления заключается в том, что электроны в атомах некоторых элементов под воздействием магнитного поля способны поглощать энергию в определённом радиочастотном диапазоне с последующим её излучением. В 1947 же году Феликсом Блохом и Ричардом Пурселлом было открыто явление ядерного магнитного резонанса.

Уже вначале 1960-х годов был разработан метод исследования внутренних органов, названный томографией. Несмотря на то, что это был прорыв в медицине, времени на исследование уходило много — изначально на сканирование объекта уходило около 9 дней, и примерно столько же — на обработку полученных изображений.

Первый томограф (EMI Mark I) был выпущен в 1972 году компанией EMI. Несмотря на свою высокую стоимость, технология становилась всё более популярной среди медиков всего мира. Начиная с 90-х годов МРТ способствовало значительному прогрессу в изучении нейробиологических основ мышления.

В основе технологии МРТ лежит явление ядерного магнитного резонанса: метод основывается на измерении электромагнитного отклика ядер водорода на их возбуждение с помощью электромагнитных волн определённой частоты в постоянном магнитном поле. Технология магнитно-резонансной томографии позволяет определить химический состав, а следовательно, и природу тканей изучаемого объекта. С помощью МРТ можно увидеть мягкие ткани, такие как мышцы, нервы, мозг и т.д. Однако, МРТ не позволяет изучать костные ткани.

МРТ порой называют сканером, и иногда путают с КТ. Но, в отличие от других методов визуализации, о которых пойдёт речь в этой статье, аппарат МРТ является неизлучающим. Немного об аппаратах. Всего существует два типа магнитно-резонансных томографов: открытые

и закрытые.

Первым появился закрытый магнитно-резонансный томограф, вслед за ним — открытый. Закрытый томограф на сегодняшний день является наиболее популярным, открытый же поначалу и вовсе служил в основном для ветеринарных нужд. Однако технология открытого МР томографа постепенно улучшалась, и у неё появились существенные преимущества, например, магнитно-резонансную томографию стало возможным применять и для людей, для которых ранее она не была доступна (например, для полных людей, габариты которых превышали диаметр входного кольца закрытого МР томографа, или же для людей, страдающих клаустрофобией). Тем не менее, несмотря на подобные плюсы, МРТ открытого типа остаётся менее распространённым, т.к. его потенциал магнитного поля, значительно ниже, нежели у закрытого томографа (мощность магнитного поля закрытого томографа составляет около 3Тл, в то время как у открытого томографа максимальная зарегистрированная мощность достигла 1,5Тл).

Что представляет собой процедура проведения МРТ? В среднем такая процедура длится от 10 до 30 минут, полное же исследование тела занимает около часа. Обязательное требование для подобной процедуры — неподвижность пациента. Впрочем, если пациент не боится замкнутого пространства, то во время процедуры вполне можно спать. Все металлические предметы, да и всё, что может реагировать на магнитное поле, должно оставаться за дверьми кабинета.

Несмотря на солидный опыт практики в области магнитно-резонансной томографии, этот метод визуализации продолжает развиваться, а специалисты возлагают серьёзные надежды на возможность появления более компактных и дешёвых аппаратов, стоимость которых на сегодняшний день исчисляется в миллионах евро.

Компьютерная томография

КТ — это также метод послойного исследования внутренней структуры изучаемого объекта. Изначально компьютерная томография была известна как компьютерная осевая томография (CAT, или CT scan), и годом «рождения» КТ считается 1972 год — именно в этом году было объявлено об изобретении, а также получена первая качественная томограмма головного мозга человека. Однако история КТ началась несколько раньше: первые математические алгоритмы для КТ разработал австрийский математик И. Радон в 1917 г. (он доказал зависимость поглощения ренгеновского излучения от плотности вещества). Уже в 1956-58 гг. советскими учёными Тютиным, Коренблюмом и Тетельбаумом была разработана первая система реконструкции рентгеновских изображений. Сам же метод компьютерной томографии был предложен В. Ольдендорфом в 1961 г. А в 1963 г. Математиком А. Кормаком была решена задача реконструкции изображений. Самый первый компьютерный томограф был разработан в 1962 г. (Г. Хаунсфилдом), и испытан в 1972 г. В 1979 г. Хаунсфилд и Кормак получили Нобелевскую премию (по физиологии и медицине).

Физической основой данного метода является экспоненциальный закон ослабленния излучения. Принцип работы КТ весьма похож на метод рентгенографии, и основан на использовании рентгеновских лучей, что и является основным отличием от метода МРТ. Рентгеновское излучение, проходящее через тело человека, поглощается различными тканями в разной степени. Так, плотные структуры в теле человека блокируют прохождение рентгеновских лучей. Лучи, прошедшие через исследуемый объект, попадают на ряды детекторов (расположенных на т.н. кольце гентри — кольцевой части аппарата, содержащей сканирующее оборудование), а затем обрабатываются на компьютере.

В отличие от обычной рентгенографии, позволяющей получить один снимок, на котором можно видеть все органы, «накладывающиеся» друг на друга, современные технологии позволяют получать как чёткие изображения различных проекций анатомических плоскостей («срезов» тела), так и трёхмерные изображения объекта. Ко всему прочему, чувствительность компьютерных томографов намного выше, нежели чувствительность обычного рентгеновского аппарата.

Существуют различные виды КТ. Спиральная компьютерная томография используется с 1988 года. Суть метода заключается в том, что во время сканирования происходит одновременно два действия: непрерывное вращение источника излучения (т.е. рентгеновской трубки) вокруг тела пациента и непрерывного поступательного движения стола с пациентом вдоль продольной оси сканирования. Именно отсюда и происходит название метода: траектория движения рентгеновской трубки относительно направления движения стола с телом пациента имеет форму спирали. Скорость движения стола с объектом исследования может принимать различные значения, которые определяются целью исследования. Технология спиральной КТ позволяет сократить время на исследование, а также уменьшить лучевую нагрузку на пациента.

Многослойная компьютерная томография (МСКТ) появилась позже спиральной компьютерной томографии, и впервые была предствлена в 1992 г. МСК-томографы принципиально отличаются от предыдущих поколений аппаратов тем, что по кольцу гентри располагаются не один, а несколько рядов детекторов. Первыми были представлены двухсрезовые и четырёхсрезовые томографы (с двумя и четырьмя рядами детекторов соответственно). Также в подобных томографах было увеличено количество оборотов рентгеновской трубки в секунду. На сегодняшний день существуют уже 320-срезовые компьютерные томографы.

Каковы же основные преимущества МСКТ перед томографами предыдущих поколений? Это увеличение скорости сканирования, улучшение контрастного и пространственного разрешения, большая зона анатомического покрытия, увеличение соотношения сигнал/шум. Основным же недостатком МСКТ является высокая лучевая нагрузка на пациента, впрочем, и этот вопрос находится в процессе решения: за время существования компьютерной томографии её удалось существенно сократить.

Ещё один вид КТ — это КТ с двумя источниками излучения. Впервые такой томограф появился в 2005 году, и в какой-то степени является продолжением технологии МСКТ. Его появление было обусловлено тем, что для исследования определённых органов, находящихся в постоянном движении, требуется метод с очень коротким периодом сканирования. Аппараты КТ с двумя источниками излучения имеют две рентгеновские трубки и два блока детекторов. Рентгеновская трубка и многорядные детекторы закреплены на внутренней поверхности кольца гентри под углом 90 градусов друг к другу. Основной задачей такого томографа является сократить время исследования, и критическим параметром является время оборота рентгеновской трубки вокруг пациента. Минимальное время, которое требуется для получения чёткого среза для обычного МСКТ при времени обращения трубки, равном 33 мс (своеобразный рекорд — такого результата смогли добиться учёные, пытавшиеся уменьшить время одного оборота рентгеновской трубки), равен 173 мс. Появление томографа с двумя источниками излучения позволило получить временное разрешение, равное 83 мс при обороте за 33 мс.

Контрастное усиление применяется при необходимости лучшей дифферинцировки органов друг от друга, с помощью контрастных йодосодержащих препаратов, которые могут вводиться в организм орально и внутривенно.

В каких случаях применяется КТ? Наиболее рентабельно использовать КТ для исследования гематом, травм и заболеваний мозга и костей, нарушений кровообращения, поражения сосудов, патологических процессов органов грудной клетки и брюшной полости.

Стоит так жесказать, что исследование на КТ не противопоказано проводить для пациентов с нарушением жизненных функций, а так же пациентам, страдающим клаустрофобией, что, несомненно, является преимущество перед МРТ, которая в таких случаях противопоказана.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Позитронно-эмиссионная томография (или двухфотонная эмиссионная томография) — это томографический метод исследования внутренних органов, который основан на способности тканей накапливать радиоактивный изотоп.

Понятие позитронно-эмиссионной томографии возникло в 70-х годах 20-го века как логическое продолжение компьютерной томографии. Первые модели таких томографов были созданы уже в начале 70-х годов, однако аппараты, позволявшие получать качественные изображения, появились только в начале 80-х.

Изначально ПЭТ предполагалось использовать в области кардиологии, однако на сегодняшний день ПЭТ используют, в основном, для диагностики и исследования онкологических заболеваний.

Как уже упоминалось выше, ПЭТ — это радионуклидный метод исследования. В его основе лежит явление аннигиляции (явление превращения частиц и античастиц при их столкновении в какие-либо иные частицы) позитронов. При аннигиляции возникает пара гамма-квантов, которую возможно зарегистрировать с помощью ПЭТ-сканера. Позитроны же образуются в результате распада радионуклида, который входит в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм пациента перед исследованием внутривенно, или же вдыхается в виде газа.

ПЭТ позволяет изучать различные процессы, происходящие в организме (метаболизм, транспорт веществ и т.д.) именно с помощью подходящего для конкретного исследования радиофармпрепарата. Неудивительно, что ключевым направление в развитии позитронно-эмиссионной томографии является разработка новых таких препаратов.

В настоящее время при ПЭТ-исследовании в основном применяются такие изотопы как углерод-11, азот-13, кислород-15, фтор-18. В применяемых радиофармпрепаратах в большинстве своём используются радиоизотопы, которые имеют очень маленький период полураспада, исчисляемый минутами. Пожалуй, из всех вышеперечисленных на сегодняшний день самым распространённым является фтор-18, имеющий наибольший период полураспада и наименьшую энергию излучения, что позволяет получать изображения высокой контрастности при наиболее низкой дозовой нагрузке на организм пациента.

Главным преимуществом ПЭТ перед остальными томографическими методами исследования является возможность наблюдать и анализировать не только изображения внутренних органов, но также их функцию и метаболизм, что порой позволяет выявить болезнь на ранних этапах.

Само сканирование тела занимает в основном 30-45 минут (время на подготовку — распределение радиофармпрепарата в организме — от 30 до 90 минут), доза радиации, получаемая пациентом во время исследования довольно мала (она даже меньше дозы, получаемой при проведении компьютерной томографии).

В каких случаях применяется ПЭТ? Позитронно-эмиссионная томография очень эффективна при исследованиях многих патологических процессов в организме, например, в грудной железе, печени, лёгких, щитовидной железе, головном мозге, прямой кишке, а так же при исследовании сердечных патологий.

Основным минусом этого исследования является стоимость оборудования, а так же расходных материалов (радиофармпрепаратов). На сегодняшний день цена одного томографа исчисляется в миллионах евро, не говоря уже о стоимости оборудования для изготовления препаратов.

Итак, что же можно сказать о томографических методах исследования человеческого тела?

Безусловно, КТ, МРТ и ПЭТ имеют важное значение в области диагностики различных заболеваний, и, несмотря на определённый опыт использования медицинских томографов, верится, что эта область диагностики ещё не исчерпала свой потенциал, и всё ещё продолжает развиваться.

Эффективность медицинской помощи больным напрямую зависит от того, насколько своевременно и правильно был поставлен диагноз, что порой возможно сделать только с помощью использования томографов. И, хочется верить, что в скором будущем развитие науки позволит сделать эти аппараты более доступными и более эффективными.

Absinthium