Компьютерная томография. История развития. Физические основы

АО «Национальный Научный Кардиохирургический  центр»

 

 

РЕФЕРАТ

Компьютерная томография. История развития. Физические основы.

 

 

 

 

 

Подготовил: Асылбекова А.М.

Проверил: Даутов Т.Б.

 

 

 

 

АСТАНА, 2012

       Мировые  тенденции  в  области  медицинского  приборостроения  в  последние годы претерпели значительные изменения. В основном это вызвано необходимостью повышения качества диагностики, что приводит как к созданию новых высокоинформативных диагностических приборов, так и к совершенствованию традиционных технологий. Современный уровень медицинской техники позволяет выявить структурные и функциональные изменения одного и того же органа с помощью устройств, имеющих различный принцип действия, при этом достоверность полученных данных будет сопоставима. В подобных условиях на первое место выходит информационная составляющая исследований. На данном этапе одним наиболее информативных методов является томография, дающая намного больше информации о каждом элементарном объеме исследуемого объекта, чем другие известные методы диагностики. Термин"томография" произошел от двух греческих слов: τομοσ- сечение и γραϕοσ- пишу и означает послойное исследование структуры различных объектов. Существует несколько видов томографии: рентгеновская, электронно-лучевая,  магнитно-резонансная,  позитронно-эмиссионная,  ультразвуковая, оптическая когерентная томография и др. Но суть всех видов томографии едина: по суммарной информации (например, интенсивности на детекторах или интенсивности эхо-сигнала), полученной от некоторого сечения  вещества,  нужно  определить  локальную  информацию,  а  именно плотность вещества в каждой точке сечения. Информативность и достоверность каждого из них зависит от целого ряда факторов, определяющих конечный результат исследования, в том числе и от принципа действия устройства.

История возникновения  и развития

Среди  всех  существующих  томографических  методов особого успеха достигла  радиационная (рентгеновская)  компьютерная  томография (КТ). Предпосылкой её появления послужили недостатки обычной рентгенографии, породившие идею получения не одного, а ряда снимков, выполненных под разными ракурсами, и определения по ним путём математической обработки плотностей исследуемого вещества в ряде сечений. Преимуществами КТ по сравнению с традиционной рентгенографией стали:

-  отсутствие теневых  наложений на изображении; 

-  более высокая точность  измерения геометрических соотношений; 

-  чувствительность на  порядок выше, чем при обычной  рентгенографии.

Впервые задача реконструкции  изображения была рассмотрена в 1917  году австрийским математиком  Иоганном Радоном, который вывел  зависимость поглощения рентгеновского излучения от плотности вещества на не-котором луче зрения. Данная задача на много лет была отложена в сторону, и лишь в1956-58 гг. советские учёные Тетельбаум, Коренблюм и Тютин разработали первую  систему реконструкции рентгеновских медицинских изображений. 

Метод компьютерной томографии в1961 г. предложил американский нейрорентгенолог Вильям Ольдендорф, а в 1963 математик Алан Кормак (США) провел лабораторные эксперименты по рентгеновской томографии и показал выполнимость реконструкции изображения. Первая вполне качественная томограмма головного мозга человека получена в 1972 году.

В1973 инженер-исследователь  Годфри  Хаунсфилд(Великобритания) разработал  первую  на  западе  коммерческую  систему - сканер головного мозга английской фирмы EMI. Он позволя получать изображения с разрешением 80х80 пикселей (размер пиксела3 мм). Получение одного изображения требовало 4,5 мин на сбор данных и 1,5 мин на реконструкцию. Высокая продолжительность исследования накладывала ограничение на область исследования и первый томографы использовались только для исследований головного мозга. Первый отечественный медицинский рентгеновский томограф СРТ-1000 был разработан в 1978 г. под руководством И.Б. Рубашова, бывшего в 1987-1998 г.г. директором ВНИИ компьютерной томографии.

К 1979 году серийно выпускаемые  многими западными фирмами томографы, несмотря на их внушительную стоимость (сканерEMI стоил$390000), работали уже более чем в2000 клиниках мира. В этом же 1979 году Г. Хаунсфилду и А. Кормаку за выдающийся вклад в развитие КТ была присуждена Нобелевская премия в области медицины. Еще через три года, в1982 г., Нобелевской премии по химии был удостоен известный английский микробиолог Арон Клуг, который внес значительный вклад в развитие экспериментальных и расчетных методов трехмерной КТ.

Конструкция компьютерного  томографа за годы его существования  претерпела значительные изменения. В  целом можно выделить пять поколений  КТ-сканеров.

В томографах 1 поколения, появившихся  в 1973 г., имелась одна остронаправленная  рентгеновская трубка и один детектор, которые синхронно передвигались  вдоль рамы. Измерения проводились  в 160 положениях трубки, затем рама поворачивалась на угол 1˚ и измерения повторялись. Сами измерения длились около 4,5 минут, а обработка полученных данных и реконструкция изображения на специальном компьютере занимали 2,5 часа.

Томографы 2 поколения (например, CT-1010, EMI,  Великобритания) имели уже  несколько детекторов, работающих одновременно, а трубка излучала не остронаправленный, а веерный пучок. Также как  и томограф 1 поколения он использовал  параллельное сканирование, но угол поворота трубки увеличился до 30˚. Общее время  измерений, необходимых для получения  одного изображения, значительно сократилось  и составляло 20 секунд. Типичным для  данной схемы сканирования является то, что она основана  на  учете  только  первичных  фотонов  источника.  Первый  советский компьютерный томограф СРТ-1000 относился к томографам 2 поколения.

В томографах 3 поколения (середина 1970-х гг.) трубка излучала широкий  веерный пучок лучей, направленный на множество детекторов ( около 700), расположенных по дуге. Усовершенствованная конструкция сделала возможным непрерывное вращение трубки и детекторов на 360° по часовой стрелке за счет использования кольца скольжения при подведении напряжения. Это позволило устранить стадию перемещения трубки и сократить время, необходимое для получения одного изображения до 10 секунд. Такие томографы  позволили  проводить  исследования  движущихся  частей  тела (легких и брюшной полости) и сделали возможным разработку спирального алгоритма сбора данных. Все современные медицинские компьютерные томографы относятся к 3 поколению.

В томографах 4 поколения (Pfizer 0450, США) имелось сплошное неподвижное кольцо детекторов (1088 люминисцентных датчиков) и излучающая веерный пучок лучей рентгеновская трубка, вращающаяся вокруг пациента внутри кольца. Время сканирования для каждой проекции сократилось до 0,7 с, а качество изображения улучшилось. В данных томографах необходимо учитывать влияние эффекта рассеяния при переносе излучения, которое в зависимости от используемой энергии источника может быть рэлеевским или комптоновским.

В начале 1980-х появились электронно-лучевые томографы (томографы 5 поколения). В них поток электронов создается неподвижной электронно-лучевой пушкой, расположенной за томографом. Проходя сквозь вакуум, поток фокусируется  и направляется  электромагнитными катушками на вольфрамовую мишень в виде дуги окружности ( около 210°), расположенную  под  столом  пациента.  Мишени расположены  в  четыре  ряда,  имеют большую массу и охлаждаются проточной водой, что решает проблемы теплоотвода. Напротив мишеней расположена неподвижная система быстродействующих  твердотельных  детекторов,  расположенных  в  форме  дуги 216°. Данные томографы используются при исследованиях сердца, т.к. позволяют получать изображение за 33 мс со скоростью 30 кадров/секунду, а число срезов не ограничено теплоемкостью трубки. Такие изображения не содержат артефактов от пульсации сердца, но имеют более низкое соотношение сигнал/шум.

Конфигурация компьютерного  томографа

В состав любого КТ-сканера  входят следующие основные блоки:

1. гентри со столом пациента и блоками управления;

2. высоковольтный генератор; 

3. вычислительная система; 

4. консоль оператора. 

Внутри гентри (рис. 3) расположены блоки, обеспечивающие сбор данных: рентгеновская трубка и коллиматоры, детекторы и система сбора данных, контроллер трубки ( контроллер движения ротора), генератор высоких частот, встроенный микрокомпьютер ( регулирующий напряжение и ток на трубке), компьютер, обеспечивающий обмен данными с консолью.

.

Рис. 3. Гентри КТ-сканера: 1 - трубка и коллиматоры, 2 -детекторы, 3-

контроллер трубки, 4 - ВЧ генератор, 5 - встроенный микрокомпьютер, 6 -

стационарный компьютер

Рентгеновское излучение  создается рентгеновской трубкой, схема которой  представлена  на  рис. 4.  Источником  электронов (катодом)  служит вольфрамовая нить, нагреваемая током, под действием которого электроны "выкипают" с его поверхности. Затем они ускоряются разностью потенциалов в несколько десятков тысяч вольт и фокусируются на анод, сделанный из тугоплавкого материала с высоким атомным номером (например, вольфрама). При торможении быстрых электронов веществом анода (взаимодействии с его атомами) возникают электромагнитные волны в диапазоне длин волн от 10^-14 до 10^-7м, называемые рентгеновским излучением, открытым в 1895 году немецким физиком Конрадом Вильгельмом Рентгеном. Выход рентгеновского излучения растет с атомным номером мишени. При этом 99% энергии электронов рассеивается в тепло, и лишь1% освобождается в форме квантов.

Рис. 4. Схема рентгеновской  трубки: 1 –пучок электронов; 2 – катод с фокусирующим электродом; 3 – стеклянный корпус; 4 – вольфрамовая мишень(антикатод); 5 – нить накала катода; 6 – реально облучаемая площадь; 7 – эффективное фокальное пятно; 8 – медный анод; 9 – окно; 10 – рассеянное рентгеновское излучение.

Современные рентгеновские  трубки состоят из трех основных частей: стеклянного корпуса, обеспечивающего вакуум вокруг частей трубки, катода и анода. Анод должен быть сделан из материала, способного противостоять высоким температурам и имеющего высокий атомный номер (молибден, рений, вольфрам). В зависимости от способа охлаждения анода рентгеновские трубки бывают двух видов: со стационарным или с вращающимся анодом.

Трубки со стационарным анодом использовались в первых сканерах; в

них анод охлаждался маслом. Их недостатком  было  большое фокальное пятно, что давало высокое облучение пациента и низкое разрешение изображения.

Трубки с вращающимся  анодом имеют малое фокальное пятно и большее разрешение и могут создавать пульсирующий или непрерывный пучок лучей. Анод в них вращается со скоростью 3600-10000 об/мин и охлаждается воздухом.

Рентгеновские трубки в современных  КТ-системах имеют мощность20-60 кВт  при напряжении80-140 кВ. При максимальных значения мощности во избежание перегрева трубки такие системы могут работать ограниченное время; эти ограничения определяется свойствами анода и генератора. Со-временные системы с несколькими рядами детекторов и эффективным использованием ресурса трубки практически сняли эти ограничения. Сила тока на трубке также может устанавливаться в пределах от10мА до 440 мА,  что позволяет добиться оптимального соотношения между качеством изображения(уровнем шума) и дозой облучения пациента.

В компьютерном томографе  рентгеновская трубка совместно с системой коллимирования создает узкий веерообразный пучок лучей, угол расхождения которого составляет30°–50°. Ослабление рентгеновского луча при прохождении через объект регистрируется детекторами, преобразующими регистрируемое рентгеновское излучение в электрические сигналы. Затем эти аналоговые сигналы усиливаются электронными модулями и преобразуются в цифровые импульсы. Некоторые материалы оказываются очень эффективными для преобразования рентгеновского излучения. Например, Siemens  использует UFC-детекторы (сверхбыстрые керамические детекторы), которые благодаря хорошим свойствам материала дают превосходное качество изображения. Чаще в КТ используются два типа детекторов– люминесцентные и газовые.

В люминесцентных детекторах используются люминесцентные кристаллы соединенные с трубкой фотоумножителя для преобразования вспышек света  в  электроны.  Количество  произведенного  света  прямо  пропорционально  энергии  поглощенных  лучей.  Такие  детекторы  использовались  всканерах 1 и 2 поколений. Их недостатками является невозможность близкого расположения друг к другу и эффект послесвечения.

Газовый детектор представляет собой камеру ионизации, заполненную

ксеноном или криптоном. Ионизированный газ, пропорциональный излучению, падающему на камеру, вызывает соединение электронов свольфрамовыми пластинам, создающим электронные сигналы. Пластины расположенына расстоянии1.5 мм друг от друга. Газовые детекторы были разработаныдля сканеров3 поколения и дают высокое разрешение и чувствительность.

Их эффективность близка к100%, поскольку они могут быть расположены близко друг к другу.Основными параметрами детекторов, используемых в КТ, являются:

1. эффективность- характеристика, отражающая способность детекторов  обнаруживать  фотоны(эффективность  фиксирования  характеризует способность детектора получать фотоны и зависит от размера детектора и расстояния  между  ними;  эффективность  преобразования  характеризует процент фотонов, падающих на детектор и вызывающих сигнал в нём);

2. стабильность- качественная характеристика, отражающая динамическую устойчивость детекторов;

3. время ответа(мкс) - время,  затрачиваемое на обнаружение события, восстановление детектора и обнаружение следующего события;

4. динамический диапазон- отношение наибольшего сигнала, способного быть измеренным, к наименьшему сигналу, способному быть измеренным.

В современных томографах внутренняя схема коммутации на полевых транзисторах позволяет динамически выбирать режим работы детекторов.

Форма пучку рентгеновских  лучей придается с помощью специальных диафрагм, называемых коллиматорами, которые бывают двух видов. Коллиматоры источника расположены непосредственно перед источником излучения(рентгеновской трубкой); они создают пучок более параллельных лучей и позволяют снизить дозу воздействия на пациента.