Historie počítačové tomografie - History of computed tomography
Historie X-ray výpočetní tomografie sahá přinejmenším 1917 s matematickou teorií Radon transform v říjnu 1963, William H. Oldendorf přijal americký patent pro " zářivé energie zařízení pro vyšetřování vybraných oblastí interiéru objektů zakrytý hustou materiál". První klinický CT byl proveden v roce 1971 pomocí skeneru, který vynalezl Sir Godfrey Hounsfield .
Matematická teorie
Matematická teorie stojící za počítačovou tomografickou rekonstrukcí se datuje do roku 1917 vynálezem radonové transformace rakouského matematika Johanna Radona , který matematicky ukázal, že funkci lze rekonstruovat z nekonečné množiny jejích projekcí. V roce 1937 vyvinul polský matematik Stefan Kaczmarz metodu k nalezení přibližného řešení velkého systému lineárních algebraických rovnic. To spolu s teoretickou a experimentální prací Allana McLeoda Cormacka položilo základ pro techniku algebraické rekonstrukce , kterou upravil Godfrey Hounsfield jako mechanismus rekonstrukce obrazu ve svém prvním komerčním CT skeneru.
V roce 1956 Ronald N. Bracewell použil metodu podobnou radonové transformaci k rekonstrukci mapy slunečního záření . V roce 1959, neurolog UCLA William Oldendorf vymyslel „skenování hlavy přenášeným paprskem rentgenových paprsků a schopnost rekonstruovat paprskové vzory v rovině skrz hlavu“ poté, co sledoval automatizovaný aparát postavený tak, aby odmítal omrzlé ovoce. detekce dehydratovaných částí. V roce 1961 postavil prototyp, ve kterém se kolem zobrazovaného objektu otáčel zdroj rentgenového záření a mechanicky spojený detektor. Rekonstrukcí obrazu mohl tento nástroj získat rentgenový obraz hřebíku obklopeného kruhem jiných hřebíků, což znemožnilo rentgenování z jakéhokoli jediného úhlu. Ve svém dokumentu z roku 1961 popsal základní koncept, který později použil Allan McLeod Cormack k rozvoji matematiky za počítačovou tomografií.
V říjnu 1963 obdržel Oldendorf americký patent na „přístroj sálavé energie pro zkoumání vybraných oblastí vnitřních předmětů zakrytých hustým materiálem“, za což sdílel Laskerovu cenu 1975 s Hounsfieldem. Oblast matematických metod počítačové tomografie je nadále oblastí aktivního rozvoje.
V roce 1968 Nirvana McFadden a Michael Saraswat stanovili pokyny pro diagnostiku běžných břišních patologií, včetně akutní apendicitidy , obstrukce tenkého střeva , Ogilvieho syndromu , akutní pankreatitidy , intususcepce a atrézie slupky jablek .
Konvenční tomografie s fokální rovinou zůstala pilířem radiologické diagnostiky až do konce 70. let 20. století, kdy dostupnost minipočítačů a vývoj příčného axiálního skenování vedly k postupnému vytlačování CT jako preferované modality získávání tomografických obrazů. Pokud jde o matematiku, metoda je založena na použití radonové transformace. Jak si ale Cormack později vzpomněl, musel najít řešení sám, protože teprve v roce 1972 se o práci Radona dozvěděl náhodou.
Komerční skenery
Technologie CT se výrazně zlepšila. Zlepšení rychlosti, počtu řezů a kvality obrazu bylo hlavním zaměřením především pro zobrazování srdce. Skenery nyní vytvářejí obrázky mnohem rychleji as vyšším rozlišením, což umožňuje lékařům přesněji diagnostikovat pacienty a provádět lékařské zákroky s větší přesností.
EMI
První komerčně životaschopný CT skener vynalezl Sir Godfrey Hounsfield v Hayes ve Velké Británii v EMI Central Research Laboratories pomocí rentgenových paprsků. Hounsfield svůj nápad pojal v roce 1967. První EMI-Scanner byl nainstalován v nemocnici Atkinson Morley Hospital ve Wimbledonu v Anglii a první sken mozku pacienta byl proveden 1. října 1971. Veřejně byl oznámen v roce 1972.
Původní prototyp z roku 1971 provedl 160 paralelních měření ve 180 úhlech, každý o 1 ° od sebe, přičemž každé skenování trvalo něco málo přes 5 minut. Obrázky z těchto skenů trvaly 2,5 hodiny, než byly zpracovány technikami algebraické rekonstrukce na velkém počítači. Skener měl jeden fotonásobičový detektor a fungoval na principu Translate/Rotate.
Často se tvrdí, že příjmy z prodeje desek The Beatles v šedesátých letech pomohly financovat vývoj prvního CT skeneru v EMI, i když o tom se v poslední době vedou spory. První produkční rentgenový CT přístroj (ve skutečnosti nazývaný „EMI-Scanner“) byl omezen na vytváření tomografických řezů mozku, ale získal obrazová data asi za 4 minuty (skenování dvou sousedních řezů) a dobu výpočtu ( pomocí minipočítače Data General Nova ) bylo na obrázek přibližně 7 minut. Tento skener vyžadoval použití vodou naplněné nádrže Perspex s předem vytvarovaným gumovým „uzávěrem hlavy“ vpředu, který uzavíral hlavu pacienta. Vodní nádrž byla použita ke snížení dynamického rozsahu záření dopadajícího na detektory (mezi skenováním mimo hlavu ve srovnání se skenováním přes kost lebky). Obrázky měly relativně nízké rozlišení a byly složeny z matice pouze 80 × 80 pixelů.
V USA byla první instalace na klinice Mayo . Jako pocta dopadu tohoto systému na lékařské zobrazování má klinika Mayo vystavený skener EMI na radiologickém oddělení. Allan McLeod Cormack z Tufts University v Massachusetts nezávisle vynalezl podobný proces a Hounsfield i Cormack sdíleli Nobelovu cenu za medicínu z roku 1979 .
ACTA
Prvním CT systémem, který dokázal pořídit snímky jakékoli části těla a nevyžadoval „vodní nádrž“, byl skener ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) navržený Robertem S. Ledleyem, DDS , z Georgetownské univerzity . Tento stroj měl jako detektory 30 fotonásobičů a dokončil skenování pouze v devíti cyklech translace/rotace, mnohem rychleji než EMI-Scanner. Minipočítač DEC PDP11/34 používal jak k ovládání servomechanismů, tak k získávání a zpracování obrazů. Farmaceutická společnost Pfizer získala prototyp z univerzity spolu s právy na jeho výrobu. Pfizer poté začal kopírovat prototyp a nazýval jej „200FS“ (FS znamená Fast Scan), které se prodávaly tak rychle, jak mohly. Tato jednotka produkovala obrázky v matici 256 × 256, s mnohem lepším rozlišením než EMI-Scanner 80 × 80. Získání jednoho řezu trvalo asi 20 sekund, což umožnilo skenování těla, protože pacient musel zadržet dech, dokud plátek nezískal. To je hlavní důvod, proč skener EMI nemohl provádět skenování těla. 5 minut na získání jednoho řezu bylo příliš dlouhé. Obsluha obvykle po dokončení celé řady řezů poté zpracovala obrázky, vyfotografovala je na filmy a nezpracované snímky archivovala na magnetickou pásku. To bylo nutné provést, protože počítač neměl úložnou kapacitu pro více než jednu studii najednou. To znamenalo, že ve velké, rušné nemocnici byl operátor CT velmi zaneprázdněný člověk. Aby tento stroj fungoval, vyžadoval mnoho údržby. Počítač PDP11/34 dělal vše od ovládání portálu a procesu skenování až po zpracování nezpracovaných dat na hotové obrázky. Přesto měl pouze 64 KB paměti a 5 MB pevný disk, který obsahoval jak operační program, tak získaná nezpracovaná data. Pevný disk se skládal ze dvou 12 "talířů, jednoho vnitřního a pevného, druhý talíř byl obsažen v kulaté kazetě a byl vyjímatelný.
Přenosný
Přenosné CT skenery lze přivést k lůžku pacienta a provést skenování, aniž byste museli pacienta zvednout z postele. Některé přenosné skenery jsou omezeny velikostí otvoru, a proto se používají hlavně pro skenování hlavy. Nemají možnosti prohlížení obrázků přímo na skeneru. Přenosný CT skener nenahrazuje pevnou sadu CT. Příkladem tohoto typu stroje je Siemens Healthineers SOMATOM On.site.
V roce 2008 představila společnost Siemens novou generaci skeneru, který byl schopen pořídit snímek za méně než 1 sekundu, dostatečně rychle, aby vytvořil jasné obrázky tlukoucích srdcí a koronárních tepen.
CT může využívat nepřetržité otáčení portálu a může získat soubor dat během několika sekund pomocí spirálové techniky, kdy je pacient pohybován nepřetržitě, zatímco stroj v podstatě získává jeden spirálovitý řez, takže jsou všechny oblasti zájmu rychle pokryty. Tato data lze zpracovat a zobrazit v jakékoli rovině. To má za následek velké snížení expozice rentgenovému záření. Siemens a Toshiba jsou lídrem v této technologii.
Počitadlo fotonů
V roce 2021 FDA schválil skener počítání fotografií společnosti Siemens. Skener počítá jednotlivé rentgenové fotony, které procházejí pacientem, a rozlišuje jejich energii, čímž zvyšuje detaily dodávané čtenáři. Tato technika také snižuje množství rentgenových paprsků potřebných pro skenování.
Značně nahrazené techniky
CT nahradilo invazivnější pneumoencefalografii pro zobrazování mozku, stejně jako většinu aplikací tomografie s fokální rovinou .
Tomografie s ohniskovou rovinou
Před počítačovou tomografií mohly být tomografické snímky vytvořeny radiograficky pomocí tomografie s ohniskovou rovinou , která na radiografickém filmu představovala jeden plátek těla. Tuto metodu navrhl italský radiolog Alessandro Vallebona na počátku 20. století. Myšlenka je založena na jednoduchých principech projektivní geometrie : synchronně se pohybující a v opačných směrech rentgenka a film, které jsou spojeny dohromady tyčí, jejíž otočný bod je ohniskem; obraz vytvořený body na ohniskové rovině vypadá ostřeji, zatímco obrazy ostatních bodů zanikají jako šum. To je jen okrajově efektivní, protože k rozmazání dochází pouze v rovině „x“. Tento způsob získávání tomografických obrazů pomocí pouze mechanických technik pokročilých v polovině dvacátého století, stabilně vytvářejících ostřejší obrazy a s větší schopností měnit tloušťku zkoumaného průřezu. Toho bylo dosaženo zavedením složitějších, vícesměrných zařízení, která se mohou pohybovat ve více než jedné rovině a provádět efektivnější rozmazání. Navzdory zvyšující se náročnosti tomografie s ohniskovou rovinou zůstala při vytváření obrazů měkkých tkání neúčinná. S rostoucí silou a dostupností počítačů v 60. letech začal výzkum praktických výpočetních technik pro vytváření tomografických obrazů, což vedlo k vývoji počítačové tomografie (CT).