Артефакт от металла на мрт что это

Артефакт от металла на мрт что это

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.

                                                                           31           1.6. Артефакты изображений в компьютерной томографии    Артефактами изображений в компьютерной томографии называют лю- бое несоответствие между КТ-числами реконструированного изображения и истинными коэффициентами ослабления объекта. Технология реконструк- ции изображения такова, что измерения на всех детекторах суммируются, поэтому на изображениях проявляются любые ошибки измерений. Ошибки реконструкции могут быть вызваны как недостатком данных, так и наличи- ем различных шумов. Артефакты могут проявляться в виде полос (ошибка в отдельном измерении), затемнений (постепенное отклонение группы кана- лов), колец (ошибки калибровки отдельного детектора), искажений (спи- ральная реконструкция) [1]. Основными причинами появления артефактов являются:      - физические процессы, участвующие в сборе данных;      - факторы, связанные с пациентом;      - неисправность аппаратуры;      - спиральное или многослойное сканирование.    Конструктивные особенности современных КТ-сканеров позволяют ми- нимизировать некоторые виды артефактов, которые иногда могут быть практически полностью скорректированы программным обеспечением, а правильный выбор параметров исследования позволяет повысить качество изображений. Рассмотрим наиболее часто возникающие в КТ артефакты.         1.6.1. Артефакты, вызванные физическими процессами     К артефактам, вызванным физическими процессами, относятся артефак- ты увеличение жесткости излучения, частичного объема, затухания фотона и артефакт подвыборки.     Артефакт увеличение жесткости излучения (Beam hardening) возникает из-за использования в КТ полиэнергетического (немонохроматического) рентгеновского спектра с энергией приблизительно от 25 кэВ до 120 кэВ. При прохождении через объект низкоэнергетические рентгеновские лучи (фотоны с низкой энергией) поглощаются быстрее, чем высокоэнергетиче- ские. В результате, средняя величина энергии рентгеновского излучения со- ответствует большей энергии, которая проходит через ткань (кость сильнее ослабляет рентгеновское излучение, чем эквивалентный объем мягкой тка- ни). Артефакт проявляется на изображении в виде впадин и темных полос между плотными объектами, вызванными более сильным поглощением из- лучения в середине однородного объекта, чем по краям, т.к. лучи проходят через большую толщину. Поскольку пучок становится жестче, ослабление излучения уменьшается и интенсивность на детекторах растет. Поэтому ре- гистрируемый профиль поглощения отличается от идеального [28].     Полосы появляются в неоднородных срезах между объектами, имеющи- ми различную плотность. Это вызвано тем, что луч, проходящий через один   32     из объектов при одном положении трубки, ослабляется меньше, чем когда он проходит через оба объекта при другом положении трубки. Чаще арте- факт проявляется вблизи костей и при использовании контрастных веществ (рис. 11).                                                                             Удалено: <sp><sp><sp>                          а                     б                      в  Рис. 11. Артефакт увеличения жесткости излучения: (а) изображение сре-  за тела; (б) изображение фантома с артефактом; и (в) без артефакта     Артефакт увеличения жесткости излучения устраняется фильтрацией низкоэнергитических компонентов до их прохождения через тело пациента. Другой способ предотвращения артефакта – использование цилиндрических фантомов различных размеров, позволяющих откалибровать детекторы для компенсации эффектов поглощения различными частями тела пациента. Т.к. анатомически пациенты не похожи на цилиндр, на практике остается небольшой остаточный эффект. Существуют также различные алгоритмы коррекции, минимизирующие артефакты между костью и тканью.     Артефакт частичного объема появляется, если в вокселе присутствуют ткани с разным коэффициентом ослабления ( μ i ). В этом случае имеют дело   Удалено: <sp>  со средневзвешенным значением μ (рис. 12).                           μ1       μ2                                           μ3                                              КТ-срез                 Рис. 12. Срез, содержащий 3 типа тканей    Существует несколько подходов к снижению артефактов частичного объема:    1. Модель сегментации. Допускают, что элементы объема принадлежат больше, чем одному классу тканей, и оценивают долю каждого класса. Ре- зультат сегментации может быть отображен как набор серых изображений, где уровни серого соответствуют степени заполнения элемента объема кон-                                                                         33     кретным классом.     2. Использование более тонких срезов. При спиральном сканировании сырые данные некоторое время остаются доступны для реконструкции по ним дополнительных КТ-изображений срезов.     Артефакт затухания фотона проявляется в виде сильных полос в облас- тях с плотными объектами. На рис. 13а полосы расположены горизонталь- но, т.к. при таком распространении луча затухание сильнее и детекторов достигает недостаточное количество фотонов. В результате под этим углом получают зашумленные проекции, а реконструкция усиливает шум, что приводит к горизонтальным полосам на изображении. Артефакт можно уст- ранить путем увеличения тока на трубке, но в этом случае возрастает доза обучения пациента. На спиральных КТ для устранения артефакта использу- ется метод многомерной адаптивной фильтрации (рис. 13б). Для небольшо- го количества данных, превышающих порог ослабления, сглаживание вы- полняется между проекциями, выполненными под последовательными уг- лами, тогда как Z-фильтр, используемый в спиральном сканировании, ис- пользуется для проекций с большим ослаблением, чтобы в выполнении ре- конструкции участвовало большее количество фотонов.                                                                            Удалено: <sp><sp>                                      а                                б      Рис. 13. Изображение с (а) и без (б) артефакта затухания фотона    Число проекций, используемых для реконструкции изображения в КТ является одним из факторов, определяющих его качество. Слишком боль- шой интервал между проекциями (подвыборка) даст потерю информации об острых краях и малых объектах, что приведет к появлению артефакта под- выборки (undersampling). Артефакт проявляется в виде тонких полос, отхо- дящих от края плотной структуры и параллельных ее краям (рис. 14).                          Рис. 14. Артефакт подвыборки    Артефакт подвыборки не оказывает серьезного влияния на диагностиче- ское качество изображения, т.к. равномерно распределенные линии обычно   34     не имитируют анатомические структуры. Однако его следует избегать в случае, если важно получить высокое разрешение мелких деталей. Арте- факт менее заметен при увеличении числа проекций. получаемых за один оборот трубки (иногда достигается снижением скорости вращения). Другой способ его устранения – использование специализированных методов по- вышения разрешения (сдвиг на ¼ детектора или смещаемое фокальное пят- но), разработанных производителями оборудования.                1.6.2. Артефакты, вызванные пациентом     Довольно часто в исследуемой области присутствуют объекты с высо- кой плотностью, например, сделанные из металла, что вызывает на изобра- жении появление артефактов в виде полос (рис. 15). Это вызвано тем, что плотность металла выходит за предел нормального диапазона значений, ко- торый томограф может отобразить, давая неполные профили ослабления. Ранее томографы имели верхний предел измерений +1000HU, совпадающий со значением ослабления трубчатой кости, самой плотной структуры чело- веческого тела. Но поскольку металлические объекты дают большее ослаб- ления, чем кость, компьютер присваивает им наибольшее возможное значе- ние.                                                                           Удалено: <sp><sp>                                     а                           б         Рис. 15. Изображение с (а) и без (б) артефакта от металла    Если металлический объект нельзя удалить из области исследования, то снизить влияние артефакта можно повышая напряжение или уменьшая толщину среза и тем самым снижая эффект частичного объема. Другой спо- соб устранения артефакта – использование алгоритмов обработки реконст- руированных изображений, например, считая металлические объекты не- прозрачными, а данные, соответствующие проходящим через них лучам, считать отсутствующими. Тогда для поиска этих отсутствующих данных используются итерационные методы. Предотвратить артефакты от металла можно растягивая шкалу КТ-чисел, которая у современных томографов имеет верхний предел +4000HU.    Движение пациента также дает артефакты в виде полос или размывания изображении (рис. 16). Это вызвано тем, что при реконструкции изображе- ния полагаются на способность компьютера размещать значения коэффици- ентов ослабления в матрице пикселей, имеющей строки и столбцы. Если                                                                        35     при сканировании происходит движение, компьютер не способен поместить измеренное значения в соответствующую ячейку, а только управлять посту- пающими данными.    Существует ряд методов, позволяющих снизить артефакты движения.                                                                            Удалено: <sp><sp><sp>                       а                         б                         в  Рис. 16. Искажение изображения, вызванное движением пациента (а, б);                  откорректированное изображение (в)     1. Быстрый сбор данных. Существует два пути уменьшения времени сканирования: использование высокоскоростных томографов с временем сканирования коротким относительно периода сердечного цикла; синхрони- зация по времени процесса сбора данных.     2. Использование кардио- и респираторной синхронизации.     3. Обработка сигналов.     В КТ коррекция артефактов движения состоит из трех частей:     1. обнаружение изменений данных в проекциях, вызванных движением органов, используя подход пространственного перекрывающего коррелято- ра.     2. использование адаптивного подавителя помех помогает изолировать эффекты от движения органов; используя синограмму движения, можно дать оценку обычной синограмме, нарушенной из-за движения объекта.     3. использование «последовательной методики синтеза» синограммы, которая идентифицирует через корреляцию с опорным информационным сигналом, обрабатывает доли непрерывных синограмм, имеющих идентич- ные стадии эффектов движения.                   1.6.3. Неисправность оборудования    Если один из детекторов в томографах 3-го поколения не откалиброван, он даст последовательную ошибку считывания в каждом угловом положе- нии, что приведет к появлению кругового артефакта. Сканеры с твердотель- ными детекторами, расположенными на расстоянии друг от друга, более восприимчивы к круговым артефактом, чем сканеры с газоразрядными де- текторами, где детекторный ряд состоит из отдельных камер, заполненный ксеноном, и разделенных электродами. Круги, видные на однородном фан- томе или воздухе (рис. 17), могут быть не заметны на клиническом изобра- жении, если для его отображения используется широкое окно. Однако они   36     снижают диагностическое качество изображения. В случае выхода из строя центрального детектора в центре изображения появится темное пятно.                   Рис. 17. Формирование кругового артефакта    Чаще всего артефакт можно устранить калибровкой детекторов сканера. В случае повреждения крайних детекторов, выбор меньшего поля сканиро- вания также позволяет устранить влияние артефакта. Все современные сис- темы имеют твердотельные детекторы, но возможность появления круговых артефактов в них снижается программным обеспечением, корректирующим изменения внешних условий.            1.6.4. Артефакты при спиральном сканировании    Спиральное сканирование дает более сложные искажения изображений, чем послойное сканирование, что вызвано спиральной интерполяцией и процессом реконструкции. Общим способом снижения спиральных арте- фактов является подбор шага вдоль оси Z: использование маленького питча, 180°-интреполяции (если имеется возможность выбора) и сканирование тонкими срезами.    При многосрезовом спиральном сканировании процесс интерполяции приводит к более сложным искажениям поперечных изображений, чем при пошаговом сканировании. Артефакт возникает, если при каждом обороте трубки несколько рядов детекторов пересекают плоскость реконструкции. С увеличением шага спирали, число таких детекторных рядов растет и коли- чество т«веерных» артефактов возрастает (рис. 18).                          Рис. 18. Спиральный артефакт                                                                        37        С ростом числа срезов, получаемых за один оборот трубки, проявляется артефакт конусности пучка, т.к. требуется более широкая коллимация и лу- чи приобретают форму конуса, а не веера, облучая больше детекторов по оси Z. Т.к. трубка и детекторы вращаются вокруг пациента, регистрируемые каждым детектором данные соответствуют объему, находящемуся между двумя конусами, вместо идеально плоского среза. Это дает артефакты, по- хожие на эффект частичного объема, которые более явны для внешних ря- дов детекторов, чем для внутренних, т.к. в последних регистрируемые дан- ные соответствуют более плоскому срезу (рис. 19).      Рис. 19. Формирование и проявление артефакта конусности пучка лучей    Конусность снижается при увеличении числа рядов детекторов. 16- срезовые КТ потенциально менее подвержены таким артефактам, чем 4- срезовые. Однако их производители утверждают, что это связано с различ- ными формами реконструкции конусности пучка.    По краям структур на многослойных или 3D изображениях появляется ступенчатый артефакт, возникающий при использовании широких коллима- торов и не перекрывающихся срезов при реконструкции. Они менее серьез- ны при спиральном сканировании, позволяющем реконструировать пере- крывающиеся срезы и снижаются при уменьшении толщины среза.      Рис. 20. Реформатированное изображение головного мозга: (а) толстые                        срезы, (б) тонкие срезы    Все приведенные артефакты в различной степени затрагивают качество изображений. Конструктивные особенности современных томографов по- зволяют минимизировать или частично откорректировать их с помощью программных средств. Однако выбор оптимальных параметров исследова- ния является определяющим фактором при минимизации артефактов.   38                        1.7. Трехмерные реконструкции     Существенно повысить информативность полученных при томографии данных позволяет использование различных методов трехмерной реконст- рукции, позволяющих рассмотреть интересующие участки исследуемого объекта под произвольным углом.     Математически результат КТ исследования это трехмерные матрицы чи- сел, представляющих собой плотности различных участков исследуемого объема. Измеренные значения КТ-чисел зависят от вида исследуемой ткани и лежат в определенном диапазоне, позволяя получить объемные изображе- ния внутренних структур исследуемого объекта. Трехмерные реконструк- ции дают наглядную картину пространственного расположения структур, повышают распознавание диагностически значимых деталей, полезны при планировании операций. Вместе с тем, структуры, имеющие высокую плот- ность, могут скрыть другие структуры c равной или меньшей плотностью (например, кости черепа скрывают сосуды мозга). Решением проблемы ста- новится ручная или автоматическая процедура удаления внешних слоев с более высокой плотностью, позволяющая получить реконструкцию интере- сующих внутренних структур с различной степенью прозрачности [4].     На рис. 21а приведены КТ-изображения головы. На них кости более светлые, чем окружающие ткани, т.к. они имеют большую плотность. Зная плотность интересующих структур, можно выделить их из общего набора данных и, приписав им определенную яркость, цветность и прозрачность, построить их 3D реконструкцию (рис. 21б). Чтобы получить отдельное изо- бражение внутренних структур (например, сосудов), необходимо ограни- чить значения плотностей, используемых для его построения. Обычно по- верхности, имеющие различную плотность, искусственно окрашены так, чтобы они напоминали исходную ткань.                  Рис. 21. Построение объемных реконструкций    В томографии используются следующие основные алгоритмы построе- ния объемных реконструкций:    1. проекция максимальной интенсивности;    2. реконструкция с затененной наружной поверхностью;                                                                         39        3. объемное представление;    4. виртуальная эндоскопия.    Проекция максимальной интенсивности (Maximum Intensity Projection, MIP) состоит из вокселов, имеющих максимальную плотность. В этом ме- тоде на выбранную базовую плоскость по ходу распространения луча зре- ния проецируются сигналы со всего набора двумерных изображений иссле- дуемой зоны. Таким образом, получаемая проекция всегда представляет комбинацию вокселов внутри отображаемого объема, имеющих максималь- ную интенсивность. Альтернативой MIP-изображениям является отображе- ние пикселов, имеющих минимальную интенсивность (MinIP), с помощью которых можно отображать такие структуры, как бронхи.    При реконструкции с затененной наружной поверхностью выбирается некоторое пороговое значение КТ-чисел. Все вокселы, превышающие поро- говое значение, вносят вклад в итоговое изображение, при этом поверхность 3D реконструкции формируется первыми вокселами, чьи интенсивности превышают выбранный порог, находящимися на выбранном луче зрения. Эффект затенения усиливает ощущение глубины, однако теряется исходная информация о плотности. Также необходимо учитывать, что получаемое изображение зависит от выбранного порога, поэтому такие изображения не удобны для диагностики.    Метод объемного представления (Volume Rendering) является сочетани- ем первых двух методов и позволяет реконструировать 3D модель из набора срезов. Получаемые реконструкции не имеют ограничения максимальной интенсивности и все КТ-числа вдоль виртуального луча вносят вклад в ито- говое изображение в соответствии с их весом. Каждому КТ-числу приписы- вается определенная яркость, цвет и прозрачность, что позволяет одновре- менно выделить из исходного набора данных множество структур, имею- щих различную плотность.    Виртуальная эндоскопия используется для получения изображений внутренних полостей (например, сосудов) в перспективе, а иногда для ото- бражения областей, не доступных обычной эндоскопии (например, цистер- ны мозга). В этом режиме интересующие полости отображается с помощью объемного представления в перспективе, что дает ощущение «полета» через отображаемую область.    Использование различных методов реконструкции позволяет сущест- венно повысить информативность полученных данных, в том числе за счет наглядности пространственного расположения исследуемых тканей.   40          ГЛАВА 2. МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ    Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это метод отображения, ос- нованный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и используемый преимущественно для медицинских исследований. Ее преимущество перед КТ состоит в более высокой разрешающей способности, большей контраст- ности изображений, возможности получения срезов в различных плоскостях и отсутствии гамма-лучевого воздействия на пациента. МРТ по сравнению с КТ позволяет составить более чёткое представление об объёме и неравно- мерности распространения опухолей.                        2.1. Этапы развития МРТ    Концепция ядерного магнитного резонанса началась с открытия спино- вой природы протона и изучения взаимодействия спина с магнитным полем. Явление магнитного резонанса впервые было применено для изучения хи- мии и структуры твердых тел и жидкостей. Прошли почти 40 лет прежде, чем МР стал применяться в медицине. Особо активное развитие МРТ про- исходило во второй половине ХХ века. Краткий и неполный список некото- рых вех развития МРТ выглядит следующим образом.    В 1882 Никола Тесла (Будапешт, Венгрия) открыл вращающееся маг- нитное поле. Это открытие стало фундаментальным в физике. В 1956 меж- дународная электро-техническая комиссия в рейхтгаузе (Мюнхен, Герма- ния) объявила о введении единицы «тесла» для измерения магнитной ин- дукции. Все МРТ сканеры калибруются в единицах Тесла или гауссах (1 Тл = 10000 Гс). Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее величина радио сиг- налов, получаемых от атомов тела и потому выше качество МР изображе- ний.    В 1922 году Отто Стерн и Уолтер Герлах провели эксперимент по на- блюдению спиновой квантизации в электронах. Для изучения магнитных свойств электрона они пропустили пучок атомов серебра через неоднород- ное магнитное поле. Атомы серебра были в состоянии равновесия, т.е. чис- тый электрический заряд был равен нулю и атомы имели единственный не- спаренный электрон на внешней орбите. Ожидалось получение гладкого распределение пучка атомов серебра вокруг центра, поскольку магнитный момент атома (благодаря неспаренному электрону) должен испытывать чистую силу в неоднородном магнитном поле, и возможны любые ориента- ции магнитного момента. Однако в результате луч расщепился на две со- ставляющих равной интенсивности. Позднее это явление объяснили Улен- бек и Годсмит (1925, 1926 гг.), предположившие, что электрон имеет внут- ренний магнитный момент (спин) с двумя возможными ориентациями; та- ким образом, было введено понятие квантизации спина.    В 1937 профессор Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) Изи-        

Артефакт от металла на мрт что это Артефакт от металла на мрт что это

Источник: window.edu.ru


Добавить комментарий