Компьютерная рентгеновская томография сердца
Томограммы, снятые на обычных компьютерных томографах всего тела, плохо отображают строение сердца, которое выглядит как размытая область в легочном поле с бедной или вообще не проявляющейся структурой. Причина этого – малая разница в плотности крови и мышечной ткани сердца. Поэтому артефакты в виде пятен, образуемых пересекающимися полосками, обусловленные сокращениями сердца, снижают свойственное компьютерным томографам высокое контрастное разрешение. Этот факт стимулировал разработку новой томографической техники для исследования сердца. Рассмотрим методы, применяемые в настоящее время в компьютерной томографии сердца.
Использование контрастирующих веществ
При исследованиях с помощью обычного компьютерного томографа введение 25 мл йодистого соединения в вену руки пациента повышает на томограмме плотность сердца на 4–10%. Этого вполне достаточно, чтобы получить удовлетворительное изображение камер сердца, крупных сосудов и крупных ветвей коронарных артерий. Однако отображение лишь одного сечения за сканирование уменьшает ценность такой диагностики, так как для получения нескольких сечений необходимо многократное введение контрастного вещества. Сердце же может сместиться в паузах между последовательными сканированиями за счет дыхания.
Стробоскопическая компьютерная томография
Этот метод предназначен для исследования периодических движений сердца– сокращения и расширения его стенок. Снимается последовательная серия томограмм при стационарном капельном введении контрастирующего вещества. Одновременно регистрируется электрокардиограмма, которая используется для сортировки томографических проекций по интервалам времени, соответствующим различным фазам сердечного цикла, а затем реконструируется серия изображений, соответствующих каждой фазе.
Достоинство метода – простота его реализации путем несложного технического усовершенствования серийных томографов. На рис. 74 иллюстрируется основной принцип стробоскопической компьютерной томографии. Однако такой подход предполагает, что за время нескольких циклов сердечных сокращений, т. е. за время, необходимое для проведения сканирования, положение грудной клетки, положение и размеры органов в ней, а также плотности распределения тканей и жидкостей внутри сердца точно воспроизводятся в соответствующий момент времени от цикла к циклу. Предполагается также, что скорость и амплитуда сокращений сердца и его положение не зависят от эффектов дыхания. К тому же сканирование со стробированием нельзя использовать для получения изображений кровеносных сосудов и характеристик кровообращения методами ангиографии. Связано это с тем, что распределение и концентрация контрастирующего вещества во времени изменяются непрерывно и не воспроизводимым образом.
Рис. 74. Принцип стробоскопической компьютерной томографии
Динамическая компьютерная томография с последовательным сканированием
Этот метод регистрации процессов, развивающихся во времени, посредством серии быстрых последовательных сканирований в выбранных сечениях. В компьютерной томографии сердца метод позволяет определять кровоток в тканях и сосудах путем регистрации на определенных участках изменения во времени коэффициента ослабления, обусловленного изменением концентрации контрастирующего вещества под действием кровотока. С помощью этого метода возможны исследования проходимости трансплантированного коронарного шунта, исследование грудной части аорты, проведение оценки минутного объема кровообращений. Динамические исследования чаще всего выполняются в режиме сканирования от 8 до 12 слоев толщиной 1 см с интервалом 2 с. Однако возможности метода очень ограничены из-за наличия артефактов движения даже при исследовании относительно малоподвижных областей грудной полости. Обычные рентгеновские компьютерные томографы за один цикл сканирования дают только 1-2 изображения сечения исследуемого объекта. Трехмерное изображение должно синтезироваться из серии двухмерных изображений, получаемых при последовательных циклах сканирования при условии перемещения исследуемого объекта после каждого цикла. Однако трехмерное изображение сердца, синтезированное с использованием последовательных изображений в соседних сечениях, окажется искаженным из-за артефактов, связанных с движением сердца и неопределенностью расположения последовательных сечений относительно сердца и друг друга. Поэтому в обычных компьютерных томографах оказывается невозможным на основе полученного трехмерного изображения движущихся органов вычислить сечения разной ориентации, например, косое, сагиттальное.
Таким образом, необходим новый подход к разработке систем, позволяющих получать действительно динамические трехмерные изображения сердца, т. е. создание нового поколения рентгеновских компьютерных систем. В настоящее время известно два решения в разработке новых рентгеновских компьютерных томографов, дающих собственно трехмерные изображения с высоким временным разрешением.
Быстродействующие томографы с механическим сканированием
Одно из решений проблемы при создании быстродействующих томографов – это использование системы с вращением излучателей и детекторов, в которую входят три рентгеновские трубки и три детектора веерного цикла. Дальнейшее развитие эта идея получила в томографе с динамической пространственной реконструкцией, разработанном в 1981 г. в клинике Майо (США) [18]. На рис. 75, а дана иллюстрация принципа работы динамического пространственного реконструктора (ДПР) клиники Майо, который в отличие от всех выпускаемых томографов рассчитан на динамическое сканирование по объему, а не на медленное сканирование в поперечном сечении. ДПР способен одновременно производить сканирование до 240 близких поперечных сечений с шагом 1 мм и со скоростью до 60 сечений в секунду.
Рис. 75. Принцип действия скоростных компьютерных томографов. а – динамического пространственного реконструктора клиники Майо; П – пациент; Э – флюоресцентный экран; Р – рентгеновские трубки; Т – телекамеры; б – томограф с электронным сканированием; 1 – пациент; 2 – электронная пушка; 3 – электронный пучок; 4 – фокусирующий магнит; 5 – отклоняющий магнит; 6 – анод в виде полукольца; 7 – матрица детекторов в виде полукольца; 8 – пучок рентгеновского излучения.
В состав ДПР входят 28 рентгеновских трубок и 28 УРИ и телевизионных камер. Рентгеновские трубки размещены вдоль полукольца с интервалом в 6°, а телевизионные камеры расположены напротив каждого рентгеновского излучателя. При возбуждении рентгеновской трубки импульсом 350 мкс на части цилиндрического флюоресцентного экрана формируется изображение 30X30 см. Для считывания флюорографического изображения включается соответствующая телевизионная камера (изокон) на время 760 мкс. Все 28 телевизионных кадров с флюоресцентного экрана получают сигнал за один цикл сканирования с использованием 28 импульсов рентгеновского излучения с периодом 11 мс. Частота повторения циклов сканирования – 60 Гц.
Общая доза, получаемая пациентом при сканировании в течение 4–5 с, что перекрывает несколько циклов сердечных сокращений, не превышает величины 5–10 Р, получаемой при сканировании одного поперечного сечения обычным томографом для всего тела.
Компьютерные томографы с электронным сканированием
Второй – радикальный способ повышения быстродействия рентгеновских компьютерных томографов основан на использовании магнитного отклонения электронного пучка вместо механического перемещения. На основе рентгеновской трубки со сканирующим электронным пучком в 1982 г. в Калифорнийском университете (США) разработан кардиодиагностический компьютерный томограф [6]. Принцип работы томографа иллюстрируется на рис. 75, б. В состав его входят: трубка с электронным сканированием; неподвижная матрица детекторов; вычислительная система регистрации данных, реконструкции и визуального представления изображения. Трубка состоит из электронной пушки и ускорителя, формирующего пучок с током 1000 мА при напряжении 120 кВ. Этот пучок фокусируется и отклоняется на угол от 33 до 37° посредством вращения системы скрещенных магнитных полей. Анод представляет собой вольфрамовое кольцо.
Электронный пучок может перемещаться по дуге одного из четырех колец с угловым размером 210°. В качестве детекторов используются комбинация сцинтилятор-фотодиод.
Технические характеристики, достигнутые в разработанной модели: время сканирования от 35 до 50 мс; толщина слоя 1 см; число слоев – достаточное для визуализации всего объема сердца; сканирование в реальном времени для изучения кровотока и сокращений сердца, качество изображения – на уровне серийных томографов четвертого поколения.
Итак, ряд задач кардиодиагностики может решаться с большим или меньшим успехом на обычных и модифицированных серийных компьютерных томографах. Однако возможности компьютерной томографии сердца могут быть реализованы в полной мере только после появления томографов со сканированием но многим сечениям, обладающих миллисекундным быстродействием.
