Computer tomografia

Ca să înțelegem prezentul computer tomografiei și al imagisticii moderne, este vital să cunoaștem istoria, destul de scurtă, a computer tomografiei.

Apariția radiografiei

Încă de la descoperirea razelor X de Wilhelm C. Röntgen în 1895, pentru care a primit premiul Nobel pentru Fizica (1901) și implicit a primei radiografii, medicina a fost o importantă beneficiară a acestei descoperi. Pentru prima oară în istorie, doctorii puteau vedea în interiorul corpului uman fără a fi nevoie de manevre invazive (chirurgie).

Uimitor pentru o epocă în care circulația informației era mult mai lentă decât ne putem imagina radiografia a început să fie rapid utilizată pe scară largă, astfel încât la nici 2 ani de la descoperire se făceau deja radiografii ale întregului schelet. Totuși, neajunsul principal al radiografiei era faptul că era o imagine bi-dimensională, care suprapunea toate organele și structurile din corp, făcându-le dificil de diferențiat și de localizat. Spre exemplu, pentru o localizare exactă a unui glonț la nivelul unui membru era nevoie de două incidențe, una antero-posterioară și una laterală, altfel nu se putea vedea dacă glonțul se află în os sau în mușchi, dacă este anterior osului sau posterior acestuia.

Fără două incidențe perpendicular “de față” și de “profil” nu se poate aprecia localizarea spațială a unei structuri datorită sumației planurilor.

Timp de decenii s-a cautat o soluție pentru a elimina acest inconvenient, acela de a putea deosebi diferite planuri și de a localiza o leziune.

Când a apărut computer tomografia?

A fost nevoie de salturi spectaculoase în matematică și fizică (inclusiv apariția primelor calculatoare), pentru ca în 1963, Allan MacLeod Cormack să poată produce un mecanism care să poată separa planurile și să reconstruie ulterior o imagine din multiple achiziții, din mai multe unghiuri, bazându-se pe efectul de paralaxa. Patru ani mai târziu, Godfrey Newbold Hounsfield a realizat tehnic, în paralel cu MacLeod Cormack, prima imagine computer tomografică a unei secțiuni de creier (preparat în laborator). Achiziția imaginii dura enorm, uneori zile, se realizau pentru o imagine zeci de mii de măsurători și timpul de reconstrucție a imaginii de calculator dura două ore și jumătate. Imaginea obținută era foarte “pixelată”, într-o matrice de doar 80x80 de pixeli, dar reprezenta destul de exact structurile importante ale creierului.

Laboratoare EMI din UK au produs în 1971 prima instalație capabilă să scaneze creierul uman și nu doar un preparat anatomic. Acest prim computer tomograf a scanat creierul unei femei suspectă de tumoră cerebrală și a confirmat diagnosticul. Scanarea a durat 4.5 minute, reconstrucția 20 de secunde, grosimea slice-ului avea 13mm și matricea era de 80x80 pixeli (fiecare pixel reprezentând o arie de 3/3mm).

Imagine CT axială a creierului (primul aparat CT din SUA, Mayo Clinic, iulie 1973, matrice 80x80 pixeli)

Imagine CT axială a creierului, anul 2018, matrice 512x512 pixeli

Validarea clinică a dus la o cerere uriașă pe piață și la o competiție acerbă, primele aparate comerciale fiind disponibile începând cu 1973.
În 1979, MacLeod Cormack și Godfrey Newbold Hounsfield au primit împreună premiul Nobel pentru Medicină, cunoscându-se unul pe celălalt, pentru prima dată, cu această ocazie.
Ulterior, noutatea, utilitatea tehnicii și succesul comercial au dus la progrese remarcabile, în timp foarte scurt, fiecare nouă generație de computer tomograf (pe vremea aceea EMI scanner) fiind din ce în ce mai performantă.

Schema unui computer tomograf, cu sursă de iradiere care emite raze X sub formă de evantai/ con, corpul în mijlocului aparatului și detectorii situați de cealaltă parte a corpului. Sursa de raze X se mișcă 360 de grade, odată cu detectorii, în jurul corpului.

Comparația dintre radiografie și computer tomografie

Progresele majore adus de computer tomografie comparativ cu radiografia sunt:

Obținerea de imagini ne-suprapuse ale corpului uman, imaginile obținute sunt “felii” (slice-uri) transversale prin corp, de diferite grosimi, obținute prin iradierea și captarea imaginilor din diferite unghiuri (practic, tubul Röntgen se rotește în jurul corpului 360 de grade și îl “fotografiază” din toate unghiurile). În linii mari, am putea spune că o computer tomografie este la baza o radiografie din toate unghiurile. De fapt, calcule complexe determină atenuarea razei X (cât de mult sau cât de puțin este absorbită radiația printr-o regiune) pentru fiecare regiune din corp și apoi computerul, pe baza complexului aparat matematic din spate, atribuie o imagine în nuanțe de gri fiecărei felii de imagine. Prin urmare, spre deosebire de radiografie care este o imagine directă (radiația care trece prin corpul uman impresionează filmul), computer tomografia este o imagine reconstruită/calculată de computer. Din acest motiv, progresele matematice și fizice aduc îmbunătățiri permanente acestei tehnologii.

Introducerea tehnicii de achiziție spirală, care a permis achiziția continuă și rapidă a unui volum de date uriaș, cu posibilitatea de reconstrucție ulterioară în orice plan, nu doar cel transversal, precum și cu posibilitatea de reconstrucții tridimensionale spectaculoase. Inițial, achiziția se făcea doar în modul secvențial: după o rotație de 360 de grade a tubului, masa cu pacientul avansa în interiorulul aparatului cu grosimea unui slice (de obicei 10mm) și se făcea o noua achiziție. Acest mod este mai lent și nu permite reconstrucții în alt plan la fel de ușor ca achiziția spirală, la care tubul se învârte continuu, iar masa se mișca și ea în același timp. În prezent, achiziția secvențială se mai utilizează de rutină numai la examinarea cerebrală.

Creșterea vitezei de achiziție a imaginilor, în prezent putem obține imaginea statică a inimii (întreaga inima văzută într-o singură bătaie de inimă). Se obțin secvențe din ce în ce mai fine, slice-ri cu grosime de 0.5-1mm și rezoluții geometrice din ce în ce mai mari.

Algoritmii de reconstrucție sunt din ce în ce mai buni, putând reprezenta tot mai exact anatomia internă a corpului, cu iradiere din ce în ce mai mică. Reconstrucțiile tridimensionale devin mai exacte decât atlasele de anatomie și în felul acesta un extraordinar material didactic pentru studenți și rezidenți.

Limitele computer tomografiei. Substanța de contrast în computer tomografie

Din păcate, singurul lucru la care computer tomografia nu poate evolua (în principiu datorită limitelor fizice) este rezoluția de contrast tisular. Cu alte cuvinte, nu poate discrimina/deosebi foarte bine țesuturi cu densitate apropiată pentru razele X. Având în vedere principiul tehnologic pe care se bazează, două țesuturi care pot fi foarte diferite - spre exemplu mușchii și vasele, nu pot fi corect diferențiate la CT, pentru ca absorb în mod similar razele X. Pentru a putea deosebi două țesuturi la computer tomografie, ele trebuie să aibă o minimă diferență de absorbție a razelor X. Mai mult decât atât, putem diferenția anumite țesuturi pe seama măsurătorii (cantitative) a densității, care la computer tomografie se măsoară în unități Hounsefield, după numele inventatorului. Astfel, apa este punctul de referință, cu densitate 0 unități hounsefield (UH). Aerul are densitatea minim posibilă pe scala CT, adică minus 1000 UH și apare neagră la CT, grăsimea în jur de minus 100, iar osul sau calcificările + 1000 UH. În total, scala Hounsefield are 2000 de unități, de la minus 1000 la plus 1000.

Pentru a crește diferența de densitate între țesuturi se folosesc substanțele de contrast. Acestea sunt substanțe radioopace (absorb rezele X) și permit vizualizarea mai bună a organelor sau țesuturilor ce se încarcă cu aceaste substanțe. Astfel, substanțele de contrast, de obicei pe bază de iod, se administrează oral (pentru vizualizarea tubului digestiv) sau intravenos (pentru vase și celelalte organe). Fiecare organ, în funcție de vascularizația sa, va capta substanța de contrast într-o concentrație mai mică sau mai mare și în felul acesta, se pot diferenția țesuturile sau organele între ele. De asemenea, tumorile din interiorul unui organ (spre exemplu în ficat), captează substanță de contrast diferit față de organul respectiv - ceea ce înseamnă că fără contrast tumora respectiva se vede prost sau deloc, în timp ce după administrarea substanței de contrast, este de obicei bine vizibilă și mai ușor de caracterizat.

Evolutia calculatoarele permite in prezent prelucrari complexe ale imaginii achizitionate, pe console speciale, fara a mai fi nevoie de prezenta pacientului. Astfel, imaginile sursa sub forma unui volum impresionant de date ce acopera o anumita regiune a corpului pot fi prelucrate in multiple moduri:

1 Vizualizare în filtre diferite - os/plămân/țesut moale

Aceeaşi secțiune prin plămân, cu 3 filtre diferite: stânga – țesut moale, mijloc – plămân, dreapta - os

2 Vizualizare multiplanară - permite “secționarea” volumului de date în orice plan, inclusiv după planuri curbe, astfel încât se obține orice plan de secțiune dorim

Reformatare în cele 3 direcții ale spațiului, fără pierdere de calitate (centură scapulară)

3 Vizualizarea de tip maxim intensity projection (MIP)

Reformatare de MIP, în 3 direcții ale spațiului (centură scapulară)

4 Vizualizarea 3D tip VRT, cu numeroase opțiuni software de prelucrare, eliminare de părți nedorite (putem spre exemplu păstra numai oasele sau din contră le putem elimina).

Reconstrucție 3D de tip VRT a coloanei lombare și bazinului osos

5 Tehnici superioare de lucru (aplicații clinice ale ct-ului) cum ar fi colonoscopia virtuală, endoscopia virtuală, angiografia de substrație digitală – toate sunt procese care imită procedurile medicale cum ar fi colonoscopia, endoscopia bronșică, angiografia, eliminând neajunsul principal, respectiv invazivitatea acestor manevre

Reconstrucție specială 3D pentru evidențierea căilor respiratorii din plămân