Медицинская визуализация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Медицинская визуализация — метод и процесс создания визуальных представлений внутренних структур тела для клинического анализа и медицинского вмешательства, а также визуального представления функций некоторых органов или тканей. Медицинская визуализация позволяет заглянуть во внутренние структуры, скрытые кожей и костями, а также диагностировать заболевания. Медицинская визуализация также создает базу данных нормальной анатомии и физиологии, чтобы сделать возможным идентифицирование аномалий. Хотя визуализация удаленных органов и тканей может быть выполнена по медицинским показаниям, но такие процедуры обычно рассматриваются как часть патологии, а не медицинской визуализации.

Как дисциплина, она является частью биологической визуализации и включает в себя радиологию, которая использует технологии визуализации рентгенографии, магнитно - резонансной томографии, УЗИ, эндоскопии, эластографии, тактильной визуализации, термографии, медицинской фотографии и таких методов ядерной медицины, как позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ).

Измерение и запись производится методами, которые не предназначены для получения изображений, такими как электроэнцефалография (ЭЭГ), магнитоэнцефалография (МЭГ), электрокардиография (ЭКГ), и представляет собой технологию, которая производит данные, представляемые в виде функции графа/времени или карты, которая содержит данные о местах измерений.

Вплоть до 2010 года было проведено по всему миру 5 млрд исследований с помощью медицинской визуализации. Радиационное облучение от медицинской визуализации в 2006 году составило около половины от общего воздействия ионизирующего излучения в Соединенных Штатах. 

Медицинская визуализация часто воспринимается как набор методов, которые неинвазивно (без введения инструментов в организм пациента) производят изображения внутреннего аспекта тела. В этом узком смысле, медицинскую визуализацию можно рассматривать как решение математических обратных задач . Это означает, что причина (свойства живой ткани) выводится из эффекта (наблюдаемый сигнал). В случае УЗИ, зонд состоит из ультразвуковых волн и эха, которое идет из ткани. В случае проекционной радиографии, зонд представляет собой рентгеновское излучение, которое поглощается в различных типах тканей, таких как кости, мышцы и жир.

Методы визуализации[править | править вики-текст]

В области научных исследований, медицинская визуализация представляет собой субдисциплину в области биомедицинской инженерии, медицинской физики или медицины в зависимости от контекста: исследования и разработки в области приборостроения, получение изображений (например, рентгенография), биомедицинская инженерия, медицинская физика и информатика. Многие из методов, разработанных для медицинской визуализации также имеют научное и промышленное применение. 

Рентгенография[править | править вики-текст]

Основная статья: Рентгенография

В медицинской визуализации используются две формы рентгенографических изображений - рентгенография и рентгеноскопия. Эти 2D-методы до сих пор широко используются , несмотря на продвижение 3D-томографии из-за низкой стоимости, высокого разрешения, и более низких доз радиации. Этот механизм визуализации использует широкий луч рентгеновского излучения для получения изображения и является первым из методом визуализации, используемых в современной медицине.

  • Рентгеноскопия, производимая в режиме реального времени, изображает внутренние структуры организма подобно радиографии , но использует постоянное использование рентгеновских лучей при более низкой мощности дозы. Контрастные вещества, такие как барий, йод и воздух используются для визуализации внутренних органов во время их работы. Рентгеноскопия также используется, когда требуется постоянная обратная связь во время процедуры. Рецептор изображения требуется для преобразования излучения в изображение после того, как она прошла через интересующую область. На раннем этапе это был флуоресцирующий экран, который был заменен на усилитель изображения, который был большой вакуумная трубка с концом, покрытым йодидом цезия и зеркалом на противоположном конце. В конце концов зеркало было заменено телекамерой.
  • Проекционные рентгенограммы , более известные как рентгеновские лучи, часто используются чтобы определить тип и степень перелома, а также для выявления патологических изменений в легких. С использованием контрастного вещества, такого как барий, они также могут быть использованы для визуализации структуры желудка и кишечника - это может помочь диагностировать язвы или некоторые виды рака толстой кишки .

Магнитно - резонансная томография (МРТ)[править | править вики-текст]

Основная статья: магнитно-резонансная томография

Магнитный резонанс использует мощные магниты чтобы поляризовать и возбудить водородные ядра (то есть, одиночные протоны) молекул воды в тканях человека, производя обнаруживаемый сигнал , который пространственно кодируется, что приводит к изображениям тела.  Машина МРТ излучает радиочастотный (РЧ) импульс на резонансной частоте атомов водорода молекул воды. Радиочастотные антенны ( "РЧ-катушки") отправляют импульс в области тела, подлежащие рассмотрению. РЧ-импульс поглощается протонами, в результате чего их направление изменяется относительно основного магнитного поля. Когда радиочастотный импульс выключается, протоны "расслабляются" и обратно выравниваются первичным магнитом и излучают радиоволны в этом процессе. Это радиоизлучение от водородных атомов на воде обнаруживается и реконструируется в изображение. Резонансная частота вращающегося магнитного диполя, называется частотой Лармора и определяется силой основного магнитного поля и химической среды ядер, представляющих интерес. МРТ использует три вида электромагнитных полей: очень сильные (как правило , от 1,5 до 3 тесла) статические магнитные поля для поляризации ядер водорода (первичное поле); градиентные поля , которые могут изменяться в пространстве и времени (порядка 1 кГц) для пространственного кодирования, часто называют просто градиенты; и пространственно однородное радиочастотное поле для манипуляций с ядрами водорода для получения измеримых сигналов, собранных через РЧ антенны .

МРТ традиционно создает двухмерное изображение тонкого "среза" тела и поэтому считается томографическим методом визуализации. Современные МРТ инструменты способны производить изображения в виде 3D-блоков, которые можно считать обобщением одного среза. МРТ не использует ионизирующее излучение и, следовательно, не представляет опасности для здоровья. Например, МРТ используется с начала 1980-х, но не существует никаких известных долгосрочных эффектов воздействия сильных статических полей (это является предметом некоторых дебатов) и, следовательно, нет ограничения на количество сканирований, которым лицо может быть подвергнуто, в отличие от рентгена и компьютерной томографии. Тем не менее, существуют хорошо известные риски для здоровья, связанных с нагреванием ткани от воздействия РЧ-поля и наличием имплантированных устройств в организм, таких как стимуляторы сердечной деятельности. Эти риски строго контролируются как в части конструкции прибора, так и протоколах сканирования.

Так как КТ и МРТ чувствительны к различным свойствам ткани, внешний вид изображения, полученного с помощью этих методов существенно различается. В КТ рентгеновские лучи должны быть блокированы той или иной плотной тканью чтобы создать изображение, поэтому качество изображения мягких тканей будет плохим. В МРТ же используются ядра водорода, которые присутствуют во всех тканях в воде и возвращают сильный сигнал, что позволяет создать отличную контрастность мягких тканей.

Ядерная медицина[править | править вики-текст]

Основная статья: Ядерная медицина

Ядерная медицина охватывает как получение диагностического изображения и лечения заболеваний, и могут быть отнесена к области молекулярной медицины и молекулярной визуализации и терапии. Ядерная медицина использует некоторые свойства изотопов и частиц, испускаемых от радиоактивного материала для диагностики и лечения различных патологий. В отличие от типичной концепции анатомической радиологии, ядерная медицина позволяет производить оценку физиологии. Эта функция - ориентированный подход к медицинской оценке, она имеет полезные приложения в большинстве дисциплин, в частности, онкологии, неврологии, кардиологии. Гамма - камеры и ПЭТ - сканеры используются, например , в сцинтиграфии, SPECT и ПЭТ для выявления областей биологической активности, которые могут быть связаны с болезнями. Относительно короткое время жизни изотопа, такого как 99m Тс вводят пациенту. Изотопы поглощаются преимущественно биологически активной тканью, и могут быть использованы для выявления опухолей или переломов в кости. Изображение получается после того как коллимированные фотоны регистрируются кристаллом, испускающим световой сигнал, который, в свою очередь, усиливается и преобразуется в данные подсчета.

  • Сцинтиграфия - форма диагностического теста, в котором радиоизотопы принимаются внутрь, например, внутривенно или перорально. Затем, гамма-камеры захватывают сигналы от излучения, испускаемого препаратами, и образуют двумерные изображения.
  • ОФЭКТ - трехмерный томографический метод, который использует данные гамма-камеры со многих проекций и реконструирует их в разных плоскостях. Двойной детектор головка гамма-камеры в сочетании с КТсканером, который обеспечивает локализацию функциональных данных ОФЭКТ, называется ОФЭКТ-КТ-камерой, и показывает полезность в продвижении области молекулярной визуализации. В большинстве других методов медицинской визуализации, излучение проходит через тело и реакция и результат считывается датчиками. В ОФЭКТ пациенту вводят радиоактивный изотоп, из-за чего радиоактивное гамма-излучение испускается телом. Выбросы гамма-лучей улавливаются детекторами, которые окружают тело. Это означает, что источником радиоактивности является сам человек, а не медицинские устройства.
  • Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) использует распознавание совпадений для изображений функциональных процессов. Короткоживущий позитрон, излучающий изотоп, такой как 18F , объединен с органическим веществом, таким как глюкоза , создавая F18-фтордезоксиглюкозы, который может быть использован в качестве маркера метаболической утилизации. Изображение распределения активности по всему телу может показать быстро растущую ткань, например, опухоли или инфекцию. ПЭТ-изображения можно просматривать вместе с изображениями компьютерной томографии чтобы определить анатомическую корреляцию. Современные сканеры могут интегрировать ПЭТ с КТ или МРТ для оптимизации реконструкции изображений. Это выполняется на том же оборудовании без физического перемещения. Полученный гибрид функционального и анатомического изображения является полезным инструментом неинвазивной диагностики.

Ультразвук[править | править вики-текст]

Основная статья: УЗИ

УЗИ использует высокочастотные звуковые волны, которые по-разному отражаются от ткани и образуют изображения. Обычно это используется для визуализации плода у беременных женщин. Однако, УЗИ используется гораздо шире. Другие важные области применения включают визуализации органов брюшной полости, сердце, грудь, мышцы, сухожилия, артерии и вены. Но УЗИ может обеспечить меньшую анатомическую детализацию, чем методы, такие как КТ или МРТ, однако, он имеет ряд преимуществ, которые делают его идеальным во многих ситуациях, в частности, он может показывать перемещение структуры в режиме реального времени, не испускает ионизирующего излучения. Ультразвук также используется в качестве инструмента исследований с целью определения характеристик тканей и внедрения новых методов обработки их изображений. Ультразвук отличается от других методов медицинской визуализации тем, что он является звуковой волной. Звуковые волны высокой частоты посылаются в ткани и в зависимости от состава различных тканей сигнал будет ослаблен и вернется через отдельные промежутки времени. Путь отраженных звуковых волн в многослойной структуре может быть определен с помощью входного акустического импеданса и коэффициента отражения и пропускания относительных структур.  Это безопасно и не вызывает никаких побочных эффектов. Кроме того, это относительно недорого и быстро. Ультразвуковые сканеры могут быть приняты для критически больных пациентов в отделениях интенсивной терапии, при этом пациент не перемещается. В реальном масштабе времени может быть получено движущееся изображение, которое используется для руководства по дренажу и биопсии. Современные сканеры позволяют показать кровоток в артериях и венах.

Эластография[править | править вики-текст]

Эластография является относительно новым методом визуализации, она отображает упругие свойства мягких тканей. Этот метод возникла в последние два десятилетия. Эластография полезна в медицинской диагностике, так как эластичность может различить здоровую от нездоровой ткани для конкретных органов. Например, раковые опухоли часто будет тверже, чем окружающие ткани, и больная печень более жесткая, чем здоровая.  Есть еще несколько методик , основанных на использовании ультразвука, магнитно-резонансной томографии и тактильной визуализации. Широкое клиническое применение ультразвуковой эластографии является результатом реализации технологии в клинических ультразвуковых машинах. В последнее десятилетие постоянный рост деятельности в области эластографии демонстрирует успешное применение технологии в различных областях медицинской диагностики и мониторинга лечения.

Тактильная визуализация[править | править вики-текст]

Тактильная визуализация является медицинским методом визуализации , который переводит осязание в цифровое изображение. Тактильное изображение является функцией Р(х,у,z) , где P является давлением на мягкие ткани поверхности при приложении деформации. Тактильная визуализация похожа на ручную пальпацию, так как устройство с матрицей датчиков давления, установленных на нем действует аналогично пальцам рук человека, слегка деформируя мягкие ткани. Эта процедура используется для визуализации простаты,  груди,  влагалища и тазовой поддержки половых структур ,  и триггерной точки в мышцах. 

Фотоакустическое изображение[править | править вики-текст]

Фотоакустическая визуализация является недавно разработанным гибридом биомедицинской визуализации, основаным на эффекте фотоакустики. Он сочетает в себе преимущества оптического контраста поглощения с пространственным разрешением УЗИ для глубокой обработки изображений. Недавние исследования показали , что фотоакустическое изображение может быть использовано в естественных условиях для мониторинга опухолевого ангиогенеза, картирования оксигенации крови, функциональной визуализации головного мозга, а также для обнаружения меланомы кожи и т.д.

Термография [ править источник ][править | править вики-текст]

В основном используется для визуализации молочных желез. Есть три подхода: теле- термографии , контакт термографии и динамическая angiothermography . Эти цифровые ИК - изображений термографические методы основаны на том принципе , что метаболическая активность и кровообращение сосудистый как в предраковых ткани и области , окружающей развития рака молочной железы почти всегда выше , чем в нормальной ткани молочной железы. Злокачественные опухоли требуют все большее количество питательных веществ и , следовательно , увеличить кровообращение в их клетки путем проведения открытых существующих кровеносных сосудов, открывая дремлющие сосуды, и создание новых (нео- ангиогенез теория).

Tele-термографии и контакт термографии сторонники утверждают , этот процесс приводит к увеличению региональных температур поверхности молочной железы, однако есть мало доказательств того, что термографии является точным средством выявления опухолей молочной железы. Термография не одобрен для скрининга рака молочной железы в Соединенных Штатах или Канаде, и медицинские органы опубликовали предупреждения против термографии в обеих странах. 

Динамический angiothermography использует тепловидение , но с важными различиями с Tele-термографии и контактной термографии, что производительность обнаружения воздействия. Во- первых, зонды улучшены по сравнению с предыдущими жидкокристаллических пластин; они включают в себя лучшее пространственное разрешение, контрастная производительность, а изображение формируется быстрее. Чем более существенное различие  заключается в определении тепловых изменений из - за изменений в сосудистой сети для поддержки роста опухоли / поражения. Вместо того чтобы просто регистрируя изменение тепла , вырабатываемого опухоли, изображение теперь в состоянии определить изменения , связанные с васкуляризацией молочной железы. В настоящее время используется в сочетании с другими методами диагностики рака молочной железы. Этот диагностический метод является низкая стоимость одного по сравнению с другими методами. Angiothermography не является тестом , который заменяет других тестов, но стоит по отношению к ним как метод , который дает дополнительную информацию для уточнения клинической картины и улучшить качество диагностики.

Эхокардиографии [ править источник ][править | править вики-текст]

Основная статья: эхокардиографии

Когда ультразвук используется для получения изображения сердца его называют эхокардиографии . Эхокардиография позволяет подробные структуры сердца, включая размер камеры, функции сердца, клапанов сердца, а также перикарда (мешочка вокруг сердца) , чтобы увидеть. Эхокардиография использует 2D, 3D и доплеровский изображений для создания изображений сердца и визуализировать кровь течет через каждую из четырех клапанов сердца. Эхокардиографии широко используется в массиве пациентов , начиная от тех , которые испытывают симптомы, такие как одышка или боли в груди, к тем , проходящих лечение рака. Трансторакальная УЗИ было доказано , чтобы быть безопасным для пациентов всех возрастов, от младенцев до пожилых людей, без риска вредных побочных эффектов или радиации, отличающую его от других методов визуализации. Эхокардиография является одним из наиболее часто используемых методов визуализации в мире из - за его портативность и использования в различных приложениях. В чрезвычайных ситуациях, эхокардиографию быстро, легко доступны, и могут быть выполнены у постели больного, что делает его методом выбора для многих врачей.

Функциональные ближней инфракрасной спектроскопии [ править источник ][править | править вики-текст]

Основная статья: Функциональное ближней инфракрасной спектроскопии

FNIR является сравнительно новым неинвазивным методом визуализации. БИС (ближней инфракрасной спектроскопии) используется для целей функциональной нейровизуализации и получила широкое признание в качестве изображения мозга техники.