А. О. Казначеева физико-технические основы рентгенологии, компьютерной и магнитно-резонансной томографии. Фотопроцесс и информационные технологии в лучевой диагностике учебное пособие



Pdf просмотр
страница1/9
Дата14.02.2017
Размер6.11 Mb.
Просмотров2543
Скачиваний3
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9

ПОСЛЕДИПЛОМНОЕ МЕДИЦИНСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Т. Н. ТРОФИМОВА, З. М. ПАРИЖСКИЙ, АС. СУВОРОВ, АО. КАЗНАЧЕЕВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РЕНТГЕНОЛОГИИ, КОМПЬЮТЕРНОЙ
И МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ.
ФОТОПРОЦЕСС И ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ В ЛУЧЕВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Учебное пособие для врачей - слушателей
Рекомендуется Учебно-методическим объединением
по медицинскому и фармацевтическому образованию
вузов России в качестве учебного пособия для системы
послевузовского профессионального образования врачей



Санкт-Петербург
Издательский дом СПбМАПО
2007

УДК 616-073
ББК 53.6
Т 76
Трофимова Т. Н, Парижский З. М, Суворов АС, Казна-
чеева АО. Физико-технические основы рентгенологии, компьютерной и магнитно-резонансной томографии. Фотопроцесс и информационные технологии в лучевой диагностике. – СПб. : Издательский дом СПбМАПО, 2007. – 192 с.
Авторы:
Т. Н. Трофимова – доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой рентгенологии с курсом детской рентгенологии, проректор по научной и издательской работе СПбМАПО;
З. М. Парижский – кандидат медицинских наук, доцент кафедры рентгенологии с курсом детской рентгенологии СПбМАПО;
А. С. Суворов – кандидат технических наук, СПб ЗАО МАК
БРАЗЕРС», менеджер
А. О. Казначеева – кандидат технических наук, доцент кафедры ИТиКТ Санкт-Петербургского Государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУИТМО), ведущий инженер отделения лучевой диагностики СПбМАПО.
Рецензент – заведующая кафедрой лучевой диагностики
Санкт-Петербургской медицинской академии им. И. И. Мечникова, доктор медицинских наук, профессор Н. А. Карлова.

В книге представлены физико-технические основы классической рентгенодиагностики, компьютерной и магнитно -резонансной томографии. Приводятся сведения о современной рентгенодиагности- ческой аппаратуре, основах безопасности лучевых исследований и дозиметрии. Подробно рассказывается о фотопроцессе и информационных технологиях в лучевой диагностике XXI века.
Предназначено для врачей лучевой диагностики и слушателей циклов по рентгенологии, компьютерной и магнитно-резонансной томографии.
ISBN 978-5-98037-117-3
© Коллектив авторов, 2007 г.







Содержание
Условные сокращения ...................................................................................... Введение ............................................................................................................ ГЛАВА 1. Физико-технические основы рентгенологии ............................ 11 1.1. Рентгеновское излучение и его свойства .......................................... 12 1.2. Структура и основные функциональные блоки рентгеновского аппарата. 15 1.3. Формирование рентгеновского изображения ................................... 20 1.4. Регистрация рентгеновского изображения ....................................... 26 1.5. Рентгеновская пленка .......................................................................... 27 1.6. Усиливающие экраны ......................................................................... 33 1.7. Кассеты для рентгенографии .............................................................. 36 1.8. Рассеянное излучение и борьба с ним ............................................... 38 1.9. Рентгеноскопия, рентгенотелевидение ............................................. 41 1.10. Классическая линейная томография ................................................ 43 1.11. Флюорография ................................................................................... 44 1.12. Цифровая рентгенография ................................................................ 47 1.13. Рентгенодиагностическая аппаратура отечественного производства ....................................................................................... 52 1.14. Условия получения качественных рентгенограмм ........................ 55 1.15. Условия, необходимые для анализа рентгенограмм ...................... 58 1.16. Влияние рентгеновского излучения на человека ........................... 59 1.17. Техника безопасности и охрана здоровья в рентгенологии ..................................................................................... Глава II. Физико-технические основы компьютерной томографии .......... 63 2.1. Устройство и принцип работы компьютерного томографа ............ 64 2.2. Этапы развития технологии компьютерной томографии ............... 69 2.3. Спиральная и электроннолучевая компьютерная
томография .......................................................................................... 72 2.4. Компьютерная томографическая ангиография с контрастирующими веществами ..................................................... Глава III. Физико-технические основы магнитно-резонансной томографии ...................................................................................................... 79 3.1. Основные блоки МР-томографа ......................................................... 80 3.2. Физические основы явления ядерно-магнитного резонанса ............................................................................................. 83 3.3. Процессы продольной и поперечной релаксации ............................ 89 3.4. Импульсная последовательность насыщение с полным или частичным восстановлением .................................................... 91 3.5. Импульсная последовательность «спин-эхо» ................................... 93 3.6. Пространственная локализация сигналов и реконструкция изображений ........................................................................................ 95 3.7. Импульсная последовательность инверсия- восстановление ............................................................................... 107 3.8. Семейство импульсных последовательностей градиентное эхо ............................................................................ 110 3.9. Высококонтрастные импульсные последовательности ................. 116 3.10. Магнитно-резонансная ангиография ............................................. 119 3.11. Дополнительные методы МРТ-визуализации .............................. 124 3.12. Артефакты магнитно-резонансных изображений ........................ 127 3.13. Безопасность пациентов и персонала входе исследований ..................................................................................... Глава IV. Фотографический процесс в лучевой диагностике ................. 131 4.1. Ручная обработка рентгенограмм .................................................... 131 4.2. Наиболее часто встречающиеся дефекты рентгенограмм ............ 148 4.3. Серебросодержащие материалы в рентгенологии ......................... 150 4.4. Автоматическая фотохимическая обработка рентгенограмм. 151 4.5. Технология лазерной печати на термопроявляемых пленках. Глава V. Информационные технологии в лучевой диагностике ............ 158 5.1. Информационные системы и стандарты представления данных. 159 5.2. Автоматизированные рабочие места для врачей лучевой диагностики ....................................................................................... Литература ..................................................................................................... Тестовые задания .......................................................................................... 170







УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
a-Se аморфный селен
АРМ
– автоматизированное рабочее место АЦП

аналогово-цифровой преобразователь
ИИ ионизирующее излучение
ИП импульсная последовательность
ИС интенсивность сигнала КВ контрастирующие вещества
КТ компьютерная томография
КТА компьютерная томографическая ангиография
МИП проекция максимальной интенсивности
МП магнитное поле
МРА

магнитно-резонансная ангиография
МРС

магнитно-резонансный сигнал
МРТ

магнитно-резонансная томография
ПЗС прибор с зарядной связью
ПЭТ

позитронно-эмиссионная томография
РЧИ радиочастотный импульс
С/Ш

сигнал/шум
СКТ спиральная компьютерная томография
ССИ спад свободной индукции
УРИ усилитель рентгеновского изображения
ЦСА цифровая субстракционная ангиография
ЭЛТ

электронно-лучевая компьютерная томография
ЭОП

электронно-оптический преобразователь ЯМР

ядерно-магнитный резонанс

6
CE-FEE

ИП contrast enhanced FEE – FEE с усиленным контрастом (см. CE-FLASH)
CE-FLASH
-
ИП contrast enhanced FLASH – FLASH с усиленным контрастом
DICOM
– стандарт передачи и хранения цифровых медицинских изображений
DW
- diffusion weighting – диффузно-взвешенная
EPI
- echo planar imaging – эхо-планарная томография угол отклонения
FAST
-
ИП Fourier acquired steady state – стационарный режим с Фурье-обработкой (см. FISP)
FFE
-
ИП fast field echo – быстрое полевое эхо см. FISP)
FIR
-
ИП fast inversion recovery – быстрая инвер- сия-восстановление
FISP
-
ИП fast imaging with steady precession – быстрое томографирование при стационарной прецессии
FLASH
-
ИП fast low angle shot imaging – быстрая визуализация с малым углом
FSE
-
ИП fast spin echo – быстрое спиновое эхо (см.
RARE)
GRASS
-
ИП gradient recalled acquisition in the steady state – сбор данных посредством градиентной рефокусировки в стационарном состоянии (см. FISP)
GRE
-
ИП gradient echo – градиентное эхо
HIS
– информационная система больницы
HL7
– стандарт передачи и хранения медицинских записей
IR
-
ИП inversion recovery – инверсия-восстанов- ление
MT
- magnetization transfer – перенос вектора намагниченности Национальная ассоциация производителей электронного оборудования

7
PACS
- система архивирования и передачи медицинских изображений
PC
- phase contrast – фазоконтрастная ангиография миллионные доли
PS
-
ИП partial saturation – частичное насыщение
PSIF
-
ИП reverse fast imaging with steady precession – быстрое томографирование в режиме стационарной прецессии с обращением (см. CE-FLASH)
RARE
-
ИП rapid acquisition with relaxation enhanc- ment – быстрый сбор данных с релаксационным усилением
RIS
- информационная система рентгенорадиологического отделения
ROAST
-
ИП resonant offset averaging in the steady state – стационарный режим с усреднением расстройки от резонанса (см. FISP)
SE
-
ИП spin echo – спиновое эхо
SNOMED
- стандарт медицинской терминологии
SPGR
-
ИП spoiled GRASS – очищенный GRASS
SR
-
ИП saturation recovery – частичное насыщение
-
ИП steady state free precession – стационарный режим свободной прецессии (см. CE-
FLASH)
STEAM
-
ИП stimulated echo acquisition mode – режим получения стимулированного эхосигнала
T1
- время спин-решеточной релаксации
T2
- время спин-спиновой релаксации
T2*
- постоянная времени потери когерентности
TE
- echo time – время появления эхосигнала
TI
- inversion time – время инверсии
TOF
- time of flight – времяпролетная ангиография
TR
- repetition time – период повторения
UMLS
- стандарт медицинской терминологии

8






ВВЕДЕНИЕ
Лучевая диагностика сегодня – это самостоятельная, достаточно специфическая область медицины, представляющая собой совокупность визуализационных технологий рентгенодиагностика, компьютерная томография, магнитно-резонан- сная томография, ультразвуковое исследование, позитронно- эмиссионная томография и т.д. Их использование позволяет изучить анатомию органа, оценить его функцию, провести анализ морфологических изменений, осуществить мониторинг лечения и виртуальное планирование оперативного вмешательства. Особое место занимают малоинвазивные лечебные манипуляции, наведение при которых осуществляется посредством лучевых исследований. Методов, а тем более методик, множество, но основополагающим является принцип использования оптимального подхода. Принцип, базировавшийся на подходе от простого к сложному, безвозвратно ушел в прошлое. Оптимальный подход понятие достаточно гибкое. У ряда больных достаточно использовать один методу преобладающего большинства пациентов их сочетание, поскольку современные технологии имеют четко обозначенные показания и противопоказания, являясь, как правило, взаимодополняющими, а не взаимоисключающими. Подобный вопрос встает при размышлении над каждым случаем. Ответ определяется задачами конкретного исследо-

9 вания и возможностями той или иной методики, что, также как эффективное использование аппаратуры, возможно лишь при условии понимания физико-технических принципов, на которых базируется получение изображения. Нельзя не сказать несколько слов на больную тему – использовании потенциала современных установок в неполной мере. Мы увлеченно выполняем очевидные исследования, а возможности оборудования много шире. В этом скрыты большие перспективы, и поэтому дорога не только совокупность теоретических знаний и практических навыков, но и реальные новые и усовершенствованные технологии, внедренные в клиническую практику. Именно на решение таких вопросов ориентированы короткие высокотехнологичные циклы, организованные в СПбМАПО в последние годы. Этот вид учебной деятельности нуждается в расширении. Сложно найти главного врача или врача лучевой диагностики, который бы не мечтал об инсталляции современной диагностической установки. Но было бы неправильно говорить только о приобретении оборудования и, следовательно, освоении новых технологий. Это важная часть работы, но лишь часть. Врач лучевой диагностики должен помогать администрации формулировать принципы размещения и стратегию эксплуатации чрезвычайно дорогой аппаратуры. Здесь необходим творческий подход. Мечтая об оборудовании, задумываются, прежде всего, о финансах, а должен быть детально продуман весь спектр проблем. Первый вопрос звучит прозаично Что мы хотим и для чего это нам надо Вместе стем он является основополагающим, определяющим все последующие действия, поскольку позволяет, ориентируясь на потоки пациентов, выбрать наиболее перспективное направление. Далее идут размышления о соблюдении баланса количества аппаратуры различных направлений, а также краткосрочное и долгосрочное планирование размещения долгожданного оборудования. Без качественного сервисного обслуживания рассчитывать на успешную работу не приходится, что также должно быть учтено уже на начальных этапах проработки темы.

10 Проблема должна рассматриваться шире учрежденческого масштаба, учитывая взаимодействие на поликлиническом, госпитальном и реабилитационном уровнях. Отдельной строкой идет организация скрининга, в том числе социально значимых заболеваний. Должна быть преемственность, которой так способствует сеть Интернет. А как быть с взаимодействием внутри учреждения и отдела Для этого необходима система или ее аналог. Сегодня без этого не обойтись. Настоящее издание призвано помочь в понимании базовых основ лучевой диагностики. Авторы надеются, что оно окажется полезным практическому врачу в его ежедневной профессиональной деятельности.

11










ГЛАВА 1.
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕНТГЕНОЛОГИИ
Рентгеновское излучение, было открыто 8 ноября 1895 г. В. К. Рентгеном, когда он работал в физической лаборатории города Вюрцбурга с катодной трубкой и обнаружил свечение, испускаемое банкой с кристаллами платиносинеродистого бария. Используя самодельные приборы, он изучил основные свойства излучения ив конце 1895 г. сделал первый рентгеновский снимок. 23 января 1896 г. В. К. Рентген выступил с научным докладом о своем открытии на заседании местного физико-медицинского научного общества. Это дало мощный толчок к изучению и использованию данного типа излучения во всем мире. Рентгеновское излучение представляет собой разновидность электромагнитного излучения, спектр которого лежит между гамма- и ультрафиолетовым излучением. Рентгеновские лучи распространяются со скоростью 300000 км/с. Важнейшим свойством рентгеновского излучения является способность проникать через тела и предметы, не пропускающие света также вызывать свечение ряда химических элементов, что позволяет широко его использовать в науке, технике, промышленности и особенно в медицине – при проведении рентгенологических исследований. Современную медицину невозможно представить без данного метода диагностики.

12 Первые рентгеновские снимки в России были выполнены в 1896 году в Санкт-Петербурге в Императорском клиническом институте Великой княгини Елены Павловны и Военно-ме- дицинской академии, а также в Петербургском и Московском университетах.
1.1. Рентгеновское излучение и его свойства
Рентгеновское излучение создается рентгеновской трубкой рис. 1.1), которая состоит из катода и анода. Катод является отрицательно заряженным электродом и представляет собой вольфрамовую нить накала, выполненную в виде спирали диаметром около 1 мм и длиной 10–15 мм, на поверхность которой нанесен слой из щелочноземельных элементов. По спирали пропускается электрический ток, под действием которого она нагревается.
Рис. 1.1. Формирование рентгеновского излучения трубкой
Известно, что все вещества состоят из атомов, основная масса которых концентрируется в положительно заряженном ядре. Вокруг ядра атома на различных электронных оболочках расположены отрицательно заряженные электроны, которые притягиваются к ядру. На электроны, находящиеся на вакуум

13 наружных оболочках, действует более слабая сила притяжения к ядру, поглощая тепловую энергию, данные электроны преодолевают силу притяжения, становятся свободными и покидают поверхность спирали, в результате чего, вокруг спирали формируется облако из свободных электронов. Указанный процесс называется термоэлектронной эмиссией. Отрицательно заряженный катод отталкивает электроны, которые устремляются к положительно заряженному аноду. Положительно заряженный анод представляет собой пластину и называется мишенью, в качестве материала которой чаще всего используется вольфрам, поскольку данный элемент имеет высокий атомный номер, термоустойчив и эффективно испускает рентгеновское излучение. Между анодом и катодом приложена высокая разность потенциалов, под действием которой электроны ускоряются и при приближении к аноду обладают высокой кинетической энергией. Рентгеновское излучение возникает при торможении электронов материалом мишени, в результате которого они теряют часть своей кинетической энергии. Ее большая часть рассеивается в тепло, и лишь небольшая доля, как правило, менее 1%, высвобождается в виде рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение представляет собой поток фотонов с массой покоя, равной нулю, характеризующихся энергией E, которая обратно пропорциональна длине их волны



h
E
где h – постоянная Планка,

– длина волны. Как правило, рентгеновское излучение представляет собой широкий диапазон длин волн от 10
-14
дом, называемый рентгеновским спектром (рис. 1.2), в котором присутствуют ярко выраженные пики. Широкую часть спектра называют непрерывным или белым излучением, а острые пики – характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Механизм формирования рентгеновского спектра зависит от вида взаимодействия электронов с мишенью. Пролетая рядом с тяжелым ядром, электрон подвергается воздействию отталкивающей силы (риса, ив результате

14 этого теряет свою скорость или же изменяет направление движения. При этом, высвободившаяся кинетическая энергия преобразуется в энергию рентгеновского фотона. Поскольку электроны будут двигаться на разных расстояниях от атомов и подвергаться различному воздействию отталкивающей силы, потери кинетической энергии будут различными, и, соответственно будет происходить испускание фотонов с различной энергией. Поэтому рентгеновское излучение характеризуется широким спектром длин волн.
Рис. 1.2. Спектр рентгеновского излучения Рентгеновское излучение может также возникать при переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий. Пролетая рядом с ядром атома, электрон может столкнуться с электроном, находящимся на электронной оболочке, близко расположенной к ядру (рис. 1.3, б), при этом ему будет передана часть кинетической энергии. В результате электрон покинет электронную оболочку. Поскольку электроны стремятся занять более энергетически выгодное положение, то опустевшее место займет другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. При таком переходе избыток энергии выделится в виде рентгеновского фотона.

15 а б
Рис. 1.3. Излучение фотона а – при изменении направления движения электрона б – при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой

1.2. Структура и основные функциональные блоки
рентгеновского аппарата
На сегодняшний день используется большое количество рентгенодиагностических аппаратов, различающихся между собой функциональным назначением и исполнением. Независимо от этого аппарат содержит следующие основные блоки генератор, рентгеновскую трубку, пульт управления и устройство формирования луча. Генератор обеспечивает рентгеновскую трубку высоким напряжением, необходимым для генерации рентгеновского излучения. В современных аппаратах, как правило, используются высокочастотные генераторы (общая схема высокочастотного генератора приведена на рис. 1.4). С помощью выпрямителя генератор преобразует поступающий на вход из питающий сети переменный ток в постоянный. Для питания генератора используются однофазные или трехфазные сети. Все стационарные рентгенодиагностические аппараты с од-

16 ним, двумя или тремя рабочими местами, а также системы на базе телеуправляемых столов подключаются к трехфазной сети. Однофазные сети в основном используются для питания маммографов, дентальных аппаратов, передвижных ренгено- диагностических система также для рентгенохирургических установок.

Рис. 1.4. Структурная схема генератора
Далее постоянный ток подается на преобразователь, который с помощью высокочастотного осциллятора преобразует его в высокочастотный переменный ток. Ток подается на блок трансформаторов, включающий в себя автотрансформатор и повышающий трансформатор. Автотрансформатор обеспечивает установку рентгенлаборантом необходимого значения напряжения в киловольтах (кВ) входе исследования. Выбирая определенное значение напряжения на пульте управления, рентгенлаборант в действительности выбирает коэффициент трансформации. Так, например, если аппарат питается от сети 380 В, то при выборе значения
100 кВ, задается коэффициент трансформации 0,26 и на выходе автотрансформатор выдаст 100 В. Далее напряжение подается на повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации 1000 и на рентгеновскую трубку будет подано напряжение 100 кВ.

17 С выхода высоковольтного трансформатора переменный ток подается на высоковольтный выпрямитель, в результате чего на рентгеновскую трубку подается высокое постоянное напряжение с минимальным коэффициентом пульсации. Минимизация пульсации напряжения на рентгеновской трубке очень важна, поскольку при этом минимальны вариации значений энергии фотонов. Рентгеновская трубка преобразует электрическую энергию в рентгеновское излучение. Она представляет собой стеклянную колбу, заполненную вакуумом (рис. 1.5). Колба находится внутри металлического корпуса, заполненного маслом, что обеспечивает высокую теплоемкость и теплоотдачу. Внутренняя часть поверхности корпуса покрыта слоем свинца, поглощающим большую долю рентгеновского излучения, и лишь его небольшая часть выходит через специальное окошко в кожухе. Внутри колбы расположены катод и анод. Катод содержит две нити накала большую и малую, обеспечивающие формирование большого и малого фокусного пятна. Катод выполнен в виде фокусирующей чаши, что позволяет создать узкий пучок электронов. Под действием приложенного напряжения между катодом и анодом электроны ускоряются и бомбардируют небольшой участок мишени, который называется действительным фокусным пятном. Размеры спирали, фокусирующей чаши, а также форма чаши влияют на размер и форму фокусного пятна. Чем меньше диаметр пучка электронов, тем меньше действительное фокусное пятно и резче получаемое изображение. Однако малое фокусное пятно неспособно выдержать большую тепловую нагрузку. Поэтому исследования с малой нагрузкой проводят с использованием малой нити накала (малого фокусного пятна, а при большой нагрузке используется большая нить (большое фокусное пятно. На размер фокусного пятна также влияют параметры экспозиции при высоких значениях силы тока (мА) и низких значениях напряжения (кВ) размеры фокусного пятна имеют тенденцию увеличиваться, что ухудшает качество изображений Рис. 1.5. Рентгеновская трубка со стационарным анодом
Для уменьшения размеров фокусного пятна поверхность мишени располагают под углом к направлению потока электронов (рис. 1.6), при этом, проекционные размеры фокусного пятна будут меньше. Данное фокусное пятно называется проекционным или эффективным фокусным пятном. Чем меньше угол наклона мишени, тем меньше эффективное фокусное пятно, но приуменьшении угла наклона увеличивается рассеяние рентгеновского излучения и может возникнуть, так называемый пяточный эффект. Как правило, угол наклона мишени составляет 10–15

, при этом достигается хорошая детализация структур на изображениях и высокая теплоемкость анодного пятна. В технических характеристиках рентгеновских трубок используют понятие номинального фокусного пятна, размер которого, в соответствии со стандартами NEMA (Национальная ассоциация производителей электронного оборудования) может отличаться от размера эффективного фокусного пятна на 50%.

19
Рис. 1.6. Принцип эффективного фокуса Рентгеновские трубки с неподвижным анодом характеризуются низкой теплоемкостью анода ив основном используются в передвижных и дентальных аппаратах. С целью увеличения тепловой нагрузки, были разработаны рентгеновские трубки с вращающимся анодом (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом

20 В данной трубке анод выполнен из вольфрама, молибдена или вольфрам-рениевого сплавав виде диска диаметром 8–
10 см. Фокусирующая чаша и нить накала расположены так, что пучок электронов попадает на скошенную часть диска. Диск анода крепится на молибденовом валу, обладающем высокой прочностью, теплопроводностью и температурой плавления. Он вращается с частотой 3000–10000 об/мин, в результате чего фокусное пятно скользит по скошенной поверхности диска и зона нагрева выглядит как широкое кольцо, что существенно повышает теплоемкость анода. Пульт управления обеспечивает управление рентгеновским аппаратом, позволяет задавать параметры экспозиции и включать излучение. Устройства формирования луча, к которым относятся диафрагмы и тубусы, создают пучок расходящихся рентгеновских лучей, облучающих заданную область исследования.


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал