Возможности и ограничения современных методов медицинской визуализации.
Михайлов А.Н.
ГУ “Республиканская больница” УД Президента РБ, Кафедра лучевой диагностики БелМАПО, Минск, Республика Беларусь
(Материалы конференции 2002, том 2: 34-42)

Реферат. В статье рассматриваются возможности и недостатки разных методов лучевой диагностики и современных средств медицинской визуализации. Самую высокую разрешающую способность имеет стандартная рентгеногафия (20лп/мм). Цифровая рентгенография имеет разрешение от 0,7 до 5-6 лп/мм, то есть цифровое изображение значительно уступает аналоговому. Компьютерная томография позволяет дифференцировать патологические образования 2-3 мм. Магнитно-резонансная томография выявляет опухоли любой локализации, особенно эффективна в диагностике заболеваний мозга и позвоночника, суставов и сердечно-сосудистой системы без применения контрастных веществ. Приведены технико-эксплуатационные характеристики современных средств медицинской визуализации.

Ключевые слова: лучевая диагностика, медицинская визуалищация, рентгенография, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, ультразвуковая диагностика, средства медицинской визуализации.

OPPORTUNITIES AND RESTRICTIONS OF MODERN METHODS OF RADIAL DIAGNOSTICS.
A.N. Mikhailov

Abstract. In clause the opportunities and disadvantages of different methods of radial diagnostics and modern agents of medical visualization are surveyed. The highest resolving power has standard roentgenography (20lp/mm). Digital roentgenography has the sanction from 0,7 up to 5-6 lp/mm, that is the digital image considerably concedes analog. The computer tomography allows to differentiate pathological formations (educations) of 2-3 mm. The magnetic-resonans tomography taps tumours of any localization, is especially effective in diagnostics of diseases of a brain and backbone, joints and cardiovascular system without application of contrast agents. The technic-operational characteristics of modern agents of medical visualization are given.

Key words: radial diagnostics, medical visualisation, roentgenography, computer tomography, magnetic-resonans tomography, ultrasonic diagnostics, agent of medical visualization.

Современные методы лучевой диагностики включают рентгеновское исследование, рентгеновскую компьютерную томографию, ультразвуковое исследование, магнитно-резонансную томографию и другие способы лучевой диагностики.

Рентгеновский метод исследования является одним из старейших. Он применяется в медицине с целью диагностики более 100 лет. За это время накоплен громадный опыт. Он получил признание врачей всех специальностей. Рентгенология в медицине играет центральную роль как в обследовании пациентов, так и в инвазивных радиологических процедурах, все более зависящих от точной диагностической информации.

В настоящее время рентгеновское изображение получают, используя широкий спектр различных методов, включающих прямые аналоговые, непрямые аналоговые и цифровые технологии.

Основной принцип прямого аналогового изображения заключается в формировании информационного содержания объекта на рентгеновской пленке или флюоресцирующем экране точками, оптическая плотность которых отражает степень поглощения объектом рентгеновского излучения. Размер этих точек зависит от физико-химических свойств рентгеновской пленки и флюоресцирующих экранов, что в конечном итоге и определяет пространственное и контрастное разрешение. Из рентгенологических методов исследования рентгенография является объективным, надежным, испытанным методом. Она характеризуется самым высоким пространственным разрешением, единицей измерения которого является пар линий в мм. Так, на рентгеновской пленке можно различать20 лп/мм, при нормальной комбинации экран-пленка четкость изображения, или пространственное разрешение, составляют 10 лп/мм, т.е. меньше в 2 раза [1,3,6].

К недостаткам экранно-пленочной рентгенографии относят и ее низкую квантовую эффективность и малый динамический диапазон. Чтобы повысить квантовую эффективность рентгеновской пленки, необходимо применять большие экспозиционные дозы излучения, что ведет к излишнему радиационному облучению пациента. В свою очередь ограниченный динамический диапазон рентгеновской пленки препятствует одновременной передаче на одном снимке как мягких, так и плотных тканей, а также затрудняет выбор оптимальной экспозиции. Расходы на фотопроявочную технику и на фотохимический процесс продолжают расти и становятся решающими для многих лечебно-профилактических учреждений, что определяет заинтересованность администрации в переходе на более дешевые способы регистрации рентгеновского изображения. Еще одним негативным фактором экранно-пленочной рентгенографии являются трудности содержания пленочного архива. Согласно мировой статистики, до 20-25% рентгенограмм теряются. Далее, процесс проявления пленки требует определенных временных затрат. Изображение не передается на расстояние [6].

Непрямые аналоговые технологии – это технологии формирования изображения в несколько этапов: первоначально изображение воспроизводится на флюоресцирующем экране, затем оно проходит через усилитель, который увеличивает яркость изображения в тысячи раз, и только после этого оно фиксируется приемной телевизионной камерой с последующим выводом на экран монитора или видеомагнитофона. Качество такого изображения по простран-ственному разрешению заметно уступает классической рентгенографии. Но несом-ненным преимуществом этой технологии является уменьшение дозы облучения пациента и возможность дистанционного управления при исследовании [5,6].

Цифровая рентгенография – это рентгенография, при которой рентгеновское изображение преобразуется в цифровую форму, т.е. ей соответствуют определенные цифровые значения. Цифровое изображение представлено в виде цифровой матрицы, а точнее в виде числовых строк и колонок. Единицей площади цифрового изображения является пиксел. Если в обычной рентгенографии пространственное разрешение определяется, главным образом, зернистостью фотоматериалов и экрана, то в цифровой рентгенографии оно определяется размерами пиксела цифровой матрицы. В цифровом изображении пространственное разрешение в зависимости от свойств детекторов и размеров пиксела колеблется от 0,7 до 5-6 лп./мм, т.е. по пространственному разрешению цифровое изображение значительно уступает аналоговому. Но оно имеет ряд существенных преимуществ, а именно: хорошее контрастное разрешение в большом динамическом диапазоне, что значительно расширяет его диагностическую значимость и позволяет изучать как малоконтрастные, так и высококонтрастные тени на одном снимке. Вместе с тем, цифровое изображение можно обработать математически с помощью различных программ, его удобно архивировать и передавать без потерь на любые расстояния.

Новинкой в рентгенографии является полностью цифровой аппарат Digital Diagnost, предназначенный для стандартных рентгенографических процедур.

Digital Diagnost используется в трёх версиях:

- Digital Diagnost TH – цифровой рентгенографический Bucky стол для рентгенографии и томографии.

- Digital Diagnost VE/VT – цифровая рентгенографическая вертикальная стойка (вертиграф), как расширение Digital Diagnost TH.

- Digital Diagnost VR-E/VR-T – цифровая система для рентгенографии органов грудной клетки и других исследований на вертикальной стойке.

Система Digital Diagnost состоит из: интегрированного плоского детектора; системы обработки изображения: компьютер, система архивации, монитор, клавиатура с мышью; рентгенографического стола; генератора рентгеновской трубки с потолочной подвеской, коллиматора; цифровой вертикальной стойки Digital Diagnost VE или VТ. Эти системы предлагают все преимущества цифровых аппаратов: прекрасное качество изображений, высокая эффективность, высокая эргономика, снижение дозы облучения, гибкость для интеграции в цифровую инфраструктуру. Типичное применение для Digital Diagnost - это рентгенологические отделения с большой нагрузкой.

В отличии от обычных ренгенографических систем Digital Diagnost обеспечивает бесплёночную технологию рентгенографии благодаря использованию интегрированного плоского цифрового детектора размером 43х43 см. Плоский детектор генерирует цифровые изображения с высокой разрешающей способностью, которые обрабатываются компьютером. Программное обеспечение компьютера для обработки изображений автоматически оптимизирует качество изображения, которое выводится на дисплей сразу после выполнения экспозиции. Это ведёт к значительной экономии времени в сравнении с обычными системами и резко увеличивает пропускную способность и/или снижает необходимость в других рентгенографических кабинетах. Все основные функции системы выполняются автоматически: установки генератора и коллиматора, автоматическая установка фильтров, экспозиция, обработка изображения в соответствии с выбранной анато-мической зоной, DICOM экспорт изображений, распечатка на лазерном принтере.

Матрица плоского детектора состоит из 9 миллионов пикселей с глубиной 14 бит. В комбинации с высокой квантовой эффективностью детектора ( DQE) это обеспечивает достаточную разрешающую способность - 3,5 лп/мм .

Новый метод обработки изображения основан на специальной функции выравнивания котрастности. Данные плотности изображения математически трансформируются в видимый спектр восприятия. Зоны с очень высокой и низкой плотностью конвертируются алгоритмом уравнивания динамического диапазона (Dynamic Range Equalisation) до приемлемых уровней плотности. Таким образом, кости и мягкие ткани прекрасно видны на одном изображении.

Компьютерная томография – это метод рентгенологического исследования, заключающийся в круговом просвечивании пациента рентгеновским излучением с последующей регистрацией рентгеновского изображения чувствительными детекторами, где оно преобразуется в электрические импульсы. Последние после усиления передаются в ЭВМ, где по специальному алгоритму они реконструируются и создают изображение объекта, представляемого на мониторе. Было создано несколько поколений РКТ. Новым достижением является создание «спиральной» компьютерной томографии, что позволяет на основе непрерывного вращения рентгеновской трубки и движения стола добиться получения четкой дифференциации между тканями патологического очага размером 2-3 мм, а также и трехмерного изображения органов и сосудов [2,4,5,6].

Новая серия компьютерных томографов, например, фирмы Philips – Mx8000 представлена системами с многорядными детекторами – от 2 до 24 отдельных рядов детекторов, что позволяет одновременно за одну ротацию трубки получать от 2 до 16 срезов в зависимости от количества рядов детекторов.

Это сверхбыстрые компьютерные томографы – время полного скана (360?) составляет менее 0,5 сек., что позволяет достичь небывалой скорости исследования – до 38 срезов за 1 секунду с субмиллиметровой точностью. Время реконструкции – до 4 изображений в секунду. Открываются большие возможности в проведении очень быстрых исследований высокого качества с большим объемом сканирования. Помимо стандартной для РКТ матрицы в 512?, используются матрицы 768? и 1024?, что обеспечивает очень высокую разрешающую способность – до 24 пар линий/см.

Компьютерные томографы Mx8000 могут использоваться не только для проведения стандартных исследований, но и для специализированных: ангиография, интервенционные вмешательства, кардиологические исследования, функциональные исследования .

Ультразвуковая диагностика относится к основным методам медицинской визуализации. Метод УЗИ основан на эхолокации глубоких тканей организма, а именно на изучении зондизующего импульса ультразвука и приеме сигналов, отраженных от поверхности раздела тканевых сред, которые обладают различными акустическими свойствами. Чем значительнее разница волновых сопротивлений граничащих друг с другом сред, тем амплитуда сигнала больше.

Метод УЗИ обладает хорошей разрешающей способностью, возможностью проведения многократных исследований, безопасен для больного. УЗИ получило широкое распространение в лечебно-профилактических учреждениях нашей страны. Методы УЗИ дополняют рентгенодиагностику, РКТ, МРТ при распознавании заболеваний, дифференциальной диагностике, наблюдении за динамикой патологического процесса и оценке результатов лечения. Большим достоинством УЗИ является возможность под контролем ультразвука брать биоптат для анализа [4].

В настоящее время широко внедряется в практику цифровая ультразвуковкая диагностика. Так, полностью цифровые аппараты HDI предназначены для проведения как стандартных, так и специальных ультразвуковых исследований. Они позволяют проводить все виды стандартного ультразвукового исследования ( М-режим, В-режим, импульсный, непрерывный и цветовой допплер), имеют Zoom высокого разрешения в реальном масштабе времени, режим энергетического сосудистого допплера (Color Power Angio).

За счет использования цифровой методики широкополосного формирования ультразвукового сигнала в аппаратах серии HD изображение на экране монитора получается равномерно четким на значительном расстоянии от плоскости датчика и равномерно качественным вне зависимости от этого расстояния.

Использование широкополостных датчиков избавляет от необходимости переключения частот, как это происходит на многочастотных датчиках. Аппараты HDI получили первый и единственный сертификат FDA U.S. на использование ультразвука при дифференциальной диагностике опухолей молочной железы. Лидерство систем HDI в области технологий привело к тому, что эти аппараты были выбраны NASA для участия в работе Международной Космической Станции.

В стандартное оснащение входит программа получения изображения тканевой гармоники, что позволяет получать изображения, лишенные большинства обычных артефактов. Данная программа значительно облегчает обследование «проблемных» пациентов, сводя к минимуму риск диагносических ошибок.

В системы может быть включена программа получения трёхмерных изображений на основе черно-белых изображений и цветового Допплера с любым датчиком. Новая ультразвуковая система HDI 4000 позволяет выполнять исследования в трёхмерном режиме в реальном масштабе времени. Возможна комплектация аппаратов программой стресс-эхо для проведения углубленных кардиологических исследований.

Широкий выбор датчиков - конвексных, линейных, фазированных, внутриполостных, интраоперационных, чрезпищеводных – дает возможность до максимума расширить область применения ультразвукового метода исследования, а их взаимозаменяемость позволяет приобретать аппараты с меньшими затратами за счет широкого варьирования конфигурацией по набору датчиков в процессе эксплуатации.

Цифровые аппараты серии HDI имеют современную систему сохранения и передачи изображений. Ультразвуковые системы HDI 1500, HDI 3500, HDI 4000, HDI 5000 полностью готовы к подключению как к внутригоспитальной (локальной) сети с использованием персональных компьютеров клинических врачей других отделений для проведении виртуальных консультаций и конференций, так и к межбольничной сети через модем для проведения консультаций специалистами других лечебных учреждений через Интернет.

Все аппараты имеют цифровое архивирование изображений на внутренний жесткий диск или на магнитооптический диск с выводом сохранённых изображений на экран для последующего редактирования, проведения измерений, сравнения, пересылки изображений на консультацию. Кроме того, использование цифровых аппаратов, объединенных сетью, позволяет во многих случаях отказаться от произведения твердых копий на термопринтере (для консультаций и т.п.), что сокращает финансовые затраты на расходные материалы.

Аппарат HDI 1500 является скрининговой системой высокого класса, а систе-мы HDI 3500, HDI 4000 или HDI 5000 экспертными системами, что позволит использовать в диагностике патологии высокоинформативные методы исследования.

Магнитно-резонансная томография – важнейший клинический метод диагностики многих заболеваний человека. Метод может выявлять опухоли любой локализации, большинство заболеваний головного и спинного мозга, сердца, опорно-двигательного аппарата. Он находит применение в диагностике и дифференциальной диагностике заболеваний молочной железы. Особенно эффективна МРТ в исследовании печени и диагностике очаговых поражений этого органа. С помощью МРТ можно исследовать сосуды без применения контрастных веществ. МР томография эффективна и диагностике заболеваний органов малого таза, поджелудочной железы, почек и надпочечников и других органов [4,5].

Многие зарубежные фирмы производят МР-томографы. Так, одна из ведущих мировых фирм Philips предлагает к настоящему времени полный ассортимент МР-томографов для исследований всех видов. Сюда относятся аппараты открытой конструкции серии Panorama (до 1.0 Тесла) и закрытого типа Intera (до 3.0 Тесла) . Новая серия МРТ фирмы Philips Gyroscan Intera представлена аппаратами с напряжённостью магнитного поля 0.5Т, 1.0Т, 1.5Т и ультравысокой напряжённостью 3.0Т.

Аппараты серии Intera оборудованы компактным магнитом с интерактивным режимом реального времени. Все магниты Intera – платформы короче, весят меньше и более гомогенны, чем другие магниты с равными величинами напряжённости магнитного поля. Мировая новинка –это первый МР-томограф с магнитным полем 3.0 Тесла, уже опробованный в клинической практике. Intera 3.0 Т идеален для морфологических и параметрических исследований головного мозга. Аппарат Panorama 1.0 Тесла открытой конструкции с самоэкранирующимся магнитом предназначен для универсальной диагностики и лечения.

Скорость реконструкции на современных аппаратах фирмы Philips достигла 255 изображений в сек! – величина, которую не может достичь ни один аппарат другой фирмы. Это позволяет проводить МР-томографию в реальном масштабе времени.

В сотрудничестве с Институтом биомедицинской техники и медицинской информатики (IBTZ, Цюрих, Швейцария) Philips разработал технику сканирования SENSE для ускорения формирования изображения. Этот метод параллельного сканирования приводит к дополнительному сокращению всех видов исследования минимум в 2 раза.

Модульная конструкция Intera позволяет дооснощать базисное программное обеспечение специальными программами для проведения таких сложных исследований как:

- морфологическое и функциональное исследование сердца,

- исследование функции сердца и клапанов в условиях покоя и нагрузки,

- определение сердечной перфузии,

- отображение венечных артерий,

- определение жизнеспособности сердечной ткани,

- параметрическая МРТ для выделения показательных участков коры головного мозга и обнаружения очагов эпилепсии,

- ранняя диагностика инсультов,

- спектроскопия и турбо-спектроскопические исследования для выделения мест биопсии с метаболической активностью и контроля резекции опухоли и эффективности лечения дегенеративных заболеваний (напр. болезней Паркинсона и Альцгеймера),

- исследование всей сосудистой системы от брюшной аорты до стоп за один сеанс, визуализация метастазов во всём теле.

Таким образом, рассмотренные основные методы лучевой диагностики играют центральную роль в медицине. Причем диагностическая визуализация не должна быть редкой привилегией, она должна быть правом любого пациента, если врач уверен в том, что поможет в постановке диагноза и организации лучшего лечения.

Визуализационная диагностика – дисциплина дорогая. Отбор и приобретение диагностического оборудования должны осуществляться специалистами и организаторами здравоохранения.Решения их должны базироваться не только на нуждах пациентов, но и на доступности того или иного вида лечения. Поэтому программа обновления материально-технической базы отрасли имеет очень важное значение для нашей страны. Она будет использована для управления выбором и распределением диагностической аппаратуры в системе здравоохранения.

К настоящему времени разработано и внедряется в практику множество различных методов получения диагностического изображения, поэтому практические врачи нуждаются в соответствующих рекомендациях. Перед врачами всегда стоят вопросы: Как из большого числа существующих методов медицинской визуализации выбрать наиболее эффективный в конкретной клинической ситуации? Какой подход является наиболее эффективным в контексте визуализации этого случая? Какой порядок получения изображения необходим, чтобы обеспечить точную, быструю и экономичную диагности-ку? Не менее важно знать, нужно ли вообще прибегать в ряде случаев к этому методу. В расчет следует принимать и качественные характеристики местного ЛПУ и ответ на простой вопрос: ”Чем можно помочь больному после того, когда будет установлен диагноз?” Следовательно, должны быть определены приоритеты. Порядок выполнения исследований будет иметь много местных вариаций.

По нашему мнению, хорошо организованная лучевая диагностика обеспечит быструю и точную диагностику заболеваний, что приведет к сокращению сроков пребывания на койке, к быстрому возвращению больного домой или на рабочее место.

Оздоровление населения, раннее распознавание заболеваний, квалифицированное и быстрое лечение, восстановление нарушенных функций организма и трудоспособности являются самыми приоритетными направлениями в работе органов здравоохранения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бару С.Е. Безопасная рентгенография//Наука в России.-1997. -№4.-С.12-16.

2. Блинов Н.Н., Варшавский Ю.В., Зеликман М.И. Цифровые преобразователи изображения для медицинской радиологии//Компьютерные технологии в медицине.-1997.-№3.С.19-23.

3. Блинов Н.Н. Рациональный выбор оснащения рентгенодиагностического отделения //Вестник рентгенол. и радиол.-1998.-№1.-С.47-52.

4. Михайлов А.Н. Лучевая диагностика в гастроэнтерологии.-Минск, 1994.-647с.

5. Михайлов А.Н. Руководство по медицинской визуализации.-Минск, 1996.-506с.

6. Михайлов А.Н. Средства и методы современной рентгенографии.-Минск: Бел.наука, 2000.-242 с.