Методы визуализации и физические основы
Методы визуализации и физические основы — это раздел радиологической анатомии, изучающий физические принципы получения поперечных и проекционных изображений живого тела, а также влияние выбора метода на анатомическую информацию, которая может быть получена. Он охватывает методы, использующие ионизирующее излучение (рентгенография, флюороскопия, компьютерная томография, ядерная медицина), магнитно-резонансную томографию и ультразвук, каждый из которых исследует ткани посредством различных физических сигналов.
Definition
Диагностическая визуализация включает методы, которые создают визуальные представления внутренних структур тела путем обнаружения того, как физический зонд — рентгеновские лучи, радиочастотные сигналы от ядерных спинов, высокочастотный звук или испускаемое излучение от трассера — взаимодействует с тканью.
Scope
Данный раздел знакомит читателя с семействами диагностических методов визуализации, используемых для отображения анатомии: как каждый метод генерирует контраст, какую физическую величину он отображает, а также компромиссы между пространственным разрешением, тканевым контрастом, временем получения изображения и облучением пациента. Он рассматривает эти методы как инструменты для визуализации нормальной и вариантной анатомии, а не как руководство для принятия клинических решений.
Sub-topics
Core questions
- Какой физический сигнал детектирует каждый метод и какое свойство ткани отображает этот сигнал?
- Как соотносятся пространственное разрешение, контраст, скорость получения изображения и радиационное облучение между различными методами?
- Какой метод лучше всего отображает данную анатомическую структуру или тип ткани?
- Как калибруются интенсивности изображения, чтобы измерения были сопоставимы между сканерами и центрами?
Key concepts
- Контраст изображения и его физическое происхождение
- Пространственное и временное разрешение
- Отношение сигнал/шум
- Ионизирующее и неионизирующее излучение
- Ослабление и шкала Хаунсфилда
- Тканевая релаксация и акустический импеданс
- Количественная визуализация и стандартизация
Mechanisms
Каждый метод отображает отдельное физическое взаимодействие. Рентгенография и компьютерная томография измеряют дифференциальное ослабление рентгеновских лучей тканями, при этом КТ реконструирует поперечное изображение ослабления в единицах Хаунсфилда (Hounsfield, 1973). Магнитно-резонансная томография кодирует пространственно-разрешенный сигнал ядерного магнитного резонанса ядер водорода, используя различия в плотности протонов и временах релаксации (Lauterbur, 1973). Ультразвук формирует изображения из эхо-сигналов высокочастотного звука на границах акустического импеданса. Ядерная медицина и ПЭТ отображают распределение введенного радиофармпрепарата, а не анатомию напрямую. Поскольку контраст возникает из различных физических свойств, эти методы являются взаимодополняющими, и многие физические основы суммированы в стандартных текстах по медицинской физике (Bushberg et al., 2012).
Clinical relevance
Понимание физических основ методов визуализации лежит в основе радиологической интерпретации нормальной анатомии и ее вариантов, поскольку одна и та же структура выглядит по-разному в зависимости от детектируемого сигнала. Осведомленность об облучении ионизирующим излучением, особенно при компьютерной томографии, влияет на то, как визуализация используется в качестве ресурса для населения (Brenner & Hall, 2007). Данная статья описывает, как генерируются изображения анатомии, и не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.
Epidemiology
Компьютерная томография, в частности, стала основным и растущим источником медицинского радиационного облучения во многих системах здравоохранения, что привлекло внимание к обоснованию и оптимизации дозы (Brenner & Hall, 2007). Количественная визуализация — рассмотрение измерений, полученных из изображений, в качестве биомаркеров — стимулировала разработку формальных метрологических стандартов, чтобы значения были сопоставимы между устройствами и во времени (Sullivan et al., 2015).
History
Проекционная рентгенография последовала за открытием Рентгеном рентгеновских лучей в 1895 году и доминировала в анатомической визуализации на протяжении десятилетий. Поперечная визуализация появилась с описанием Хаунсфилдом компьютерной томографии в 1973 году, и в том же году Лаутербур показал, что пространственно-разрешенный ядерный магнитный резонанс может формировать изображения, заложив основы магнитно-резонансной томографии. Ультразвуковая и ядерно-медицинская визуализация развивались в тот же период, а последующие десятилетия принесли количественную и стандартизированную визуализацию, кодифицированную в метрологических рекомендациях (Sullivan et al., 2015).
Key figures
- Godfrey Hounsfield
- Paul Lauterbur
- Allan Cormack
- Peter Mansfield
Related topics
Seminal works
- hounsfield-1973
- lauterbur-1973
Frequently asked questions
- Что отличает методы визуализации друг от друга?
- Каждый из них детектирует различный физический сигнал: ослабление рентгеновских лучей (рентгенография, флюороскопия, КТ), сигнал магнитного резонанса ядер водорода (МРТ), отраженный высокочастотный звук (ультразвук) или излучение, испускаемое трассером (ядерная медицина и ПЭТ). Сигнал определяет, какое свойство ткани отображается и, следовательно, какой контраст виден.
- Какие методы используют ионизирующее излучение?
- Рентгенография, флюороскопия, компьютерная томография и ядерная медицина (включая ПЭТ) используют ионизирующее излучение, в то время как магнитно-резонансная томография и ультразвук — нет.