Genealogia
Główny tomograf, tzw. EMI scanner, został dokonany w 1968 roku na mocy sir Godfreya Newbolda Hounsfielda, spośród firmy EMI Ltd, spośród Wielkiej Brytanii. Podstawy matematyczne tego wynalazku są zasługą austriackiego matematyka Johanna Radona. W 1917 roku udowodnił, że obraz dwu- i trójwymiarowego obiektu można odtworzyć w sposób zupełny z nieskończonej ilości rzutów tego przedmiotu. W 1956 roku, Ronald N. Bracewell użył tej metody do stworzenia map słonecznych. Pierwsze urządzenia próbujące wykorzystać idee Radona budowa
Pierwszy tomograf zainstalowano w szpitalu Atkinson Morley Hospital, w Wimbledonie, w Wielkiej Brytanii. Pierwszy pacjent został przebadany w 1972 roku. W USA sprzedawano go w cenie 390 000 USD, a pierwszy zamontowano w 1973 roku w Mayo Clinic i Massachusetts General Hospital.
EMI scanner – pierwszy tomograf
Pierwszy działający tomograf przeznaczony był wyłącznie do prześwietleń mózgu. Głowę pacjenta otaczała woda. Była ona potrzebna do ograniczenia ilości promieniowania docierającego do detektorów. Urządzenie składało się z obrotowego statywu utrzymującego lampę rentgenowską po jednej stronie, a po przeciwnej dwa detektory rejestrujące. Poniżej lampy znajdował się trzeci detektor pomocniczy, monitorujący działanie lampy rentgenowskiej. Lampa wykonywała ruch złożony. Obracała się wraz z detektorami dookoła głowy pacjenta w zakresie 0° do 179°, co jeden stopień. Oś obrotu przechodziła przez środek głowy pacjenta. W każdej pozycji statywu, lampa wykonywała dodatkowo ciągły ruch liniowy na całej szerokości głowy. Wtedy właśnie dokonywano 160 naświetleń promieniami X, a detektory odbierały niepochłonięte przez ciało pacjenta promieniowanie. Łącznie zbierano więc 28 800 projekcji głowy w dwóch warstwach (dwa detektory). Pojedyncze prześwietlenie trwało 4 – 5 minut. Typowe badanie, ok. 25 minut. Zdjęcia były rekonstruowane przez minikomputer Data General Nova. Obróbka jednego zdjęcia zajmowała ok. 7 minut (prototypowi zajmowało to 2,5 godziny). Uzyskany obraz miał rozdzielczość 80 na 80 pikseli i obejmował stały obszar 27 na 16 centymetrów.
Pierwszym tomografem komputerowym mogącym badać dowolną część ciała i nie wymagającym zbiornika wodnego, był ACTA scanner (ACTA Model 0100 CT Scanner), zaprojektowany w 1973 r. przez stomatologa i biofizyka Roberta Ledley’a (Washington, USA), z Georgetown University. Obecnie ACTA scanner znajduje się w National Museum of American History.
Rekonstrukcja obrazu
Ogólna zasada tworzenia obrazu tomograficznego
Źródło promieniowania i detektory poruszają się po okręgu prostopadłym do długiej osi pacjenta (dookoła obrazowanego narządu/obiektu), wykonując szereg prześwietleń wiązką promieniowania równoległą do płaszczyzny obrazowanej. Strumień danych z detektorów zawiera informacje na temat pochłaniania promieniowania przez poszczególne tkanki (elementy składowe obiektu). Dane zostają zapisane na twardym dysku komputera. Informacje z uzyskanych prześwietleń są poddawane obróbce komputerowej w celu uzyskania czytelnego obrazu. Za pomocą skomplikowanej analizy, uwzględniającej ile promieniowania zostało pochłonięte przy napromieniowaniu obiektu z danej strony, tworzone są obrazy przedstawiające kolejne przekroje badanego narządu. Obrazy są monochromatyczne (czarno-białe). Możliwa jest również obróbka komputerowa pozwalająca na przestrzenną rekonstrukcję poszczególnych narządów. Każdy przekrój przez obiekt jest dzielony na małe części, woksele, reprezentujące fragment obrazowanej objętości. Do każdego woksela przypisywana jest liczbowa wartość proporcjonalna do stopnia, w którym pochłania on promieniowanie. Aby w danej warstwie określić tę wartość dla n fragmentów, potrzebne jest przynajmniej n równań opisujących pochłanianie w danej warstwie. Trzeba więc posiadać n różnych projekcji tej warstwy. Im więcej mamy projekcji, tym lepszą dokładność obrazu uzyskamy. EMI scanner wykonywał obrazy o rozdzielczości 80 x 80 pikseli (6400 równań) z 28 800 projekcji. Współczesne tomografy wykonują nawet do 2 000 000 projekcji. Dzięki temu ich rozdzielczość sięga dziesiątków mikrometrów. Z powodu ilości równań wymaganych do odtworzenia obrazu, nie można było zrealizować tomografii w chwili jej wynalezienia, w roku 1917. Dopiero pojawienie się komputerów z ich możliwościami obliczeniowymi utorowało drogę do praktycznego wykorzystania tomografii.
Metoda sumacyjna – "back projection"
Metoda sumacyjna jest najstarszą i zarazem najprostszą metodą odtworzenia obrazu. Łatwo na niej przedstawić proces odtwarzania obrazu mimo że nie jest ona stosowana w praktyce. Ideę metody sumacyjnej przedstawiono na rysunku obok. Obiekt jest prześwietlany (A) z dwóch str
Metody iteracyjne
Metody iteracyjne polegają na znalezieniu współczynnika pochłaniania poszczególnych wokselach poprzez kolejne próby modyfikacji tych współczynników tak, aby ich wartości zgadzały się ze zmierzonymi. Proces rekonstrukcji rozpoczyna się od przyjęcia założeń początkowych dotyczących współczynników pochłaniania w wokselach, np. że wszystkie są sobie równe. Następnie porównuje się je z wielkościami zmierzonymi i dokonuje modyfikacji. Kolejne porównania i modyfikacje (iteracje) kontynuuje się aż do uzyskania zgodności pomiędzy wartościami pochłaniania zmierzonymi a wyznaczonymi. Metoda iteracyjna występuje w trzech odmiana
- rekonstrukcja jednoczesna – obliczenia prowadzi się dla wszystkich projekcji i na całej matrycy wokseli. Wszystkie poprawki w danej iteracji również wprowadzane są jednocześnie.
- korekcja promień po promieniu – cykle iteracyjne obliczeń i poprawek są prowadzone po kolei dla każdej projekcji. Tego rodzaju metodę rekonstrukcji użyto w EMI scanner (patrz rysunek po lewej). Zwykle potrzeba od 6 do 12 iteracji, aby uzyskać zadowalającą dokładność.
- korekcja punkt po punkcie – obliczenia prowadzi się dla każdego woksela po kolei, z uwzględnieniem wszystkich projekcji, w których promienie przechodziło przez dany woksel.
Metody analityczne
Metody analityczne są używane w niemal wszystkich współczesnych tomografach. Dają one najlepsze wyniki, ale wymagają większych mocy obliczeniowych. Najpopularniejszymi z nich są:
- dwuwymiarowa analiza Fourierowska – wykorzystuje ona transformatę Fouriera do opisania otrzymanych profili pochłaniania. Transformacie poddaje się każdą z projekcji i dzięki temu uzyskuje się współczynniki pochłaniania w każdym z wokseli.
- metoda sumacyjna z filtrowaniem – podobna do zwykłej metody sumacyjnej z tym, że obraz jest filtrowany (modyfikowany) w celu przeciwdziałania efektom powodowanym przez nagłe zmiany gęstości w badanym obiekcie, a które pogarszają jakość obrazu w metodzie sumacyjnej (patrz rysunek z prawej).
Liczby CT – jednostki Hounsfielda
Jak napisano wyżej, z zebranych danych komputer tomografu oblicza współczynniki pochłaniania dla każdego z pikseli tworzących obraz. Gdy zostaną już wyznaczone, ich wartości zostają przeliczone na tak zwane liczby CT (CT numbers) – nazywane czasem jednostkami Hounsfielda (HU, Hounsfield Units). Konwersja ta pozwala na przedstawienie obrazu w odcieniach skali szarości. Przeliczenie polega na odniesieniu wyznaczonego współczynnika pochłaniania do jego wartości dla wo
1 HU = K frac{mu_p – mu_w}{mu_w},
gdz
Generacje tomografów
- Pierwsza generac
- Druga generac
- Trzecia generac
- Czwarta generac
Inne odmiany tomografii komputerowej
Tomografia komputerowa występuje czasem pod innymi terminami, które próbują podkreślić charakterystyczną cechę jej odmiany. Na przykł
- CAT (Computerized Axial Tomography) – komputerowa tomografia osiowa – tomografia, w której oprócz ruchu lampy rentgenowskiej występuje również podłużny (osiowy) ruch łoża z pacjentem. Dzięki temu, lampa w każdym momencie prześwietla kolejny fragment, warstwę, ciała pacjenta
- HRCT (High Resolution Computed Tomography) – tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczości (TKWR) – nazwa używana w odniesieniu do tomografów o bardzo wysokiej rozdzielczości rekonstruowanego obrazu
- MSCT (Multi-Slice Computed Tomography) lub MDCT (Multi-row-Detector Computed Tomography) – Wielorzędowa tomografia komputerowa
Istnieją też inne, niż rentgenowska, odmiany tomografii. Różnią się one rodzajem zastosowanego promieniowania i techniki tomograficznej. Jednym z przykładów jest młoda i rozwijająca się technika, zwana PET – emisyjna tomografia pozytonowa. W metodzie zamiast prześwietlania, pacjentowi podaje się preparat zawierający krótko żyjące izotopy promieniotwórcze rozpadające się z emisją pozytonów, ich anihilacja wywołuje promieniowanie gamma, które jest rejestrowane. Na tej podstawie można obserwować metabolizm podanego pierwiastka. Metoda ta służy między innymi do wykrywania nowotworów. Z metod tomograficznych korzystają również systemy zobrazowania rezonansem magnetycznym, MRI.
Zastosowanie w diagnostyce
Głowa
Tomografia komputerowa jest obecnie podstawowym badaniem obrazowym pozwalającym na uwidocznienie struktur śródczaszkowych. Powinna być wykonana jak najszybciej w przypadku udaru mózgu w celu zróżnicowania pomiędzy udarem niedokrwiennym i krwotocznym. Pozwala też wykryć obecność guza śródczaszkowego albo krwiaka pourazowego.
Bezpieczeństwo tomografii komputerowej
Zagrożenia
Rentgenowska tomografia komputerowa wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do wykonywania przekrojowych zdjęć obiektów. Promieniowanie to jest promieniowaniem jonizującym, co wiąże się z potencjalnym zagrożeniem dla życia i zdrowia organizmów żywych w wypadku nadmiernej ekspozycji. W niewielkim, ale zauważalnym stopniu wzrasta ryzyko raka. Ponadto niektórzy pacjenci uczuleni są na środki cieniujące, które zwykle zawierają związki jodu. Innym mogą one uszkodzić nerki. Jeśli środek kontrastowy otrzyma kobieta karmiąca piersią, to przed wznowieniem karmienia musi odczekać przynajmniej 24 godziny. Badanie TK napromieniowuje pacjenta nawet do 400 razy większą dawką promieniowania niż typowa sesja diagnostyczna zwykłym aparatem rentgenowskim. Tomografia komputerowa jest coraz popularniejszym badaniem i stale rośnie jej udział w sumarycznej dawce całej populacji ze wszystkich badań diagnostycznych. W Wielkiej Brytanii, w 1989, badania tomografami stanowiły 2% badań radiologicznych, dając 17% wkład w dawkę z badań promieniami rentgenowskimi. W 2001, liczby te wynosiły odpowiednio, 4% i 40%. Badania w USA wskazują nawet 70% udział tomografów w dawkach z badań medycznych.
Korzyści
Badanie za pomocą tomografu komputerowego jest bezbolesne i nieinwazyjne. Dostarcza bardzo szczegółowych informacji, które można przetworzyć cyfrowo na obrazy trójwymiarowe. Ma stosunkowo szybki i prosty przebieg, może więc uratować komuś życie, ponieważ pozwala wykryć obrażenia wewnętrzne. Tomografy komputerowe nie wpływają negatywnie na działanie wszczepionych aparatów medycznych.
trusttelecom 