CAT-scanner

Een computertomografie (CT) of computergestuurde axiale tomografie (CAT) scanner is een hulpmiddel voor medische beeldvorming dat duidelijke beelden geeft van de interne structuren van het lichaam. Met behulp van een bundel röntgenstralen en een stralingsdetector levert het gegevens aan een computer, die vervolgens een driedimensionaal beeld construeert. De CAT-scanner is opgebouwd uit verschillende complexe elektronische componenten, die door verschillende onderaannemers worden geproduceerd en door de scannerfabrikanten tot een complete unit worden geassembleerd. Voor het eerst ontwikkeld in de vroege jaren 1970, hebben gestage technologische verbeteringen dit type scanner tot een onschatbaar radiologisch diagnostisch apparaat gemaakt.

Geschiedenis

De uitvinding van de CAT-scanner werd mogelijk gemaakt door Wilhelm Roentgen, die in 1895 röntgenstralen ontdekte. Rond deze tijd onderzochten verschillende wetenschappers de beweging van elektronen door een glazen apparaat dat bekend staat als een Crookes-buis. Röntgen wilde de actie van de elektronen visueel vastleggen, dus wikkelde hij zijn Crookes-buis in zwart fotopapier. Toen hij zijn experiment uitvoerde, merkte hij dat een plaat bedekt met een fluorescerend materiaal, dat toevallig in de buurt van de buis lag, fluoresceerde of gloeide. Dit was onverwacht omdat er geen zichtbaar licht uit de gewikkelde buis kwam. Bij verder onderzoek ontdekte hij dat er inderdaad een soort onzichtbaar licht werd geproduceerd door deze buis, en het kon materialen zoals hout, aluminium of menselijke huid binnendringen.

Na deze eerste bevinding besefte Roentgen al snel het belang van zijn ontdekking voor de geneeskunde. Met behulp van röntgenstralen stelde hij vast dat het mogelijk was om een ​​afbeelding te maken van structuren onder de huid. Daartoe publiceerde hij de eerste röntgenfoto, een afbeelding van de hand van zijn vrouw. Voor deze ontdekking ontving hij in 1901 de eerste Nobelprijs voor de natuurkunde. Het eerste gedocumenteerde gebruik van röntgenstralen voor een daadwerkelijke diagnose in de Verenigde Staten vond plaats in 1896. Dr. Gilman Frost en zijn broer, die fysicus was, gebruikten ze om de ernst van de verwondingen te bepalen die een jonge jongen had opgelopen die een schaats had gehad. ongeluk. Deze röntgenfoto is gemaakt in het natuurkundig laboratorium van Dartmouth College.

Naarmate het gebied van radiografie zich uitbreidde, verbeterde de röntgentechnologie gestaag. Een van de belangrijkste beperkingen van conventionele röntgenstralen was dat ze geen diepte hadden; daarom werden veel interne structuren over elkaar heen gelegd. Met behulp van computers ontwikkelden wetenschappers methoden om dit probleem op te lossen. Een dergelijke methode was computertomografie (CT) of computergestuurde axiale tomografie (CAT). De eerste CAT-scanner werd in 1970 gedemonstreerd door Godfrey Hounsfield en Allen Cormack. In de volgende twee decennia zijn er aanzienlijke vorderingen gemaakt in het scannerontwerp, wat heeft geleid tot de hoogwaardige beeldscanners die tegenwoordig worden gebruikt.

Achtergrond

CAT-scanners gebruiken, net als alle andere röntgenapparaten, röntgenstralen om afbeeldingen van interne lichaamsstructuren te produceren. Röntgenstralen zijn een soort ioniserende straling die in staat is om in verschillende mate door te dringen in vaste materialen, afhankelijk van hun dichtheid en dikte. Bij conventionele radiologie wordt een beeld geproduceerd door een detector, zoals een fotografische film, achter de patiënt te plaatsen en vervolgens een bundel röntgenstralen erop te richten. De straling gaat door het lichaam van de patiënt en interageert met de film. Omdat röntgenstralen die de film raken na verwerking donkere gebieden produceren, verschijnen lichaamsstructuren die gemakkelijk door röntgenstralen kunnen worden gepenetreerd, zoals de huid, als donkere gebieden. Andere structuren zoals spieren, zacht weefsel en organen laten verschillende hoeveelheden röntgenstralen door en verschijnen als grijze gebieden. Botten, die geen röntgenstralen doorlaten, verschijnen als helderwitte gebieden.

De beelden die door conventionele filmröntgenstralen worden geproduceerd, zijn vaak wazig omdat veel van de interne structuren op elkaar zijn geplaatst. Tomografie is ontwikkeld om deze wazigheid te verminderen en om beeldvorming van specifieke delen van het lichaam mogelijk te maken. Vroege tomografische methoden omvatten het gelijktijdig bewegen van de röntgengenerator en de detectiefilm in tegengestelde richtingen. Aangezien de twee eenheden horizontaal bewegen, zullen alleen lichaamsstructuren die in een specifiek geometrisch vlak liggen, röntgenstralen consistent doorlaten naar de detector. Op deze manier verschijnen deze structuren duidelijk op de film, terwijl structuren buiten het vlak vervaagd zijn. Het beeld dat door dit type radiologie wordt geproduceerd, is evenwijdig aan de lengteas van het lichaam.

Geautomatiseerde axiale tomografie en gecomputeriseerde transaxiale tomografie vertegenwoordigen een meer complexe en verbeterde vorm van conventionele tomografie. De beelden worden geproduceerd door de röntgengenerator en detectoren in een cirkel rond de patiënt te draaien. De hoeveelheid verzwakte reststraling die onder verschillende hoeken door het lichaam wordt uitgezonden, wordt gemeten en naar een computer gestuurd in plaats van rechtstreeks op film te worden vastgelegd. De computer voert vervolgens een reeks complexe algoritmen uit om het beeld te reconstrueren, dat vervolgens op een monitor kan worden weergegeven. In tegenstelling tot conventionele tomografie, is het beeld dat wordt geproduceerd door gecomputeriseerde transaxiale tomografie een dwarsdoorsnede van het lichaam en wordt het een transaxiaal beeld genoemd omdat het loodrecht op de lengteas van het lichaam staat.

Röntgenstralen worden ioniserende straling genoemd omdat ze kunnen interageren met bepaalde soorten materie, zoals moleculen in het lichaam, en deze kunnen veranderen. Hoewel dit zeker een aanzienlijk gezondheidsrisico voor de mens is, zijn de voordelen van het gebruik van röntgenstralen in de geneeskunde overweldigend. Werknemers in de medische sector zorgen er echter voor dat de mate van blootstelling aan zichzelf en aan patiënten wordt beperkt.

Ontwerp

De CAT-scanner bestaat uit drie primaire systemen, waaronder het portaal, de computer en de bedieningsconsole. Elk van deze is samengesteld uit verschillende subcomponenten. De portaalconstructie is de grootste van deze systemen. Het bestaat uit alle apparatuur die verband houdt met de patiënt, inclusief de patiëntensteun, de positioneringsbank, de mechanische steunen en de scannerbehuizing. Het bevat ook het hart van de CAT-scanner, de röntgenbuis, evenals detectoren die röntgenstralen genereren en detecteren.

De röntgenbuis is een speciaal type vacuümverzegelde elektrische diode die is ontworpen om röntgenstralen uit te zenden. Het bestaat uit twee elektroden, de kathode en de anode. Om röntgenstralen te produceren, wordt een gloeidraad in de kathode geladen met elektriciteit van een hoogspanningsgenerator. Hierdoor warmt de gloeidraad op en zendt elektronen uit. Met behulp van hun natuurlijke aantrekkingskracht en een speciale focusbeker reizen de elektronen rechtstreeks naar de positief geladen anode. Röntgenstralen worden willekeurig uitgezonden wanneer de elektronen de anode raken. De anode, die al dan niet roterend kan zijn, geleidt vervolgens de elektriciteit terug naar de hoogspanningsgenerator om het circuit te voltooien. Om de röntgenstralen in een bundel te focusseren, bevindt de röntgenbuis zich in een beschermende behuizing. Deze behuizing is bekleed met lood op een klein raampje aan de onderkant na. Nuttige röntgenstralen kunnen uit dit raam ontsnappen, terwijl het lood het ontsnappen van verdwaalde straling in andere richtingen voorkomt.

In tegenstelling tot andere radiologische apparaten meten de detectoren in een CAT-scanner niet rechtstreeks röntgenstralen. Ze meten straling die verzwakt is door de lichaamsstructuren vanwege hun interactie met röntgenstralen. Een type detector is een ideale gasgevulde detector. Wanneer straling één van deze detectoren treft, wordt het gas geïoniseerd en kan een stralingsniveau worden bepaald.

De computer is speciaal ontworpen om input van de detector te verzamelen en te analyseren. Het is een computer met grote capaciteit die duizenden vergelijkingen tegelijk kan uitvoeren. De reconstructiesnelheid en beeldkwaliteit zijn allemaal afhankelijk van de microprocessor en het interne geheugen van de computer. EEN een snelle computer is vooral belangrijk omdat het de snelheid en efficiëntie van het onderzoek enorm beïnvloedt. Omdat de computer zo gespecialiseerd is, heeft hij een ruimte nodig met een strikt gecontroleerde omgeving. De temperatuur wordt bijvoorbeeld typisch onder 68 ° F (20 ° C) gehouden en de luchtvochtigheid is lager dan 30%.

De bedieningsconsole is het hoofdcontrolecentrum van de CAT-scanner. Het wordt gebruikt om alle factoren in te voeren die verband houden met het maken van een scan. Meestal bestaat deze console uit een computer, een toetsenbord en meerdere monitoren. Vaak zijn er twee verschillende bedieningsconsoles, één die wordt gebruikt door de CAT-scanneroperator en de andere die wordt gebruikt door de arts. De bedieningsconsole regelt variabelen zoals de dikte van het afgebeelde weefselplakje, mechanische beweging van de patiëntenbank en andere radiografische techniekfactoren. Met de kijkconsole van de arts kan de arts het beeld bekijken zonder de normale scannerwerking te verstoren. Het maakt ook beeldmanipulatie mogelijk, als dit nodig is voor diagnose en beeldopslag voor later gebruik. Voor dit type gegevensopslag zijn magneetbanden of floppydisks beschikbaar.

Het ontwerp van een CAT-scanner is in de loop van de tijd stapsgewijs verbeterd. De originele CAT-scanners maakten gebruik van een dunne, potloodstraal van röntgenstralen en namen 180 metingen, één bij elke rotatiegraad rond een halve cirkel. De röntgengenerator en detectoren bewogen horizontaal voor elke scan en werden vervolgens een graad gedraaid om de volgende scan te maken. Er werden twee detectoren gebruikt, zodat uit elke scan twee verschillende beelden konden worden gegenereerd. Het nadeel van dit systeem was de lange scantijd. Een enkele scan kan tot vijf minuten duren. Ontwerpen verbeterden naarmate er meer detectoren werden toegevoegd en de röntgenstraal werd uitgespreid met behulp van een speciaal filter. Dit verminderde de scantijd aanzienlijk tot ongeveer 20 seconden. De volgende grote ontwerpverbetering resulteerde in de eliminatie van de horizontale beweging van de generator en detector, waardoor het een scanner is die alleen draait. Er werden meer detectoren toegevoegd en gegroepeerd in een kromlijnige detectorarray. De detectorarray werd uiteindelijk ontworpen om stationair te zijn en de resulterende scantijd werd teruggebracht tot één seconde.

Grondstoffen

Een grote verscheidenheid aan materialen, zoals staal, glas en plastic, wordt gebruikt om de componenten van een CAT-scanner te bouwen. Enkele van de meer gespecialiseerde verbindingen zijn te vinden in de patiëntenbank, detectorarray en de röntgenbuis. De patiëntenbank is meestal gemaakt van koolstofvezel om te voorkomen dat deze de transmissie van de röntgenstraal verstoort. CAT-scanners gebruiken röntgentechnologie om driedimensionale afbeeldingen te maken van de interne structuren van het lichaam. Beelden worden verkregen door de röntgengenerator en detectoren rond de patiënt te draaien. Deze informatie wordt ingevoerd in een computer, die beelden reconstrueert van de lichaamsstructuren binnen zijn focusvlak. De detectorreeks van modernere scanners maakt gebruik van wolfraamplaten, een keramisch substraat en xenongas. Wolfraam wordt ook gebruikt om de kathode en het elektronenstraaldoel van de röntgenbuis te maken. Andere materialen die in de buis worden gevonden, zijn Pyrex. glas, koper en wolfraamlegeringen. In veel delen van het CAT-scannersysteem kan lood worden aangetroffen, waardoor de hoeveelheid overtollige straling wordt verminderd.

Het fabricageproces

De fabricage van CAT-scanners is meestal een assemblage van verschillende componenten die door externe fabrikanten worden geleverd. In het volgende proces wordt besproken hoe de belangrijkste componenten worden geproduceerd.

Onderdelen voor portaalmontage

• 1 De röntgenbuis is net als andere soorten elektrische diodes gemaakt. De afzonderlijke componenten, inclusief de kathode en anode, worden in het buisomhulsel geplaatst en vacuüm verzegeld. De buis wordt dan in de beschermende behuizing geplaatst, die vervolgens aan het roterende deel van het scannerframe kan worden bevestigd.
• 2 Er zijn verschillende detectorarrays beschikbaar voor CAT-scanners. Een type detectorarray is de ideale met gas gevulde detector. Dit wordt gemaakt door stroken wolfraam 0,04 inch (1 mm) uit elkaar rond een groot metalen frame te plaatsen. Een keramisch substraat houdt de strips op hun plaats. Het gehele samenstel is hermetisch afgesloten en onder druk gevuld met een inert gas zoals xenon. Elk van de kleine kamers gevormd door de openingen tussen de wolfraamplaten zijn individuele detectoren. De voltooide detector is ook bevestigd aan het scannerframe.
• 3 Om de grote hoeveelheid spanning te creëren die nodig is om röntgenstralen te produceren, wordt een autotransformator gebruikt. Dit voedingsapparaat wordt gemaakt door draad om een ​​kern te winden. Op verschillende punten langs de spoel worden elektrische tapaansluitingen gemaakt en aangesloten op de hoofdstroombron. Met dit apparaat kan de uitgangsspanning worden verhoogd tot ongeveer twee keer de ingangsspanning.

Bedieningspaneel en computer

• 4 De bedieningsconsole en computer zijn speciaal ontworpen en geleverd door computerfabrikanten. De primaire modelbouwcomputer is specifiek geprogrammeerd met de reconstructie-algoritmen die nodig zijn om de röntgengegevens van het portaal te manipuleren. De bedieningsconsoles zijn ook geprogrammeerd met software om het beheer van de CAT-scan te besturen.

Eindmontage

• 5 De eindmontage van de CAT-scanner is een maatwerkproces dat vaak plaatsvindt in de faciliteit voor radiologische beeldvorming. De kamers zijn speciaal ontworpen om elk onderdeel te huisvesten en de kans op overmatige blootstelling aan straling of elektrische schokken te minimaliseren. Door specifieke plannen te volgen, wordt de installatie van apparatuur en de bedrading van het hele CAT-scannersysteem voltooid.

Kwaliteitscontrole

Zoals bij alle elektronische apparatuur, vormen kwaliteitscontroletests een belangrijk onderdeel van de fabricage van CAT-scanners. De scannerfabrikanten vertrouwen doorgaans op hun leveranciers om basiskwaliteitstests uit te voeren op de binnenkomende componenten. Wanneer delen van de scanner worden geassembleerd, worden gedurende het hele proces visuele en elektrische inspecties uitgevoerd om gebreken op te sporen. Naast de kwaliteitsspecificaties die door de fabrikanten zijn vastgesteld, heeft de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) voorschriften die fabrikanten verplichten specifieke kwaliteitscontroletests uit te voeren. Voorbeelden van deze tests zijn kalibratietests van de röntgenbuis, mechanische tests van de patiëntentafel en standaardisatietests van de visuele output.

De Toekomst

Onderzoek voor toekomstige CAT-scanners is gericht op vier basisdoelen, waaronder de productie van beelden van betere kwaliteit, het verminderen van de blootstelling aan straling van patiënten, het optimaliseren van computerreconstructie-algoritmen en het verbeteren van het ontwerp van de CAT-scanner. Er zijn al verschillende methoden geprobeerd om deze doelen te bereiken. Om de beeldkwaliteit te verbeteren, maken sommige scanners gebruik van unieke bewegingen van de röntgenbuis, de detector of beide. Anderen veranderen de positie van de patiënt. Er worden snellere scanners ontwikkeld om de blootstellingstijd van de patiënt te verkorten. Er zijn verschillende soorten computeralgoritmen ontwikkeld voor verschillende onderzoeken. Toekomstige CAT-scanners zullen waarschijnlijk de meeste van deze nieuwe ontwikkelingen bevatten, samen met een continu roterende röntgenbuis en detectoren om de duidelijkste en veiligste beeldvormingsprocedure mogelijk te maken.