Сканер CAT

<час />

Сканер компьютерной томографии (КТ) или компьютерной аксиальной томографии (CAT) - это медицинский инструмент для визуализации, который обеспечивает четкие изображения внутренних структур тела. Используя пучок рентгеновских лучей и детектор излучения, он передает данные на компьютер, который затем строит трехмерное изображение. Сканер CAT состоит из различных сложных электронных компонентов, которые производятся различными субподрядчиками и собираются в единое целое производителями сканеров. Сканеры этого типа, впервые разработанные в начале 1970-х годов, благодаря постоянным технологическим усовершенствованиям превратились в бесценное устройство для радиологической диагностики.

История

Изобретение CAT-сканера стало возможным благодаря Вильгельму Рентгену, который открыл рентгеновские лучи в 1895 году. Примерно в это время различные ученые исследовали движение электронов через стеклянный прибор, известный как трубка Крукса. Рентген хотел визуально запечатлеть действие электронов, поэтому он обернул трубку Крукса черной фотобумагой. Когда он проводил свой эксперимент, он заметил, что пластина, покрытая флуоресцентным материалом, которая случайно оказалась рядом с трубкой, флуоресцирует или светится. Это было неожиданно, поскольку обернутая трубка не испускала видимого света. При дальнейшем исследовании он обнаружил, что действительно был какой-то невидимый свет, излучаемый этой трубкой, и он мог проникать сквозь такие материалы, как дерево, алюминий или человеческую кожу.

После этого первоначального открытия Рентген быстро осознал важность своего открытия для медицины. Используя рентгеновские лучи, он определил, что можно создать изображение структур под кожей. С этой целью он опубликовал первый рентгеновский снимок руки своей жены. За это открытие он получил первую Нобелевскую премию по физике в 1901 году. Первое задокументированное использование рентгеновских лучей для постановки диагноза в Соединенных Штатах произошло в 1896 году. Доктор Гилман Фрост и его брат, физик, использовали их для определения степени тяжести травм, полученных мальчиком, катавшимся на коньках. несчастный случай. Этот рентгеновский снимок был сделан в физической лаборатории Дартмутского колледжа.

По мере расширения области радиографии рентгеновские технологии неуклонно совершенствовались. Одним из основных ограничений обычных рентгеновских лучей было отсутствие глубины; поэтому многие внутренние конструкции накладывались друг на друга. С помощью компьютеров ученые разработали методы решения этой проблемы. Одним из таких методов была компьютерная томография (КТ) или компьютерная аксиальная томография (CAT). Первый компьютерный томограф был продемонстрирован в 1970 году Годфри Хаунсфилдом и Алленом Кормаком. В течение следующих двух десятилетий в конструкции сканеров были достигнуты значительные успехи, в результате чего сегодня используются высококачественные сканеры изображений.

Фон

Сканеры CAT, как и все другие рентгеновские аппараты, используют рентгеновские лучи для получения изображений внутренних структур тела. Рентгеновские лучи - это тип ионизирующего излучения, которое способно проникать в твердые материалы в разной степени, в зависимости от их плотности и толщины. В традиционной радиологии изображение создается путем размещения детектора, такого как фотопленка, позади пациента и последующего направления на него пучка рентгеновских лучей. Излучение проходит через тело пациента и взаимодействует с пленкой. Поскольку рентгеновские лучи, попадающие на пленку, после обработки образуют темные области, структуры тела, которые легко проникают рентгеновскими лучами, например кожа, проявляются как темные области. Другие структуры, такие как мышцы, мягкие ткани и органы, пропускают через себя различное количество рентгеновских лучей и отображаются в виде серых областей. Кости, которые не пропускают рентгеновские лучи, выглядят как ярко-белые участки.

Изображения, полученные с помощью обычных пленочных рентгеновских лучей, часто бывают нечеткими, потому что многие внутренние структуры накладываются друг на друга. Томография была разработана, чтобы уменьшить эту нечеткость и позволить визуализировать определенные области тела. Ранние методы томографии предполагали одновременное перемещение генератора рентгеновских лучей и детектирующей пленки в противоположных направлениях. Поскольку два устройства движутся горизонтально, только те конструкции тела, которые лежат в определенной геометрической плоскости, позволяют рентгеновским лучам последовательно проходить к детектору. Таким образом, эти структуры четко видны на пленке, в то время как структуры вне плоскости размываются. Изображение, полученное с помощью этого вида радиологии, параллельно длинной оси тела.

Компьютерная аксиальная томография и компьютерная трансаксиальная томография представляют собой более сложную и улучшенную форму обычной томографии. Изображения получаются путем вращения генератора рентгеновского излучения и детекторов вокруг пациента по кругу. Количество ослабленного остаточного излучения, испускаемого телом под разными углами, измеряется и отправляется на компьютер, а не записывается непосредственно на пленку. Затем компьютер запускает серию сложных алгоритмов для восстановления изображения, которое затем может быть отображено на мониторе. В отличие от обычной томографии изображение, полученное с помощью компьютерной трансаксиальной томографии, представляет собой поперечное сечение тела и называется трансаксиальным изображением, поскольку оно перпендикулярно длинной оси тела.

Рентгеновские лучи называются ионизирующими излучениями, потому что они способны взаимодействовать с определенными типами материи, такими как молекулы в организме, и изменять их. Хотя это, безусловно, представляет значительный риск для здоровья человека, преимущества использования рентгеновских лучей в медицине огромны. Тем не менее, медицинские работники стараются ограничить степень воздействия на себя и пациентов.

Дизайн

Сканер CAT состоит из трех основных систем, включая портал, компьютер и операционную консоль. Каждый из них состоит из различных подкомпонентов. Портальная сборка - самая большая из этих систем. Он состоит из всего оборудования, связанного с пациентом, включая опору для пациента, кушетку для позиционирования, механические опоры и корпус сканера. Он также содержит основу CAT-сканера, рентгеновскую трубку, а также детекторы, которые генерируют и обнаруживают рентгеновские лучи.

Рентгеновская трубка - это особый тип герметичного электрического диода, который предназначен для излучения рентгеновских лучей. Он состоит из двух электродов:катода и анода. Для получения рентгеновских лучей катодная нить накаливания заряжается электричеством от генератора высокого напряжения. Это вызывает нагревание нити и испускание электронов. Используя свое естественное притяжение и специальный фокусирующий стакан, электроны движутся прямо к положительно заряженному аноду. Рентгеновские лучи испускаются без разбора, когда электроны попадают на анод. Анод, который может вращаться или не вращаться, затем проводит электричество обратно к генератору высокого напряжения, замыкая цепь. Для фокусировки рентгеновских лучей в пучок рентгеновская трубка находится внутри защитного кожуха. Этот корпус облицован свинцом, за исключением небольшого окошка внизу. Полезные рентгеновские лучи могут выходить из этого окна, в то время как свинец предотвращает выход паразитного излучения в других направлениях.

В отличие от других радиологических устройств, детекторы CAT-сканера не измеряют рентгеновское излучение напрямую. Они измеряют излучение, ослабленное структурами тела из-за их взаимодействия с рентгеновскими лучами. Один из типов детекторов - это идеальный газовый детектор. Когда излучение попадает в один из этих детекторов, газ ионизируется, и можно определить уровень излучения.

Компьютер специально разработан для сбора и анализа входных данных от детектора. Это большой компьютер, способный одновременно выполнять тысячи уравнений. Скорость восстановления и качество изображения зависят от микропроцессора компьютера и внутренней памяти. А Быстрый компьютер особенно важен, поскольку он сильно влияет на скорость и эффективность исследования. Поскольку компьютер настолько специализирован, ему требуется комната со строго контролируемой средой. Например, температура обычно поддерживается ниже 68 ° F (20 ° C), а влажность ниже 30%.

Пульт управления является главным центром управления CAT-сканером. Он используется для ввода всех факторов, связанных со сканированием. Обычно эта консоль состоит из компьютера, клавиатуры и нескольких мониторов. Часто используются две разные консоли управления:одна используется оператором CAT-сканера, а другая - врачом. Консоль оператора контролирует такие переменные, как толщина визуализируемого среза ткани, механическое движение кушетки пациента и другие факторы рентгенографической техники. Консоль просмотра врача позволяет врачу просматривать изображение, не мешая нормальной работе сканера. Он также позволяет манипулировать изображениями, если это требуется для диагностики и сохранения изображений для дальнейшего использования. Для этого типа хранения данных доступны магнитные ленты или гибкие диски.

Со временем конструкция CAT-сканера постепенно улучшалась. В оригинальных компьютерных сканерах использовался тонкий пучок рентгеновских лучей, и они снимали 180 показаний, по одному на каждый градус вращения вокруг полукруга. Генератор рентгеновского излучения и детекторы перемещались по горизонтали для каждого сканирования, а затем поворачивались на один градус для выполнения следующего сканирования. Использовались два детектора, так что при каждом сканировании можно было получить два разных изображения. Недостатком этой системы было длительное время сканирования. Одно сканирование может занять до пяти минут. Конструкция улучшилась по мере добавления большего количества детекторов и распределения рентгеновского луча с помощью специального фильтра. Это значительно сократило время сканирования примерно до 20 секунд. Следующее крупное улучшение конструкции привело к устранению горизонтального перемещения генератора и детектора, что сделало его сканером только для вращения. Дополнительные детекторы были добавлены и сгруппированы в криволинейную матрицу детекторов. В конечном итоге матрица детекторов была сконструирована так, чтобы быть стационарной, и в результате время сканирования было сокращено до одной секунды.

Сырье

Для изготовления компонентов CAT-сканера используются самые разные материалы, такие как сталь, стекло и пластик. Некоторые из более специализированных соединений можно найти в кушетке пациента, матрице детекторов и рентгеновской трубке. Кушетка пациента обычно изготавливается из углеродного волокна, чтобы оно не мешало передаче рентгеновского луча. Сканеры CAT используют рентгеновскую технологию для создания трехмерных изображений внутренних структур тела. Изображения получаются путем вращения генератора рентгеновского излучения и детекторов вокруг пациента. Эта информация вводится в компьютер, который восстанавливает изображения структур тела в пределах своей плоскости фокуса. В матрице детекторов более современных сканеров используются вольфрамовые пластины, керамическая подложка и газообразный ксенон. Вольфрам также используется для изготовления катода и мишени электронного луча рентгеновской трубки. Другие материалы, найденные в трубке, - это пирекс. стекло, медь и вольфрамовые сплавы. Свинец можно найти во многих частях системы сканирования CAT, что снижает количество избыточного излучения.

Производственный
процесс

Производство CAT-сканера обычно представляет собой сборку различных компонентов, которые поставляются сторонними производителями. В следующем процессе обсуждается, как производятся основные компоненты.

Компоненты портальной сборки

• 1 Рентгеновская трубка сделана так же, как и другие типы электрических диодов. Отдельные компоненты, включая катод и анод, помещаются внутри оболочки трубки и герметично закрываются. Затем трубка помещается в защитный кожух, который затем может быть прикреплен к вращающейся части рамы сканера.
• 2 Доступны различные детекторные матрицы для CAT-сканеров. Один из типов детекторной матрицы - идеальный газовый детектор. Это делается путем размещения полос вольфрама на расстоянии 0,04 дюйма (1 мм) друг от друга вокруг большой металлической рамы. Керамическая подложка удерживает полоски на месте. Вся сборка герметично закрыта и заполнена инертным газом, например ксеноном. Каждая из крошечных камер, образованных зазорами между вольфрамовыми пластинами, представляет собой индивидуальные детекторы. Готовый детектор также крепится к раме сканера.
• 3 Для создания большого количества напряжения, необходимого для получения рентгеновских лучей, используется автотрансформатор. Этот блок питания сделан путем наматывания провода на сердечник. Соединения электрических кранов выполняются в различных точках змеевика и подключаются к основному источнику питания. С помощью этого устройства выходное напряжение можно увеличить примерно вдвое по сравнению с входным напряжением.

Пульт управления и компьютер

• 4 Пульт управления и компьютер специально разработаны и поставляются производителями компьютеров. Компьютер для построения первичной модели специально запрограммирован с алгоритмами реконструкции, необходимыми для обработки рентгеновских данных с портала. Консоли управления также запрограммированы с программным обеспечением для управления администрированием сканирования CAT.

Окончательная сборка

• 5 Окончательная сборка CAT-сканера - это индивидуальный процесс, который часто происходит в центре радиологической визуализации. Помещения специально спроектированы для размещения каждого компонента и сведения к минимуму возможности чрезмерного облучения или поражения электрическим током. В соответствии с конкретными планами, установка оборудования и электромонтаж всей системы CAT-сканера завершены.

Контроль качества

Как и в случае со всем электронным оборудованием, тесты контроля качества являются важной частью производства CAT-сканеров. Производители сканеров обычно полагаются на своих поставщиков в проведении основных тестов качества поступающих компонентов. Когда секции сканера собраны, визуальный и электрический осмотр выполняются на протяжении всего процесса для обнаружения дефектов. В дополнение к спецификациям качества, установленным производителями, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) имеет правила, требующие от производителей проведения специальных тестов контроля качества. Примеры этих тестов включают калибровочные тесты рентгеновской трубки, механические тесты стола пациента и стандартизационные тесты визуального вывода.

Будущее

Исследования будущих компьютерных томографов сосредоточены на четырех основных целях, включая получение изображений более высокого качества, снижение уровня радиационного облучения пациентов, оптимизацию алгоритмов компьютерной реконструкции и улучшение конструкции компьютерных томографов. Уже были опробованы различные методы достижения этих целей. Чтобы улучшить качество изображения, некоторые сканеры включают уникальные движения рентгеновской трубки, детектора или того и другого. Другие меняют положение пациента. Разрабатываются более быстрые сканеры, чтобы сократить время воздействия на пациента. Для различных экзаменов были разработаны различные виды компьютерных алгоритмов. Будущие сканеры CAT, вероятно, будут включать в себя большинство этих новых разработок, а также постоянно вращающуюся рентгеновскую трубку и детекторы, чтобы обеспечить максимально четкую и безопасную процедуру получения изображений.