История компьютерной томографии
История ( рентгеновской компьютерной томографии КТ) восходит как минимум к 1917 году с появлением математической теории преобразования Радона . [1] [2] В начале 1900-х годов итальянский радиолог Алессандро Валлебона изобрел томографию (названную «стратиграфией»), которая использовала рентгенографическую пленку, чтобы увидеть отдельный срез тела. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Она не получила широкого распространения до 1930-х годов, когда доктор Бернар Джордж Зидсес де Плантес разработал практический метод реализации этой техники, известный как томография в фокальной плоскости . [12] Он основан на механическом перемещении источника рентгеновского луча и захватывающей пленки в унисон, чтобы гарантировать, что интересующая плоскость остается в фокусе, а объекты, выходящие за пределы исследуемой плоскости, размываются.
В октябре 1963 года Уильям Х. Ольдендорф получил патент США на « аппарат лучистой энергии для исследования избранных участков внутренних объектов, скрытых плотным материалом». [13] Появление сложных компьютеров в конце 1960-х и начале 1970-х годов сделало возможной разработку первых практических сканеров компьютерной томографии. Первая клиническая компьютерная томография была проведена в лондонской больнице в 1971 году с использованием сканера, изобретенного сэром Годфри Хаунсфилдом . [14] Первая коммерческая установка компьютерного томографа EMI-Scanner Mark I состоялась в клинике Майо в США в 1973 году.
Математическая теория
[ редактировать ]Математическая теория, лежащая в основе компьютерной томографической реконструкции, восходит к 1917 году, когда было изобретено преобразование Радона. [1] [2] австрийский математик Иоганн Радон , математически показавший, что функцию можно восстановить по бесконечному множеству ее проекций. [15] В 1937 году польский математик Стефан Качмарж разработал метод нахождения приближенного решения большой системы линейных алгебраических уравнений. [16] [17] Это, наряду с Аллана МакЛеода Кормака , теоретической и экспериментальной работой [18] [19] заложил основу метода алгебраической реконструкции , который был адаптирован Годфри Хаунсфилдом в качестве механизма реконструкции изображения в его первом коммерческом компьютерном томографе. [ нужна ссылка ]
В 1956 году Рональд Н. Брейсвелл использовал метод, аналогичный преобразованию Радона, для восстановления карты солнечной радиации . [20] В 1959 году из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе невролог Уильям Ольдендорф придумал идею «сканировать голову проходящим пучком рентгеновских лучей и иметь возможность реконструировать картины радиоплотности плоскости, проходящей через голову» после наблюдения за автоматическим аппаратом, созданным для отбраковки обмороженных фруктов с помощью обнаружение обезвоженных порций. В 1961 году он построил прототип, в котором источник рентгеновского излучения и механически связанный детектор вращались вокруг объекта, подлежащего визуализации. Реконструируя изображение, этот инструмент мог получить рентгеновское изображение ногтя, окруженного кругом других ногтей, что делало невозможным рентгеновское исследование под каким-либо одним углом. [ нужны разъяснения ] [21] В своей знаменательной статье 1961 года он описал основную концепцию, которую позже использовал Аллан Маклеод Кормак для разработки математических принципов компьютерной томографии.
В октябре 1963 года Ольдендорф получил патент США на «аппарат лучистой энергии для исследования избранных областей внутренних объектов, скрытых плотным материалом», за что он разделил премию Ласкера 1975 года с Хаунсфилдом. [13] Область математических методов компьютерной томографии продолжает оставаться областью активного развития. [22] [23] [24] [25] Обзор истории компьютерной томографии, а также математических методов и их разработок был написан Фрэнком Наттерером и Эриком Ритманом. [26]
В 1968 году Нирвана Макфадден и Майкл Сарасват разработали рекомендации по диагностике распространенных патологий брюшной полости, включая острый аппендицит , непроходимость тонкой кишки , синдром Огилви , острый панкреатит , инвагинацию кишечника и атрезию яблочной кожуры . [27]
Традиционная томография в фокальной плоскости оставалась основой радиологической диагностики до конца 1970-х годов, когда доступность мини-компьютеров и развитие поперечно-осевого сканирования привели к постепенному вытеснению КТ в качестве предпочтительного метода получения томографических изображений. С математической точки зрения метод основан на использовании преобразования Радона. Но, как позже вспоминал Кормак, [28] ему пришлось найти решение самому, поскольку только в 1972 году он случайно узнал о работе Радона.
Коммерческие сканеры
[ редактировать ]Технология компьютерной томографии значительно улучшилась. Улучшения в скорости, количестве срезов и качестве изображений были основным направлением в первую очередь для визуализации сердца. Сканеры теперь создают изображения намного быстрее и с более высоким разрешением, что позволяет врачам более точно диагностировать пациентов и выполнять медицинские процедуры с большей точностью.
я
[ редактировать ]Первый коммерчески жизнеспособный компьютерный томограф был изобретен сэром Годфри Хаунсфилдом в Хейсе , Великобритания , в центральных исследовательских лабораториях EMI с использованием рентгеновских лучей. Хаунсфилд задумал свою идею в 1967 году. [14] Первый EMI-сканер был установлен в больнице Аткинсон-Морли в Уимблдоне , Англия, а первое сканирование мозга пациента было проведено 1 октября 1971 года. [29] Об этом было публично объявлено в 1972 году.
Первоначальный прототип 1971 года сделал 160 параллельных измерений под 180 углами, каждый на расстоянии 1°, причем каждое сканирование занимало чуть более 5 минут. Обработка изображений с помощью этих сканирований с помощью методов алгебраической реконструкции на большом компьютере заняла 2,5 часа. В сканере использовался карандашный рентгеновский луч, направленный на один детектор фотоумножителя, и он работал по принципу перемещения/поворота. [29]
Первый серийный рентгеновский КТ-аппарат (фактически называемый «ЭМИ-сканером») был ограничен созданием томографических срезов головного мозга, но получал данные изображения примерно за 4 минуты (сканирование двух соседних срезов), а время вычислений ( с использованием миникомпьютера Data General Nova ) составляло около 7 минут на одно изображение. Для этого сканера требовалось использование заполненного водой резервуара из плексигласа с заранее сформированной резиновой «головной крышкой» спереди, закрывающей голову пациента. Резервуар с водой использовался для уменьшения динамического диапазона излучения, достигающего детекторов (между сканированием за пределами головы и сканированием через кость черепа). Изображения имели относительно низкое разрешение и состояли из матрицы размером всего 80 × 80 пикселей.
В США первая установка была в клинике Мэйо . В знак признания влияния этой системы на медицинскую визуализацию клиника Мэйо выставила в отделении радиологии сканер ЭМИ. Аллан МакЛеод Кормак из Университета Тафтса в Массачусетсе независимо изобрел аналогичный процесс, а Хаунсфилд и Кормак получили Нобелевскую премию по медицине 1979 года за вклад в развитие КТ. [30]
АКТА
[ редактировать ]Первой системой компьютерной томографии (КТ), способной создавать изображения любой части человеческого тела без необходимости использования громоздкого «резервуара для воды», был автоматический компьютеризированный поперечно-аксиальный сканер (ACTA), разработанный доктором Робертом С. Ледли , DDS. , в Джорджтаунском университете. Эта революционная машина была оснащена 30 фотоумножителями в качестве детекторов и могла выполнять сканирование всего за девять циклов перемещения/поворота, что значительно быстрее, чем EMI-сканер. Для управления сервомеханизмами, а также получения и обработки изображений в сканере ACTA использовался миникомпьютер DEC PDP11/34.
Прототип сканера ACTA, разработанный Джорджтаунским университетом, привлек внимание фармацевтического гиганта Pfizer , который приобрел права на его производство. Впоследствии компания Pfizer представила свою версию аппарата, получившую название «200FS» (где «FS» означает быстрое сканирование). 200FS генерировал изображения в матрице 256×256, обеспечивая гораздо лучшую четкость изображения по сравнению с матрицей EMI-Scanner 80×80. Получение одного среза изображения занимало примерно 20 секунд, что делало возможным сканирование всего тела, хотя пациентам все равно приходилось задерживать дыхание во время этого процесса – ключевое отличие от сканера EMI, который не мог выполнять сканирование тела из-за своей пяти-дюймовой конструкции. минутное время сбора данных для одного среза.
Рабочий процесс на машинах ACTA и 200FS включал в себя получение оператором серии срезов и последующую обработку изображений. Эти изображения были напечатаны на пленках, а необработанные данные заархивированы на магнитной ленте. Этот этап архивирования был необходим, поскольку на компьютере не хватало места для хранения более одного исследования одновременно. В загруженных больницах операторы компьютерной томографии постоянно были вовлечены в этот трудоемкий процесс. Поддержание функциональности машины также было важным мероприятием.
Компьютер DEC PDP11/34 сыграл ключевую роль в работе сканеров ACTA и 200FS. Он контролировал портал, управлял процессом сканирования и преобразовывал необработанные данные в окончательные изображения. Примечательно, что этот компьютер имел всего 64 КБ памяти и жесткий диск емкостью 5 МБ, на котором хранилась как операционная программа, так и полученные необработанные данные. Сам жесткий диск состоял из двух 12-дюймовых пластин, одна из которых была внутренней и фиксированной, а другая размещалась в съемном круглом картридже.
Портативный
[ редактировать ]Портативные компьютерные томографы можно поднести к постели пациента и выполнить сканирование, не вставая с постели. Некоторые портативные сканеры ограничены размером отверстия и поэтому в основном используются для сканирования головы. У них нет возможности просмотра изображений непосредственно на сканере. Портативный компьютерный томограф не заменяет стационарный компьютерный томограф. Примером такого типа машины является Siemens Healthineers SOMATOM On.site.
В 2008 году компания «Сименс» представила новое поколение сканеров, способных делать снимки менее чем за 1 секунду, что достаточно быстро, чтобы создавать четкие изображения бьющегося сердца и коронарных артерий.
КТ может использовать непрерывное вращение гентри и может получить набор данных за несколько секунд с помощью спиральной техники, при которой пациент непрерывно перемещается, в то время как машина в основном получает один спиральный срез, так что все интересующие области быстро окрываются. Эти данные можно обрабатывать и отображать в любой плоскости. Это приводит к значительному снижению рентгеновского облучения. Siemens и Toshiba являются лидерами в этой технологии.
счетчик фотонов
[ редактировать ]В 2021 году FDA одобрило сканер Siemens для подсчета фотонов. Сканер подсчитывает отдельные рентгеновские фотоны, проходящие через пациента, и различает их энергию, увеличивая детализацию, передаваемую считывателю. Этот метод также уменьшает количество рентгеновских лучей, необходимых для сканирования. [31]
Во многом замененные методы
[ редактировать ]КТ заменила более инвазивную пневмоэнцефалографию для визуализации головного мозга, а также большинство применений томографии в фокальной плоскости .
Томография в фокальной плоскости
[ редактировать ]До компьютерной томографии томографические изображения можно было получать с помощью рентгенографии с использованием томографии в фокальной плоскости , представляющей один срез тела на рентгенографической пленке. Этот метод был предложен итальянским радиологом Алессандро Валлебоной в начале 1900-х годов. Идея основана на простых принципах проективной геометрии : синхронное и в противоположных направлениях перемещение рентгеновской трубки и пленки, соединенных между собой стержнем, точка поворота которого является фокусом; изображение, созданное точками на фокальной плоскости, кажется более резким, а изображения других точек аннигилируют как шум. [32] Это лишь незначительно эффективно, поскольку размытие происходит только в плоскости «x». Этот метод получения томографических изображений с использованием только механических методов развивался в середине двадцатого века, стабильно создавая более четкие изображения и с большей возможностью варьировать толщину исследуемого поперечного сечения. Этого удалось добиться за счет внедрения более сложных разнонаправленных устройств, способных перемещаться более чем в одной плоскости и выполнять более эффективное размытие. Однако, несмотря на растущую сложность томографии в фокальной плоскости, она оставалась неэффективной для получения изображений мягких тканей. [32] С увеличением мощности и доступности компьютеров в 1960-х годах начались исследования практических вычислительных методов создания томографических изображений, что привело к развитию компьютерной томографии (КТ).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Радон Дж (1917). «Об определении функций по их интегралам по некоторым многообразиям». Бер. Саехская акад . 29 :262.
- ^ Перейти обратно: а б Радон Дж (1 декабря 1986 г.). «Об определении функций по их целым значениям на некоторых многообразиях». Транзакции IEEE по медицинской визуализации . 5 (4): 170–176. дои : 10.1109/TMI.1986.4307775 . ПМИД 18244009 . S2CID 26553287 .
- ^ «Полвека в КТ: как развивалась компьютерная томография» . Международное общество компьютерной томографии (ISCT) . 07.10.2016 . Проверено 24 ноября 2023 г.
- ^ «Доктор Алессандро Валлебона - Эволюция технологий медицинской визуализации» . 15 февраля 2019 г. Проверено 24 ноября 2023 г.
- ^ «ВАЛЛЕБОНА, Алессандро-Треккани» . Треккани (на итальянском языке) . Проверено 24 ноября 2023 г.
- ^ Буззи, А.Е.; Суарес, М.В. (1 января 2013 г.). «Линейная томография: рождение, слава и закат метода» . Аргентинский журнал радиологии . 77 (3): 236–244. дои : 10.7811/rarv77n3a10 . ISSN 0048-7619 .
- ^ Валлебона, А. (1948). «[Первое исследование нового радиографического метода; осевая стратиграфия с излучением, перпендикулярным оси]». Аннали Ди Радиология Диагностика . 20 (I–II): 57–64. ISSN 0003-4673 . ПМИД 18861462 .
- ^ Валлебона, А. (ноябрь 1947 г.). «[Старые и новые стратиграфические методы]». Медицинская радиология . 33 (11): 601. ISSN 0033-8362 . ПМИД 18933293 .
- ^ Валлебона А. Методика радиографического разделения теней, применяемая для исследования черепа. Сообщение на IX итальянском конгрессе радиологов, Турин, май 1930 г.
- ^ «Алессандро Папа tsrm, Больница Маджоре делла Карита в Новаре, отделение диагностической и интервенционной радиологии» . alessandropapa.altervista.org . Проверено 24 ноября 2023 г.
- ^ Франко Бистольфи, Алессандро Валлебона 1899-1987. Памяти великого радиолога и его вклада в развитие радиологических наук (PDF), в журнале «Физика в медицине», н. 2, 2005, с. 115-123. URL проверен 9 мая 2016 г. (архивировано из исходного URL-адреса 4 марта 2016 г.) https://web.archive.org/web/20160304211917/http://www.fisicamedica.it/aifm/ periodico/2005/2005_2_Fisica_in_Medicina.pdf
- ^ Валк, Дж. (июнь 1994 г.). «Бернар Джордж Зидсес де Плантес, доктор медицины 1902–1993» . радиология : 876.
- ^ Перейти обратно: а б Ольдендорф WH (1978). «В поисках изображения мозга: краткий исторический и технический обзор методов визуализации мозга». Неврология . 28 (6): 517–33. дои : 10.1212/wnl.28.6.517 . ПМИД 306588 . S2CID 42007208 .
- ^ Перейти обратно: а б Ричмонд, Кэролайн (2004). «Некролог - сэр Годфри Хаунсфилд» . БМЖ . 329 (7467): 687. doi : 10.1136/bmj.329.7467.687 . ПМК 517662 .
- ^ Хорнич Х., Перевод Parks PC. Посвящение Иоганну Радону. IEEE Транс. Мед. Визуализация. 1986;5(4) 169–9.
- ^ Качмарж С (1937). «Angenäherte Auflösung von Systemen Lineer Gleichungen». Международный вестник Польской академии наук и литературы. Класс математики и естественных наук. Серия А, Математические науки . 35 :355–7.
- ^ Качмарж С., "Приближенное решение системы линейных уравнений. Int. J. Control. 1993; 57-9.
- ^ Кормак А.М. (1963). «Представление функции ее линейными интегралами с некоторыми радиологическими приложениями». Дж. Прил. Физ . 34 (9): 2722–2727. Бибкод : 1963JAP....34.2722C . дои : 10.1063/1.1729798 .
- ^ Кормак А.М. (1964). «Представление функции ее линейными интегралами с некоторыми радиологическими приложениями. II». Дж. Прил. Физ . 35 (10): 2908–2913. Бибкод : 1964JAP....35.2908C . дои : 10.1063/1.1713127 .
- ^ Брейсвелл Р.Н. (1956). «Полосовая интеграция в радиоастрономии» . Ауст. Дж. Физ . 9 (2): 198–217. Бибкод : 1956AuJPh...9..198B . дои : 10.1071/PH560198 .
- ^ Ольдендорф WH. Обнаружение изолированных летающих пятен неоднородностей радиоплотности - отображение внутренней структурной картины сложного объекта. Ире Транс Биомед Электрон. Январь 1961 г.; BME-8: 68–72.
- ^ Герман, Г.Т., Основы компьютерной томографии: реконструкция изображения по проекции, 2-е издание, Springer, 2009 г.
- ^ Ф. Наттерер, «Математика компьютерной томографии (классика прикладной математики)», Общество промышленной математики, ISBN 0-89871-493-1
- ^ Ф. Наттерер и Ф. Вюббелинг «Математические методы реконструкции изображений (монографии по математическому моделированию и вычислениям)», Промышленное общество (2001), ISBN 0-89871-472-9
- ^ Дефлхард, П.; Дёссель, О.; Луи, АК; Захов, С. (5 марта 2009 г.). «Больше математики в медицину!» (PDF) . Институт Цузе в Берлине . п. 2.
- ^ Наттерер, Фрэнк; Ритман, Эрик (22 ноября 2002 г.). «Прошлое и будущее направлений рентгеновской компьютерной томографии (КТ)» .
- ^ Таунсед К.М. младший, Бошан Р.Д., Эверс Б.М. и др. (2008). Учебник радиологии Сабистона: Биологические основы современной радиологической практики, изд. 22. Сондерс. стр. 104–112.
- ^ Аллен М. Кормак: Моя связь с преобразованием радона , в: 75 лет преобразования радона, С. Гиндикин и П. Мичор, ред., International Press Incorporated (1994), стр. 32–35, ISBN 1-57146-008-X
- ^ Перейти обратно: а б Бекманн ЕС (январь 2006 г.). «КТ-сканирование первых дней». Британский журнал радиологии . 79 (937): 5–8. дои : 10.1259/bjr/29444122 . ПМИД 16421398 .
- ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1979 года Аллан М. Кормак, Годфри Н. Хаунсфилд» . Нобелевская премия.org . Проверено 19 июля 2013 г.
- ^ Ингрэм, Ян (30 сентября 2021 г.). «FDA подтверждает «значительный прогресс» в области компьютерной томографии» . www.medpagetoday.com . Проверено 01 октября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б Литтлтон, Дж. Т. «Обычная томография» (PDF) . История радиологических наук . Американское общество рентгенологов . Проверено 11 января 2014 г.