Wprowadzenie do tomografii komputerowej

Wstęp

Tomografia komputerowa (computed tomography, CT) to metoda diagnostyczna wykorzystująca promieniowanie rentgenowskie do uzyskiwania przekrojów danego obiektu. Od konwencjonalnej rentgenodiagnostyki różni się przede wszystkim sposobem uzyskiwania obrazów, które powstają przez nałożenie na siebie serii pomiarów wykonanych pod różnym kątem (tzw. projekcji) [1]. Pierwsze aparaty służyły głównie obrazowaniu głowy, natomiast obecnie stosowane metody tomografii komputerowej pozwalają na wykorzystanie jej do obrazowania praktycznie każdej struktury [2,3,4]. Urządzenie do wykonywania tomografii nazywa się tomografem, a powstały obraz – tomogramem [5,6]. 

6 GRUDNIA O GODZ. 20.30 ODBĘDZIE SIĘ WEBINAR POŚWIĘCONY PODSTAWOM TOMOGRAFII KOMPUTEROWEJ. BILETY DOSTĘPNE NA: https://webinaryradiologiczne.pl

Zasady działania tomografu 

Zasada działania tomografu jest mniej więcej zbliżona do obrazowania z wykorzystaniem konwencjonalnej radiografii cyfrowej [1].

Podstawowy tomograf składa się z kilku elementów [4]. Główną składową stanowi okole (ang. gantry). Jest to rodzaj obudowy, w której znajdują się liczne elementy odpowiedzialne za generowanie obrazu. W trakcie badania wchodząca w jego skład lampa rentgenowska lub system lamp wykonuje obrót o pełnym zakresie (360°), w efekcie czego wiązka rentgenowska pada na obiekt pod różnymi kątami [7]. Umożliwia to uzyskanie wielu pomiarów pochłaniania promieniowania, które po przetworzeniu z wykorzystaniem skomplikowanych matematycznych algorytmów umożliwiają wygenerowanie obrazu w skali szarości. Taki pojedynczy pomiar określa się w tomografii komputerowej mianem projekcji. Sąsiadujące z lampą i detektorami kolimatory odpowiadają za skupienie promieniowania i zapobiegają jego rozpraszaniu. Detektory służą odbieraniu i przetwarzaniu docierającego do nich promieniowania na sygnał, który może zostać odczytany przez komputer wykorzystujący odpowiedni system wizualizacji. Kolejnym niezbędnym elementem jest przesuwany stół, na którym znajduje się pacjent podczas badania [1,8]. 

Tworzenie kolejnych generacji aparatów do wykonywania tomografii komputerowej było związane przede wszystkim ze zwiększaniem liczby wiązek padającego promieniowania oraz liczby detektorów, które w obecnej generacji wypełniają całe okole. Podniosła się również szybkość obrotu lampy rentgenowskiej [9, 10].

Podstawy fizyczne i metody rekonstrukcji obrazów

 W tomografii komputerowej wykorzystuje się promieniowanie rentgenowskie, które ma charakter fali elektromagnetycznej [1]. W porównaniu jednak z klasyczną radiografią, w której dużym utrudnieniem jest wzajemne przesłanianie się poszczególnych obiektów, tomografia komputerowa dzięki wykorzystaniu olbrzymiej ilości danych umożliwia pokonanie tej istotnej przeszkody. Uzyskiwane obrazy mają charakter przestrzenny, a dzięki zastosowaniu metody obliczeniowej rekonstrukcji obrazu możliwe jest wygenerowanie również innych przekrojów, a nie tylko podstawowego, w różnych płaszczyznach (strzałkowej, czołowej czy poprzecznej) [9]. 

 Jednym z podstawowych pojęć w tomografii komputerowej jest skala Hounsfielda. Opisuje ona gęstość radiologiczną poszczególnych struktur w porównaniu z wodą, której w warunkach standardowych przypisuje się wartość zerową (0 HU) [4,11]. Ciało pacjenta dzieli się przy tym na woksele, czyli najmniejsze elementy przestrzeni dla których zbierane są dane dotyczące pochłaniania promieniowania [12]. 

Najstarszą, jednak już zupełnie niestosowaną, metodą wykorzystywaną w rekonstrukcji obrazów jest tzw. metoda sumacyjna, lub prosta. Jej zasada polega na odtwarzaniu stopnia pochłaniania promieniowania przez poszczególne woksele na podstawie zsumowanych danych z poszczególnych płaszczyzn. Im większa zatem będzie ich liczba, tym uzyskany obraz będzie bardziej wiernie odtwarzał rzeczywistość [1]. Powszechnie wykorzystywana metoda iteracyjna do przeprowadzania obliczeń wykorzystuje znacznie większą liczbę danych, niż byłoby to wymagane dla powstania wyników, dzięki czemu znacznie skraca czas uzyskiwania obrazu. W każdym kolejnym kroku generowana istniejąca sekwencja przybliżeń jest modyfikowana, aż do osiągnięcia satysfakcjonującego pomiaru [13]. Najbardziej zaawansowane matematycznie metody analityczne stanowią podstawę rekonstrukcji w praktycznie wszystkich obecnie wykorzystywanych tomografach [14]. 

Rodzaje tomografii komputerowej 

Wielorzędowa tomografia komputerowa 

Wielorzędowa tomografia komputerowa wykorzystuje aparaty wyposażone w dwie lampy i nawet do 320 detektorów [7]. W rutynowych badaniach przeglądowych wykorzystuje się technikę szybkiego badania spiralnego, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie ciągłości obrazu i odtworzenie przestrzenne poszczególnych struktur w bardzo krótkim czasie (5-20 sekund). Metoda ta pozwala również wyeliminować błędy, jakimi obarczona była stosowana już obecnie rzadko technika sekwencyjna związane ze zbieraniem danych z poszczególnych warstw. Położone międzywarstwowo zmiany dla sekwencyjnego TK pozostawały bowiem niedetekcyjne [9]. 

Obrazy uzyskane w wielorzędowej tomografii komputerowej mogą być prezentowane na kilka sposobów [8]:

• projekcja maksymalnej intensywności, (MIP, maximum intensity projection)
• rekonstrukcje wielopłaszczyznowe (MPR, multiplanar reformated reconstruction)
• technika odwzorowania objętości (VR, volume rendering)
• technika odwzorowania powierzchni (SSD, shaded surface display)
• wirtualna endoskopia TK

Dwuenergetyczna tomografia komputerowa  

W badaniach z wykorzystaniem dwuenergetycznej tomografii komputerowej stosuje się aparaty, w których możliwa jest zmiana napięcia prądu w lampie rentgenowskiej od wartości 80kV do 140 kV [15,16], dzięki czemu zminimalizowane zostaje zjawisko utwardzania promieniowania[17,18]. Zjawisko to występuje w przypadku obecności w ciele pacjenta struktur o wysokim współczynniku pochłaniania promieni X, takich jak na przykład różnego rodzaju ciała metaliczne. Fotony o niskiej energii po natrafieniu na taką strukturę ulegają całkowitemu pochłonięciu i nie docierają do detektorów[19,20]. W efekcie dochodzi do powstania artefaktów w formie promienistych hipo – i hiperdensyjnych pasm, utrudniających ocenę obrazu[21,22]. Do obrazowania tkanek miękkich stosuje się napięcia ok. 70-80 kV, które umożliwia ich najlepszą wizualizację [23]. System tomografii komputerowej dwuenergetycznej jest dostępny w formie:

• aparatów, które posiadają dwa źródła promieniowania i rzędy detektorów, gdzie wysokoenergetyczne obrazy są uzyskiwane przy napięciu 140 kVp, a niskoenergetyczne 80-100 kVp
• aparatów z pojedynczym źródłem promieniowania i jednym rzędem detektorów, gdzie ognisko lampy zmienia naprzemiennie napięcie z 80kV na 140 kV
• aparatów z pojedynczym źródłem promieniowania oraz dwiema warstwami detektorów – dolną i górną [24]. 
  

Wolumetryczna tomografia komputerowa

Istnieje kilka elementów, które odróżniają wykonywaną rutynowo tomografię wielorzędową od tomografii wolumetrycznej [25]:

• stożkowaty kształt wiązki promieniowania, w przeciwieństwie do wachlarzowatego kształtu w przypadku tomografii wielorzędowej 
• emitowanie promieniowania rentgenowskiego ma charakter ciągły lub pulsacyjny  
• w wielorzędowej tomografii komputerowej obrazy, które są rejestrowane pochodzą z danej warstwy, zaś w wolumetrycznej – z wybranej objętości struktury [26,27] 
  

Tomografia wolumetryczna jest wykorzystywania w obrazowaniu twarzoczaszki oraz w stomatologii co związane jest z tym, iż istnieją aparaty tomografii komputerowej wolumetrycznej, które umożliwiają przeprowadzenie badania w pozycji siedzącej bądź stojącej [28,29,30] . 

Zastosowanie tomografii komputerowej 

Poszczególne rodzaje tomografii komputerowej wykorzystywane są w różnych sytuacjach.  W przypadku wielorzędowej tomografii komputerowej, prezentacja projekcji maksymalnej intensywnościjest wykorzystywana w badaniach angio-TK oraz w obrazowaniu guzków w płucach. Kolejna prezentacja, czyli rekonstrukcja wielopłaszczyznowaznalazła swoje zastosowanie w obrazowaniu naczyń oraz obecnych w nich blaszek miażdżycowych (wykorzystuje się tu rekonstrukcje po krzywej), guzów śródpiersia czy zmian guzkowych w płucach [31,32]. Technika odwzorowania powierzchnito sposób obrazowania tomografii wielorzędowej, który zyskał uznanie i jest wykorzystywany do planowania zabiegów operacyjnych oraz w badaniu układów kostnych i naczyniowych [33,34]. Wykorzystywanie tej techniki jest przydatne we wstępnym planowaniu operacji, ponieważ umożliwia przestrzenną ocenę struktur anatomicznych i ich wzajemnych stosunków przestrzennych. Prezentacja techniki odwzorowania objętości, zbliżona do rekonstrukcji wielopłaszczyznowych jest używana w obrazowaniu zmian układu naczyniowego, kostnego, tkanki płucnej oraz narządów jamy brzusznej. Wirtualna endoskopia TKznalazła swoje zastosowanie w ocenie struktur posiadających wewnętrzne światło, czyli dróg oddechowych (tchawica oraz oskrzela), naczyń  czy przewodu pokarmowego (jelita), przy czym najczęściej wykorzystuje się ją do obrazowania jelita grubego [35,36]. 

 Kolejnym rodzajem tomografii komputerowej jest dwuenergetyczna tomografia komputerowa, szeroko stosowana w ortopedii, ponieważ dzięki zmianie napięcia możliwe jest obrazowanie bez artefaktów zarówno tkanek miękkich jak i pochłaniających w znacznym stopniu struktur metalicznych, które są często używane w zabiegach ortopedycznych. Kolejną dziedziną, która korzysta z dwuenergetycznej tomografii jest kardiologia, a w szczególności obrazowanie naczyń wieńcowych po zabiegach wprowadzenia stentów czy pomostowań aortalno-wieńcowych [37]. Dodatkowo,to właśnie ten rodzaj TK umożliwia badanie osób otyłych oraz obrazowanie naczyń wieńcowych z licznymi zwapnieniami. Dwuenergetyczna tomografia komputerowa jest też wykorzystywana w badaniu dróg moczowych, szczególnie diagnostyce kamicy czy złogów kwasu moczowego oraz w diagnostyce różnicowej torbieli prostych i guzów litych nerki. Popularność zyskuje wykorzystanie jej obrazowaniu zatorowości płucnej [38,39]. 

 Tomografia wolumetryczna, dzięki możliwości wykonywania badania w pozycji siedzącej oraz stojącej znalazła zastosowanie w obrazowaniu stomatologicznym – chirurgii szczękowej, protetyce, implantologii stomatologicznej [40,41]. 

Bibliografia:

1. McCullough EC, Payne JT. X-ray-transmission computed tomography. Med Phys. 1977 Mar-Apr;4(2):85-98. doi: 10.1118/1.594381. PMID: 321930.
2. Paxton R, Ambrose J. The EMI scanner. A brief review of the first 650 patients. Br J Radiol. 1974 Sep;47(561):530-65. doi: 10.1259/0007-1285-47-561-530. PMID: 4425509.
3. Lin JP. Computed tomography of the head in adults. Postgrad Med. 1976 Aug;60(2):113-9. doi: 10.1080/00325481.1976.11708382. PMID: 951338.
4. Hounsfield GN. Computerized transverse axial scanning (tomography). 1. Description of system. Br J Radiol. 1973 Dec;46(552):1016-22. doi: 10.1259/0007-1285-46-552-1016. PMID: 4757352.
5. “Tomogram.”Merriam-Webster.com Dictionary, Merriam-Webster, https://www.merriam-webster.com/dictionary/tomogram. Accessed 3 Nov. 2021.
6. “Tomography.”Merriam-Webster.com Dictionary, Merriam-Webster, https://www.merriam-webster.com/dictionary/tomography. Accessed 3 Nov. 2021.
7. Coche E. Advances and perspectives in lung cancer imaging using multidetector row computed tomography. Expert Rev Anticancer Ther. 2012 Oct;12(10):1313-26. doi: 10.1586/era.12.112. PMID: 23176619.
8. Bogdan Pruszyński Radiologia – diagnostyka obrazowa, Rtg, TK, USG, MR. wyd. PZWLWarszawa 2014, wyd.3 ISBN: 978-83-200-6039-3
9. El-Khoury GY, Bennett DL, Ondr GJ. Multidetector-row computed tomography. J Am Acad Orthop Surg. 2004 Jan-Feb;12(1):1-5. doi: 10.5435/00124635-200401000-00001. PMID: 14753791.
10. Lell MM, Kachelrieß M. Recent and Upcoming Technological Developments in Computed Tomography: High Speed, Low Dose, Deep Learning, Multienergy. Invest Radiol. 2020 Jan;55(1):8-19. doi: 10.1097/RLI.0000000000000601. PMID: 31567618.
11. DenOtter TD, Schubert J. Hounsfield Unit. 2021 Mar 16. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2021 Jan–. PMID: 31613501.
12. So A, Nicolaou S. Spectral Computed Tomography: Fundamental Principles and Recent Developments. Korean J Radiol. 2021 Jan;22(1):86-96. doi: 10.3348/kjr.2020.0144. Epub 2020 Sep 10. PMID: 32932564; PMCID: PMC7772378.
13. Willemink MJ, Noël PB. The evolution of image reconstruction for CT-from filtered back projection to artificial intelligence. Eur Radiol. 2019 May;29(5):2185-2195. doi: 10.1007/s00330-018-5810-7. Epub 2018 Oct 30. PMID: 30377791; PMCID: PMC6443602.
14. Flohr TG, Schaller S, Stierstorfer K, Bruder H, Ohnesorge BM, Schoepf UJ. Multi-detector row CT systems and image-reconstruction techniques. Radiology. 2005 Jun;235(3):756-73. doi: 10.1148/radiol.2353040037. Epub 2005 Apr 15. PMID: 15833981
15. Forghani R, De Man B, Gupta R. Dual-Energy Computed Tomography: Physical Principles, Approaches to Scanning, Usage, and Implementation: Part 1. Neuroimaging Clin N Am. 2017 Aug;27(3):371-384. doi: 10.1016/j.nic.2017.03.002. PMID: 28711199.
16. Krauss B. Dual-Energy Computed Tomography: Technology and Challenges. Radiol Clin North Am. 2018 Jul;56(4):497-506. doi: 10.1016/j.rcl.2018.03.008. Epub 2018 May 7. PMID: 29936943.
17. Goo HW, Goo JM. Dual-Energy CT: New Horizon in Medical Imaging. Korean J Radiol. 2017 Jul-Aug;18(4):555-569. doi: 10.3348/kjr.2017.18.4.555. Epub 2017 May 19. PMID: 28670151; PMCID: PMC5447632.
18. Toia GV, Kim S, Dighe MK, Mileto A. Dual-Energy Computed Tomography in Body Imaging. Semin Roentgenol. 2018 Apr;53(2):132-146. doi: 10.1053/j.ro.2018.02.004. Epub 2018 Feb 6. PMID: 29861005.
19. Megibow AJ, Kambadakone A, Ananthakrishnan L. Dual-Energy Computed Tomography: Image Acquisition, Processing, and Workflow. Radiol Clin North Am. 2018 Jul;56(4):507-520. doi: 10.1016/j.rcl.2018.03.001. PMID: 29936944.
20. Vernuccio F, Meyer M, Mileto A, Marin D. Use of Dual-Energy Computed Tomography for Evaluation of Genitourinary Diseases. Urol Clin North Am. 2018 Aug;45(3):297-310. doi: 10.1016/j.ucl.2018.03.012. Epub 2018 Jun 15. PMID: 30031456.
21. McCollough CH, Leng S, Yu L, Fletcher JG. Dual- and Multi-Energy CT: Principles, Technical Approaches, and Clinical Applications. Radiology. 2015 Sep;276(3):637-53. doi: 10.1148/radiol.2015142631. PMID: 26302388; PMCID: PMC4557396.
22. Fukuda T, Fukuda K. The Role of Dual-Energy Computed Tomography in Musculoskeletal Imaging. PET Clin. 2018 Oct;13(4):567-578. doi: 10.1016/j.cpet.2018.05.009. Epub 2018 Aug 17. PMID: 30219188.
23. Elster AD. Introduction to Dual-Energy Computed Tomography. J Comput Assist Tomogr. 2018 Nov/Dec;42(6):823. doi: 10.1097/RCT.0000000000000827. PMID: 30407248.
24. Große Hokamp N, Maintz D, Shapira N, Chang H, Noël PB. Technical background of a novel detector-based approach to dual-energy computed tomography. Diagn Interv Radiol. 2020 Jan;26(1):68-71. doi: 10.5152/dir.2019.19136. PMID: 31904573; PMCID: PMC7075586.
25. Jankowski A, Ferretti G. Tomodensitométrie volumique : principe, paramètres [Volumetric computed tomography: Principles, parameters]. Rev Mal Respir. 2010 Oct;27(8):964-9. French. doi: 10.1016/j.rmr.2010.09.004. PMID: 20965411.
26. Mullins MD, Becker DM, Hagspiel KD, Philbrick JT. The role of spiral volumetric computed tomography in the diagnosis of pulmonary embolism. Arch Intern Med. 2000 Feb 14;160(3):293-8. doi: 10.1001/archinte.160.3.293. PMID: 10668830.
27. Cederlund A, Kalke M, Welander U. Volumetric tomography – a new tomographic technique for panoramic units. Dentomaxillofac Radiol. 2009 Feb;38(2):104-11. doi: 10.1259/dmfr/16577933. PMID: 19176653.
28. Nasseh I, Al-Rawi W. Cone Beam Computed Tomography. Dent Clin North Am. 2018 Jul;62(3):361-391. doi: 10.1016/j.cden.2018.03.002. PMID: 29903556.
29. Pauwels R, Araki K, Siewerdsen JH, Thongvigitmanee SS. Technical aspects of dental CBCT: state of the art. Dentomaxillofac Radiol. 2015;44(1):20140224. doi: 10.1259/dmfr.20140224. PMID: 25263643; PMCID: PMC4277439.
30. Patel S, Durack C, Abella F, Shemesh H, Roig M, Lemberg K. Cone beam computed tomography in Endodontics – a review. Int Endod J. 2015 Jan;48(1):3-15. doi: 10.1111/iej.12270. Epub 2014 Apr 2. PMID: 24697513.
31. Giles J, Marshall J. The use of computed tomography for screening can be effective and safe. Br J Hosp Med (Lond). 2008 Jan;69(1):6-7. doi: 10.12968/hmed.2008.69.1.28033. PMID: 18293720.
32. Puchalski SM. Advances in equine computed tomography and use of contrast media. Vet Clin North Am Equine Pract. 2012 Dec;28(3):563-81. doi: 10.1016/j.cveq.2012.08.002. PMID: 23177132.
33. Shroff GS, Marom EM, Godoy MCB, Truong MT, Chiles C. CT Signs in the Lungs. Semin Ultrasound CT MR. 2019 Jun;40(3):265-274. doi: 10.1053/j.sult.2018.11.012. Epub 2018 Nov 30. PMID: 31200874.
34. Leonardi Dutra K, Haas L, Porporatti AL, Flores-Mir C, Nascimento Santos J, Mezzomo LA, Corrêa M, De Luca Canto G. Diagnostic Accuracy of Cone-beam Computed Tomography and Conventional Radiography on Apical Periodontitis: A Systematic Review and Meta-analysis. J Endod. 2016 Mar;42(3):356-64. doi: 10.1016/j.joen.2015.12.015. PMID: 26902914.
35. Haas LF, Dutra K, Porporatti AL, Mezzomo LA, De Luca Canto G, Flores-Mir C, Corrêa M. Anatomical variations of mandibular canal detected by panoramic radiography and CT: a systematic review and meta-analysis. Dentomaxillofac Radiol. 2016;45(2):20150310. doi: 10.1259/dmfr.20150310. Epub 2015 Nov 18. PMID: 26576624; PMCID: PMC5308577.
36. Howerton WB Jr, Mora MA. Use of conebeam computed tomography in dentistry. Gen Dent. 2007 Jan-Feb;55(1):54-7; quiz 58, 79-80. PMID: 17333969.
37. Mohammed MF, Elbanna KY, Mohammed AME, Murray N, Azzumea F, Almazied G, Nicolaou S. Practical Applications of Dual-Energy Computed Tomography in the Acute Abdomen. Radiol Clin North Am. 2018 Jul;56(4):549-563. doi: 10.1016/j.rcl.2018.03.004. PMID: 29936947.
38. Zorger N, Schreyer AG. Multidetektor-CT bei abdominellen Notfällen [Multidetector computed tomography in abdominal emergencies]. Radiologe. 2009 Jun;49(6):523-32. German. doi: 10.1007/s00117-008-1809-4. PMID: 19557461.
39. Pinedo Ramos E, Coronado Poggio M. Anatomía del abdomen mediante tomografía computarizada [Abdomen anatomy by computed tomography]. Rev Esp Med Nucl. 2008 Jan-Feb;27(1):47-60; quiz 61-2. Spanish. doi: 10.1157/13114371. PMID: 18208783.
40. Köstenbauer J, Truskett PG. Current management of adhesive small bowel obstruction. ANZ J Surg. 2018 Nov;88(11):1117-1122. doi: 10.1111/ans.14556. Epub 2018 May 14. PMID: 29756678.
41. Seeram E. Computed Tomography: A Technical Review. Radiol Technol. 2018 Jan;89(3):279CT-302CT. PMID: 29298954.