О развитии компьютерной томографии

Э. Е. Самбыкина

Размещено на http://www.allbest.ru//

90

Размещено на http://www.allbest.ru//

Институт проблем регистрации информации НАН Украины

О развитии компьютерной томографии

Э. Е. Самбыкина

Показан приоритет украинских ученых в области создания основополагающих работ по компьютерной томографии и первого в СССР серийного компьютерного томографа для исследования всего тела человека, а также перспективные направления развития компьютерной томографии.

Ключевые слова: компьютерная томография, промышленная томография, томограмма, рентгеновский компьютерный томограф, источник излучения, детектор, зона восстановления, геометрия сканирования.

компьютерный томография ученый

Сегодня в 2002 году компьютерная томография прочно вошла в сферу обслуживания населения и является неотъемлемой частью нашей жизни [1]. При этом 2002 год отделяет нас сроком в 50 лет от начального этапа развития компьютерной томографии. В мире нет однозначного понимания вопроса о том, где были выполнены первые разработки по компьютерной томографии, и кто является их автором.

Необходимо отметить, что Нобелевскую премию в 1979 г. за работы в области компьютерной томографии получили Хаунсфилд и Кормак. Однако, они не являются родоначальниками этого направления. Родилось оно городе Киеве. Эти первые шаги в компьютерной томографии были сделаны на радиотехническом факультете Киевского политехнического института в 1952 году. Возглавил эти работы член-корреспондент Академии наук Украины, профессор С.И. Тетельбаум [2-4].

Данная статья подготовлена по инициативе руководителя работ в области компьютерной томографии в Национальной академии наук Украины Заслуженного деятеля науки и техники Украины, доктора технических наук, профессора М.В. Синькова.

Стремление заглянуть во внутрь интересующего нас объекта вполне оправдано. Однако, это нужно сделать, не разрушая объект исследования. Особенно это важно в медицинской диагностике, и медицина явилась той областью, которая стимулировала развитие исследований и создание аппаратов для неразрушающего внутривидения. В этом отношении Киеву очень повезло, так как значительные исследования в этом направлении были проведены задолго до начала работ по компьютерной томографии Максимиллианом Семеновичем Овощниковым. Он разрабатывал аппаратуру для получения послойных изображений тела человека с помощью сочетанного разнонаправленного движения проникающего источника и регистрирующей пленки.

Такой метод давал вполне положительные результаты и широко использовался в практической медицине. Однако, при этом метод не давал универсального решения. Плотностное и пространственное разрешения были малыми. Все это направляло исследования на поиск путей построения более универсального устройства с улучшенными характеристиками по плотности и пространству.

Существенный толчок давало стремление обнаружить внутри тела человека патологические изменения, пространственно расположенные в произвольной час-ти органов тела человека. Это все привело к тому, что специалисты по радиолакационной технике включились в эти разработки, и С.И. Тетельбаум, Б.И. Коренблюм, А.А. Тютин и др. пятьдесят лет тому назад начали работы по созданию компьютерного томографа и завершили их в период 1956-1957 гг. [5]. Они исследовали случай относительно близкого расположения источника излучения, когда объект облучается узким веерообразным пучком. При равномерном вращении объекта вокруг оси, перпендикулярной исследуемому слою, на фотопленке, перемещающейся параллельно этой оси, получается рентгеношифрограмма, заключающая в себе данные, необходимые для получения изображения слоя.

Функциональная схема счетно-решающего устройства, осуществляющего аппаратурное решение соответствующего интегрального уравнения и преобразующего информацию, заключенную в рентгеношифрограмме, в изображение иссле-дуемого слоя объекта, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема счетно-решающего устройства

Вызывает определенное сожаление, что эти «пионерские» работы не были отмечены ничем, кроме публикаций в журналах Украины. Ссылки на первые работы по компьютерной томографии приводятся для того, чтобы подкрепить приоритет наших соотечественников и коллег, отдать должное их инициативе и подчеркнуть важность их вклада в мировую науку.

Учитывая то, что данная работа является напоминанием о пятидесятилетнем юбилее начала разработок в области компьютерной томографии, напомним далее некоторые данные о структуре компьютерных томографов и кратко рассмотрим принцип получения томограмм.

Технические характеристики и структурные особенности позволяют разделить рентгеновские компьютерные томографы на условные группы, называемые поколениями [1].

Вычислительный томограф первого поколения использует один информационный канал: один квазиточечный источник излучения и один информационный детектор. Набор проекционных данных формируется комбинацией двух видов движения: поступательного и вращательного (рис. 2). При каждом повороте системы на элементарный угол (поворота), детектор (3) и источник излучения (2) одновременно перемещаются параллельно и поступательно таким образом, чтобы линия, которая их соединяет, пересекала весь исследуемый объект (1).

Математический аппарат вычислительной томографии разработан на основе метода преобразования Радона. Для томографов первого поколения этот метод стал называться реконструкцией для параллельной геометрии. Преимущество такого томографа -- простота реализации и относительно малая цена, а недостатком является длительное время сканирования.

Позже, с целью увеличения информативности томографической системы, были организованы несколько одновременно действующих параллельных каналов для формирования проекционных данных. Так появилось второе поколение вычислительных томографов (рис. 3), которые используют один источник излучения (2) с квазивеерным лучом и группой детекторов.

Рис. 2. Геометрия сканирования Рис. 3. Геометрия сканирования томографа первого поколения томографа второго поколения

Эти томографические системы построены на допущении параллельности квазивеерного луча. Они используют узкий квазивеерный луч, так, что все лучи веера можно считать параллельными с достаточной степенью точности. Общие принципы построения системы сканирования первого поколения были сохранены, а математический аппарат был незначительно изменен.

В томографах третьего поколения (рис. 4) дальнейшее уменьшение времени обследования пациента было достигнуто за счет исключения поступательного движения системы сканирования. Полнота проекционных данных полностью обеспечивается увеличением числа детекторов и шириной веерного луча, который теперь охватывает всю зону восстановления. Для реконструкции используется другая математическая основа -- веерная геометрия. При этом, как одну из модификаций, можно рассматривать перепаковку веерного луча в параллельный.

Дальнейшее развитие томографических систем идет путем увеличения числа параллельных информационных каналов и сокращения доли механического движения в процессе сканирования. В томографах четвертого поколения (рис. 5) используется неподвижная круговая детекторная система (3).

Рис. 4. Геометрия сканирования Рис. 5. Геометрия сканирования

томографа третьего поколения томографа четвертого поколения

Это стало возможным благодаря достижениям электронной технологии, позволившей создать детекторы малых размеров, системы сбора данных для микросигналов с высокими и стабильными точностными параметрами. В таких вычислительных томографах значительно упрощается механическая система сканирования. Вращается только источник излучения (2), что значительно уменьшает габариты и вес механических устройств.

В томографах пятого поколения (рис. 6), сканирование осуществляется без использования механического движения. В них приспособлена круговая детекторная система (3) и несколько источников излучения (2), что позволяет одновременно реализовать полный набор проекционных данных при их электронном переключении.

Рис. 6. Геометрия сканирования томографа пятого поколения

В настоящее время находит свое место применение томографических систем всех пяти поколений, так как достижение более высоких качественных показателей в томографах более поздних поколений связано со значительными технологическими трудностями и ведет к заметному увеличению их цены.

Томографы первого поколения находят свое применение в некоторых физических исследованиях. Наиболее существенно применение томографов второго поколения в системах промышленного назначения с микронным пространственным разрешением. Третье и четвертое поколения надежно занимают лидирующие позиции в области медицины. Томографы пятого поколения только лишь начали выходить из стадии опытных образцов, и их широкое распространение зависит от успехов современных технологий.

Необходимо подчеркнуть, что здесь речь идет преимущественно о томографах с рентгеновским источником проникающего излучения, занимающих первое место по массовости использования. Целью статьи не является перечисление всех направлений в томографии, существующих сегодня в достаточно большом количество. В полной мере к ним относятся: томографы с высокоэнергетическими гамма-источниками, томографы использующие ядерно-магнитные резонансные явления, позитронно-эмиссионные томографы, ультразвуковые томографы и др.

Важно отметить, что трудами коллектива отдела специализированных средств моделирования Института проблем регистрации информации НАН Украины был разработан и передан в серийное производство первый в СССР рентгеновский компьютерный томограф третьего поколения для исследования всего тела человека.

С течением времени сформировались новые задачи, решение которых можно осуществить томографическими методами. И эти методы, и соответствующая им аппаратура требуют своего воплощения. К ним, в частности, относится задача «внутривидения» в объектах больших размеров, принадлежащая к классу задач промышленной томографии и имеющая свои специфические особенности. В этой постановке говорится об объектах, имеющих следующие размеры (ориентировочно): длина до 20 метров, ширина до 3 метров и высота до 4,5 метров. Есть определенные усложнения этой задачи, которые состоят в том, что объект томографирования может двигаться в пределах зоны сканирования с некоторой скоростью. Примером такого объекта является контейнер для перевозок грузов на море. В развитие этой задачи можно подчеркнуть, что внутри контейнера следует различать бобину проволоки малого диаметра и какой-либо небольшой мешочек с наркотическим порошком.

Из этого следует, что новая формулировка задачи промышленной томографии включает в себя очень значительные размеры исследуемого объекта, предельно высокие для настоящего времени показатели по пространственному и плотностному разрешению, и подвижность исследуемого объекта.

Рассмотренная выше задача была проанализирована и оценена как перспективная с научной точки зрения, так и в области практического применения. Разработки томографиических методов и средств для решения этой сложной задачи промышленной томографии проводятся и будут освещаться в последующих статьях.

Литература

Терновой К.С., Синьков М.В. и др. Введение в современную томографию. -- К.: Наук. думка, 1983.

Тетельбаум С.И. О задаче улучшения изображений, получаемых при помощи оптических и аналогичных инструментов // Известия Киевского ордена Ленина политехнического института. -- 1957. -- Т. ХХI. -- C. 222-227.

Тетельбаум С.И. О методе получения объемных изображений при помощи рентгеновского излучения // Известия Киевского ордена Ленина политехнического института. -- 1957. -- Т. ХХII. -- C. 154-160.

Тетельбаум С.И. Про деякі принципові можливості удосконалення рентгенотехніки // Доповіді АН УРСР. -- 1957. -- № 5. -- C. 453-456.

Коренблюм Б.И., Тетельбаум С.И., Тютин А.А. Об одной схеме томографии // Изв. вузов МВО. -- Радиофизика, 1958. -- № З.

Исследование и разработка алгоритмов реконструкции в компьютерной томографии для пространств с числом измерений большим двух: Отчет о НИР (заключит.) / ИПРИ НАН Украины; № ГР 019888U001656. -- К., 2000.

Размещено на Allbest.ru