Томографи


Веселин Бориславов Петков, Радослав Димов Георгиев
II курс на ПГ по КТС гр. Правец, към ТУ – София
Ръководител ст. Преп. Цеца Цолова Христова

Томографията е метод за получаване на двумерен образ на тънък слой от тъкани, лежащи между два напречни трансверзални среза на определена дълбочина в тялото. Формирането на образа става в три фази – скениране, компютърно реконструиране и визуализиране. Компютърната томография е метод, при който томографски образ се получава чрез математична обработка с компютър на масив от едномерни сигнали, получени в резултат от някакво въздействие.
Видове томографи :
Според вида на въздействието, компютър-томографските методи биват:
• pентгенова компютърна томография (СТ);
• магнитно-резонансна томография (MRI);
• емисионна компютърна томография (SPECT);
• позитрон-емисионна томография (PET).
Формирането на образа става в три фази – скениране, компютърно реконструиране и визуализиране.
История:
През 1956 г. Мак Кормак разработва математичната теория за реконструиране на образа, а през1972 г. английският физик Хаунсфийлд разработва първия СТ-скенер за изследване на главния мозък (EMI Mark I). За откритието си, двамата получават през 1979 г. Нобелова награда по физиология и медицина.За повече информация можете да видите сайтът Nobelprize.org.
П о к о л е н и я к о м п ю т ъ р н и т о м о г р а ф и
Те се различават по формата на рентгеновия сноп; по геометрията на детекторната система и по времето за скениране.
Първото поколение CT
Разработен е от Хаунсфийлд през 1972, с който е възможно изследване само на глава. При него се използва тесен колимиран сноп рентгенови лъчи и само един срещулежащ детектор. Системата рентгенова тръба-детектор извършва транслационно-ротационно движение.Осъществяват се 160 успоредни линейни сканирания (транслации) в множество направления в трансверзалната равнина, осигурявани чрез ротация на тръбата и детектора. За получаването на образа на един срез са необходими 5 минути.
Второто поколение СТ
Второто поколение СТ се различават от първото по наличието на няколкодесетки детектори и по използването на разходящ ветрилообразен сноп рентгенови лъчи с ъгъл при върха на ветрилото 100, който не обхваща целия обект. Поради това, за да се осъществи скенирането на целия обект, системата тръба-детектори извършва транслационно-ротационно движение. Това означава, че системата скенира обекта чрез успоредни премествания и чрез завъртане в трансверзалната равнина, поради което за получаване на един срез са необходими около 20 секунди. Трето поколение
Трето поколение томографи е в ъведено през 1975 г., използва широк ветрилообразен сноп рентгенови лъчи, изцяло покриващ обекта и голям брой срещулежащи детектори.При това отпада транслационното движение; системата тръба-детектори извършва само ротационно движение, осигуряващо скенирането на целия обект. Образът на един срез се получава за време, по-малко от секунди. Много от съвременните скенери са базирани на тази геометрия на системата рентгенова тръба-детектори. При компютъртомографите от трето поколение след всяка ротация въртенето трябва да спре, защото детекторите и тръбата са свързани чрез кабели с неподвижна електроника. В началото на 90-те години на ХХ век се е използвала технологията “ хлъзгащ се пръстен”– контактен пръстен, чрез който се осъществява подаването на високо напрежение и отвеждането на сигналите. Това позволява непрекъснатото въртене рентгеновата тръба. Добавен към скенерите от трето или четвърто поколение, контактният пръстен прави възможно въвеждането на “спиралната” компютърна томография , отделяна в някои публикации като шесто поколение СТ. Разликата между този тип СТ и предходните е в това, че по време на скенирането масата с пациента се движи постъпателно, докато рентгеновата тръба се върти непрекъснато, като по този начин скенирането на обекта е по спирална траектория. Това съкращава времето за изследване.

Схема изобразяваща принципът на действие на трето поколение томографи
Четвъртото поколение
Четвърто поколение томографи притежават много на брой неподвижни детектора, изцяло запълващи пръстена около пациента. При това,ротационно движение извършва само рентгеновата тръба. след всяка ротация При компютъртомографите от четвърто поколение след всяка ротация въртенето трябва да спре, защото детекторите и тръбата са свързани чрез кабели с неподвижна електроника. В началото на 90-те години на ХХ век се е използвала технологията “ хлъзгащ се пръстен”– контактен пръстен, чрез който се осъществява подаването на високо напрежение и отвеждането на сигналите. Това позволява непрекъснатото въртене рентгеновата тръба. Добавен към скенерите от трето или четвърто поколение, контактният пръстен прави възможно въвеждането на “спиралната” компютърна томография , отделяна в някои публикации като шесто поколение СТ. Разликата между този тип СТ и предходните е в това, че по време на скенирането масата с пациента се движи постъпателно, докато рентгеновата тръба се върти непрекъснато, като по този начин скенирането на обекта е по спирална траектория. Това съкращава времето за изследване.

Пето поколение :
Това са компютърните-томографи, предназначени за кардиологията – т.н. кино СТ скенер. При него не се използва рентгенова тръба; електроните се генерират в електронна пушка и бомбардират волфрамови мишени, разположени в 4 успоредни пръстени във вид на арка с ъгъл 2100 около пациента. Всички елементи са неподвижни.Електронният лъч се направлява по мишената чрез магнитно поле. Срещу мишените е разположена арка от кристални фотодиодни детектори. Образът на един се получава за около 50 ms.

Схема изобразяваща принципът на действие на Пето поколение томографи

Как работи ПЕТ?
Рентгенови снимки се получават чрез облъчване с рентгенови лъчи на човека или на филма. Това изображение на сянката показва н якои структур и в т ялото , като хрущяли и кости. CT скенерите използват финни пото ци от рентгенов и лъчи. Чрез обстрелване на тялото в няколко направления CT скенера може да изгради с ъ ставно изображение на анатомически те дета й л и в ътре през част от пациента. Образът на магнитния резонанс прави много от тези неща, но използва магнитно поле и радиовълни. За разлика ПЕТ скенера използва радиацията, излъчена от пациента за да се прояв и изображени е . На всеки пациент му дават незначително количество радиоактивно лекарство, близко до естествен ото вещество , използвано от тялото. П ример за тако ва лекарство е з ахар та дву-флуор-дву-деокси-дву-глюкоза ( FDG ), ко йто е подобен на естествен ата захар, глюкоза, с добав яне на радиоактив ен атом на флуора.Гама радиация та, произведен а от емитирания по з итрон от ф луора се улавя от ПЕТ и показва във финни детайли метаболизм а на глюкоз ата в моз ъка . При анихилацията се излъчват два гама кванта с енергия 511 keV , под ъгъл 180 o от точката на колизията. Двойките анихилационни фотони се разпространяват в диаметрално противополжни посоки и се регистрират от сцинтилационни детектори влючени в схема на съвпадене. Детектира се анихилационно лъчение получавано при взаимодействието на позитроните излъчени от радиофармацефтика, с електрони от изследваните тъкани.
Клинични приложения на позитронно-емисионната томография



Областа на Кардиологията:
• Изследване на кардиологичен статус

• Диетологични изследвания на FDG метаболизъм в миокарда
• Параметрични изследвания (изследване на сърдечния метаболизъм на глюкозата)


• Изследване на коронарните кръвоносни съдове ( Polar Maps )

• Заболявания на кръвоносните съдове
• Изследване жизнеспособността на миокарда

• Изследване на различни видове исхемия и др.
Неврология
• Изследване функциите на мозъка
• Метаболитно развитие на мозъка

• Болест на Алцхаймер
• Мозъчни тумори
• Дeфекти в развитието на мозъка
• Диагностициране на ранни стадий на спазми в мозъка

• Паркинсонова болес

Травми на главата
Онкология
• Онкологична диагностика на цялото тяло

• Изследване на бял дроб
• Откриване на мозъчни тумори
• Онкологично изследване на цялата глава и шията
Какви болести могат да бъдат изследвани?
Пет томографа има все повече важна клинична роля. Пет сканирането, използвайки радиоактивен флуор FDG довежда до облъчване на пациента около или по-малко от другите медицински процедури, като рентгенови снимки например.В таблицата по-долу са дадени клинични приложения на изотопите за ранно откриване на дадените заболявания:
Легенда
m – минути h - часове
d - дни y – години

Нуклиди използвани в позитронно-емисионната томография
За диагностика Период на полуразпад T 1/2
Приложение
11 C (20.4 m ) Онкология
13 N (9.97 m ) Миокардиален поток
15 O (2.04 m ) Изучаване на мозъчната дейност
18 F (110 m ) Онкология, неврология, кардиология
52 Fe (8.28 h )
55 Co (17.53 h )
61 Cu (3.33 h )
6 2 Cu (9.74 m)
64 Cu (12.7 h)
62 Zn (9.19 h)
63 Zn (38.47 m)
70 As (52.6 m)
71 As (65.28 h)
74 As (17.77 d)
76 Br (16.2 h)
82 Rb (1.27 m)
86 Y (14.74 h)
89 Zr (78.4 h)
110 In (4.9 h)
120 I (81.0 m)
124 I (4.18 d)
122 Xe (20.1 h)
За калибровка на томографа
22 Na (2.60 y)
68 Ge (270.8 d)
68 Ga (67.6 m)
За терапия
89 Sr (50.5 d)
153 Sm (46.3 h)

Маркери се прилагат при:
• Изследване на процеси като: кръвнен поток, мембранен транспорт, метаболизъм, синтез и комплексно-рецепторно взаимодействие.
• Картографиране на полетата на аксоналната - ентеро и ретроградна дифузия.

• Изследване на взаимодействието но лекарствените препарати с биохимичните системи на организма.
• Изследване на ДНК (Количествен анализ на рекомбинантни ДНК
• Определяне точната възраст на клетките.

Използвана литература:
1. Д.Кюнцел “Човешкият организъм-здрав и болен” Издателство: Медицина и физкултура София 1985
2. http://medimg.hit.bg/
3. Индустриална томография — Уикипедия
4 . Элементы - новости науки: Томограф проследил за работой человеческой памяти

Томографи

ПОЗИТРОННО-EМИСИОННА ТОМОГРАФИЯ
ЦЕЦА ЦОЛОВА, ПГ ПО КТС, ГР. ПРАВЕЦ, КЪМ ТУ-СОФИЯ
ЮЛИЯ ДИМИТРОВА, СТУДЕНТКА, III КУРС ФИЗИКА, СУ “КЛ. ОХРИДСКИ”


Какво е ПЕТ?
Позитронно-емиссионния томограф (ПЕТ) е ново, уникално устройство, позволяващо бързо, в амбулаторни условия, по безкръвен начин абсолютно точно да се установи наличието в изследвания пациент на някакви отклонения от нормата в областта на онкологията, ендокринологията, неврологията и много други.
Класическите методи на изследване (рентгенов, компютърен и ядрeна томография) отразяват структурата на органа и нейните изменения. ПЕТ точно регистрира явления, които ги предшестват - изменения в обменните процеси. ПЕТ официално е признат за апарат, чувствителността на който много е много по-голяма, отколкото при неговите праобрази - компютърния и магнитоядрения томограф. Освен това, новият метод в сравнение с традиционните може да отчита новите функции и техните изменения много по качествено, което помага за ранното разпознаване на патологичните наченки много преди появяване на патологичните изменения, което е много важно при диагностиката на тумори и техните метастази, възпалителните процеси, повреждане на миокарда, епилепсия и многи други заболявания. В частност ПЕТ – е единствения в света апарат, позволяващ диагностициране на тумори на така наречения "нулев" стадий.
Всички изследвания се провеждат в амбулаторни условия, нямат противопоказания, странични действия, възрастoви ограничения, не травмират и могат неоднократно да се повтарят без риск за болния.
Продължителността на изследванията е от 30 до 90 минути.
Това е нов метод за сканиране в медицинските изследвания. ПЕТ ни позволява да измерим подробно функциите на определнте зони от човешкия мозък, докато пациентът е в удобно положение, буден и в съзнание. Ние можем да изучим химическите процеси, които протичат в здравия или болен човек по начин, който преди беше невъзможен. Преди появяването на ПЕТ скенера можеше да се заключи какво е станало в мозъка само чрез аутопсия след смъртта или при изучаване на животни.
ПЕТ скенера ни дава изображение на работещия мозък. Подробности четете на: http://www.triumf.ca/welcome/petscan.html
Подробности за лечение на меланома на окото може да видите на: http://www.triumf.ca/welcome/proton_thrpy.html
Видеофилм за работата на ПЕТ томографа може да видите на:
http://www.ucl.ac.uk/cmic/howpetworks/pet/index.php

Позитронът: Еквивалент на античастица на електрона.
Позитрона се създава по време на разпада на ядрото на специфични радиоизотопи. Типа на радиоактивния флуор, произведен за ПЕТ е излъчвател на позитрони. Когато две античастици се срещнат, те анихилират(фиг.1). Когато позитрон среща електрон, от анихилацията се получават 2 гама-лъчи, имащи една и съща енергия, но се движат в противоположни направления(фиг.) Гама-лъчите излизащи от тялото на пациента се улавят от ПЕТ сценера. Информацията за това, подадена в компютъра, се преобразувана в сложно изображение на работещия мозък.

фиг.1 фиг.2
Как работи ПЕТ?
Традиционните рентгенови снимки се получават чрез облъчване с рентгенови лъчи на човека или на филма. Това изображение на сянката показва някои структури в тялото, като хрущяли и кости. CT скенерите използват финни потоци от рентгенови лъчи. Чрез обстрелване на тялото в няколко направления CT скенера може да изгради съставно изображение на анатомическите детайли вътре през част от пациента. Образът на магнитния резонанс прави много от тези неща, но използва магнитно поле и радиовълни. За разлика ПЕТ скенера използва радиацията, излъчена от пациента за да се прояви изображение. На всеки пациент му дават незначително количество радиоактивно лекарство, близко до естественото вещество, използвано от тялото. Пример за такова лекарство е захарта дву-флуор-дву-деокси-дву-глюкоза (FDG), който е подобен на естествената захар, глюкоза, с добавяне на радиоактивен атом на флуора (фиг.3).Гама радиацията, произведена от емитирания позитрон от флуора се улавя от ПЕТ и показва във финни детайли метаболизма на глюкозата в мозъка (фиг.4).
Подробности може да видите на:
http://depts.washington.edu/nucmed/IRL/pet_intro/

http://www.howpetworks.com/

http://www.triumf.ca/welcome/petscan.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography


Какво чувства пациента, когато му правят ПЕТ томография?
По време на сканирането пациента лежи в удобно положение и главата му се поставя в томографа. За кратко време главата на пациета трябва да се държи неподвижно и единственият дискомфорт е поставянето на инжекцията с радиоактивното лекарство. В зависимост от lлекарството е възможно да се направи венозна инжекция или инхалация.

Какво ни показва сканирането?
Функцията на мозъка, която ще бъде изучавана по време на сканирането се определя от вида на лекарсвото, което е използвано. Кислород 15 можe да се използва за определяне на кислородa и за изучаване на метаболизма на кислорода, въглеродния окис за изучаване на количеството на кръвта, водата за изучаване на подаването на кръв в мозъка. Подобно флуор 18 е прикрепен към молекулите на глюкозата за произвеждането на FDG за използване за наблюдаване на метаболизма на захарта в мозъка. Съществуват много повече ПЕТ радиолекарства и изследването трябва да подпомага все повече изследването на работата на мозъка. Например допа е химически активен в мозъчните клетки е определено с позитронно излъчване на флуора или въглерода и приложен в изследване на комуникацията между някои мозъчни клетки е за болни от дистония, болест на Паркинсон или шизофрения.

Характеристики на някои изотопи, използвани в ПЕТ томографията:

Изотоп Период на полуразпадане (min) Max енергия на позитрона (MeV) Пробег във вода (в mm) Начин на производство
11C 20.3 0.96 1.1 циклотрон
13N 9.97 1.19 1.4 циклотрон
15O 2.03 1.70 1.5 циклотрон
18F 109.8 0.64 1.0 циклотрон
68Ga 67.8 1.89 1.7 генератор
82Rb 1.26 3.15 1.7 генератор
75Br 98.0 циклотрон


Какви болести могат да бъдат изследвани?
Пет томографа има все повече важна клинична роля. Пет сканирането, използвайки радиоактивен флуор FDG довежда до облъчване на пациента около или по-малко от другите медицински процедури, като рентгенови снимки например.В таблицата по-долу са дадени клинични приложения на изотопите за ранно откриване на дадените заболявания:

Изотоп Радиоактивно съединение Физиологичен процес или функция Типично приложение Справка
11C метоинин Синтез на протеини Онкология Hellman et al (1994)

11C флумазенил Бензодиазепин рецептор антагонист епилепсия Burdette et al (1995)

11C раклоприд D2 рецептор антагонист Смущение в движението Antonini et al (1997)

13N амониа Кръвен поток Миокардиален поток Kuhle et al (1992)

15O Въглероден двуокис Кръвен поток Изучаване на мозъчната дейност Kanno et al (1984)

15O вода Кръвен поток Изучаване на мозъчната дейност Huang et al (1983)

18F Флуородеокси глукоза Глукозен метаболизъм Онкология, неврология, кардиология Brock et al, 1997 (review)

18F Йон на флуор Костен метаболизъм Онкология Hawkins et al(1992)

18F Флуоро-мизонидезол хипоксия Онкология, отнасяща се до радиотерапия Koh et al (1995)


От следната WEB страница може да се опитате да решите прeдложеният тест: http://www.ucl.ac.uk/cmic/howpetworks/pet/index.php?page=worksheet
Позитронно-емисионната томография играе и ще играе все по-важна роля при клиничните изследвания и ще помага за ранното откриване на заболяванията, както и за лекуването им. При това тя е напълно безвредна и безболезнена.

Използвана литература:
http://www.triumf.ca/welcome/petscan.html
http://www.triumf.ca/welcome/proton_thrpy.html
http://www.ucl.ac.uk/cmic/howpetworks/pet/index.php
http://depts.washington.edu/nucmed/IRL/pet_intro/
http://www.howpetworks.com/
http://www.triumf.ca/welcome/index.html
http://www.ucl.ac.uk/cmic/howpetworks/pet/index.php?page=worksheet
http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography