POČÍTAČOVÁ TOMOGRAFIE Tomáš Bartl BMI 12/2005 Def

Co je to "CéTéčko" Je to nebolestivá vyšetřovací metoda, pomocí které může lékař prohlédnout vnitřní orgány celého Vašeho těla. Poskytuje odborníkovi důležité informace například o Vašem mozku, páteři, kloubech a důležitých hrudních a břišních orgánech. Jak CT pracuje Počítačová tomografie kombinuje klasické rentgenové vyšetření s počítačovým systémem, který informace zpracovává. Snímek se tedy jednoduše neexponuje na rentgenový film (jako u obyčejného RTG vyšetření), ale je matematicky spočítán a zobrazen do nejmenších detailů. Představte si, že je Vaše tělo "rozřezáno" na tenké plátky, takže lékař vidí každý kousek Vašich tkání.

Úvod do rentgenové diagnostiky Objevení paprsků X W.C.Roentgenem roku 1895 Paprsky X vznikají interakcí rychlých elektronů s hmotou a díky své krátké vlnové délce jsou schopny prozářit lidské tělo V závislosti na biochemickém složení orgánů dochází k různému tlumení záření Analýza tělem prozářených paprsků umožňuje rekonstrukci vnitřní morfologie pacientova těla

Úvod do rentgenové diagnostiky V průběhu 20. stol. bouřlivý vývoj – vedle úspěchů odhaleny nedostatky: interpretace standardního rentg. snímku vyžaduje zkušeného radiologa orgány jsou znázorněny sumárně (překrývání obrazů) → nelze zobrazit tomografický (anatomický 3D řez tělem) vedlejší účinky rentg. záření na pacienta

Úvod do problematiky Zavedením počítačů do lékařské diagnostiky v 60. letech vyřešen problém s překrýváním orgánů a obtížnou interpretací radiologického snímku A.M.Cormack a G.N.Hounsfield – rekonstrukce tomografického řezu reálným objektem (Nobelova cena udělena roku 1979)

Vznik rentgenového záření Zdrojem X-záření speciální vakuová elektronka (rentgenka) Dioda žhavená napětím 20-200kV Žhavená katoda emituje elektrony, které jsou přitahovány k anodě a urychlovány silným elektrickým polem na energii 20-200 keV Po kontaktu elektronů s hmotu anody – dochází k brždění elektronů a vyzáření části kinetické energie. Takto vzniklé záření obsahuje celé elektromagnetické spektrum – většinu tvoří infračervené záření (tepelná energie spotřebovaná k rožhavení anody) Menší podíl – rentgenovo záření emituje z anody do prostoru

Vznik rentgenového záření Spektrum emitovaného záření: Plynulost narušena ostrými špičkami – K-liniemi → spektrum tvoří dva rozdílné fyzikální procesy: Elektron je při dopadu na anodu bržděn následujícími příčinami: Ke ztrátě kinetické energie dojde: 1. posupným třením a elastickými nárazy na jednotlivé atomové dráhy 2. nárazem elektronu na jiný elektron anody

Vznik rentgenového záření Vysvětlení fyzikálních principů: ad1) dochází k plynulému brždění, vede k emisi záření se spojitým spektrem ad2) nárazem na elektron nacházející se např. na vnitřní atomové dráze K, jehož vazební energie < energie elektronu dopadajícího → dojde k vyražení tohoto K elektronu z jeho oběhové dráhy → nahrazen elektronem z L dráhy → vyzáření energetického kvanta při přechodu mezi dráhami Vzniká charakteristické záření (vlnová délka závisí na materiálu anody) → K-linie narušující hladký průběh emitovaného záření

Vznik rentgenového záření Rentgenka: Robustní konstrukce (vysoké napětí, stovky kV, tepelný ohřev) Většina kinetické energie se mění na teplo → silný ohřev anody → masivní konstrukce anody Rotace anody zabraňuje lokálnímu ohřevu jednoho místa Aktivní chlazení anody protékající chladicí kapalinou Anoda se nachází v trubici s vysokým vakuem → rotaci nelze zajistit mechanicky zvenčí → rotace je buzena elektromagneticky Elektrický obvod: řízení dvou parametrů 1.anodové napětí → maximální energie fotonů X-záření (keV) 2.anodový proud → intenzita X-záření

Filtry a clony u rentgenového záření Kolimační filtry a clony Vymezení úzkého svazku X-záření → ostrý obraz, vysoké prostorové rozlišení Primární clona (za rentgenkou) – hliníkový plech → pohlcuje nízkoenergetické fotony (začátek spektra X-záření) Sekundární clona (Buckyova-Potterova či Lysholmova) – rovnoběžbé absorpční lamely (olověné pásky) – propouští záření ve směru původního svazku

Interakce X-záření s hmotou Rentgenové záření, řekněme jeden rentgenový paprsek s intenzitou I0 je při průchodu hmotou následkem interakce fotonů s elektrony tlumen. → výstupní paprsek má intenzitu I < I0 Vnitřní orgány v závislosti na chemickém složení tlumí rozdílně Nejvíce kosti, méně v játrech, ledvinách a nejméně v tukových vrstvách a v plicích

Kontrastní látky. Substrakční radiografie. Rentgenové zobrazení měkkých tkání: malé rozdíly v absorpci X-záření → nízký kontrast zobrazení, nemožnost rozlišení některých struktur Zvyšování kontrastu aplikací vhodných kontrastních látek do zkoumaných míst (zažívací trakt, žlučové či močových cest, cév, …): Látky obsahující atomy těžkých kovů – baryum, jód Zvýšení absorpce X-záření odhalí případné defekty či anomálie

Princip počítačové tomografie Vyšetřovaná oblast se prozařuje X-zářením pod řadou různých úhlů (180° - 360°) Detekovaná intenzita se převádí na elektrický signál Metoda zpětné projekce → rekonstrukce absorpční mapy → tomografický obraz - množina obrazových bodů zvaných voxel Skutečná hodnota koeficientu tlumení v daném bodě je kódována stupněm šedi odpovídajícího voxelu.

Princip počítačové tomografie Podélným lineárním posunem pacienta můžeme vytvořit řadu příčných řezů Umístěním vedle sebe vzniká 3D tomografický obraz Oproti klasickému rtg. zobrazení vyšší citlivost a rozsah dynamiky obrazu daná elektronickým snímáním, filtrací a nastavitelností modulace obrazu (jas, kontrast) 1. tomografický řez lidským mozkem – 160 x 160 obrazových bodů, 9 dnů získávání dat a 2,5 hodiny k počítačové rekonstrukci. Moderní spirální tomografy – nesrovnatelně lepší kvalita, pouze několik milisekund

Vznik denzitního obrazu Vstupní svazek X-záření I0 (tok fotonů za 1s) Výstupní svazek , kde je lineární součinitel zeslabeni X-záření pronikajícího místem tkáně (i,j) a je velikost elementu tkáně počítač řeší soustavu lineárních rovnic Výsledný obraz denzity tkáně

Detektory X-záření pro CT Úkolem zachytit fotony X-záření procházející vyšetřovanou tkání a jejich přeměna na elektrický signál Scintilační detektory – nejčastější použití – obsahují scintilační krystaly NaI(Tl), CsI(Tl) Bi4Ge3O12 (vysoká detekční účinnost při malých rozměrech Ionizační komory plněné stlačeným plynným xenonem - ojedinělé použití)

Scintilační detektory Scintilační detektory jsou založeny na vlastnosti některých látek reagovat světelnými záblesky (scintilacemi) na pohlcení kvant ionizujícího záření světelné záblesky se pak elektronicky registrují pomocí fotonásobičů nebo fototranzistory Výhody: Vysoká detekční účinnost (citlivost) -vysokou detekční účinnost (citlivost), která se často blíží 100%. Krátká mrtvá doba - scintilace v krystalu cca10-9sec, zpracování ve fotonásobiči cca 10-8sec. Mrtvá doba scintilačního detektoru asi 1ms

Detektory X-záření pro CT

Mnohodetektorové, rotační a spirální CT 1.generace CT – 70. a 80. léta – systém jedné rentgenky a jednoho detektoru → jeden řez trval několik minut Začátkem 80. let vynalezeny rotační a spirální CTčka. – vysoká technická dokonalost Dalšího pokroku můžeme dosáhnout na poli zkracování dob vyšetření → moderní počítačové systémy

Rotační metoda Spočívá v nezávislém získávání jednotlivých obrazů příčných řezů těla a následné tomografické rekonstrukci v 3D obraz → diskrétní proces Základní typy uspořádání: Vějířovité Detektory v kruhové výseči, která se otáčí společně s rentgenkou Stovky detektorů. Kruhové Detektory po celém obvodu Tisíce detektorů

Spirální metoda Počátkem 90. let technický pokrok umožnil přejít na spojitý proces měření (bezkabelový přenos zdrojového napětí) Kombinací posuvu pacienta a rotačního pohybu rentgenky vznikl spirální pohyb

Snímky a 3D modely realizované pomocí CT

Použitá literatura Úvod do zobrazovacích metod v lékařské diagnostice, Zuna, Poušek, 2000 Tomografické zobrazovací systémy, Drastich, 2004 http://astronuklfyzika.cz/JadRadMetody.htm