Výpočetní tomografie (CT), CT angiografie (CTA)

1. Výpočetní tomografie (CT), CT angiografie (CTA) Mgr. Jaroslav Maceček, Ph.D. Ústav lékařské biofyziky, Lékařská fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, Hněvotínská 3, 775 15 Olomouc Klinická biofyzika, přednáška 5

2. Počítačová tomografie (CT) • 70. léta – použití rychlých a finančně dostupných počítačů v medicíně • A.M. Cormack a G.N. Hounsfield – rekonstrukce tomografického skenu reálného objektu (Nobelova cena v roce 1979). • Je to nebolestivá počítačová technika, která umožňuje rekonstrukci prostorových (3D) obrazů pomocí RTG záření. • CT skeny mohou rozlišit překrývající se struktury lidských tkání na příčném řezu lidského těla, což umožňuje lepší rozlišení a určení vnitřní struktury tkání a orgánů. • CT představuje přesnou zobrazovací metodu měkkých tkání, které by byly obtížně zobrazitelné nebo by nebyly zobrazitelné vůbec prostřednictvím prostého snímku. • Přispívá k možnostem lepšího naplánování chirurgického výkonu, k měření denzity lidských tkání a ke studiu a diagnostice celé řady onemocnění.

3. Úvod do problematiky CT skener má tvar velké koblihy s válcovitým otvorem (gantry) o průměru asi 70 cm. Vyšetřovaný pacient leží na pohyblivém stole, který prochází spolu s ním skrze tento otvor. Nejčastěji je vyšetřována jen určitá oblast pacientova těla, čímž dochází k eliminaci expozice ionizujícímu záření. Geometrie CT skeneru umožňuje provádění intervenčních výkonů, prováděných zároveň se skenováním určité oblasti.

4. 1 2 3 Princip počítačové tomografie Uvnitř CT skeneru je složitý soubor zařízení zahrnující zdroj RTG záření (rotující anoda rentgenky) a naproti němu mnoho detektorů. Anoda produkujemalý ohniskový polychromatický RTG paprsek do 0,6 mm v průměru, který prochází tělem pacienta a je zachycen obloukovitě uspořádanými detektory. Energie fotonů je o něco vyšší než v případě prostého snímkování. Detektory měří projekci tenké vrstvy těla a mění RTG záření v elektrický signál, který je pak zpracován počítačem. Po určité době se systém rentgenka-detektory otočí kolem pacientova těla, celé zařízení se posune na další oblast skenování a celá procedura se opakuje. Celá geometrie soustavy umožňuje zobrazení příčných řezů (axiální projekce) nebo si můžeme vybrat je určitý úhel skenování . Zdroj RTG záření Řada detektorů

5. Zdroj RTG záření Detektor Princip počítačové tomografie Skenování je prováděno pod úhlem 180°až360° a podélným lineárním posunem pacienta můžeme vytvořit řadu příčných řezů. Doba rotace (expoziční čas) je od 0,5 do 7 sekund; 1 až 2 sekundy u moderních přístrojů (800 až 1200 měření na každý detektor). Počítač zaznamenává jednotlivé projekce a matematicky je zpracovává. Umístěním skenů 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). Geometrie soustavy

6. Princip počítačové tomografie Filtrovaná zpětná projekce Během skenování, detektory zaznamenávají tzv. přední projekci. Každý detektor měří intenzitu RTG záření, které prochází tělem pacienta. Známá je také intenzita dosažená bez přítomnosti pacienta. Z těchto informací vychází měření absorpce podél svazku RTG záření. Zpětná projekce koresponduje se zpětným záznamem podél cesty průchodu záření pro každý detektor; každé oblasti překryvu při této zpětné projekci je přidělena hodnota absorpce závislá na součtu absorpcí každého detektoru. Výsledná matrix absorpcí je poté zobrazena jako šedotónový obraz. Na obrázku (a), absorpce měřená jednotlivými detektory je zaznamenána jako číslo a stínované okno pro každý detektor. Po proběhnutí této přední projekce můžeme využít tzv. zpětné projekce k rekonstrukci tkáňového mapy absorpce RTG záření (b).

7. Princip počítačové tomografie Filtrování redukuje obrazové artefakty vznikající při zpětné projekci. CT obrazy jsou digitální; pixely, které tvoří každý sekční obraz představují malý objem tkáně nazývaný voxel (volume element). Voxel je drobná krychle nebo kvádr a jeho šířka je dána šířkou jednotlivých vrstev skenované oblasti pacientova těla, obvykle od 1 do 10 mm. Velikost voxelu determinuje společně s dalšími parametry geometrické soustavy prostorové rozlišení. Nejmenší dosažitelné prostorové rozlišení je asi 0,5 mm. CT obrazy se obvykle skládají z 512 x 512 voxelů, to znamená, že přes 260 000 stupňů šedi musí být zaznamenáno pro každý sken a každý sken sestává z mnoha takovýchto obrazů. CT reprezentuje míru absorpce záření determinovanou veličinou nazývanou CT číslo. Měřeno v Hounsfieldových jednotkách, odpovídá toto číslo procentuálnímu rozdílu mezi atenuačním koeficientem voxelu tkáně a vody násobenou stem. CT číslo = tkáně - vody/vody . 100

8. Vysoké rozlišení CT mozku. Nízké rozlišení CT mozku.

9. Hounsfielovy jednotky (HU) • 1000 • vzduch 1000 corticalis kosti 0 voda -800 až - 900 HU -40 až -120 HU 0 až 15 HU 25 až 70 HU 65 až 85 HU  85 HU

10. Zobrazování v okénku Pokud zobrazovaná oblast obsahuje velké množství tkání s různou absorpcí záření musí se použít technika zvaná zobrazování v okénku (windowing), aby měl snímek diagnostický přínos. Jako okno je definovaná ta část, která zahrnuje oblast plic, a tudíž je lépe patrná (vlevo). Protože plíce mají malé CT číslo, všechny okolní struktury jsou přeexponovány, takže jsou patrny jako bílé oblasti na šedém pozadí. Na obrázku vpravo je stejný snímek, kde jsou použita dvě okna: jedno zahrnuje oblast plic, další odhaluje okolní měkké tkáně.

11. Pre-Kolimátor Post-kolimátor Rozptyl Zdroj Detektor Filtr Pacient Princip počítačové tomografie K redukci rozptýlených RTG paprsků je možno použít kolimátory, které jsou umístěny před každý detektor. Vstupní svazek záření I0 (tok fotonů za sekundu) Výstupní svazek , kde lineární atenuační koeficient paprsků jdoucí skrze pacientovo tělo (i,j) a ∆x velikost tkáňového elementu. a počítač řeší systém, lineárních rovnic. U CT obrazů je do jisté míry omezeno používání kontrastních látek.

12. Gantry Gantry Pohyblivý stůl Princip počítačové tomografie Nejprve je získán digitální snímek vyšetřované oblasti (scout, pillot view), kdy ani rentgenka ani detektory nejsou v pohybu a pacient leží na stole, který prochází otvorem v gantry. Tento snímek je nutný pro plánování vlastního vyšetření a sklon gantry. K zisku 3D obrazu je potřeba získat snímky více vrstev, které se částečně překrývají a jsou pak počítačově spojeny.

13. První generace CT 70. a 80. léta – systém jedné rentgenky a jednoho detektoru → jeden řez trval několik minut

14. Druhá generace CT Systém jedné rentgenky a více detektorů.

15. Rotační metody - třetí generace Vějířovité uspořádání Stovky detektorů v kruhovém sektoru, které rotují spolu s rentgenkou. Vějířovitý svazek (1976) Oblouk rotujících detektorů Rentgenka Monitor Detektory Kolimátor Počítač

16. Rotační metody - čtvrtá generace CT Cirkulární uspořádání Tisíce detektorů v prstenci obklopující rentgenku. Vějířovitý svazek (1978) Stacionární prstenec detektorů

17. Spirální CT 90. léta Spirální CT zachycuje série skenů v trajektorii jedné kontinuální spirály. Toto vyšetření je umožněno rotací rentgenky a detektorů, zatímco stolek posunuje tělem pacienta. Celotělové spirální CT je uskutečněno během několika sekund. Trasa kontinuální rotace systému rentgenka- detektory Směr pohybu pacienta Začátek spirálního skenování

18. Spirální CT skener Síť Gantry Zdroj Display Kontrolní konsola Stolek Záznam Počítač Detektory Systém sběru dat Paměťové medium

19. CT angiografie Je prováděna za pomocí spirálního CT s použitím kontrastní látky aplikované do žíly. 3D rekonstrukce Stenóza na arteria carotis interna

20. Ultrarychlý CT skener Tyto přístroje mají prstenec fixních detektorů a další wolframový prstenec generující RTG záření. Protože jen zdroj RTG záření je v pohybu, sken vzniká daleko rychleji (dvacetina sekundy). Zařízení ke zobrazení srdeční akce a studiu kardiovaskulárních chorob. Rychlost: 50, 100 ms Šířka skenu : 1.5, 3, 6, 10 mm

21. Virtuální kolonoskopie Virtuální realita Schopnost sběru CT skenů umožňuje použití technologie virtuální reality k rekonstrukci kontinuálního obrazu nebo filmu. Tato technika umožňuje například provedení virtuální kolonoskopie, kde je celé tlusté střevo zobrazeno ve 3D projekci. Budoucnost: náhrada invazivních endoskopických metod !!!

22. Indikace CT • Prakticky všechny oblasti těla a všechny skupiny diagnóz. • Nejčastěji: vyloučení nebo potvrzení ložiskových lézí (tumorů) a jeich staging (TNM klasifikace). • Akutní indikace: • Traumata lebky a páteře • CMP (vyloučení či potvrzení krvácení) • Poranění břicha a hrudníku • Diagnostické biopsie a terapeutické drenáže tekutinových kolekcí. • Absolutní KI nejsou. • Relativní KI je těhotenství u CT angiografie jsou to poruchy hemokoagulace a cévní onemocnění. • V některých případech je CT málo sensitivní metodou, zejména v případě zobrazení tkání se stejnou denzitou. • CT není schopno funkčního vyšetření. • Umožňuje jen axiální skenování. Kontraindikace CT Nevýhody CT

23. Detektory RTG záření Funkcí detektorů je měření průchodu svazku RTG záření a jeho konverze na elektrický signál. Scintilační detektory – používají krystal NaI(Tl), CsI(Tl) Bi4Ge3O12který absorbuje RTG záření a toto reemituje jako fotony viditelného světla. Viditelné světlo dále vstupuje do zařízení zvaného fotonásobič, kde fotony atakují fotokatodu, která konvertuje světlo na fotoelektrony prostřednictvím fotoelektrického efektu.Fotoelektrony jsou akcelerovány vysokým napětím kladně nabité dynody. Interakce mezi elektrony a dynodou uvolňuje mnoho elektronů.Tyto jsou dále urychleny další dynodou. Po několika těchto krocích vzniká velký elektrický signál.

24. Detektory RTG záření Detektory plynové ionizace – skládají se z komůrky vyplněné RTG transparentním oknem a xenonem pod velkým tlakem (velké protonové číslo, dobrý absorbér RTG záření). Velmi vysoké napětí je aplikováno mezi vnitřní vrstvou stěny komůrky a vláknem jdoucím touto komůrkou. Když svazek RTG záření vstupuje do detektoru, dochází k interakci s atomy xenonu, které ionizuje. Volné elektrony takto generovány jsou akcelerovány elektrickým napětím centrálního vlákna. Vzniká elektrický proud, který je registrován a jeho zvýšení je proporcionální energii RTG záření. RTG transparentní okno Stlačený xenon RTG záření Vysoké napětí Absorbované RTG záření tvoří volné elektrony Katodové vlákno Výchozí napětí

25. Popis CT snímků HypodenzníIsodenzní Hyperdenzní

26. Snímky a 3D modely realizované pomocí CT

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