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 костьми, а также для 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 очков 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 челвоек, а не медицинские устройства.
  • Позитронно - эмиссионная томография (ПЭТ) используетраспознавания совпадений для изображений функциональных процессов. Короткоживущих позитрон излучающий изотоп, такой как 18 F , объединена с органическим веществомтакимкак глюкоза , создавая F18-фтордезоксиглюкозы, который может быть использованкачестве маркера метаболической утилизации. Изображения распределения активностивсему телу может показать быстро растущей ткани, как опухоли, метастазирование, или инфекции. ПЭТизображения можно просматривать по сравнению с компьютерной томографии сканированиечтобы определить анатомическую коррелируют. Современные сканеры могут интегрировать ПЭТ, позволяя ПЭТ-КТ или ПЭТ-МРТ для оптимизации реконструкции изображениясвязанные с позитронной томографии. Это выполняется на том же оборудованиибезфизического перемещения пациента от гентри. Полученный гибрид функциональной и анатомической информации изображения является полезным инструментом в неинвазивной диагностики и лечения пациента.

Доверительные маркеры используются в широком диапазоне применений обработки медицинских изображений. Изображения того же предмета, полученного с двумя различными системами визуализации могут быть соотнесены (называется регистрацией изображения) путем размещения фидуциарную маркер в области изображаемого обеими системами. В этом случае, необходимо использовать маркер , который виден на изображениях , полученных с помощью обоих методов визуализации. С помощью этого метода, функциональная информация от SPECT или позитронно - эмиссионной томографии может быть связано с анатомической информации , предоставленной магнитно - резонансной томографии (МРТ).  Кроме того , реперные точки , установленные во время МРТ могут быть соотнесены с изображениями мозга , порожденных магнитоэнцефалографии локализовать источник активности мозга. Ультразвуковое изображение мочевого пузыря (черная бабочка-образную форму) и гиперплазия предстательной железы

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

Основная статья: Врач УЗИ

Врач УЗИ использует высокочастотные широкополосных звуковых волн в мегагерц диапазоне, которые отражаются от ткани в разной степени для получения (до 3D) изображений. Это обычно связано с визуализации плода у беременных женщин. Использование ультразвука гораздо шире, однако. Другие важные области применения включают визуализации органов брюшной полости, сердце, грудь, мышцы, сухожилия, артерии и вены. В то время как он может обеспечить меньшую анатомическую деталей , чем методы , такие как КТ или МРТ, он имеет ряд преимуществ , которые делают его идеальным во многих ситуациях, в частности , что она изучает функцию перемещения структуры в режиме реального времени, не испускает ионизирующее излучение , и содержит спекл которые могут быть использованы в эластографии . Ультразвук также используется в качестве популярного инструмента исследования для сбора исходных данных, которые могут быть предоставлены через исследовательский интерфейс ультразвука , с целью определения характеристик и внедрения новых методов обработки изображений тканей. Понятия ультразвука отличаются от других методов медицинской визуализации в том , что он находится под управлением передачи и приема звуковых волн. Звуковые волны высокой частоты посылаются в ткани и в зависимости от состава различных тканей; сигнал будет ослаблен и вернулся на отдельные промежутки времени. Путь отраженных звуковых волн в многослойной структуре может быть определена с помощью входного акустического импеданса (ультразвук звуковой волны) и коэффициенты отражения и пропускания относительных структур.  Это очень безопасно использовать и как представляется , не вызывает каких - либо побочных эффектов. Кроме того , относительно недорого и быстро выполнять. Ультразвуковые сканеры могут быть приняты для критически больных пациентов в отделениях интенсивной терапии, избегая опасности , причиненный при перемещении пациента в отделении радиологии. В реальном масштабе времени получено движущееся изображение может быть использовано для руководства дренажа и процедур биопсии. Возможности доплеровские на современных сканеров позволяют кровоток в артериях и венах , которые будут оценены.

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

Основная статья: Эластография

Эластография является относительно новым методом визуализации , который отображает упругие свойства мягких тканей. Эта форма возникла в последние два десятилетия. Эластография полезна в медицинских диагнозов, так как эластичность может различить здоровый от нездорового ткани для конкретных органов / наростов. Например, раковые опухоли часто будет сложнее , чем окружающие ткани, и больные печень являются более жесткими , чем здоровые.  Есть еще несколько elastographic методики , основанные на использовании ультразвука, магнитно - резонансной томографии и тактильной визуализации. Широкое клиническое применение ультразвуковой эластографии является результатом реализации технологии в клинических ультразвуковых машин. Основные отрасли ультразвуковой эластографии включают квазистатических Эластография / Strain Imaging, Поперечная волна Эластичность томография (SWEI), акустическое излучение Импульс силы томографию (Arfi), сверхзвуковой Shear томография (SSI), и преходящими Эластография.  В последнее десятилетие устойчивый рост деятельности в области эластографии наблюдаемую в демонстрирует успешное применение технологии в различных областях медицинской диагностики и мониторинга лечения. 3D тактильный образ (С) состоит из 2D карты давления (B), записанных в процессе тканевого фантомной обследования (A).

Тактильная визуализация [ править источник ][править | править вики-текст]

Основная статья: Тактильная визуализация

Тактильная визуализация является медицинским методом визуализации , который переводит осязание в цифровое изображение . Тактильная изображение является функцией Р (х, у, г) , где P является давление на мягкие ткани поверхности при приложении деформации и х, у, г координаты , где давление P измеряли. Тактильная визуализация близко имитирует ручную пальпацию, так как зонд устройства с матрицей датчиков давления , установленных на его лице действует аналогично пальцев рук человека в ходе клинического обследования, слегка деформируя мягких тканей с помощью зонда и обнаружения в результате изменений в структуре давления. Рисунок справа представляет эксперимент на фантоме композитной ткани исследуемого тактильным датчиком изображения , иллюстрирующие возможность тактильной визуализации для визуализации в 3D структуру объекта.

Эта процедура используется для визуализации простаты,  грудь,  влагалища и тазового поддержки пола структуры ,  и триггерная точка в мышцах. 

Фотоакустическая изображений [ править источник ][править | править вики-текст]

Основная статья: Фотоакустическая визуализация в биомедицине

Фотоакустическая визуализация является недавно разработанный гибрид модальность биомедицинской визуализации основан на эффекте фотоакустическом. Он сочетает в себе преимущества оптического контраста поглощения с пространственным разрешением ультразвуковой для глубокой обработки изображений в оптическом () диффузным или квази-диффузионном режиме. Недавние исследования показали , что фотоакустическая изображения могут быть использованы в естественных условиях для мониторинга опухолевого ангиогенеза, картирования оксигенации крови, функциональной визуализации головного мозга, а также обнаружение меланомы кожи и т.д.

Термографии [ 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.

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

Томография является методом визуализации одной плоскости, или срез, объекта , что приводит к томограмме . Есть два основных способа получения таких изображений, обычные и компьютерная томография. Традиционная томография использует механические средства для записи изображения непосредственно на рентгеновскую пленку, в то время как в области компьютерной томографии, компьютерной обрабатывает информацию подводимой к нему от детекторов затем создает мнимое изображение , которое может быть сохранено в цифровом формате и могут быть отображены на экран или напечатаны на бумаге или пленке.

Традиционная томография [ править источник ][править | править вики-текст]

В обычной томографии , механическое движение из рентгеновского источника и пленки в унисон генерирует томограмму , используя принципы проективной геометрии .  Синхронизация движения источника излучения и детектора , которые расположены в противоположном направлении друг от друга вызывает структуры , которые не находятся в фокальной плоскости исследуемого , чтобы размыть. Это было основным методом получения не томографических изображений до конца 1970-х годов. В настоящее время считается устаревшим (для некоторых приложений , за исключением стоматологических), будучи заменены методами томографических с использованием компьютера. Исторически сложилось так , были различные методы , участвующие в обычной томографии:

  • Линейная томография: Это самая основная форма обычной томографии. Рентгеновская трубка перемещается из точки "А" до точки "В" над пациентом, в то время как держатель кассеты (или "Баки") перемещает одновременно под пациента из точки "В" до точки "А" Точка опоры или точка поворота, устанавливается в интересующей области. Таким образом, точки выше и ниже фокальной плоскости размыто, так же , как фон размыт , когда панорамирование камеры во время экспозиции. Редко используется, и в значительной степени была заменена компьютерной томографии (КТ).
  • Поли томография: Это было достигнуто с помощью более продвинутой рентгеновского аппарата , который позволяет для более сложных и непрерывных перемещений рентгеновской трубки и пленки. С помощью этой техники, имеет целый ряд сложных синхронных геометрических движений могут быть запрограммированы, например, hypocycloidic, круговой, цифра 8, и эллиптические. Philips Medical Systems, например , получают одно такое устройство , названное 'Polytome'.  В этом pluridirectional блок был все еще в использовании в 1990 - е годы, как и его результирующих изображений для малых или сложной физиологии, таких как внутреннее ухо, по - прежнему трудно изображению с трансформаторами в то время. По мере того как разрешение CTs стало лучше, эта процедура была передана с помощью КТ.
  • Zonography: Это вариант линейной томографии, где используется ограниченная дуга движения. Он до сих пор используется в некоторых центрах для визуализации почек во время внутривенного урографии (ЭУ), хотя это тоже вытесняется КТ.
  • Панорамная рентгенограмма : Единственное общее томографическое исследование все еще в использовании. Это делает использование сложного движения , чтобы позволить рентгенографическое исследование нижней челюсти, как будто это была плоская кость. Он обычно проводится в стоматологической практике и часто упоминается как "Панорекс", но это неверно, так как она является товарным знаком конкретной компании.

Компьютерная томография [ править источник ][править | править вики-текст]

В компьютерной томографии, а компьютерных данных процессов , полученные от детекторов излучения и вычислительно строит изображение структур сканирования. Методы обработки изображений с использованием этого метода значительно превосходят по обычной томографии , как они могут легко изображения мягких и твердых тканей ( в то время как обычная томография довольно беден при визуализации мягких тканей). Существуют следующие методы:

  • Рентгеновской компьютерной томографии (КТ), или компьютерной осевой томографии (КТ), представляет собой спиральную метод томографии (последнее поколение), которое традиционно производит 2D - изображение структур в тонкой части тела. В КТ, пучок рентгеновских лучей вращается вокруг объекта рассматривается и подхватывается чувствительных детекторов излучения после того, как проникнув объект с разных углов. Затем компьютер анализирует информацию , полученную от датчиков сканера и формирует детальное изображение объекта и его содержимого с использованием математических принципов , изложенных в Радона . Она имеет большую ионизирующего излучения нагрузки дозы , чем проекционной радиографии; повторные сканирования должно быть ограничено , чтобы избежать воздействия на здоровье человека . КТ основана на тех же принципах, что и X-Ray проекций , но в этом случае пациент заключен в окружающем кольце детекторов , назначенных с 500-1000 сцинтилляционных детекторов  (четвертое поколение X-Ray CT геометрии сканера). Ранее в старых сканеров поколения, рентгеновский луч был соединен с источником перевода и детектора.
  • Позитронно - эмиссионная томография (ПЭТ) также используется в сочетании с компьютерной томографии, ПЭТ-КТ , и МРТ ПЭТ-МРТ .
  • Магнитно - резонансная томография (МРТ) обычно производит томографические изображения поперечных сечений тела. (См отдельный раздел МРТ в этой статье.)

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.