Komputer tomográfia (CT) méréstechnikai alapelemei

   Tankönyv Fizikusoknak  »  A röntgendiagnosztika alapjai  »  Komputer tomográfia (CT) méréstechnikai alapelemei

A tomográfia görög szó, ami rétegfelvételt jelent. Az eljárást annak az igénynek a hatására fejlesztették ki, hogy egyre gyakrabban szükség volt a tárgyak, élő szervezetek belső felépítésének és szerkezetének a megismerésére és feltárására. Az egyszerű röntgen radiográfia csak egy vonal mentén elhelyezkedő anyagrétegek abszorpciójáról ad integrált információt, de nem lehet megmondani az abszorpció változását az objektum belsejében két- vagy három-dimenzióban. A CT matematikai lehetőségét 1917-ben Johann Radon matematikus teremtette meg, de abban az időben a technika fejlettsége még nem tette lehetővé egy ilyen berendezés megépítését. Ennek oka részben a mérések vezérléséhez és a hosszadalmas számítások elvégzéséhez szükséges számítástechnikai háttér hiánya, másrészt a vizsgálatok elvégzéséhez szükséges röntgenberendezések fejletlensége volt.
Egy tárgy belső szerkezetének feltárását úgy is el lehet végezni, hogy a hagyományos radiográfiát nemcsak egyetlen irányból, hanem a tárgyat különböző irányokból képezzük le. Természetesen minden leképezés más képet fog eredményezni, nézőpont helyzetétől függően. A CT lényege, hogy a különböző irányokból végzett leképezések eredményeiből előállítható a tárgy belső szerkezetének a képe, azaz az abszorpciós együttható térbeli eloszlása 8. Minél részletesebb képet szeretnénk, annál több irányból kell leképezéseket végezni. A rekonstrukciós probléma megoldására A. M. Cormack közölt 1963-ban egy lehetséges megoldást és a gyakorlati megvalósítás pedig G. N. Hounsfield nevéhez kötődik, amely eredményeikért 1972-ben orvosi Nobel-díjat kaptak. A hagyományos röntgenfelvételnél alkalmazott eljárással is lehet u. n. rétegfelvételt készíteni, aminek eljárását Grossmann Gusztáv fizikus nevéhez fűződik. Az eljárás lényege, hogy a felvétel közben mind a detektort, mind a detektornak megfelelő fílm kazettát szinkronban mozgatva ellentétes irányban a keletkezett kép csak egyetlen síkban lesz éles. A röntgencső és a fílm mozgatásának paramétereivel be lehet állítani, hogy meylik rétegről készüljön felvétel.

23. ábra. Hounsfield első CT berendezése

 
Az első-generációs CT berendezésekben a röntgencső és a detektor egymással szinkronban, egy-egy párhuzamos egyenes mentén mozgott egymással szemben, miközben a közöttük lévő vizsgálandó objektumot átvilágította a röntgennyaláb. A röntgencsővel szemben elhelyezkedő detektor jele attól függ, hogy a tárgynak az adott vonal mentén mekkora abszorpciója van. Ha az így végrehajtott leképezések befejeződtek, azaz a teljes mintatérfogatot átvilágította a nyaláb, akkor a mintát valamilyen szöggel el kell fordítani valamely tengely mentén. Az ily módon új orientációs helyzetbe (a detektor és a röntgencsőhöz képest) került mintát újra le kell képezni a lineárisan mozgó detektor-röntgencső párossal, majd ezt a szkennelést addig kell megismételni minden egyes új orientációban, amíg a teljes 360 fokos szögtartományt le nem fedjük.

24. ábra. Első generációs CT működési elve.

 
Minél finomabb felbontásban történik a lineáris leképezés és a forgatás, annál élesebb képet lehet kapni a tárgy belsejéről. Ennek határt szab egyrészt a dóziskorlát, amellyel az objektumot még be lehet sugározni, másrészt a mérés teljes ideje. Az első CT berendezés 160 lineáris pozícióban és 180 szögértéknél végzett leképezéseket, míg a modern CT-k már 750 lineáris vetítést végeznek minden egyes szögértéknél. Mivel a transzlációs mozgást nehezebb ugyanakkora pontossággal kivitelezni, mint a rotációt, ezért az elsőgenerációs CT-k nagyon érzékenyek voltak a mechanikai instabilitásra és vibrációkra, ami a képminőség romlásában jelentkezet.
A második generációs CT berendezésekben még nem küszöbölték ki a transzlációs mozgást a leképezések során, de a röntgennyalábot úgy formálták, hogy nem párhuzamos nyalábból állt, hanem egy kb. 5-10 fokos szögnyílású legyező alakot formált. Ez a technikai megoldás lehetővé tette, hogy több detektorral is mérjék szimultán a nyaláb különböző részeit. A technológiai újítás lényegesen lecsökkentette a vizsgálatok időtartamát, mert a különböző szögeknél végzendő mérések számát lehetett csökkenteni.
A harmadik generációs készülékeket 1977-től alkalmazták, ahol megőrizték a megvilágító nyaláb legyező alakját, oly módon hogy a röntgenforrás és a detektor egymással szemben helyezkedik el és a teljes rendszer körbejárja a vizsgálandó objektumot és bármely irányból át tudja világítani 9. A legyező alak nyílásszöge már 30-50 fokos volt és a röntgencsővel szemben lévő detektorok száma akár 1000 is lehetett. Ezzel a technológiával a teljes mérési időt néhány másodpercre sikerült csökkenteni. A negyedik generációt az jelentette, hogy a röntgencső mozog csak, míg a detektorok számát növelve 1000-5000 értékre azokat már nem szükséges mozgatni.

24. ábra. Második és harmadik generációs CT készülékek működési elve.