Historie počítačové tomografie - History of computed tomography - Wikipedia

Prototyp CT skeneru
Historický EMI skener

The historie Rentgenová počítačová tomografie sahá nejméně do roku 1917 matematickou teorií Radonová transformace[1][2] V říjnu 1963 William H. Oldendorf obdržela americký patent na „sálavý energetický přístroj pro vyšetřování vybraných oblastí vnitřních předmětů zakrytých hustým materiálem“.[3] První klinické CT bylo provedeno v roce 1971 pomocí skeneru, který vynalezl Sir Godfrey Hounsfield.[4]

Matematická teorie

Matematická teorie za výpočetní tomografickou rekonstrukcí sahá až do roku 1917 s vynálezem Radonová transformace[1][2] rakouský matematik Johann Radon, který matematicky ukázal, že funkci lze rekonstruovat z nekonečné množiny jejích projekcí.[5] V roce 1937 polský matematik Stefan Kaczmarz vyvinul metodu k nalezení přibližného řešení velké soustavy lineárních algebraických rovnic.[6][7] Toto, spolu s Allan McLeod Cormack teoretická a experimentální práce,[8][9] položil základ pro technika algebraické rekonstrukce, který byl upraven sirem Godfrey Hounsfield jako mechanismus rekonstrukce obrazu ve svém prvním komerčním CT skeneru.[Citace je zapotřebí ]

V roce 1956 Ronald N. Bracewell použil metodu podobnou radonové transformaci k rekonstrukci mapy solární radiace.[10] V roce 1959 UCLA neurolog William Oldendorf vymyslel myšlenku na „skenování hlavy procházejícím paprskem rentgenových paprsků a schopnost rekonstruovat vzorce radioditudy roviny procházející hlavou“ poté, co sledoval automatizovaný přístroj konstruovaný k odmítnutí omrzlý ovoce detekcí dehydratovaných porcí. V roce 1961 postavil prototyp, ve kterém se kolem objektu, který má být zobrazen, otáčel zdroj rentgenových paprsků a mechanicky spojený detektor. Rekonstrukcí obrazu mohl tento nástroj získat rentgenový snímek nehtu obklopeného kruhem dalších nehtů, což znemožnilo rentgenování z jakéhokoli úhlu.[je zapotřebí objasnění ][11] Ve svém příspěvku z roku 1961 popsal základní koncept, který později použil Allan McLeod Cormack rozvíjet matematiku za počítačovou tomografií.

V říjnu 1963 obdržel Oldendorf americký patent na „aparát sálavé energie pro vyšetřování vybraných oblastí vnitřních předmětů zakrytých hustým materiálem“, pro který sdílel 1975 Laskerova cena s Hounsfieldem.[3] Oblast matematických metod počítačové tomografie je i nadále oblastí aktivního rozvoje.[12][13][14][15]

V roce 1968 Nirvana McFadden a Michael Saraswat zavedené pokyny pro diagnostiku běžných břišních patologií, včetně akutní zánět slepého střeva, obstrukce tenkého střeva, Ogilvieho syndrom, akutní pankreatitida, intususcepce, a atrézie jablečné slupky.[16]

Konvenční ohnisková rovina tomografie zůstal pilířem radiologická diagnostika do konce 70. let, kdy byla k dispozici minipočítače a vývoj příčného axiálního skenování vedl CT k postupnému nahrazení jako preferované modality získávání tomografických obrazů. Z hlediska matematiky je metoda založena na použití radonové transformace. Ale jak si Cormack později vzpomněl,[17] musel najít řešení sám, protože až v roce 1972 se o práci Radonu dozvěděl náhodou.

Komerční skenery

První komerčně životaschopný CT skener vynalezl Sir Godfrey Hounsfield v Hayes, Spojené království, v EMI Centrální výzkumné laboratoře využívající rentgenové záření. Hounsfield dostal svůj nápad v roce 1967.[4] První EMI-Scanner byl nainstalován v Nemocnice Atkinson Morley v Wimbledon, Anglie, a první skenování mozku pacienta bylo provedeno 1. října 1971.[18] To bylo veřejně oznámeno v roce 1972.

Původní prototyp z roku 1971 vzal 160 paralelních odečtů ve 180 úhlech, každý o 1 ° od sebe, přičemž každé skenování trvalo něco málo přes 5 minut. Zpracování obrázků z těchto skenů trvalo 2,5 hodiny techniky algebraické rekonstrukce na velkém počítači. Skener měl jediný detektor fotonásobiče a pracoval na principu Translate / Rotate.[18]

Často se tvrdí, že příjmy z prodeje Brouci Záznamy v 60. letech pomohly financovat vývoj prvního CT skeneru v EMI[19] ačkoli toto bylo nedávno sporné.[20] První produkční rentgenový CT přístroj (ve skutečnosti nazývaný „EMI-Scanner“) byl omezen na výrobu tomografických řezů mozku, ale získal obrazová data přibližně za 4 minuty (skenování dvou sousedních řezů) a výpočetní čas ( používat Data General Nova minipočítač) byl asi 7 minut na obrázek. Tento skener vyžadoval použití vodou plněné Plexisklo nádrž s předtvarovanou gumovou „hlavovou čepičkou“ vpředu, která uzavírala hlavu pacienta. Nádrž na vodu 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 Klinika Mayo. Jako pocta dopadu tohoto systému na lékařské zobrazování má klinika Mayo na radiologickém oddělení vystaven skener EMI. Allan McLeod Cormack z Tufts University v Massachusetts nezávisle vynalezli podobný proces a oba Hounsfield a Cormack sdílel rok 1979 Nobelova cena za medicínu.[21]

Prvním systémem CT, který dokázal pořizovat snímky jakékoli části těla a nevyžadoval „nádrž na vodu“, byl skener ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) navržený Robert S. Ledley, DDS, v Georgetown University. Tento stroj měl 30 detektorů fotonásobiče jako detektory a dokončil skenování pouze v devíti cyklech překládání / otáčení, mnohem rychleji než EMI-skener. Využilo to a DEC PDP11 / 34 minipočítač jak k ovládání servomechanismu, tak k získávání a zpracování obrazů. The Pfizer farmaceutická společnost získala prototyp z univerzity spolu s právy na jeho výrobu. Společnost Pfizer poté začala vyrábět kopie prototypu a nazvala jej „200FS“ (FS znamená Fast Scan), které se prodávaly tak rychle, jak jen mohly. Tato jednotka produkovala obrázky v matici 256 × 256, s mnohem lepší definicí než 80 × 80 EMI-skeneru.

Od prvního CT skeneru se technologie CT výrazně zlepšila. Zlepšení rychlosti, počtu řezů a kvality obrazu bylo hlavním zaměřením především na srdeční zobrazování. Skenery nyní vytvářejí obrázky mnohem rychleji as vyšším rozlišením, což umožňuje lékařům přesněji diagnostikovat pacienty a provádět lékařské zákroky s vyšší přesností. Na konci 90. let se CT skenery rozpadly na dvě hlavní skupiny, „Fixní CT“ a „Přenosné CT“. „Pevné CT skenery“ jsou velké, vyžadují vyhrazené napájení, elektrickou skříň, systém HVAC, samostatnou místnost pro pracovní stanici a velkou místnost s olověným lemováním. „Opravené CT skenery“ lze také namontovat do přívěsů velkých traktorů a pohánět je z místa na místo a označují se jako „mobilní CT skenery“. „Přenosné skenery CT“ jsou lehké, malé a připevněné na kolečkách. Tyto skenery mají často zabudované stínění olova a jsou napájeny z baterií nebo standardního napájení ze zdi.

V roce 2008 představila společnost Siemens novou generaci skeneru, který byl schopen pořídit obraz za méně než 1 sekundu dostatečně rychle, aby poskytoval jasný obraz tlučecích srdcí a koronárních tepen.

Značně nahrazené techniky

CT nahradil více invazivní pneumoencefalografie pro zobrazování mozku, stejně jako většina aplikací ohnisková rovina tomografie.

Ohnisková rovina tomografie

Před počítačovou tomografií tomografický obrázky mohly být vytvořeny uživatelem radiografie podle ohnisková rovina tomografie, představující jediný plátek těla na rentgenografickém filmu. Tuto metodu navrhl italský radiolog Alessandro Vallebona na počátku 20. století. Myšlenka je založena na jednoduchých principech projektivní geometrie: pohybující se synchronně a v opačných směrech rentgenovou trubicí a filmem, které jsou navzájem spojeny tyčí, jejíž otočným bodem je ohnisko; obrázek vytvořený body na ohnisková rovina se objeví ostřejší, zatímco obrazy ostatních bodů zničí jako šum.[22] To je jen okrajově efektivní, protože k rozmazání dochází pouze v rovině „x“. Tato metoda získávání tomografických obrazů pouze za použití mechanických technik postupovala v polovině dvacátého století a neustále vytvářela ostřejší obrazy as větší schopností měnit tloušťku zkoumaného průřezu. Toho bylo dosaženo zavedením složitějších vícesměrových zařízení, která se mohou pohybovat ve více než jedné rovině a provádět efektivnější rozmazání. Navzdory rostoucí sofistikovanosti tomografie ohniskové roviny však při vytváření obrazů měkkých tkání zůstávala neúčinná.[22] S rostoucí silou a dostupností počítačů v 60. letech začal výzkum praktických výpočetních technik pro vytváření tomografických obrazů, které vedly k vývoji počítačové tomografie (CT).

Reference

  1. ^ A b Radon J (1917). „Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte Langs Gewisser Mannigfaltigkeiten“ [O stanovení funkcí z jejich integrálů podél určitých potrubí]. Ber. Saechsische Akad. Wiss. 29: 262.
  2. ^ A b Radon J (1. prosince 1986). "O stanovení funkcí z jejich integrálních hodnot podél určitých potrubí". Transakce IEEE na lékařském zobrazování. 5 (4): 170–176. doi:10.1109 / TMI.1986.4307775. PMID  18244009.
  3. ^ A b Oldendorf WH (1978). „Hledání obrazu mozku: krátký historický a technický přehled technik zobrazování mozku“. Neurologie. 28 (6): 517–33. doi:10.1212 / týden 28.6.517. PMID  306588.
  4. ^ A b Richmond, Caroline (2004). „Nekrolog - Sir Godfrey Hounsfield“. BMJ. 329 (7467): 687. doi:10.1136 / bmj.329.7467.687. PMC  517662.
  5. ^ Hornich H., Přeložil Parks PC. Pocta Johann Radon. IEEE Trans. Med. Zobrazování. 1986;5(4) 169–9.
  6. ^ Kaczmarz S (1937). „Angenäherte Auflösung von Systemen linearer Gleichungen“. Bulletin International de l'Académie Polonaise des Sciences et des Lettres. Classe des Sciences Mathématiques et Naturelles. Série A, Sciences Mathématiques. 35: 355–7.
  7. ^ Kaczmarz S., „Přibližné řešení soustavy lineárních rovnic. Int. J. Control. 1993; 57-9.
  8. ^ Cormack AM (1963). "Reprezentace funkce pomocí jejích liniových integrálů s některými radiologickými aplikacemi". J. Appl. Phys. 34 (9): 2722–2727. doi:10.1063/1.1729798.
  9. ^ Cormack AM (1964). "Reprezentace funkce pomocí jejích liniových integrálů s některými radiologickými aplikacemi. II". J. Appl. Phys. 35 (10): 2908–2913. doi:10.1063/1.1713127.
  10. ^ Bracewell RN (1956). „Strip Integration in Radio Astronomy“. Aust. J. Phys. 9 (2): 198–217. Bibcode:1956AuJPh ... 9..198B. doi:10.1071 / PH560198.
  11. ^ Oldendorf WH. Izolovaná detekce létajícího bodu diskontinuit radiodensity - zobrazení vnitřního strukturního vzoru komplexního objektu. Ire Trans Biomed Electron. 1961 Jan; BME-8: 68–72.
  12. ^ Herman, G. T., Základy počítačové tomografie: Rekonstrukce obrazu z projekce, 2. vydání, Springer, 2009
  13. ^ F. Natterer, „Matematika počítačové tomografie (Classics in Applied Mathematics)“, Společnost pro průmyslovou matematiku, ISBN  0898714931
  14. ^ F. Natterer a F. Wübbeling „Matematické metody při rekonstrukci obrazu (monografie o matematickém modelování a výpočtu)“, Společnost pro průmysl (2001), ISBN  0898714729
  15. ^ Deuflhard, P .; Dössel, O .; Louis, A. K .; Zachow, S. (5. března 2009). „Více matematiky v medicíně!“ (PDF). Zuse Institute Berlin. p. 2.
  16. ^ Townsed CM Jr, Beauchamp RD, Evers BM a kol. (2008). Sabistonova učebnice radiologie: Biologický základ moderní radiologické praxe, ed. 22. Saunders. str. 104–112.
  17. ^ Allen M.Cormack: Moje spojení s radonovou transformací, in: 75 Years of Radon Transform, S. Gindikin and P. Michor, eds., International Press Incorporated (1994), str. 32–35, ISBN  1-57146-008-X
  18. ^ A b Beckmann EC (leden 2006). "CT skenování prvních dnů". British Journal of Radiology. 79 (937): 5–8. doi:10.1259 / bjr / 29444122. PMID  16421398.
  19. ^ „Největší dar Beatles ... je pro vědu“. Whittington Hospital NHS Trust. Citováno 7. května 2007.
  20. ^ Maizlin ZV, Vos PM (2012). „Opravdu musíme poděkovat Beatles za financování vývoje skeneru počítačové tomografie?“. Journal of Computer Assisted Tomography. 36 (2): 161–164. doi:10.1097 / RCT.0b013e318249416f. PMID  22446352.
  21. ^ „Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu 1979 Allan M. Cormack, Godfrey N. Hounsfield“. Nobelprize.org. Citováno 19. července 2013.
  22. ^ A b Littleton, J.T. "Konvenční tomografie" (PDF). Historie radiologických věd. Americká společnost rentgenových paprsků. Citováno 11. ledna 2014.