Historia tomografii komputerowej
Historia aparat rentgenowskiej tomografii komputerowej sięga co najmniej 1917 r. wraz z matematyczną teorią transformaty Radona . W październiku 1963 r. William H. Oldendorf otrzymał patent USA na „ energii promieniowania do badania wybranych obszarów obiektów wewnętrznych przesłoniętych gęstą materiał". Pierwsza kliniczna tomografia komputerowa została przeprowadzona w 1971 roku przy użyciu skanera wynalezionego przez Sir Godfreya Hounsfielda .
Teoria matematyczna
austriacki matematyk Johann Radon wynalazł transformatę Radona , który wykazał matematycznie, że funkcję można zrekonstruować z nieskończonego zestawu jej projekcji. W 1937 roku polski matematyk Stefan Kaczmarz opracował metodę znajdowania przybliżonego rozwiązania dużego układu liniowych równań algebraicznych. To, wraz z Allana McLeoda Cormacka , położyło podwaliny pod technikę rekonstrukcji algebraicznej , który został zaadaptowany przez Godfreya Hounsfielda jako mechanizm rekonstrukcji obrazu w jego pierwszym komercyjnym skanerze CT. [ potrzebne źródło ]
W 1956 roku Ronald N. Bracewell użył metody podobnej do transformacji Radona, aby zrekonstruować mapę promieniowania słonecznego . W 1959 roku neurolog z UCLA , William Oldendorf , wpadł na pomysł „skanowania głowy przez transmitowaną wiązkę promieni rentgenowskich i bycia w stanie zrekonstruować wzorce gęstości radiowej samolotu przechodzącego przez głowę” po obejrzeniu zautomatyzowanego aparatu zbudowanego do odrzucania odmrożeń owoców poprzez wykrywanie odwodnionych porcji. W 1961 roku zbudował prototyp, w którym źródło promieniowania rentgenowskiego i mechanicznie sprzężony detektor obracały się wokół obiektu, który miał być obrazowany. Rekonstruując obraz, instrument ten mógł uzyskać zdjęcie rentgenowskie gwoździa otoczonego kręgiem innych gwoździ, co uniemożliwiło prześwietlenie pod dowolnym kątem. [ wymagane wyjaśnienie ] W swoim przełomowym artykule z 1961 roku opisał podstawową koncepcję wykorzystaną później przez Allana McLeoda Cormacka do opracowania matematyki stojącej za tomografią komputerową.
W październiku 1963 roku Oldendorf otrzymał amerykański patent na „aparat energii promienistej do badania wybranych obszarów obiektów wewnętrznych przesłoniętych przez gęsty materiał”, za który w 1975 roku wraz z Hounsfieldem podzielił się nagrodą Laskera . Dziedzina metod matematycznych tomografii komputerowej nadal jest obszarem aktywnego rozwoju.
W 1968 roku Nirvana McFadden i Michael Saraswat opracowali wytyczne dotyczące diagnostyki powszechnych patologii jamy brzusznej, w tym ostrego zapalenia wyrostka robaczkowego , niedrożności jelita cienkiego , zespołu Ogilviego , ostrego zapalenia trzustki , wgłobienia jelita i zarośnięcia skórki jabłka .
Konwencjonalna tomografia płaszczyzny ogniskowej pozostawała filarem diagnostyki radiologicznej do późnych lat 70. XX wieku, kiedy to dostępność minikomputerów i rozwój skanowania poprzeczno-osiowego spowodowały stopniowe wypieranie tomografii komputerowej jako preferowanej metody uzyskiwania obrazów tomograficznych. Pod względem matematycznym metoda opiera się na wykorzystaniu transformaty Radona. Ale jak później wspominał Cormack, sam musiał znaleźć rozwiązanie, ponieważ dopiero w 1972 roku przypadkowo dowiedział się o pracy Radona.
Skanery komercyjne
Technologia CT znacznie się poprawiła. Poprawa szybkości, liczby warstw i jakości obrazu była głównym celem głównie w przypadku obrazowania serca. Skanery generują teraz obrazy znacznie szybciej iw wyższej rozdzielczości, umożliwiając lekarzom dokładniejsze diagnozowanie pacjentów i wykonywanie procedur medycznych z większą precyzją.
EMI
Pierwszy komercyjnie opłacalny skaner CT został wynaleziony przez Sir Godfreya Hounsfielda w Hayes w Wielkiej Brytanii w EMI Central Research Laboratories przy użyciu promieni rentgenowskich. Hounsfield wpadł na swój pomysł w 1967 roku. Pierwszy skaner EMI został zainstalowany w Atkinson Morley Hospital w Wimbledonie w Anglii, a pierwsze badanie mózgu pacjenta wykonano 1 października 1971 roku. Zostało to ogłoszone publicznie w 1972 roku.
Oryginalny prototyp z 1971 roku wykonał 160 równoległych odczytów pod 180 kątami, każdy w odstępie 1°, a każdy skan trwał nieco ponad 5 minut. Obrazy z tych skanów były przetwarzane za pomocą technik rekonstrukcji algebraicznej na dużym komputerze przez 2,5 godziny. Skaner wykorzystywał ołówkową wiązkę promieniowania rentgenowskiego skierowaną na pojedynczy detektor fotopowielacza i działał na zasadzie przesuwania/obracania.
Często twierdzi się, że dochody ze sprzedaży płyt The Beatles w latach 60. pomogły sfinansować rozwój pierwszego tomografu komputerowego w EMI, chociaż ostatnio było to kwestionowane. Pierwsza produkcyjna maszyna do tomografii rentgenowskiej (w rzeczywistości nazywana „EMI-Scanner”) ograniczała się do wykonywania tomograficznych przekrojów mózgu, ale pozyskiwała dane obrazu w ciągu około 4 minut (skanowanie dwóch sąsiednich przekrojów), a czas obliczeń ( przy użyciu Data General Nova ) wynosił około 7 minut na zdjęcie. Ten skaner wymagał użycia wypełnionego wodą pleksiglasu zbiornik z prefabrykowaną gumową „nasadką” z przodu, która otacza głowę pacjenta. Zbiornik na wodę służył do zmniejszenia dynamicznego zakresu promieniowania docierającego do detektorów (między skanowaniem na zewnątrz głowy a skanowaniem przez kość czaszki). Obrazy miały stosunkowo niską rozdzielczość i składały się z matrycy o wymiarach zaledwie 80 × 80 pikseli.
W Stanach Zjednoczonych pierwsza instalacja miała miejsce w klinice Mayo . W hołdzie dla wpływu tego systemu na obrazowanie medyczne Mayo Clinic ma skaner EMI na wystawie na Wydziale Radiologii. Allan McLeod Cormack z Tufts University w Massachusetts niezależnie wynalazł podobny proces, a zarówno Hounsfield , jak i Cormack otrzymali w 1979 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za wkład w rozwój tomografii komputerowej.
ACTA
Pierwszym systemem CT, który mógł wykonywać obrazy dowolnej części ciała i nie wymagał „zbiornika na wodę”, był skaner ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) zaprojektowany przez Roberta S. Ledleya, DDS , z Georgetown University . Ta maszyna miała 30 fotopowielaczy jako detektory i wykonała skanowanie w zaledwie dziewięciu cyklach translacji / obrotu, znacznie szybciej niż skaner EMI. Wykorzystywał DEC PDP11/34 zarówno do obsługi serwomechanizmów, jak i do pozyskiwania i przetwarzania obrazów. Pfizer _ firma farmaceutyczna nabyła od uczelni prototyp wraz z prawami do jego produkcji. Następnie firma Pfizer zaczęła tworzyć kopie prototypu, nazywając go „200FS” (FS oznacza szybkie skanowanie), które sprzedawały się tak szybko, jak tylko mogły. To urządzenie wytwarzało obrazy w matrycy 256 × 256, o znacznie lepszej rozdzielczości niż 80 × 80 skanera EMI. Uzyskanie jednego wycinka zajęło około 20 sekund, co umożliwiło skanowanie ciała, ponieważ pacjent musiał wstrzymywać oddech do momentu pozyskania wycinka. To jest główny powód, dla którego skaner EMI nie mógł skanować ciała. 5 minut na zdobycie jednego kawałka było o wiele za długie. Zazwyczaj operator po wykonaniu całej serii przekrojów przetwarzał obrazy, fotografował je na kliszy i archiwizował surowe obrazy na taśmie magnetycznej. Musieliśmy to zrobić, ponieważ komputer nie miał miejsca na przechowywanie więcej niż jednego badania na raz. Oznaczało to, że w dużym, ruchliwym szpitalu operator TK był bardzo zapracowaną osobą. Ta maszyna wymagała wielu prac konserwacyjnych, aby mogła działać. Komputer PDP11/34 zajmował się wszystkim, od sterowania suwnicą i procesem skanowania po przetwarzanie nieprzetworzonych danych w gotowe obrazy. Miał jednak tylko 64 KB pamięci i 5 MB dysku twardego, na którym przechowywany był zarówno program operacyjny, jak i pozyskane surowe dane. Dysk twardy składał się z dwóch 12-calowych talerzy, jednego wewnętrznego i stałego, drugi talerz znajdował się w okrągłej kasecie i był wyjmowany.
Przenośny
Przenośne skanery CT można umieścić przy łóżku pacjenta i wykonać badanie bez konieczności wstawania pacjenta z łóżka. Niektóre przenośne skanery są ograniczone rozmiarem otworu i dlatego są używane głównie do skanowania głowy. Nie mają możliwości przeglądania obrazu bezpośrednio na skanerze. Przenośny tomograf komputerowy nie zastępuje stacjonarnego zestawu do tomografii komputerowej. Przykładem tego typu maszyny jest Siemens Healthineers SOMATOM On.site.
W 2008 roku firma Siemens wprowadziła nową generację skanerów, które były w stanie zrobić zdjęcie w mniej niż 1 sekundę, wystarczająco szybko, aby uzyskać wyraźne obrazy bijącego serca i tętnic wieńcowych.
CT może wykorzystywać ciągły obrót gantry i może uzyskać zestaw danych w ciągu kilku sekund za pomocą techniki spiralnej, w której pacjent jest poruszany w sposób ciągły, podczas gdy maszyna zasadniczo uzyskuje pojedynczy spiralny przekrój, dzięki czemu wszystkie obszary zainteresowania są szybko pokrywane. Dane te mogą być przetwarzane i wyświetlane w dowolnej płaszczyźnie. Powoduje to duże zmniejszenie ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie. Liderami w tej technologii są Siemens i Toshiba.
Licznik fotonów
W 2021 roku FDA zatwierdziła skaner zliczający fotony firmy Siemens. Skaner zlicza pojedyncze fotony rentgenowskie, które przechodzą przez pacjenta i rozróżnia ich energię, zwiększając szczegółowość dostarczaną do czytnika. Technika ta zmniejsza również ilość promieni rentgenowskich potrzebnych do skanowania.
W dużej mierze zastąpione techniki
Tomografia komputerowa zastąpiła bardziej inwazyjną pneumoencefalografię do obrazowania mózgu, a także większość zastosowań tomografii ogniskowej .
Tomografia płaszczyzny ogniskowej
Przed tomografią komputerową obrazy tomograficzne można było wykonywać za pomocą radiografii przy użyciu tomografii ogniskowej , przedstawiającej pojedynczy wycinek ciała na kliszy radiograficznej. Metodę tę zaproponował włoski radiolog Alessandro Vallebona na początku XX wieku. Pomysł opiera się na prostych zasadach geometrii rzutowej : poruszaniu się synchronicznie iw przeciwnych kierunkach lampy rentgenowskiej i kliszy, które są połączone ze sobą prętem, którego punktem obrotu jest ognisko; obraz tworzony przez punkty na płaszczyźnie ogniskowej wydaje się ostrzejszy, podczas gdy obrazy innych punktów unicestwiają jako szum. Jest to tylko marginalnie skuteczne, ponieważ rozmycie występuje tylko w płaszczyźnie „x”. Ta metoda uzyskiwania obrazów tomograficznych przy użyciu wyłącznie technik mechanicznych rozwijała się w połowie XX wieku, zapewniając stale ostrzejsze obrazy i większą możliwość zmiany grubości badanego przekroju. Osiągnięto to poprzez wprowadzenie bardziej złożonych, wielokierunkowych urządzeń, które mogą poruszać się w więcej niż jednej płaszczyźnie i wykonywać bardziej efektywne rozmycie. Jednak pomimo rosnącego wyrafinowania tomografii płaszczyzny ogniskowej, pozostawała ona nieskuteczna w tworzeniu obrazów tkanek miękkich. Wraz ze wzrostem mocy i dostępności komputerów w latach 60. rozpoczęto badania nad praktycznymi technikami obliczeniowymi do tworzenia obrazów tomograficznych, co doprowadziło do rozwoju tomografii komputerowej (CT).