Výpočetní tomografie (Computed tomography)
Zobrazovací metoda využívající rentgenové záření k zobrazení těla
pacienta v jednotlivých řezech (vrstvách)
• CT zobrazuje denzitu tkání (útlum (atenuace) RTG záření v
závislosti na atomovém čísle prvků ve tkáních)
• RTG paprsky prochází tělem pacienta, kde jsou utlumeny, poté
se detekují a vzniká tak jedna projekce, tento postup se
opakuje pod různými úhly RTG paprsku, soustava přitom
obkrouží tělo pacienta, za vzniku souboru projekcí, ze
kterého se matematickými výpočty rekonstruuje výsledný
obraz
Rekonstrukce CT obrazu
• Jedním z rekonstrukčních CT algoritmů je
filtrovaná zpětná projekce, která promítá
jednotlivé projekce pod úhlem, pod kterým
byly pořízeny, do trojrozměrné matice,
superpozicí dat vzniká výsledný obraz
• Čím více projekcí je pořízeno, tím přesnější
obraz lze získat
• RTG snímek je sumačním zobrazením
daného objektu, ztrácí se informace o hloubce
uložených tkáních (každý bod obrazu vypovídá o útlumu všech tkáních, kterými
prošel, z obrazu nelze odlišit, ve které tkáni se po cestě utlumil více)
• Tento problém řeší CT náběrem mnoha projekcí pod různými úhly,
výsledkem po rekonstrukci je trojrozměrný obraz, výhodou je i lepší
kontrastní rozlišení tkání
• Princip rekonstrukce spočívá ve výpočtu útlumu v
jednotlivých bodech obrazu
• Útlum paprsku procházející tělem vypovídá o
souhrnném útlumu tkání v daném směru vyjádřený
číselnou hodnotou
• Při změně směru chodu paprsku tkání získáme odlišnou hodnotu útlumu, která
vypovídá o uložení tkáních v tomto směru
• Soubor rovnic o x neznámých (v tomto případě na
obrázcích o 4) a jejich vyřešením získáme hodnoty
útlumu v každém bodu obrazu
• Výsledek zobrazujeme v podobě CT čísel
CT číslo (Hounsfield unit - HU)
• CT číslo vychází z absorpčního koeficientu tkáně
(nejsou však ekvivalentní)
• Pro lepší názornost se fixně stanovilo CT číslo vody na
hodnotu 0
• Ostatní CT čísla se od této hodnoty odvozují dle vztahu
,
µi...absorpční koeficient tkáně, µw...absorpční koeficient vody
• CT čísla tkání (zdroj: Základy zobrazovacích metod)
Tkáň CT číslo
vzduch -1000
tuk -50 až -100
voda 0
mozkomíšní mok 15
bílá hmota mozková 20 až 30
šedá hmota mozková 37 až 45
nekoagulovaná krev 30 až 45
játra 50 až 65
koagula 60 až 80
kost nad 700
kovy až 3000
Konkrétní hodnoty z různých zdrojů se mohou trochu lišit
• Číselný rozsah CT čísel nabývá 212 (4096) hodnot, rozdělených od -1000 pro
vzduch po 3096 pro kovy
• V obraze se CT čísla znázorňují pomocí odstínů šedé
• Lidské oko není schopné rozeznat tak velký dynamický rozsah šedi, proto se
požívá pouze přibližně do 60 odstínů šedotónové stupnice a zobrazuje pomocí
CT oken, tím se zvýrazní malé rozdíly ve tkáních s podobnou denzitou (např. u
měkkých tkání)
• Existují okna pro rozlišení detailů kostí, měkkých tkání (mediastinální,
mozkové, břišní) a plicní a jiné
• Okno má svůj střed (window centre - WC) a šířku (window width)
• Hodnoty nad horní hranicí okna se zobrazí bíle, hodnoty pod dolní hranicí černě
• Střed okna se volí s ohledem na CT číslo typu tkáně, která nás nejvíce zajímá
• Čím užší okno je, tím kontrastněji se zobrazí tkáně s podobnou denzitou
Příklad aplikace 3 různých okének na stejný řez pacientem, první obraz - mediastinální okno (dobře
rozeznatelné cévy mediastina, plicní tkáň leží denzitou pod dolní hranicí okna, proto je zobrazena černě, z
tohoto obrazu nehodnotitelná), druhý obraz - plicní okno (dobře rozeznatelná plicní kresba, potlačen
kontrast v mediastinu a měkkých tkáních), třetí obraz - kostní okno (na předchozích obrazech je zkreslená
tloušťka kortiky žeber, ve třetím obraze jsou kosti nejlépe hodnotitelné, ve všech obrazech je patrný
proužkový artefakt z kovových implantátů v páteři a levém žebru)
• Příklad CT okének (zdroj: Zobrazovací metody pro radiologické asistenty)
Typ okna Střed okna Šířka okna
Mozek 30 75
Břicho 35 350
Mediastinum 40 400
Plíce -600 1600
Skelet 300 1300
Konkrétní hodnoty z různých zdrojů se mohou trochu lišit
Konstrukce CT přístroje
• Konstrukce tvořena rentgenkou a protilehlým polem detektorů
• Uprostřed leží pacient, kolem kterého se soustava otáčí
• Starší modely (generace) byly tvořeny malým počtem detektorů, celková doba na
zobrazení jedné vrstvy byla vysoká a v praxi
nepoužitelná
• Dnes se nejčastěji používá 3. generace CT přístrojů
o Jeden zdroj RTG záření, na protilehlé straně
pole detektorů, které pokrývají celou šířku těla
pacienta, RTG paprsek je fokusován do tvaru
vějíře
o Po sejmutí jedné projekce se systém otočí o
definovaný úhel a snímá se další
o Výhodou oproti starším generacím je, že se
každá projekce pořizuje najednou (nedochází k
posuvu pro pokrytí celé šíře těla pacienta), tím je doba vyšetření
podstatně kratší a obraz méně ovlivněn pohybem pacienta
o Rychlou rotaci gantry umožňuje náhrada přívodních napájecích kabelů za
systém “slip-ring”, jsou to třecí kartáče vodivě spojené, mezi kterými
dochází k přenosu elektrické energie, data se přenášejí většinou
bezdrátově
o Doba 1 otočení gantry kolem 0,2 s
Typy snímání
• Konvenční (axiální)
o Nejstarší metoda
o Systém provede jednu otáčku, během toho
nasnímá jednu vrstvu, pak se posune a snímá další
vrstvu
• Spirální
o Kontinuální expozice i pohyb pacientského stolu, výsledkem je
šroubovitá trajektorie nasnímaných dat
o Dnes používané
o Výhody: díky rychlejší akvizici lze nasnímat
některé orgány celé v průběhu jednoho nádechu,
je možné aplikovat méně KL pro optimální
zobrazení
o Rychlost pohybu stolu s pacientem (pitch faktor)
ovlivňuje překryv sousedních vrstev šroubovice,
čím pomalejší pohyb stolu je, tím více se
překrývají, dávka roste, ale zrekonstruovaný obraz je přesnější
• Snímání více vrstev
o Multidetektorové CT (MDCT) systémy mají
detekční zónu uspořádanou do 2D pole
o V ose z (podél těla pacienta) jsou detektory
naskládány za sebe
o Na jednu otočku gantry dojde k nasnímání
více sousedních vrstev
o Běžné systémy skenují naráz 32, 64, 128 až
640 vrstev při jedné otáčce gantry
o Výhody: lze zachytit celý orgán (např. srdce)
při jediné otáčce gantry, zrychlení akvizice,
zvýšení prostorového rozlišení, výhoda pro
funkční vyšetření
Součásti CT přístroje
• Gantry (“tunel”, tělo CT přístroje, uvnitř
detektory a rentgenka)
• Posuvný stůl (na něm leží pacient) zajíždí
do gantry
• Injektor pro IV (intravenózní) aplikaci
kontrastní látky (nastavuje se množství a
rychlost aplikace)
• Ovladovna s obslužným stolem (nastavení
vyšetření, postprocessing)
Rentgenka
• Konstrukce rentgenky viz rentgenové ZS
• Rentgenka v CT musí být schopna exponovat v kontinuálním režimu
• Musí mít výborné tepelné vlastnosti (vyjádřeno v MHU - mega heat unit, odvod
tepla ze systému)
• Používají se rentgenky s rotační anodou, chlazené olejem nebo vodou, nebo
rentgenky typu STRATON
• STRATON rentgenka
o Anoda má tvar disku, liší se však tím,
že nerotuje sama ale je pevně
napojena na kryt rentgenky, tím má
lepší kontakt s chladícím médiem
o Rotuje celá evakuovaná trubice s
oběma elektrodami
o Svazek elektronů z katody dopadá na
rotující disk, takže nedopadá stále na
stejné místo
o Tento typ konstrukce umožňuje
provádět náročnější výkony díky
lepšímu odvodu tepla
Kolimace záření
• U přístrojů s jednou řadou detektorů v
ose z se tloušťka vrstvy určuje kolimací
svazku záření (obrázek vlevo)
• U přístrojů s více řadami detektorů
(MDCT) rozlišujeme úhrnnou a nominální
kolimaci
• Nominální kolimace vyjadřuje šířku jedné
řady detektorů (jednoho detekčního prvku),
tento parametr udává šířku jedné vrstvy, označuje se i jako datová stopa,
významně ovlivňuje prostorové rozlišení
• Úhrnná kolimace udává šířku celého detektorového pole
Filtrace záření
• Primární filtrace odstraňuje
nízkoenergetické fotony, které
pouze zvyšují radiační zátěž pro
pacienta
• Tvar těla pacienta (pro trup
přibližně ovál) tlumí svazek záření
odlišně uprostřed (největší šířka
pacienta) a na okrajích těla, proto
se používají filtry “bow-tie”, které
kopírují přibližný tvar těla
Nastavení expozice
• Radiační zátěž pro pacienta závisí především na
expozičních parametrech (mA, kV) a na pitch
faktoru (jen pro helikální náběr dat)
• Pitch faktor
○ Pitch faktor je definován jako poměr mezi
vzdáleností posunu stolu za jednu otáčku
gantry o 360° a celkové kolimaci záření
(celkové šírce detektorů)
○ Pitch faktor ovlivňuje vzdálenost mezi
jednotlivými závity šroubovice při
náběru dat
○ Pitch faktor roven 1: závity šroubovice
plynule navazují na předchozí bez mezer
a překryvu, skenován celý objem dat
○ Pitch faktor menší než 1: závity se překrývají, zlepšuje se prostorové
rozlišení
○ Pitch faktor větší než 1: závity mají mezi sebou mezery, kvalita obrazu
klesá, snižuje se dávka pro pacienta, není skenován celý objem pacienta a
chybějící data se interpolují (doplňují se odvozením z naměřených
sousedních dat)
• Se zvyšující se hodnotou proudu (mA) se zvětšuje množství záření, roste dávka a
klesá podíl šumu v obraze
• Se zvyšující se hodnotou napětí (kV) se zvětšuje množství záření a dávka roste,
šum ale i kontrast v obraze klesají
• Přístroje CT mají AEC (automatické nastavení expozice), které vhodně upravuje
expoziční parametry s ohledem na tělesné proporce pacienta, vychází ze
zvoleného protokolu a plánovacího skenu
• Během skenování lze automaticky modulovat množství proudu v závislosti na
konstituci těla pacienta, a to jak v ose z, tak i v rovině jednoho řezu (obr ⬇)
Detekce záření
• V dnešních systémech se používají scintilační detektory - přeměna RTG
záření na VIS fotony, snímány fotodiodou - konverze na elektrický signál
• Stejně jako u RTG se používají sekundární clony pro potlačení rozptýleného
záření vlivem Comptonova rozptylu, dochází částečně i k pohlcení užitečného
signálu
• Dnešní systémy mají velmi krátkou mrtvou dobu (čas od detekce signálu k další
detekci), velmi dobré pokrytí detekčních jednotek na celé ploše detektoru (fill
factor)
• Nejčastěji se používají vícevrstvé detektory (MDCT), skenují více
datových stop naráz
• Uspořádání detekčních jednotek v poli detektorů se realizuje
různými způsoby
○ Lineární pole obsahuje několik stejně širokých detekčních
jednotek
○ Adaptivní pole (addaptive array) je uspořádáno z několika
různě širokých detekčních jednotek, širší jednotky jsou
umístěny na okrajích (z důvodu rozbíhavosti záření)
○ Hybridní pole je sestaveno z dvou různě širokých
detekčních jednotek, úzké jednotky jsou umístěny ve
středu pro snímání detailů, širší na okrajích, dnes
nejpoužívanější uspořádání
• Dnešní CT přístroje jsou převážně typu 3. generace, napájení
pomocí „slip-ring“ technologie, náběr dat se realizuje většinou helikální
technikou, převážně se používají multidetektorové systémy
Z-sampling
• Koncept létajícího ohniska (flying spot)
• Ohnisko je elektromagneticky vychylováno ve směru osy z
• Vznikají naráz dvě datové stopy posunuté o velikost poloviny šířky detekčního
elementu, díky tomu lze dosáhnout ještě většího rozlišení (rovnajícího se
velikosti poloviny detekčního prvku)
Dual-energy CT (DECT)
• Konstrukce CT přístroje se dvěma zdroji záření a dvěma detektorovými
soustavami
• Exponuje dvěma různými energiemi (nižší a vyšší) a pomocí matematické
analýzy poskytuje informace o chemickém složení objektu
• Princip spočívá v různé míře atenuace záření jednotlivými prvky při exponování
různými hodnotami
• Jednotlivé prvky se navzájem liší absorpcí hlavně nižších energií, z analýzy
absorpce lze určit jejich zastoupení
• Nejvýrazněji se projevuje jód, analýzu lze využít k posouzení jeho zastoupení ve
tkáních (používá se pro zobrazení měkkých tkání - břicho)
• Další aplikací je i chemická analýza konkrementů hlavně v ledvinách
Low dose CT
• Nízkodávkové CT vyšetření výrazně snižuje radiační zátěž pro pacienta
• Ke snížení zátěže se redukuje buď expoziční proud, nebo napětí
• Výsledné zobrazení však obsahuje více šumu
• Využívá se hlavně u orgánů s nízkou atenuací záření oproti okolním strukturám
(plíce, tlusté střevo, močové cesty) jako kontrolní nebo screeningové vyšetření
Hybridní přístroje
• Spojení MDCT a přístroje nukleární medicíny (SPECT nebo PET)
• Kombinace funkčního (SPECT, PET) a morfologického (CT) zobrazení
• Metody NM zobrazují především metabolickou aktivitu orgánů, pro přesnou
lokalizaci se používá propojení obrazu s morfologickým
• Přístroje obsahují zdroj RTG záření a dva různé detektory za sebou, jeden pro
rentgenové záření a druhý pro gama (není možné použít jeden z důvodu
rozdílných energií)
Rekonstrukce CT obrazu
• Pro vytvoření CT obrazu je nutné hrubá data rekonstruovat
• Hrubá data (raw data) jsou získána v podobě sinogramu (naskládané jednotlivé
projekce za sebou), z nich se Radonovou transformací rekonstruuje obraz
• Základní rovinou, kterou po rekonstrukci dostaneme je axiální
(transverzální)
• Důležitým údajem je tloušťka jednotlivých vrstev obrazu
• Tloušťku rekonstruovaných obrazů volíme s ohledem na vyšetřovanou tkáň,
detailnější zobrazení získáme při použití tenčích vrstev
• Dalším údajem je rekonstrukční inkrement, číslo, které udává vzdálenost mezi
dvěma sousedními vrstvami (v ose z), čím menší číslo je, tím více se sousední
vrstvy překrývají, tím se zajistí větší plynulost a návaznost kontur mezi vrstvami
(důležité pro objemové rekonstrukce)
• Multiplanární rekonstrukce (MPR)
o Základní rekonstrukční rovinou je rovina axiální, pro lepší orientaci a
zobrazení struktur se rekonstruují další roviny
o Podle typu zobrazované tkáně volíme nejčastěji sagitální a koronární
rovinu a paralelní řezy k těmto rovinám
o V případě zobrazení jednotlivých orgánů lze použít rovinu v ose orgánu a
rovinu kolmou na ni
o Kvalitní MPR je podmíněna izotropií voxelu (pokud má nejmenší
obrazový element všechny tři rozměry stejně velké pak je izotropní) v
takovém případě jsou všechny roviny ve stejné kvalitě jako rovina axiální
o V případě anizotropie voxelu (rozměr v ose z je větší než v rovině xy)
dochází ke zkreslení obrazu v ostatních rekonstruovaných rovinách
o Obdobou MPR je rekonstrukce zakřivené plochy (CPR), používá se pro
zobrazení dlouhých nepravidelných struktur (střeva, cévy)
• Maximum intensity projection (MIP)
o Zvýraznění struktur s vyššími
denzitami oproti okolním strukturám
(cévy s KL, kosti, konkrementy)
• Minimum intensity projection (MinIP)
o Zvýraznění struktur s nízkou denzitou
(tracheální strom, PND)
• Volume rendering technique (VRT)
o Zobrazení celého objemu vybraného typu
tkáně (např. kosti)
o Vybranému intervalu denzit, kterému
odpovídá daný typ tkáně, se přiřadí barevný
odstín
o Výsledkem je trojrozměrný barevný model
o Lze zobrazit i různé tkáně naráz (např. cévy a kosti)
o VRT rekonstrukce jsou náchylné na šum, čím tenčí vrstvy použijeme, tím
lepšího výsledku se dosáhne
o Virtuální endoskopie - zobrazení vnitřního lumen dutých orgánů (dýchací
cesty, tlusté střevo) podmínkou pro zobrazení je velký rozdíl denzit mezi
stěnou trubice a obsahem
Průběh vyšetření CT
• CT vyšetření se realizuje podle protokolu, který je součástí místních
radiologických standardů
• Protokoly zajišťují jednotnou podobu vyšetření
• Protokol obsahuje:
o Název vyšetření, aplikace KL/nativ, způsob aplikace IV/per os či jiné,
množství KL, rychlost aplikace KL, fáze zobrazení (zpoždění začátku
scanu od aplikace KL), příprava pacienta (lačnění, atd.), poloha pacienta
(na zádech/na břiše, hlavou do gantry/opačně), směr scanování
(kraniokaudální atd.), centrace, rozsah vyšetření, tloušťka vrstvy, pitch
faktor, způsob náběru dat (helikálně/axiálně), expoziční parametry,
rekonstrukce
• Nejdříve se zhotovuje plánovací scan (scout, topogram, pilot-view), podle něj se
nastavuje rozsah vyšetření
• Dle protokolu se volí expoziční parametry, rekonstrukce obrazu, aplikace KL
Autor textu: Ing. Olga Pánková
Doporučená literatura:
Multidetektorová výpočetní tomografie, technika vyšetření, Jiří Ferda
Základy radiologie, Miroslav Heřman a kolektiv
http://astronuklfyzika.cz/strana2.htm
http://www.sukupova.cz/