Комп'ютерна томографія, комп'ютерна томографія
Серед всіх існуючих томографічних методів особливі успіхи досягнуті в радіаційної (рентгенівської) комп'ютерної томографії (КТ). Передумовою її появи послужили недоліки звичайної рентгенографії, породили ідею отримання не одного, а ряду знімків, виконаних під різними ракурсами, і визначення по ним шляхом математичної обробки щільності досліджуваної речовини в ряді перетинів. Перевагами КТ у порівнянні з традиційною рентгенографією є:
- відсутність тіньових накладень на зображенні;
- більш висока точність вимірювання геометричних співвідношень;
- чутливість на порядок вище, ніж при звичайній рентгенографії.
Вперше завдання реконструкції зображення розглянув в 1917 р австрійський математик Johann Radon, який вивів залежність поглинання рентгенівського випромінювання від щільності речовини на деякому промені зору. Рішення завдання було відкладено на багато років, і лише в 1956-58 рр. радянські вчені розробили першу систему реконструкції рентгенівських медичних зображень.
Метод комп'ютерної томографії в 1961 році запропонував американський нейрорентгенологів William Oldendorf, а в 1963 р математик Allan M. Cor-mack (США) провів лабораторні експерименти по рентгенівської томографії і показав можливість виконання реконструкції зображення. Перша цілком якісна томограма головного мозку людини отримана в 1972 р (рис.1) [5].
Мал. 1. Перший КТ-сканер (а) і перша томограма головного мозку (б)
У 1973 р інженер-дослідник Godfrey Hounsfield (Великобританія) розробив першу на заході комерційну систему - сканер головного мозку англійської фірми EMI. Він дозволяв отримувати зображення з роздільною здатністю 80х80 пікселів (розмір пікселя 3 мм). Отримання одного зображення вимагало 4,5 хв на збір даних і 1,5 хв на реконструкцію. Висока тривалість експерименту накладала обмеження на область дослідження, і перші томографи використовувалися тільки для вивчення голів-
У цьому ж 1979 р G. Hounsfield і A. Cormack за видатний внесок в розвиток КТ були удостоєні Нобелівської премії в галузі медицини. Через три роки, в 1982 р Нобелівської премії з хімії був удостоєний відомий англійський мікробіолог Aaron Klug, який вніс значний вклад в розвиток експериментальних і розрахункових методів тривимірної КТ.
Конструкція комп'ютерних томографів за роки їх існування зазнала значних змін. В цілому можна виділити п'ять поколінь КТ-сканерів.
У томографах першого покоління, що з'явилися в 1973 р була одна гостронаправлених рентгенівська трубка і один детектор, які синхронно пересувалися уздовж рами (рис. 2, а). Виміри проводилися в 160 положеннях трубки, потім рама поверталася на кут 1 ° і вимірювання повторювалися. Самі виміру тривали близько 4,5 хв, а обробка отриманих даних і реконструкція зображення на спеціальному комп'ютері займали 2,5 ч.
Мал. 2. Схематичне зображення комп'ютерних томографів чотирьох
Томографи другого покоління (наприклад, CT-1010, EMI, Великобританія) мали вже кілька детекторів, що працюють одночасно, а трубка випромінює не гостронаправлених, а віяловий пучок (рис. 2,6). Так само як і в томографах першого покоління, тут використовувалося паралельне сканування, але кут повороту трубки збільшився до 30 °. Загальний час вимірювань, необхідне для отримання одного зображення, значно скоротилося і становило 20 с. Типовим для даної схеми сканування є те, що вона враховує тільки первинні фотони джерела. Перший вітчизняний комп'ютерний томограф СРТ -1000 ставився до томографа другого покоління.
У томографах третього покоління (середина 1970-х рр.) Трубка випромінювала широкий віяловий пучок променів, спрямований на безліч детекторів (близько 700), розташованих по дузі (рис. 2, в). Удосконалена конструкція уможливила безперервне обертання трубки і детекторів на 360 ° за годинниковою стрілкою за рахунок використання кільця ковзання при підведенні напруги. Це дозволило виключити стадію переміщення трубки і скоротити час, необхідний для отримання одного зображення до 10 с. Використання таких томографів забезпечило можливість проведення дослідження рухомих частин тіла (легенів і черевної порожнини) і розробки спірального алгоритму збору даних. Всі сучасні медичні комп'ютерні томографи відносяться до третього покоління.
У томографах четвертого покоління (Pfizer 0450, США) було суцільне нерухоме кільце детекторів (1088 люмінесцентних датчиків) і випромінює віяловий пучок променів рентгенівська трубка, що обертається навколо пацієнта всередині кільця (рис. 2, г). Час сканування для кожної проекції скоротилося до 0,7 с, а якість зображення покращився. В даних томографах необхідно враховувати вплив ефекту розсіювання при перенесенні випромінювання, яке в залежності від енергії використовуваної джерелом може бути релєєвського або комптонівським.
Параметри КТ-сканерів третього і четвертого поколінь
Кругові артефакти на зображенні
На початку 1980-х з'явилися електронно-променеві томографи (томографи п'ятого покоління). У них потік електронів створюється нерухомою електронно-променевої гарматою, розташованої за томографом (рис. 3). Проходячи крізь вакуум, потік фокусується і прямує електромагнітними котушками на вольфрамову мішень, що представляє собою дугу окружності (близько 210 °), що знаходиться під столом пацієнта. Мішені розташовані в чотири ряди, мають велику масу і охолоджуються проточною водою, що вирішує проблеми тепловідведення. Навпаки мішеней встановлена нерухома система швидкодіючих твердотільних детекторів, що має форму дуги 216 °. Дані томографи використовуються при дослідженнях серця, тому що дозволяють отримувати зображення за 33 мс зі швидкістю 30 кадрів / с, а число зрізів не обмежена теплоємністю трубки. Такі зображення не містять артефактів, викликаних пульсацією серця, але мають більш низьке співвідношення сигнал / шум [50].
Мал. 3. Схема електронно-променевого томографа: 1 - електронна гармата; 2 - потік електронів; 3 - фокусуються котушка; 4 - напрямна котушка; 5 - мішень; 6 - детектори