ALARA.
В компьютерной томографии доза облучения – это количественный эквивалент уровня качества изображений. Если вы используете слишком низкую дозу – качество изображений неизбежно ухудшится, снимки станут малоинформативными. С уменьшением дозы растет уровень электронного шума на изображениях – четкая контрастная картинка становится все более пикселизованной, зернистой вплоть до полной неинформативности. Но в отношении повышения дозы облучения такой принцип не действует – увеличение дозы выше достаточного уровня не приводит ни к улучшению, ни к ухудшению качества изображений. Поэтому, если вдруг доза будет недостаточна – мы сразу об этом узнаем по «шумным» изображениям плохого качества. А если доза будет избыточна – визуально мы этого никак не увидим. Перефразирую: теоретически, можно работать со слишком высокой дозой, но никак об этом не подозревать! Понимаете, где здесь подводный камень? Этот вопрос требует обязательного контроля и осознанного подхода!
Здесь я коснусь широко используемого в радиационной безопасности термина: принцип ALARA. Это аббревиатура произошла от англоязычного оборота As Low As Resonably Achievable , что переводится как "настолько низко, насколько разумно достижимо". ALARA — это оптимизационный подход, а не просто соблюдение нормативов. Он требует, чтобы любые действия, связанные с использованием источников ионизирующего излучения (в медицине, промышленности, науке), были обоснованы (польза превышает риск) и оптимизированы (доза сведена к минимуму). Принцип ALARA — это этическая и практическая основа радиационной безопасности, которая делает использование радиации целесообразным, обоснованным и безопасным. Он напоминает, что отсутствие вреда важнее, чем формальное соответствие нормам, и требует постоянной осознанности и совершенствования методов работы.
В первой части данной статьи мы познакомились с несколькими важными факторами, от которых зависит доза облучения. Попробуем резюмировать, что было общего у тех факторов? А то, что они в минимальной степени зависят от характеристик КТ-сканера, но максимально зависят от индивидуальных особенностей пациента (масса тела, рост, возможная укладка)!
Теперь мы познакомимся с новой группой факторов, влияющих на дозу облучения, которая называется «параметры сканирования». Упрощенно говоря, это настройки томографа. Также, мы будем часто повторять термин «экспозиция» - познакомимся и с ним.
Итак, приступим. Поскольку рентгеновское излучение генерирует рентгеновская трубка, нам необходимо понять, как регулировать дозу, которую трубка выдает в данный конкретный момент времени? Как её увеличить либо уменьшить? Всё очень просто: это зависит от параметров электрического тока, который мы подаем на трубку. Нас интересует два параметра: напряжение и сила тока.
Напряжение, kV .
В аспекте лучевой нагрузки и радиационной безопасности напряжение на рентгеновской трубке (кВ) является критическим параметром, поскольку прямо и существенно определяет дозу облучения пациента. Напряжение характеризует проникающую способность и энергию рентгеновских фотонов (говоря на рентгенологическом сленге, способность "пробивать" ткани) . В КТ обычно используется напряжение от 80 до 150 кВ.
Поглощенная доза (энергия излучения, переданная тканям) пропорциональна квадрату напряжения (∼ кВ²) . Практический пример: увеличение напряжения со 120 кВ до 140 кВ (при неизменных других параметрах) увеличит дозу облучения пациента примерно на (140² / 120²) ≈ 1.36, то есть на 36%. Это огромная разница! Снижение напряжения — один из самых эффективных способов снижения лучевой нагрузки.
Наиболее широко применяется напряжение 120 кВ: с таким напряжением выполняется 90% рутинных исследований у среднестатистических пациентов.
Для детей, молодых пациентов и худощавых взрослых необходимо применять пониженное напряжение (80-100 кВ). Это резко снижает дозу (в 2-3 раза по сравнению со 120 кВ) и является основным протоколом радиационной безопасности для уязвимых групп.
Есть ещё одна очень интересная особенность: если мы используем напряжение, допустим, 90 кВ вместо 120 кВ, но при этом сохраняем CTDI на прежнем уровне путем повышения силы тока - то на изображениях улучшается контрастность мягких тканей и увеличивается контрастность рентгенконтрастного препарата в сосудах (простите за тавтологию). Это свойство используют в КТ-ангиографии для снижения лучевой и фармакологической нагрузки.
Особый случай: Крупные пациенты
- Для пациентов с большой массой тела снижение напряжения приводит к неприемлемо зашумленному, недиагностическому изображению. Рентгеновские фотоны не могут "пробить" массив тканей и достигают детектора с очень низкой энергией.
- В этом случае повышение напряжения (до 135-150 кВ) является вынужденным, но оправданным с точки зрения радиационной безопасности шагом, так как позволяет получить диагностически ценное изображение с первого раза, исключая необходимость повторного сканирования из-за плохого качества. Недопустимо использовать "недостаточные" параметры, ведущие к повторному исследованию
Сила тока, mA
В отличие от напряжения (кВ), которое в первую очередь определяет энергию фотонов и сложным образом влияет на дозу облучения, сила тока (мА) влияет на дозу прямо и линейно, что делает её ключевым "регулятором громкости" облучения. Сила тока определяет количество электронов, разгоняемых от катода к аноду. Чем больше электронов — тем больше генерируется количество рентгеновских фотонов. Поглощенная доза пропорциональна силе тока (мА) при прочих равных условиях. Удвоение силы тока (например, со 100 мА до 200 мА) приводит к удвоению дозы облучения пациента. Это делает управление силой тока более простым и предсказуемым инструментом для управления дозой, чем напряжение (где зависимость квадратичная: ∼кВ²).
Основной компромисс: Доза vs. Уровень шума (качество изображения):
- Чем выше мА: Тем больше фотонов достигает детекторов. Это дает изображение с высоким соотношением сигнал/шум — четкое, гладкое, с высокой детализацией мягких тканей. Однако лучевая нагрузка на пациента максимальна.
- Чем ниже мА: Фотонов меньше, изображение становится более шумным, зернистым, что может скрыть мелкие детали . Но доза облучения при этом существенно снижается.
Это главная дилемма радиационной безопасности: найти минимальный уровень мА, при котором шум остается приемлемым для конкретной диагностической задачи.
Время вращения трубки, RT
Мы ведь подаем ток на трубку не абы как, а в течение строго определенного времени. В классической рентгенографии и в КТ оно измеряется в секундах и в милисекундах. Но вот подход к оценке данного времени сильно разный.
Теперь возьмем для примера классическую рентгенографию. Здесь пациент стоит перед трубкой неподвижно. Чтобы сделать качественный снимок, необходимо использовать такие напряжение и силу тока на трубке, чтобы достаточное количество квантов рентгеновского излучения "пробило" тело человека, не "застряв" в нем и попало на детектор. Кроме того, время подачи напряжения на трубку (обычно измеряется в милисекундах) играет в этом огромную роль: за 5 мс на детектор попадет в два раза меньше квантов, чем за 10 мс.
В данном случае как слишком большое, так и слишком маленькое время ухудшат качество рентгенограммы. Также, качество пострадает, если неправильно подобраны напряжение и/или сила тока. В результате, для получения рентгенограммы хорошего качества, необходимо "балансировать" между кВ, мА и мс. Профессиональные рентгенлаборанты замечательно справляются с подбором этих параметров, но в настоящее время 99% рентгенограмм выполняются в автоматическом режиме - современные рентгенаппараты отлично делают это без участия человека.
Когда речь идет об МСКТ, как и в традиционной рентгенографии, всё упирается в количество драгоценных рентгеновских квантов, которые, пройдя через тело человека (данного конкретного, а не любого) , попали на детектор томографа. Если этих квантов достаточно - изображение будет хорошим, если недостаточно - качество снизится. Чем же МСКТ отличается от классического рентгена в аспекте нашего повествования про время работы трубки? А вот чем:
1. Рентгеновская трубка при МСКТ двигается вокруг пациента по спиральной траектории (как в этом видео), а не стоит неподвижно.
2. Пациент во время сканирования тоже не стоит на месте, а движется на столе сквозь аппертуру гентри.
В рентгене все проще : подали напряжение на несколько милисекунд, отключили - и снимок готов! Но при компьютерной томографии мы не можем отключить напряжение , пока не закончим сканирование всей зоны (в нашем случае грудной клетки) - в тот момент когда мы отключаем напряжение , получение изображений становится невозможным и прекращается! Поэтому трубка включена во время сканирования постоянно. На КТ все расчитывается исходя из дозы на один оборот трубки вокруг стола. Мы знакомимся с новым параметром: время оборота трубки или rotation time (RT).
Представьте, что трубка совершит один оборот вокруг пациента с RT 1s и отключится . А теперь уменьшим RT до 0,5 s и повторим то же самое. Что мы получим? Экспозиция во втором случае уменьшится в два раза, т. к. излучение воздействовало на пациента не 1 с, а 0,5 с. Так что зависимость крайне простая и линейная: если увеличить RT при одинаковых величинах кВ и мА, экспозиция прямо пропорционально возрастет, соответственно, увеличится и доза облучения. При уменьшении RT экспозиция прямо пропорционально уменьшается.
Для расширения кругозора: наиболее универсальное RT - 0,5 s. 90% КТ-исследований выполняются именно с такими параметрами. Самые низкие величины RT (до 0,23 s) используют при КТ-коронарографии, т.к. движущееся сердце необходимо запечатлеть в "замороженном" неподвижном виде , а это намного проще при быстрой ротации трубки: представьте , что один оборот трубки занимает 1 секунду - в этом мы получим нечеткую малоинформативную картинку, т.к. за 1 секунду сердце успеет полностью сократиться. А большие величины RT (0,75-1 c) на некоторых аппаратах используют при сканировании головного мозга (рентгеновским лучам тяжело "пробить" крупный массив костей черепа, поэтому необходимо увеличить экспозицию ) либо при сканировании туловища у очень тучных людей ( по тем же причинам).
Вы думаете , что все этим ограничивается? Как бы не так!
Питч.
Двигается не только трубка, но и пациент, и это тоже влияет на дозу. Англоязычное слово pitch означает подача. Условно говоря, это скорость, с которой стол с пациентом проезжает через апертуру гентри. В плане экспозиции всё достаточно просто: при прочих равных, чем быстрее пациент «пролетит» через сканирующий пучок рентгеновских лучей, тем меньшую дозу он получит. Но не будем забывать про RT! Если при этом еще ускорить вращение трубки (уменьшить RT), доза уменьшится еще сильнее. Казалось бы, что в этом плохого: быстрое сканирование и низкая доза? Однако до бесконечности увеличивать pitch и уменьшать RT нельзя.
Во-первых, экспозиция может стать недостаточной: изображения станут «шумными» и неинформативными. Во-вторых, есть технические ограничения: в идеале, чтобы качество изображения (разрешение, контрастность, достоверность) было наилучшим, трубка должна совершить один полный оборот вокруг тела человека на один полученный срез. В современных мультиспиральных сканерах достаточно и половины оборота, однако, если максимально увеличить питч, то можно не уложиться в эти параметры и получить изображения низкого качества, что уже не укладывается в принцип ALARA.
Экспозиция.
Совокупность изученных нами параметров сканирования (kV, mA, RT, pitch) определяет дозу облучения, которая выйдет из рентгеновской трубки и попадет на детектор, пройдя через тело пациента. Все эти настройки объединяют одним термином: настройки экспозиции. Кстати, можно провести параллель с фотопроцессом. В фотоаппарате вы настраиваете выдержку (время), диафрагму (количество света) и ISO (чувствительность). И совокупность этих параметров определяет, сколько света попадет на матрицу, и тоже называется «настройки экспозиции». Но и здесь всё не так просто)))
Термин экспозиция имеет еще одно значение, которое применяется не к аппарату, а к пациенту. Условно, мы можем применить одни и те же параметры сканирования, но тело человека состоит из разных органов, которые имеют разную чувствительность к излучению. Поэтому одно и то же количество рентгеновских квантов, которое вышло из рентгеновской трубки, будет влиять на разных пациентов совершенно по-разному, в зависимости от их комплекции и зоны исследования (см. первую часть статьи). И эффективная доза будет сильно отличаться. И опять аналогия с фотографией: если вы фотографируете футбольное поле, то газон получится хорошо, но вот футболист, который пробегает по газону, может получиться плохо и размыто, так как он движется, и его экспозиция из-за этого становится недостаточной для получения хорошей фотографии. Экспозиция для фотоаппарата одна и та же, а для газона и футболиста разная.
Таким образом, настройки экспозиции на КТ-сканере , величина экспозиции для пациента и эффективная доза , находятся в тесной связи между собой, но по сути очень отличаются! Вот такая сложная головоломка для вашего мозга!
Итоги.
Итак, подведем итоги. Мы изучили, какие технические параметры сканирования влияют на дозу и на качество изображений. Также, мы познакомились с понятием "экспозиция" и с главным принципом радиационной безопасности ALARA. Вы думаете, это всё? Как бы не так, на этом серия наших постов про дозу на КТ не оканчивается, впереди ещё много очень интересной информации! 🔥
Подписывайтесь на мой канал, если темы радиационной безопасности и технических основ компьютерной томографии вас интересуют!