|
ПРОЕКТИВНА ТОМОГРАФІЯ ЯК ФІЗИЧНИЙ МЕТОД МЕДИЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ
М. В. Кононов, завідувач кафедри медичної радіофізики, С. П. Радченко доцент кафедри медичної радіофізики, Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Останні десятиріччя минулого тисячоліття настільки швидко і сильно змінили наше життя, що навіть ви, сьогоднішні школярі помічаєте зміни за свій вік. Нестримне дихання прогресу відчувається в усіх сфера, від побуту та навчання, до радіоелектроніки та космічних досліджень. Не виключенням кардинальних змін та зламу стереотипів є й медицина. Часи стетоскопу і годинника з секундною стрілкою давно минули, навіть вимірювання температури, як макроскопічного показника здоров’я, зазнає методичних та технологічних змін. Сучасна медицина - це, насамперед, рання діагностика і попередження захворювань. Очевидним є факт, що лікування захворювань на ранніх стадіях розвитку патології є більш ефективним і менш болісним для пацієнта. Такий підхід вимагає кардинальної зміни самого процесу діагностування і переходу від фіксації наслідків хвороби, до виявлення початкових змін, які спричинюють хворобу. Слід зазначити, що саме ці тенденції у поєднанні з вимогами неівазивності та проведення досліджень in-vivo складають пріоритетні напрямки розвитку медицини і визначають передовий край поєднання таких областей наукової думки як фізика, хімія, біологія, фармакологія, медична техніка, тощо. Ось чому сучасна медична діагностика спирається на потужні і складні прилади, на радіофізичні методи дистанційного зондування та неруйнівного вимірювання.
Одним із таких методів медичної діагностики є томографія, а діагностичний прилад, який дозволяє реалізувати вказаний метод, отримав назву томограф. Сам термін “томографія” походить від двох грецьких слів 'tomo' і 'graff', які окремо в перекладі означають перше - шматок або шар і друге - пишу або зображаю [1]. Отже, якщо скласти ці слова разом, то томографія - це метод дослідження, який полягає в отриманні зображень окремих шарів (перерізів) досліджуваного об’єкту, а відповідно томограф - це прилад, який дозволяє отримати зображення певного шару. Очевидно, що в медичній діагностиці об’єктом такого дослідження є як окремі органи, так людський організм як ціле, або сама людина.
Зараз найбільшого поширення набули рентгенівські томографи, їх часто називають просто комп’ютерними томографами. Хоча таке сполучення має більш історичне коріння, оскільки всі види томографії спираються на обчислювальні потужності сучасних комп’ютерів і не могли відтворити жодного зображення перерізу без їх допомоги.
Перші томографи з’явилися у 1953 році - це були емісійні позитронні томографи. Через 5 років у Києві вперше у світі запропоновано і виготовлено рентгенівський томограф. У 1967 році до сім’ю томографів було додано ще один – однофотонний емісійний томограф, а в середині сімдесятих років минулого століття з’явився наймолодший варіант - магніторезонансний томограф [2].
Така велика різниця в назвах томографів відображає природу фізичних явищ, які лежать в основі відповідних методів томографії. Кожен із зазначених методів дозволяє реконструювати зображення за різними фізичними характеристиками об’єкту і тому методи не замінюють один одного, а лише можуть доповнювати. Так рентгенівські томографи, як видно з самої назви приладів, використовують для отримання інформації про внутрішню будову об’єкту рентгенівське випромінювання, тобто, дозволяють візуалізувати просторовий розподіл коефіцієнту поглинання саме рентгенівських променів тканинами організму. Робота магніторезонансного томографу побудована на використанні явища ядерного магнітного резонансну, суть якого полягає у властивості ядер певних хімічних елементів при наявності зовнішнього сталого магнітного поля поглинати і випромінювати енергію. Для магніторезонансної томографії таким елементом є водень, який наш організм містить у достатній кількості у складі воді та в органічних сполуках. Дещо шокує, на перший погляд, застосування у назві як томографії, так і зброї масового знищення терміну “ядерний”. Така спорідненість лише відображає використання різних фізичних явищ, які відбуваються саме у ядрі атома. Тому для запобігання упередженості в назві томографу не використовують слово “ядерний”, хоча саме обстеження людини за допомогою магніторезонансної томографії є нешкідливим для її організму. Емісійний позитронний томограф і однофотонний емісійний томограф використовують для функціональних досліджень. Для цього в тіло пацієнтів вводять спеціальні речовини, які в залежності від функціонування органів і тканин накопичуються або навпаки не накопичуються в них. Розподіл цієї речовини та ступінь накопичення її у відповідних частинах органів реконструюють за допомогою реєстрації позитрон-електронної анігіляції та емісії фотонів високої енергії, які виникають при розпаді компонентів введеної до організму речовини.
Під реконструкцією зображень тонких шарів тіла пацієнта розуміють всі ті зміни початкового сигналу, отриманого від об’єкту, до перетворення його у зображення на екрані монітору приладу. Ці зміни містять як звичайне підсилення слабких сигналів та їх фільтрацію для зменшення рівня шумів, так і складні перетворення для відновлення просторової інформації про характеристики об’єкту дослідження.
Якщо дещо спростити, то загальний принцип томографії нагадує процес розпізнавання та відтворення людиною із заплющеними очима деякого невідомого їй об’єкту. Людина повертає цей об’єкт дослідження, ну скажімо кубик або сферу, в різні боки і отримує на дотик інформацію про його поверхню з різних напрямків. Далі в її голові відбувається “реконструкція” форми об’єкту та розпізнавання його саме як кубика. Дещо подібні перетворення відбуваються і томографі з єдиною відмінністю – обробляється і відтворюється інформація не лише про поверхню, а й про внутрішню його структуру. Якщо абстрагуватися від фізичної природи явищ, яка використовуються в кожному типі томографів, то загальний принцип томографії можна було б пояснити на такому прикладі: нехай є паралелепіпед. Для побудови зображення перерізу нашого об’єкту томограф отримує від нього “тіньове зображення” з різних напрямків (рис. 1).
Рис. 1 – Проекції паралелепіпеду отримані під різними кутами (а – під кутом 0o ; б – під кутом 22.5o , в – під кутом 45o ).
Слід зазначити, що ці “тіні” називаються проекціями і насправді є дещо складнішими від справжньої тіні, оскільки мають крім білого і чорного (повне пропускання або повне непропускання об’єктом) ще й напівтони. Величина напівтіні визначається коефіцієнтами поглинання тканин тих органів, які потрапили у досліджуваний переріз. Тобто, томограф отримує інформацію про поглинання або проходження об’єкту в даному напрямку. Потім відбувається поворот механічними засобами або електронним чином і інформація отримується з іншого напрямку (рис. 1б, 1в). Якби вказаний паралелепіпед був неоднорідним і містив в собі інші фігури, скажімо паралелепіпеди менших розмірів із матеріалів з істотно відмінними фізичними характеристиками (метал, вода, повітря), то отримані проекції стали б складнішими і зворотне відтворення об’єкта за їх наборами перетворилося б вже в нетривіальну задачу. Зрозуміло, що реальний об’єкт – людське тіло практично не містить в собі правильних геометричних фігур, а кількість внутрішніх деталей значно перевищує наведену в прикладі. Щоб переконатися достатньо подивитися на томограму головного мозку людини (рис. 2).
Рис. 2 – Набір проекцій отриманих на рентгенівському томографі СРТ-1010 (а) та реконструйоване зображення головного мозку пацієнта (б)
Тому для реконструкції отриманих реальних проекцій застосовують складні алгоритми обробки, а отримання зображень в реальному масштабі часу було б не можливим без сучасних потужних комп’ютерів.
Таким чином поряд з фізичними методами зондування медична діагностика використовує сучасні інформативні технології. В результаті вже утворилася ціла низка таких прикладних напрямків як медична фізика. медична інформатика, медична техніка, тощо. Ці нові галузі прикладної науки зараз знаходять в стадії становлення та активного розвитку, вони вимагають нових фахівців, які володіли крім фундаментальних фізичних та математичних знань, ще й додатково біологічними даними про об’єкт дослідження і гарно орієнтувалися в його фізіологічних особливостях. Підготовку саме таких фахівців розпочато на радіофізичному факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка. У 1995 році тут відкрита нова спеціалізація “медична радіофізика” та однойменна кафедра.
1. Словник іншомовних слів / за ред. О. С. Мельничука. – К.: Гол. ред. Укр. рад. енцикл. АН УРСР, 1975. – 775 с.
2. The physics of medical imaging, edited by S. Webb, IOP Publishing Ltd, 1988. – 640 p.
|