Principy CT a MR M. Keřkovský Radiologická klinika FN Brno Principy CT Co je CT? * Computed tomography = výpočetní tomografie * tomografická metoda využívající měření absorpce ionizujícího záření ve vyšetřovaném objektu * výsledkem vyšetření je zobrazení černobílých řezů vyšetřovaným objektem, stupeň šedi je dán hodnotou absorpce v daném tkáňovém okrsku (voxelu) Něco málo z historie * 1963 - Allan Mac Leod Cormack formuloval základní principy výpočetní tomografie * 1972 - fyzik Godfrey Newbold Hounsfield zkonstruoval první funkční tomograf * 1979 - oba obdrželi Nobelovu cenu za medicínu * 1987 - objev slip-ring technologie, která umožnila vznik spirálního CT Konstrukce CT * Vyšetřovací posuvný stůl * Gantry obsahující rentgenku a detektory * Výpočetní část zodpovědná za elektronické zpracování obrazu Jak probíhá vyšetření: fáze skenovací * nastavíme akviziční parametry před vyšetřením: rozsah vyšetřované oblasti, tloušťka řezu (kolimace), mAs * rentgenka emituje úzce vycloněný svazek rentgenového záření, který prochází tělem pacienta. * Na protilehlé straně je množství prošlého záření změřeno pomocí detektorů * Během akvizice jednoho řezu dojde k otáčce komplexu rentgenka-detektory o 360^o. * Získáme tak několik stovek měření absorpce z mnoha různých úhlů Jak probíhá vyšetření: fáze rekonstrukční * Získaná data jsou digitalizována pomocí AD převodníku -- výsledkem jsou tzv. hrubá data (raw data) * Před rekonstrukcí zvolíme typ výpočetního algoritmu -- jde v zásadě o "soft" nebo "hi-res" algoritmus Jak probíhá vyšetření: fáze rekonstrukční * Výsledkem výpočtů rekonstrukčního algoritmu je převedení hrubých dat do tzv. matice pixelů Pixel vs. voxel * Voxel (volume matrix element) je nejmenší objem tkáně, jejíž absorpce pro RTG záření může být měřena. Jeho velikost je dána tloušťkou řezu a rozlišením. Jeden CT řez se proto skládá z mnoha voxelů Hounsfieldova stupnice * Hounsfieldův absorpční koeficient udává stupeň absorpce v jednotlivých voxelech -- Hounsfied unit (HU) * Rozsah je široký - cca 4000HU * - 1000HU - vzduch 0 HU -- voda >300HU kompaktní kost Jak vznikne obraz? * Převedením hodnot absorpce do škály stupnů šedi * Lidské oko rozliší cca 30st. Šedi, CT 4000 stupňů absorpce - co s tím?? * Zvolíme si vhodný rozsah HU pro zobrazení tkání které zrovna chceme vidět -- kostní, plicní, měkkotkáňové okno... Generace CT přístrojů * I. Generace -- jedna rentgenka, jeden detektor. Kromě rotace byl nutný i translační pohyb rentgenky a detektorů, aby byla pokryta celá šíře vyšetřovaného objektu. Zhotovení jednoho řezu trvalo řádově minuty. * II. Generace -- od I. generace se liší znásobením počtu detektorů, rotačně-translační pohyb zůstává. Co je spirální CT? * Slip ring techologie = nahrazení kabelů systémem po sobě klouzajících kontaktů -- zásadní pro spirální CT * Rentgenka kontinuálně rotuje, stůl s pacientem se plynule posouvá v gantry * Pomyslná trajektorie RTG paprsku tělem pacienta tedy připomíná spirálu * Výledkem je zrychlení náběru dat, pokrytí většího kraniokaudálního rozsahu Čím víc detektorů, tím lépe * Multislice technologie -- přidání více řad detektorů -- dnes obvykle 16 či 64 * Během jedné otáčky se zároveň pokryje mnoho vrstev najednou * Výhody: zrychlení náběru dat, pokrytí většího rozsahu, tenké řezy, možnost speciálních vyšetření (CT angiografie, koronarografie...) * Izotropní voxel -- má všechny rozměry stejné -- umožňuje dokonalé 2D a 3D rekonstrukce Kontrastní látky * Perorální (izodenzní -- voda, hypodenzní -- vzduch, hyperdenzní -- jódové či baryové) * Intrathékální * Intrakavitální * Intravaskulární -- intravenózní, intraarteriální. Kontrastní látky * Důvody použití i.v. KL - zvýšení kontrastu různých měkkotkáňových struktur - detekce hypervaskularizace (tumory) - zvýraznění cév (CT angiografie) - vylučování ledvinami (CT urografie) * Rizika - alergická (resp. alergoidní) reakce - nefrotoxicita Indikace, výhody CT Indikace, výhody CT -- CT vs. UZ Indikace, výhody CT -- CT vs. MR Principy MR Jak to může fungovat? * metoda využívá magnetických vlastností jader atomů s lichým protonovým číslem * Rotací jader s nespárovaným protonem (kladný náboj) vzniká v okolí jádra magnetické pole, které lze charakterizovat tzv. magnetickým momentem (vektor) * Za normálních okolností nejsou tyto vektory nijak uspořádány -- výsledný magnet. moment je 0. Jak to může fungovat? * Umístíme-li tato jádra do velmi silného magnetického pole dojde k jejich rovnoběžné orientaci a to ve dvou směrech -- paralelně a antiparalelně * na 1 000 006 paralelně orientovaných jader připadá 1 000 000 antiparalelně orientovaných jader (při síle pole 1T) * Provedeme-li součet všech vektorů, získáme celkový magnetický moment Precese * pohyb jader, který je možno přirovnat k pohybu po plášti pomyslného kužele Radiofrekvenční pulzy Radiofrekvenční pulzy Co když RF pulzy vypneme? * Dojde k obnovení rovnovážného stavu * Opět převládne paralelní orientace magnetických momentů jader -- obnoví se celkový vektor podélné magnetizace (spin-lattice relaxace) Co když RF pulzy vypneme? * Dojde k původní "desynchronizaci" precese jader " postupně vymizí vektor příčné magnetizace (spin-spin relaxace) T1, T2 relaxace Jak se tvoří MR obraz? * působení energie RF pulzů na tkáně vyvolá vyzáření slabého EM signálu, který lze registrovat. Jde v podstatě o detekci příčné magnetizace, podélnou magnetizaci paralelní s hlavním magnetickým polem nelze detekovat. * používáme tzv. sekvence pulzů, které mají různé parametry: TR, TE případně TI. * různým sestavením sekvencí můžeme zvýraznit vliv T1 nebo T2 relaxace. * kontrast ve výsledném obraze je dán rozdílnými magnetickými vlastnostmi jednotlivých tkání Prostorové kódování * Lokalizace zdroje MR signálu se děje pomocí tří magnetických gradientů, které přidáváme k základnímu magnetickému poli přístroje * V průběhu sekvence v přesně stanovených dobách zapínáme postupně gradienty ve všech třech osách * To umožní přesně určit, z jakého voxelu snímaný signál přichází * Získaná data jsou zpracována digitálně pomocí Fourierovy transformace, výsledkem je černobílé zobrazení požadovaného řezu Zobrazení v libovolné rovině * Rovina řezu na rozdíl od CT může být u MR zcela libovolná, obvykle používáme standardní tři na sebe kolmé roviny Jeden obraz nestačí... * Při každém vyšetření provedeme u téhož pacienta obvykle několik sekvencí * Každá z nich umožní pohled na zjištěnou patologii "z jiného úhlu", podává další informace * Téměř každé vyšetření obsahuje T1, PD a T2 vážené sekvence. Dnes však máme na výběr z poměrně velkého množství dalších sekvencí, které volíme podle konkrétní situace (FLAIR, STIR, IR, true-IR, fat-sat...) Jeden obraz nestačí... * T1 -- používá se nativně i po aplikaci KL. Tekutina je tmavá. Dobré anatomické zobrazení. * PD -- proton density -- zobrazení na základě protonové hustoty, nebere ohled na T1 a T2 časy. Vhodná sekvence např. pro detekci demyelinizačních plaků, dobrý kontrast mezi šedou a bílou hmotou, citlivost k "flow-void" -- vyniknou cévy. * T2 -- tekutina je světlá až bílá. Obecně vhodná sekvence pro zobrazení okrsků s vysokým obsahem, tekutiny -- cysty, edém... Jeden obraz nestačí... Kontrastní látky * Používáme KL na bázi chelátu gadolinia (Gd) * Působí coby paramagnetická substance zkrácení T1 relaxačního času -- sycení se zobrazí jako hyperintenzita na T1 v.o. * Minimum nežádoucích účinků -- lze použít jako alternativa CT vyš. při známé alergické reakci na jód. * Používá se relativně méně často než při CT vyšetření * Hlavní indikace k použití KL - zobrazení patol. vaskularizace, v mozku porušení HEB -- tumory, CEMRA (angiografie s použitím KL). * Možnost přímé MR artrografie Indikace * Mozek -- traumata, tumory, záněty, kongenitální anomálie, MR angiografie. Dnes již téměř standard před NCH intervencí * Páteř -- výhodou je sagitální zobrazení celé páteře, není proto nezbytně nutné lokalizovat etáž * Klouby -- nejvíce koleno, rameno, hlezno... * Játra, ledviny, pankreas * Střevo -- MR enteroklýza * Srdce -- morfologické a funkční dynamické zobrazení, MR koronarografie * Speciální vyšetření -- funkční MR, MR spektroskopie, difuze, perfuze.. Kontraindikace - absolutní * Kardiostimulátor, defibrilátor * Cévní svorky intrakraniálně z feromagnetického či neznámého materiálu (klip na krčku aneuryzmatu -- hrozí roztržení) * Kovové cizí těleso v orbitě * Implantovaný feromagnetický materiál před méně jak 2 měsíci * Kochleární implantát Kontraindikace - relativní * Feromagnetický materiál implantovaný před více jak 2 měsíci * Klaustrofobie, nespolupracující pacient -- lze zvládnout sedativy, v krajním případě amestezie (běžná u malých dětí) * Kov. materiál v místě vyšetření -- artefakty * Těhotenství v 1. trimestru -- negativní vliv na plod však nebyl prokázán Nevýhody MR * Silné magnetické pole -- kontraindikace * Menší dostupnost, vysoká cena * Omezený vyšetřovací prostor (klaustrofobie) Výhody MR * Excelentní tkáňový kontrast, dobré rozlišení * Libovolná rovina řezu * Použití mnoha různých sekvencí * Odpadá použití jodových KL (alergie) * Speciální aplikace (funkční MR, difuze, perfuze, MR spektroskopie) Literatura * P. Eliáš, P. Máca, J, Neuwirth, V. Válek: Moderní diagnostické metody II. díl - výpočetní tomografie (Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictní, Brno 1998) * J. Ferda, M. Novák, B. Kreuzberg: Výpočetní tomografie (Galen 2002) * V. Válek, J. Žižka: Moderní diagnostické metody III. díl -- Magnetická rezonance (Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictní, Brno 1996) * Donald G. Mitchell: MRI principles (1999)