Ugrás a tartalomhoz

Orvosi leképezéstechnika

Balkay László (2011)

Debreceni Egyetem

A CT leképzés fizikai alapjai

A CT leképzés fizikai alapjai

Működési elv

A CT készülékek mai technikai megvalósítása már igen távol áll Hounsfield eredeti megoldásától. Kezdetben még egy speciális vizes zsákot is a beteg feje mellé kellett helyezni a megfelelő leképzés érdekében, azóta számos generációs fejlődés következett be. 1975 óta egésztest CT vizsgálatra is lehetőség van, és már régen eltűnt a vizes zsák a CT segédeszközei közül. A jelenlegi készülékeknél egy nagyteljesítményű (~50 kW) röntgencső és a vele szemben elhelyezett un. detektor-ív forog a páciens körül. A tomográfiás rekonstrukcióhoz minél több vetületi kép szükséges, ezért forgás közben ~0.1 fokonként átnézeti (planáris) gyengítési képet gyűjt a készülék a vizsgálandó területről. A CT rekonstrukció algoritmusa a test egyes pontjaiban a sugárelnyelődést jellemző µ gyengítési tényezőket határozza meg (2. ábra). Az egy fordulathoz szükséges idő (Trot) általában ma már kisebb, mint 1s, a gyorsabb CT estén elérheti a 0.3 másodperces értéket. A gyors forgásra azért van szükség, hogy a leképzés alatt minél kevésbé, vagy egyáltalán ne mozduljon el a vizsgálandó személy, illetve testtájék.

2.ábra

A CT készülék vázlatos képe (www.griffwason.com alapján, Griff Wason hozzájárulásáva ). A röntgencsőből kilépő I0 intenzitású sugarak a test egyes részeiben eltérő módon gyengülnek, majd a testből kilépő I intenzitású fotonokat a szcintillációs kristályból készített detektorelemek fogják fel, és elektromos jellé alakítják Egy teljes körbefordulás után az egyes detektor-elemekben mért I intenzitás adatokból és az abszorpció törvény használatával fogja a képrekonstrukciós algoritmus a CT képet meghatározni. A metszeti kép egyes pontjai (pixelei) a test µ gyengítési értékeit fogják tartalmazni (praktikus okokból a µ lineáris transzformáltját használják, amit Hounsfield skálának hívnak). Az ábrán a detektorok jellemző két mérete (a,b) és az ágy mozgási iránya (Z) is jelölve van. Az ábrán a detektorok nem méretarányosak.

A leképzést befolyásoló fizikai tulajdonságok

A CT további – a scan gyorsaságát is alapvetően befolyásoló - fontos paramétere a detektorok mérete és kialakítása. A detektorok fizikai elvéről ebben az írásban nem fogok részletesebben beszámolni, most csak annyit említek meg, hogy két részből állnak: egy un. keramikus szcintillációs kristályból, ami a röntgen fotonokat fény fotonokká alakítja, és az ehhez szorosan illesztett fotodiódából, ami a keletkezett fényt elektromos jellé alakítja. Általában 1000-2000 darab detektorelem helyezkedik el egymás mellett a körív megközelítően 1m-es hosszában, aminek megfelelően az "a" vastagságuk 0.5-1 mm. Ez a méret igen jól jellemzi az adott irányú felbontást is. A ma piacra kerülő legtöbb CT esetén a detektorok röntgencsővel szembeni felülete négyzet alakú, tehát a Z irányú (a beteg fekvési irányával párhuzamos) "b" mérete is 0.5-1 mm. Ha az ív mentén csak egy detektorsort alkalmaznánk - és a=b=1mm lenne -, akkor egy körbefordulás alatt csak egy 1-mm-es szeletről lehetne képet alkotni, így Trot=0.5 sec forgásidő mellett egy 1m-es testhossz leképzése megközelítően 8 perc lenne.

Az 1990 évek óta azonban további két technika, - a több-detektorszeletes CT és a spirál üzemmód - segítette a minél gyorsabb scan elvégezhetőségét. A többszeletes technika esetén Z irányban egymás mellett már több detektorívet helyeztek el (3.A ábra), kezdetben 4 és 8, majd 16 és 2005 óta már 64 szeletes CT-k is elérhetők. Ha a fenti számítást a 16 és 64 szelettel újragondoljuk, akkor az 1 m-es testhossz vizsgálati ideje már megközelítően csak 30, illetve 8 másodperc lesz. Ezen a téren egyébként a Toshiba Aquilion típusú 320 szeletes CT-je a legerősebb jelenleg, ezzel Trot=0.35 sec és 320*0.5mm=16cm detektorvastagság mellett lehet vizsgálatot végezni. Ez például azt jelenti, hogy a szív egy fordulat alatt - vagyis 0.35 másodperc - leképezhető, ami alatt már megfelelő minőségű állókép is készíthető. A 16 vagy kisebb szeletszámú CT-k esetében a gyártók gyakran alkalmaztak eltérő vastagságú szeleteket, amikor is a középső szeletek voltak a kisebb vastagságúak (0.5-1 mm), és a külső néhány szelet pedig vastagabb (2-5 mm).

3.ábra

A gyors CT vizsgálatot lehetővé tevő két fontosabb technikai elem: a több detektorszeletes (A), és a spirál (helikális) üzemmódú leképzés (B)

Ezeknek a detektor-szeleteknek a megfelelő be-, ki- és összekapcsolásával lehettet elérni jobb felbontású, - de kisebb össz-detektor vastagságú – vagy rosszabb felbontású, de nagyobb össz-detektor vastagságú leképzést. Ennek során az aktuálisan bekapcsolt szeleteknek megfelelően változtatják (kollimálják) a kilépő röntgensugár profilját is, hogy a pácienst mindig a lehető legkisebb röntgen-sugárzás érje.

A spirál CT

A spirál vizsgálat során a röntgencső és detektor forgásával egyidőben a beteget is egyenletes sebességgel és folyamatosan mozgatja az ágy (3.B. ábra). Az ábráról jól látható, hogy ebben az üzemmódban a röntgencső a páciens körül egy spirál pályán mozog a teljes vizsgálat alatt. Az ágymozgás sebességét az un. pitch értékkel jellemzik, aminek definíciója:

.

A számlálóban az egy fordulat alatti ágyelmozdulás hossza, míg a nevezőben az aktuális Z-irányú detektorvastagság (vagy más néven kollimálás) szerepel. Ha tehát a pitch=1, akkor az egy fordulat alatti ágyelmozdulás megegyezik a kollimálással, a spirál felülete teljesen zárt, átfedés vagy kihagyás nélkül. Ez látszólag nem jelentene előnyt a nem-spirál vizsgálattal szemben, mert ilyen esetben mindkét scan ideje ugyanakkora lenne. Azonban a detektorok Z irányban nem egyenletesen érzékenyek, ezért ha mozgatjuk a pácienst a vizsgálat alatt, akkor ugyanazt a területet több különböző érzékenységű detektor is le fogja képezni, tehát ezek átlagából már pontosabb (pl. kisebb léziókat jobban kimutató) kép rekonstruálható. További előny származhat a spirál CT esetén, ha a képrekonstrukció során a matematikai interpoláció módszerét is felhasználjuk. Ha ugyanis pitch~>1 értékek mellett végezzük a spirál CT vizsgálatot (ami aktuálisan a 3.B ábrán látható), akkor a spirálfelület nem fedi le ugyan folytonosan a pácienst, - tehát hiányos lesz a mintavételezés -, de ilyen esetben a hiányzó adatokat interpolálással meg lehet határozni. Természetesen, ha nagyon hiányos a mintavételezés, akkor az interpolálás hibája már nagyon nagy lesz, ezért jelenleg az ágymozgás praktikus felső határa a pitch=2 szokott lenni. Ha pitch=1.5 mellett ismét kiszámoljuk az 1 méteres testhossz vizsgálati idejét, akkor a 16 és 64 szeletes esetben megközelítően 20, illetve 5 másodperc lesz. Ez az idő már kellően rövid, hogy akár a tüdő területéről is álló-képet lehessen készíteni, hiszen ennyi ideig egy átlagember vissza tudja tartani a lélegzetét. Ezek után talán már érthető lehet, ha egy nagyobb (≥16) szeletszámú CT esetén az is előfordul, hogy a pitch~<1 értékű. Ekkor ugyanis a szükséges scan ideje nőni fog ugyan, de a Z irányú mintavételezés átlapolt lesz – a spirálfelület "szalagjai" kissé egymásba csúsznak, egy pontot tehát többszörösen is leképezhetünk -, így a képminőség még tovább javulhat. Ennek a vizsgálati módnak a szélsőséges esete a szív leképzése: ekkor a pitch=0.2 értékű szokott lenni és a scan hossza (~16cm) természetesen csak a szív területére korlátozódik. A gyakorlat azt mutatja, hogy megfelelő minőségű szív vizsgálat a legalább 64 szeletes CT-kel végezhető, ahol a teljes Z-irányú detektorvastagság ~ 4cm, így optimális esetben legalább 4 fordulat lenne szükséges a teljes 16 cm leképzéshez. Mivel azonban a vizsgálat erősen átlapolt, illetve közben a szív mozog, ezért további speciális technikára (az un. EKG kapuzásra) van szükség, amelynek segítségével csak a szívciklus egy adott szakaszában történik leképzés.

A CT képminőségét befolyásoló paraméterek

A CT képek leletezése nagy szakmai tapasztalatot és felelősséget igényel, de ennek kulcsfontosságú része az is, hogy a képek minősége valamilyen értelemben standard legyen. A CT vizsgálatok képminőséget számos, többek között az eszközön beállítható paraméter befolyásolja. Ezek közül legfontosabb a röntgen cső feszültsége (80-140 kV) és árama (50-500 mA), a Trot (0.3-1 s), a pitch (0.2-2), de számos további faktor is befolyásolja, mint például a képrekonstrukció konkrét algoritmusa, ennek beállításai (rekonstruált képben a pixelek száma, speciális szűrők alkalmazása, stb).

4.ábra

A CT képminőség függése a röntgencső áramától. A képeken a törzs egy a testtengelyre merőleges szelete látható. Az áram csökkentésével a kép zajossága egyre kifejezettebb, a legkisebb áramérték mellett az egyes szervek belső struktúrája már szinte kivehetetlen lesz.

Példaképpen a 4. ábrán látható, hogy különböző röntgencső áramok mellett, milyen módon változik a képminőség. Szerencsére a fenti paraméterek között nem mindegyik független, például az áram, a forgásidő és az ágymozgás sebessége azonos arányban változtatja meg a képminőséget, ezért meg lehet mutatni, hogy az áram mellett praktikus lehet az un. effektív röntgen sugárzási (effective exposure) érték bevezetése, amit az Eeffective =I*Trot/pitch képlettel definiálnak. Tehát, ha az I,Trot és pitch értékek eltérnek két CT scan között, de a belőlük kiszámolható Eeff egyforma, akkor a képminőség nem fog változni. (A gyakorlatban az Eeffective mennyiséget egyszerűen -, de nem szerencsésen - a dimenziójával nevesítik, tehát egyszerűen "mAs"-nak nevezik). Megmutatható, hogy általános feltételek teljesülése mellett a pitch = érték lenne a legoptimálisabb. Érdekes, milyen bonyolult eszköz, és mégis milyen szép és egyszerű aritmetika is megtalálható benne! Mivel a képminőség monoton nő vagy csökken az egyes beállítási paraméterek függvényében, ezért látszólag egyszerű kérdésnek tűnik a jó képminőség elérése: nem kell tehát mást tenni, mint az egyes paramétereket a megfelelő végértékbe (maximum vagy minimum) állítani. A súlyos gond az, hogy a legjobb képminőség a páciens számára a lehető legnagyobb sugárzási dózissal fog járni, amit nem lehet korlátlanul növelni. (Az utolsó szakaszban erre még vissza fogok térni). További tény, hogy a képminőséget maga a beteg is befolyásolja, mert ugyanolyan beállítások mellett egy 70 és egy 120 kg-os beteg CT képe között drámai különbség lesz. Ugyanis minél nagyobb a test mérete, annál több röntgen fotont fog elnyelni, és így sokkal rosszabb lehet a képminőség. Körülbelül igaz, hogy minden 4cm-es test-sugár növekedés megfelezi a röntgen fotonok számát, így azonos képminőséget pl. az áram megnégyszerezésével lehetne kapni. Végezetül megemlíthető, hogy a képminőség javításnak az egyik leggyakrabban alkalmazott módszere az un. jód tartalmú kontraszt anyag használata. Ennek során az injekció révén, vagy az orális úton a páciensbe juttatott kontrasztanyag segítségével az egyes szervek jobban elkülöníthetők egymástól, aminek alapja a kontrasztanyag igen jelentős röntgen-sugár elnyelő képessége.