بازسازي تصاوير و نسل هاي سي تي

 

مقدمه

در راديوگرافي معمولي، روي هم قرار گرفتن اعضاء باعث پنهان ماندن بعضي ضايعات مي‏شود. براي رفع اين نقيصه، ابتدا توموگرافي معمولي ابداع شد، ولي هيچ وقت نتوانست بطوركامل جاي راديوگرافي معمولي را بگيرد، اما  بعنوان يك روش تكميلي در كنار آن باقي ماند.

در سال 1970سي‌تي‌اسكن توسط هانسفيلد و با ارائة دستگاه سي‌تي‌اسكن اولية EMI شرح داده شد. هنگامي كه تكنيك جديد و پيشرفته سي‌تي‌اسكن پا به عرصه نهاد، مقداري از مشكلات ذكر شده مرتفع گرديد، اما تاكنون اين روش تشخيصي نيز نتوانسته است راديوگرافي معمولي را كاملاً كنار بگذارد.

معمولاً روش‏هاي قديمي‌تر موجود را نمي‏توان كاملاً فراموش كرد و نمي‏توان ادعا نمودكه يك تكنيك خاص تصويربرداري ، آخرين حرف را براي گفتن دارد. اين روشهاي قديمي بودند كه نردبان ترقي روشهاي جديد شدند. در واقع تكنيك‌هاي جديد مكمل روش‏هاي قديمي هستند.

دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن به سرعت متحول مي‏شوند. سخت‏افزار و برنامه‏هاي كامپيوتري نيز روز به روز تغيير مي‌كند و از يك دستگاه راديولوژي محدود به نمايش آناتومي محض تبديل به ابزاري براي نشان دادن اطلاعات فيزيولوژي و پاتولوژي گرديده است.

اين تغييرات مداوم و پايدار، شرح دادن تكنيك‌هاي سي‌تي‌اسكن را مشكل مي‌كند. در مقايسه با دستگاه‌هاي راديولوژي معمولي، نحوة كار، خصوصيات و كيفيت تصوير بين دستگاه‌هاي مختلف سي‌تي‌اسكن، بسيار متفاوت است. نگهداري وبكارگيري نامناسب دستگاه نيز باعث ايجاد تصاوير با كيفيت پايين و در نتيجه اشتباهات تشخيصي خواهد شد. قبل از خريد دستگاه سي‌تي‌اسكن، بايستي بررسي دقيقي نسبت به امكانات، تعمير و نحوة نگهداري آن صورت گيرد.  بنابراين كارشناسان راديولوژي كه مي‌خواهند با دستگاه سي‏تي‌اسكن كار كنند، لازم است كه اطلاعات كاملي ازاصول و نحوه كار ونحوه حفاظت و نگهداري از دستگاه‌هاي سي‏تي‌اسكن داشته باشند.

در مدتي كه با كارشناسان و دانشجويان كارشناسي راديولوژي در بخش سي‌تي‌اسكن برخورد داشته‌ام يكي از مسائلي كه بوضوح حس مي‌شد، كمبود منابع مطالعاتي در زمينه تكنيك‌هاي سي‏تي‌اسكن به زبان فارسي بود و البته دسترسي به منابع خارجي نيز آسان و ميسر نمي‌باشد. بدين جهت با پيشنهاد رئيس و اعضاي محترم گروه تكنولوژي راديولوژي دانشكده پيراپزشكي مشهد مجموعه‌‏اي بدين منظور گردآوري و تدوين گرديد، كه اميدوارم بتواند پاسخگوي بخشي از نياز كارشناسان محترم راديولوژي باشد.

و من ا... التوفيق

آشنايي با توموگرافي

توموگرافي ساده

توموگرافي تكنيكي است كه در آن تصوير يك قسمت نازك بدن از طريق محو كردن اطلاعات قمست‌هاي ديگر به‌دست مي‌آيد. در واقع سايه‏ اجزايي از بدن كه روي ناحية مورد مطالعه قرار گرفته‏اند، را محو مي‌كند و در نتيجة اين عمل، ناحية مورد مطالعه با وضوح بيشتري تصويربرداري مي‌شود.

دستگاه توموگرافي طوري ساخته شده است كه تيوب اشعه و فيلم بوسيلة يك ميله به هم متصل بوده و حول يك محور دوران، در دو جهت مخالف حركت مي‏كنند. بيمار در هنگام انجام توموگرافي بي‏حركت است.

 مقطع تصويربرداري شده درست در محور دوران دستگاه توموگرافي قرار داشته و تصوير تهيه شده از اين مقطع، هيچ محوشدگي ندارند. نقاط خارج از اين مقطع، بسته به فاصله آن از سطح مقطع دچار محوشدگي مي‏شوند و هر چه اين فاصله بيشتر باشد، محو شدگي نيز بيشتر مي‏شود.

چشم انسان تا يك محدودة خاصي محوشدگي تصوير را تشخيص مي‏دهد و محوشدگي تصاوير نقاط نزديك به مقطع مورد نظر ممكن است ديده نشوند. بنابراين تصوير نهايي كه در ذهن انسان شكل مي‏گيرد مربوط به مقطعي از بدن است كه داراي ضخامت معين مي‏باشد.

ضخامت مقطع با زاويه توموگرافي نسبت عكس دارد، يعني هر چه زاوية توموگرافي بيشتر شود، ضخامت مقطع كمتر خواهد شد.

توموگرافي كامپيوتري

اصول بنيادي سي‌تي‌اسكن مشابه راديوگرافي و توموگرافي عادي است. در همة اينها اشعة يونيزان از داخل بدن عبور مي‌كند و بر اساس ميزان جذب اشعة ايكس، تصوير تهيه مي‌شود. در سي‌تي‌اسكن پرتو تابيده شده از مقطع مشخصي از بدن عبور مي‌كند و بر روي آشكارساز تأثير مي‌گذارد. اين تأثيرات به‌صورت سيگنال به كامپيوتر داده مي‌شود و در نهايت تصويري از اجزاي داخلي آن مقطع به‌دست مي‌آيد. مهمترين اصل بنيادي كه از آن در سي‌تي‌اسكن استفاده مي‏شود، اين است كه ساختمان‌هاي داخلي بدن از طريق تابشهاي متعدد از جهات مختلف به بدن مي‏توان بازسازي كرد.

ريشة بازسازي تصوير[1] از تابشهاي متعدد را در نظريه‌اي كه در سال 1917 توسط رياضي‌داني به‌نام رادون[2]  ارائه شد، مي‌توان جستجو كرد. رادون به روش رياضي اثبات كرد كه مي‌توان تصويري دو يا سه‌بعدي از جسم را با استفاده از تعداد زيادي تابش كه از جهات مختلف تهيه شده، بازسازي كرد. اين تئوري در زمينه‌هاي مختلفي از جمله در ستاره‌شناسي و ميكروسكوپ كاربرد پيدا كرد. به همين ترتيب مي‌توان تصاوير بدن انسان را با استفاده از تابشهاي مختلفي كه از جهات مختلف تهيه شده، بازسازي كرد.

هانسفيلد[3] دانشمندي كه اين تئوري را تبديل به يك تكنيك عملي در تصويربرداري نمود، در سال 1973 انقلابي در راديولوژي تشخيصي ايجاد كرد. در اولين دستگاهي كه هانسفيلد به همين منظور ساخت(دستگاه اولية EMI)، براي توليد پرتو از عنصر امرسيوم[4]  كه يك چشمة پرتوي گاما است، استفاده نمود، ولي به‌علت شدت نه‌چندان كافي اشعه، عنصر امرسيوم جاي خود را به تيوب اشعة ايكس داد. يك مقطع عرضي نازك از سر توسط يك اشعة مدادي‏شكل از زواياي مختلف مورد تابش قرار ‏گرفت. شدت اشعة عبور كرده از بافت، توسط آشكارساز اندازه‏گيري شده و اين مقادير بوسيلة كامپيوتر و با استفاده از يك الگوريتم بازسازي،  تجزيه و تحليل ‏شده و در نهايت تصوير بصورت يك مقطع بدست آمد. در اين دستگاه براي ساخت يك تصوير، يك روز زمان لازم بود. اما بعدها با استفاده از كامپيوترهاي پيشرفته‌تر، اين زمان به 20 دقيقه كاهش يافت.

اصول توموگرافي كامپيوتري

روش ساده‌اي كه بوســيله آن مي‏توان روش تصويربرداري در سي‌تي‌اسكن را توضــيح داد، در شكل 1 نشان داده شده است.

شكل 1 تصوير جسمي را كه از چهار قسمت داراي دانسيته‌هاي متفاوت تشكيل شده، نشان مي‌دهد. اشعه از چند جهت بر جسم تابيده ‏شده و همزمان شدت اشعة خروجي از تمام رديف‏ها بوسيلة آشكارساز اندازه‏گيري مي‏شود. جهت بازسازي تصوير، داده‌هاي بدست‏آمده توسط روش‏هاي رياضي (حل معادلات چند مجهولي)، تجزيه و تحليل مي‏شوند و در نهايت دانسيته (ضريب تضعيف) هر قسمت بدست مي‏آيد. از اين روش امروزه استفاده نمي‌شود و تنها ايدة بنيادي سي‌تي‌اسكن را توصيف مي‌نمايد. روش‏هايي كه داده‌هاي بدست آمده از آشكارسازها را تجزيه و تحليل و اطلاعات لازم را براي تهيه تصوير آماده مي‏كنند، بسيار پيچيده بوده و تحت عنوان روش‏هاي بازسازي ناميده مي‌شوند.

روش‏هاي بازسازي تصوير

در اغلب دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن فعلي از روش‏هاي بازسازي تلفيقي[5] و تبديل فورية سريع[6] استفاده مي‏شود؛ ولي چون بيان اين روش‏ها نياز به زمينة رياضي پيچيده‏اي دارد، ناچاريم روش‏هاي ساده را توضيح دهيم.

روش ماتريكس معكوس[7]

  2

1

6

0

 

شكل1-تصوير جسمي را كه از چهار قسمت

 داراي دانسيته‌هاي متفاوت تشكيل شده، نشان مي‌دهد.

ساده‏ترين مثال اين است كه فرض كنيم بافت مورد مطالعه از چهار قسمت تشكيل شده است:

X₁

X₂

X₄

X₃

A

B

E

D

C

F

 

فرض كنيد اجزاء بافت مورد نظر داراي دانسيته‏هايي مانند ماتريكس زير باشند. براي رسيدن به چهار مجهول، اشعه را از شش جهت به جسم مي‏تابانيم (افقي، عمودي و قطري):

X₁ + X₂  =  8

X₃ + X₄  =  1

X₁ + X₃  =  2

X₂ + X₄  =  7

X₁ + X₄  =  3

X₂ + X₃  =  6

 

X₁ =  2

X₂ =  6

X₃ =  0

X₄ =  1

 

 

 

 

 

 

 

شش معادله چند مجهولي بوجود مي‏آيد و با حل آنها، جواب چهار مجهول بدست مي‏آيد كه همان اعداد در نظر گرفته‏شده هستند. به اين ترتيب، به هر چهار مشخصه جسم مي‏رسيم.

روش بازگردان تصوير[8]

قديمي‏ترين روش بازسازي است و همانطور كه قبلاً اشاره شد، در دستگاه‌هاي امروزي بكار نمي‏رود. اگر مثال قبل را در نظر بگيريم، روش بازگردان را مي‏توان بصورت زير نمايش داد: در تابش از جهات مختلف ، تضعيف‏هاي كلي بدست‌آمده در محل پيكسل‏هاي افقي، عمودي و قطري قرار مي‏گيرد:

8

1

8

8

1

1

 

12

 

15

27

9

3

0

6

 

7

10

15

8

3

2

 

2

12

21

9

9

6

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

6

0

 

به منظور ساده كردن ماتريكس حاصله، با تقسيم اعداد داخل خانه‏ها به عدد 3 و سپس كم كردن 3 واحد از آن، اعداد ساده شده هر قسمت بدست مي‌آيد:

روش تبديل فوريه

در اين روش بازسازي، از فرمول‏هاي بسيار پيچيدة رياضي استفاده مي‏شود كه بيان آنها خارج از بحث ماست، اما بطور كلي، اساس اين روش بر اين پايه استوار است كه هر تابع زماني و فضايي را مي‏توان با مجموع امواج سينوسي و كسينوسي با فركانس‏ها و دامنه‏هاي مختلف نشان داد. اين نوع دستكاري رياضي به آساني و به سرعت در كامپيوتر پردازش مي‏شود. همانطور كه قبلاً اشاره شد، امروزه اغلب از روش‏هاي بازسازي از جمله روش اخير استفاده مي‏شود.

انواع دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن

از زمان ارائة اولين دستگاه سي‌تي‌اسكن توسط هانسفيلد، تاكنون دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن چندين مرحله دچار تغييرات شده‏اند، كه تحت عنوان نسل‏هاي سي‌تي‌اسكن ناميده مي‏شوند.

شكل 2: دستگاه نسل اول

نسل اول

دستگاه اوليه EMI جزء اين دسته است. يك دسته اشعة باريك مدادي‏شكل و يك آشكارساز، در حالي كه موازي هم حركت مي‏كنند، بدن بيمار را اسكن مي‏كنند. سپس تيوب و آشكارساز حول محور دوران يك درجه چرخيده و دوباره اسكن تكرار مي‏شود. اين عمل تا 180 بار تكرار شده تا داده‌هاي بدست آمده از يك مقطع كامل شود (شكل 2).

از عيوب اساسي اين دستگاه ، زمان بسيار طولاني (براي هر مقطع حداقل 20-5 دقيقه) اسكن است.

نسل دوم

دستگاه سي‌تي‌اسكن نسل اول را مي‏توان يك طرح آزمايشي بحساب آورد. زمان اسكن بسيار طولاني، عملاً دستگاه نسل اول را خصوصاً در تصويربرداري از بسياري از نواحي بدن مانند ريه، بلااستفاده مي‌كند. براي كاهش زمان اسكن، در نسل دوم از تعداد زيادتري آشكارساز و اشعة بادبزني‌شكل كوچك استفاده شد، اما پرتوي بادبزني‏شكل تمام حجم مورد مطالعه را نمي‏پوشاند (شكل 3).

 

شكل 3: دستگاه نسل دوم

در اين دستگاه‌ها تعداد آشكارسازها تا 30 عدد نيز مي‏رسد. حركات تيوب و آشكارسازها مانند نسل اول است، اما بين هر توقف‏، تيوب و آشكارسازها قوس بزرگتري (تا 30 درجه) را طي مي‏كنند. در دستگاه‌هاي نسل دوم، زمان اسكن براي هر مقطع 90-10 ثانيه است.

نسل سوم

در اين نوع دستگاه‏ها، حركت خطي تيوب و آشكارسازها حذف شده است و تيوب و آشكارسازها در طي اسكن، دائما در يك مسير 360 درجه‏اي مي‏چرخند. تعداد آشكارسازها نسبت به نسل دوم بيشتر است و تا 500 عدد هم مي‌رسد. آشكارسازها روي دايره‏اي قرار دارند كه مركز آن نقطه كانوني تيوب است و امتداد همة آشكارسازها به نقطه كانوني تيوب ختم مي‏شود. اشعة ايكس بادبزني تمام ناحية مورد مطالعة را مي‏پوشاند (شكل 4). در اين نسل از دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن مي توان از آشكارسازهاي گازي يا آشكارسازهاي كريستال استفاده كرد.

شكل 4: دستگاه نسل سوم

بعلت حركات مكانيكي پيچيده و همچنين سنگيني اجزاء متحرك دستگاه، زمان اسكن در دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن نسل دوم طولاني است، ولي در دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن نسل سوم با حذف حركات خطي اين مشكل برطرف شده و زمان اسكن براي هر مقطع به حداقل يك ثانيه كاهش مي‏يابد.

نسل چهارم

همانطور كه در شكل 5 ملاحظه مي‏گردد، در اين دستگاه‏ها آشكارسازها بصورت يك دايره كامل و بطور ثابت قرار گرفته‏ و فقط تيوب درون اين دايره‏اي گردش مي‌كند.

شكل 5: دستگاه نسل چهارم

چون تيوب و آشكارسازها روي دو دايره‏ مجزا با قطر متفاوت قرار دارند، امتداد محور طولي آشكارسازها با مسير اشعه منطبق نمي‏باشد (شكل 5). بنابراين در اين نوع دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن نمي‌توان از آشكارسازهاي گازي استفاده كرد، چون پرتوهاي تابيده شده مايل به آشكارسازهاي گازي بعلت دانسيتة پايين گاز، از آشكارساز عبور مي‌كند و به آشكارساز مجاور برخورد مي‌كند. اين حالـــت را اصطلاحاً پديده گفتگوي متقاطع^[9] مي‌نامند. اين مشكل در دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن نسل سوم بعلت هم امتداد بودن محور اشعه با محور طولي آشكارسازهاي گازي وجود ندارد.

در دستگاه‌هاي نسل چهارم آشكارسازها نسبت به نسل سوم راحت‏تر كاليبره مي‏شوند. زمان اسكن در دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن نسل چهارم نيز حداقل يك ثانيه است.

از آنجائيكه در اين نوع دستگاه‌ها براي كاهش اشعه اسكتر، شكاف هوايي^[10] بزرگ مورد استفاده است، دوز تابش  بيمار نسبت به ساير نسل‏هاي سي‌تي‌اسكن بيشتر مي‏باشد. همچنين قيمت اين نوع دستگاه، بعلت تعداد زياد آشكارسازها و ملزومات الكترونيك آن از ساير نسل‏ها بيشتر است.

نسل پنجم  يا سي‌تي‌اسكن اشعة الكتروني^[11]

 مشكل عمده در سي‌تي‌اسكن، تصويربرداري از اعضاي متحرك مانند قلب و حركاتي است كه به‌طور طبيعي در اثر تنفس به وجود مي‌آيد. حركت عضوي كه در حال اسكن است باعث ايجاد آرتيفكتهاي حركتي و افت كيفيت تصاوير مي‌گردد. به‌عنوان تلاشي در جهت كاهش زمان اسكن و تصويربرداري از قلب، روشهاي سي‌تي‌اسكن اشعة الكتروني و يا نسل پنجم دستگاههاي سي‌تي‌اسكن معرفي شد. در اين نوع دستگاه با افزايش سرعت اسكن در حد 50 ميلي‌ثانيه براي هر مقطع، تا حد بسيار زيادي مشكل تصويربرداري از قلب مرتفع شده است.

به‌طور كلي مي‌توان گفت در اين نوع سي‌تي‌اسكن، حركت چرخشي و مكانيكي به‌طور كامل حذف شده و نحوة چرخش اشعه به دور بيمار با حركت دادن اشعة الكتروني بر روي هدف يا آندي است كه اطراف گانتري را پوشانده است، انجام مي‌پذيرد. به‌عبارت ديگر، در اين نوع سي‌تي‌اسكن ، به‌جاي تيوب اشعة ايكس از يك شتاب‌دهندة الكترون استفاده شده است. الكترون‌ها طي يك مسير كوتاه در پشت گانتري شتاب گرفته و با انحراف اشعة الكتروني توسط ميدانهاي مغناطيسي، الكترونها بر روي هدف نيم‌دايره‌اي حركت داده شده و باعث دوران اشعة ايكس مي‌شوند. در اين سيستم به‌جاي زاويه گرفتن گانتري، تخت بيمار زاويه مي‌گيرد و امكان تصويربرداري اريب را فراهم مي‌نمايد. تقريباً مي‌توان گفت كه بقية اجزاي اين نوع سي‌تي‌اسكن از جمله آشكارساز، سيستم جمع‌آوري داده‌ها و سيستم بازسازي تصوير، شباهت زيادي به دستگاههاي سي‌تي‌اسكن نسل پايين‌تر دارد.

شكل 6- نمايي از سي‌تي‌اسكن اشعة الكتروني يا نسل پنجم

سي‌تي‌اسكن اسپيرال

امروزه دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن به‌واسطة سرعت و دقت بالاي آن در تصويربرداري، به‌عنوان يك روش قابل اطمينان در زمينه‌هاي مختلف پزشكي به‌كار گرفته مي‌شود. پيشرفت در كيفيت تصاوير سي‌تي‌اسكن، قابل توجه و اعجاب انگيز است. بهبود كيفيت تصاوير در اثر افزايش قدرت تفكيك فضايي[12] ، كاهش زمان اسكن و افزايش قدرت تفكيك رنگ رخ داده است و همچنين تغييرات در توانايي تيوبها، امكان اسكن تمامي بدن را فراهم مي‌آورد. در دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن اسپيرال با استفاده از تكنولوژي جاروبك‌هاي حلقوي[13]  و آزادكردن قسمت دوار گانتري از بند كابلهاي متصل به آن، امكان دوران نامحدود آنها وجود دارد. به اين ترتيب، اولين بارقه‌هاي اسكن حجمي[14]  زده شد. در اين نوع اسكن، اطلاعات توسط روش چرخش مارپيچي[15]  تيوب و دتكتور، به‌صورت حجمي جمع‌آوري شده و امكان بازسازي تصاوير به هر شكل و با مشخصات دوبعدي و يا سه‌بعدي فراهم گرديد.

در انواع سي‌تي‌اسكن اسپيرال يك‌رديفي(single slice) تنها يك رديف آشكارساز وجود دارد. در انواع پيشرفته‌تر اين نوع دستگاه‌ها، چندين رديف آشكارساز دارند  و بنام سي‌تي‌اسكن اسپيرال چند رديفي (مولتي‌اسلايس) خوانده مي‌شوند. با افزايش تعداد رديف آشكارسازها، امكان اسكن سريعتر و جمع‌آوري اطلاعات حجمي با دورانهاي كمتر  فراهم مي‌شود. با به ‌ميدان آمدن سي‌تي‌اسكن حجمي، كاربردهاي جديدي از جمله تصويربرداري پي‌درپي[16]  يا سي‌تي فلوروسكوپي، تصويربرداري سه‌بعدي، سي‌تي‌‌آنژيوگرافي و اندوسكوپي مجازي[17] (يا سي‌تي‌ اندوسكوپي) نسبت به كاربردهاي سي‌تي‌اسكن غيرحجمي به‌وجود آمد.

شكل 7 -نمايي از سي‌تي‌اسكن اسپيرال يك رديفي و چند رديفي

اجزاء دستگاه سي‌تي‌اسكن

اجزاي مختلف يك دستگاه سي‌تي‌اسكن شامل موارد زير است:

1.       گانتري (شامل  تيوب اشعه ايكس، كليماتور، آشكارسازها، سيستم جمع‏آوري اطلاعات)

2.       تخت

3.       كنسول اپراتور

4.       ژنراتور اشعة ايكس

5.       سخت‏افزار كامپيوتري و دستگاه نمايش تصوير

البته ممكن است نحوة نام‌گذاري اجزاي مختلف دستگاه سي‌تي‌اسكن در مدل‌هاي مختلف متفاوت باشد. آنچه اهميت دارد، شرح جزييات اين اجزا است كه به آن مي‌پردازيم.

الف) گانتري:

 اين بخش اصلي‌ترين و مهم‌ترين بخش دستگاه سي‌تي‌اسكن است. تيوب اشعه ايكس  ، كليماتور، رديف آشكارسازها و سيستم جمع‏آوري داده‌ها درون گانتري قرار دارند. در داخل گانتري امكاناتي جهت چرخاندن دقيق تيوب و آشكارسازها در حين حركات اسكن وجود دارد.

گانتري همچنين شامل كابل‌هاي انتقال سيگنال از سيستم جمع‏آوري داده‌ها مي‏باشد. تونلي كه هنگام اسكن، بدن بيمار درون آن قرار مي‏گيرد شكاف گانتري^[18] نام دارد.

 در اغلب دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن، كل گانتري مي‏تواند نسبت به خط عمود 30± درجه زاويه پيدا كند تا  بدست آوردن مقاطعي كه عمود بر محور طولي بدن بيمار نيست، را امكان‏پذير كند.

شكل 8- نمايي از محتويات  داخل گانتري

از ديدگاهي ديگر، گانتري داراي دو بخش كلي به نام بخش دوار  و بخش ثابت  است. به عنوان مثال مجموعة تيوب و آشكارسازها و ضمائم آنها در قسمت دوار قرار دارد. وقتي اشعة ايكس در تيوب توليد مي‌شود، اين اشعه توسط كوليماتوري  كه بلافاصله بعد از تيوب قرار گرفته است، محدود مي‌شود. اشعه شكل گرفته به سمت جسم مورد نظر كه در شكاف گانتري قرار گرفته تابش مي‌شود. تعدادي از فوتون‌هاي تشكيل دهندة اشعة ايكس در داخل جسم متوقف شده و تعدادي ديگر موفق مي‌شوند كه از جسم عبور كنند. ميزان اشعة عبوري نسبت به اشعة اوليه به ضريب تضعيف جسم بستگي دارد. فوتون‌هاي عبور كرده از جسم به آشكارسازها مي‌رسند و در آنجا تبديل به سيگنال الكتريكي مي‌شوند. هرچه اشعة رسيده به آشكارساز شديدتر باشد، سيگنال قويتري توليد مي‌شود. اين سيگنال از آشكارساز خارج شده و توسط  سيستم جمع‌آوري‌‌داده‌ها نمونه‌برداري مي‌شود و پس از انجام چندين پردازش اوليه به كنسول اپراتور فرستاده مي‌شود تا اين اطلاعات تبديل به تصوير شود.

منبع توليد اشعة ايكس

در دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن امروزي، منبع توليد اشعة ايكس همان تيوب اشعة ايكس است كه در دستگاه‌هاي مختلف داراي ابعاد و اشكال مختلفي است، اما كليات و نحوة عملكرد آن يكسان است.  مبناي عملكرد تيوب بر اساس شتاب گرفتن الكترونها در خلاء و برخورد آن به يك مانع و تبديل الكترونها به اشعة ايكس است. در اثر برخورد الكترون‌هاي شتابدار به سطح آند و طبق پديدة برخورد ترمزي، حدود يك درصد از اين انرژي به اشعة ايكس (فوتون با سطوح انرژي مشخص) و 99% به گرما تبديل مي‌شود. اشعة ايكس به اطراف آند پراكنده مي‌شود و از طريق روزنة خروجي از تيوب خارج مي‌شود. اما گرماي توليد شده در تيوب نيز بايستي به نحوي از تيوب به خارج هدايت شود تا تجمع گرما در مراحل مختلف اشعه‌دهي، باعث اختلال در عملكرد تيوب نشود. از اين رو علاوه بر اينكه آند را به‌طور دوار طراحي مي‌كنند، امكان انتقال حرارت‌ آند از طريق اتصالات رساناي حرارت فراهم شده است.

 يكي از مشكلات دستگاه سي‌تي‌اسكن، مسئله  گرماي توليد شده در آند تيوب اشعه ايكس مي باشد كه بعلت استفاده از ولتاژ‌هاي بالا و زمان اسكن طولاني است. در  دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن معمولي جهت دفع حرارت از ايجاد فاصلة زماني بين اسكن‏ها استفاده مي‏شود. هرچه امكان انتقال حرارت از داخل تيوب به خارج بيشتر باشد، امكان اشعه‌دهي بيشتري وجود خواهد داشت. روش‌هاي مختلفي براي خنك كردن سريع تيوب ارايه شده است. يكي از متداولترين روشها، گردش روغن در اطراف محفظة خلاء است كه علاوه بر خنك كردن، وظيفة ايجاد عايق براي جلوگيري از تخلية الكتريكي  را فراهم مي‌سازد.

 نكتة قابل اهميت در تيوب اشعة ايكس آن است كه سيستم مي‌تواند شدت اشعة ايكس خروجي  را با تغيير جريان برقرار شده در فيلامان (كاتد) كنترل كند. علاوه بر آن سيستم با تغيير اختلاف پتانسيل بين آند و كاتد نيز بر طيف انرژي فوتونها و شدت آنها تأثير مي‌گذارد كه بسته به شرايط و عضو مورد اندازه‌گيري، مقدار جريان تيوب (mA) و اختلاف پتانسيل آن (KV) مي‌تواند توسط اپراتور تغيير نمايد. دامنة تغييرات mA در دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن امروزي بين صفر تا حدود mA800 و دامنة تغييرات KV نيز از KV 80 تا KV 140 است.

كليماتور

اشعة ايكس پس از خروج از تيوب لازم است شكل داده شود. بدين‌منظور، كليماتوري بلافاصله پس از تيوب قرارداده مي‌شود كه ضخامت اشعه را تغيير دهد. در واقع كوليماسيون دو پارامتر را تحت تأثير قرار مي‌دهد: دوز دريافتي بيمار و كيفيت تصوير. معمولاً كوليماتور از دو تيغة موازي تشكيل شده كه با نزديك و دور شدن اين تيغه‌ها، ضخامت اشعه  قابل تنظيم باشد. ضخامت اشعه در دستگاه‌هاي مختلف از mm 1 تا mm 40 قابل تنظيم است.

شكل 9- در مسير عبور اشعه، فيلترها و كوليماتورهاي مختلفي وجود دارد.

 لازم به ذكر است در دستگاههاي سي‌تي‌اسكن كه داراي يك رديف آشكارساز هستند، ضخامت اشعه با ضخامت مقطع يكي است. اما در دستگاههاي سي‌تي‌اسكن چندرديفي اينگونه نيست.

آشكارساز

 اشعة ايكس شكل داده شده كه داراي ضخامت معيني است، به سمت جسم تابش مي‌شود و تنها به ضخامتي از جسم كه توسط كوليماتور تعيين شده برخورد كرده و از آن عبور مي‌كند. تعدادي از فوتونها در اثر برخورد به مادة درون جسم دچار پديده‌هاي فيزيكي همچون پديدة جذب فوتوالكتريك ، پديدة پراكندگي كمپتون  و پراكندگي رايلي^[19] مي‌شود. فتون‌هايي كه بدون مواجهه با هيچ پديده‌اي از جسم عبور كرده‌اند، وارد آشكارساز مي‌شوند. آشكارسازها بايستي داراي مشخصة خوبي از لحاظ بازدهي، زمان پاسخ، محدودة ديناميك، تكرارپذيري و يكنواختي^[20] باشند. دو نوع آشكارساز معمول در دستگاههاي سي‌تي‌اسكن، آشكارسازهاي گازي  وآشكارسازهاي حالت جامد^[21] هستند.

شكل 10- آشكارساز گازي بر اساس يونيزاسيون عمل مي‌كند.

شكل 11-آشكارساز درخششي، فوتونهاي اشعة ايكس را به فوتونهاي نوري تبديل مي‌كند.

 

مبناي عملكرد آشكارسازهاي گازي بر اين اساس است كه مجموعة آند و كاتد تشكيل يك شبه خازن را مي‌دهند كه الكتروليت اين خازن را گاز فشرده‌اي (عموماً عناصر بي‌اثر) تشكيل مي‌دهد. در اثر ورود فوتون‌ها به محدودة داخل آشكارساز، اتمهاي گاز يونيزه شده و به‌صورت يك الكترون آزاد و يك يون مثبت در مي‌آيد. الكترون به‌علت بار منفي‌اش به‌سمت قطب مثبت و يون به‌سمت قطب منفي حركت كرده و باعث خنثي شدن بار اولية صفحات آند و كاتد مي‌شود. به هر ميزان كه يونيزاسيون بيشتري اتفاق بيفتد، بار صفحات بيشتر تحت تأثير قرار گرفته و جريان قويتري برقرار مي‌شود. با اندازه‌گيري جريان برقرار شده، شدت اشعة ورودي به آشكارساز مشخص مي‌شود.

مبناي عملكرد درآشكارسازهاي حالت جامد يا آشكارسازهاي درخششي^[22] بر اين اساس است كه فوتون‌هاي اشعه ايكس پس از برخورد به كريستال‌هاي درخششي، تبديل به فوتون‌هاي نوري مي‌شود، فوتون‌هاي نوري به روش‌هاي مختلفي آشكار مي‌شود. يك روش قديمي، استفاده از لوله فتومولتي‌پلاير است. در ورودي اين لوله كريستالي به نام فتوكاتد است كه فوتون‌هاي نوري را تبديل به الكترون كرده و الكترون در يك فرايند متوالي داخل لوله فتومولتي‌پلاير تقويت شده و تبديل به سيگنال الكتريكي مي‌شود. روش جديدتر آشكارسازي فوتون‌هاي نوري، تاباندن اين فوتون‌ها به يك فتوديود نيمه‌هادي و توليد سيگنال الكتريكي است. در مقام مقايسه، مي‌توان گفت كه كارائي آشكارسازهاي درخششي بهتر از آشكارسازهاي گازي است و امروزه در اكثر دستگاه‌هاي سي‌تي‌اسكن از اين نوع آشكارسازها استفاده مي‌شود.

سيستم جمع‌آوري داده‌ها^[23]‌

هر كدام از سيگنال‌هاي خار‌ج شده از تمامي آشكارسازها، جداگانه توسط سيستم جمع‌آوري داده‌ها نمونه‌برداري شده و پردازش اوليه‌ روي آنها انجام مي‌شود. اين پردازش اوليه شامل تقويت سيگنال، تصحيح و ديژيتالي كردن مي‌شود. خروجي اين بخش بصورت اعداد متوالي ديژيتال است كه به سمت پردازشگر تصوير ارسال مي‌شود.

وظيفه اصلي سيستم جمع‌آوري داده‌ها ، نمونه‌برداري است. منظور از نمونه‌برداري‌ اندازه‌گيري الكترونيكي ميزان شارژ خازن‌هايي است كه در اثر يونيزاسيون گاز درون آشكارسازها (و در آشكارسازهاي درخششي ميزان شارژ خازني است كه در اثر جريان توليدشده توسط فتوديود) شارژ شده است. پس از نمونه‌برداري، سيستم شارژ خازن را تخليه كرده و خازن آماده شارژ مجدد مي‌شود. اما سوالي كه مطرح مي‌شود، اين است كه در چه فاصله‌هاي زماني سيستم جمع‌آوري داده‌ها بايد به سراغ خازن‌ها برود و شارژ آنها را بخواند. با توجه به اينكه در تمام 360 درجه دوران تيوب و آشكارساز، اشعه ايكس در حال تابش است، در نتيجه در تمامي لحظات دوران، عمليات شرح‌داده‌شده در آشكارساز در حال انجام بوده و خازن‌ها در حال شارژشدن هستند. هر چه سرعت خواندن اطلاعات بيشتر و يا به عبارت ديگر هرچه سرعت نمونه‌برداري بالاتر باشد، در هر نمونه خازن‌ها فرصت كمتري براي شارژ داشته و مقدار شارژ خازن‌ها كم است، در اين حالت كيفيت تصاوير پايين‌تر خواهد آمد. از طرف ديگر، اگر سرعت خواندن اطلاعات كمتر باشد، شارژ خازن‌ها بيشتر بوده و كيفيت تصاوير بالا مي‌رود. عموما در دستگاه‌هاي سي‌تي اسكن، در زواياي مشخصي از دوران، نمونه‌برداري انجام مي‌شود. هر زاويه‌اي را كه در آن نمونه‌برداري انجام مي‌شود، يك نما view مي‌گويند. تعداد نماها در يك دوران كامل، ثابت است. آنچه باعث تغيير در سرعت نمونه‌برداري مي‌‌شود، سرعت چرخش گانتري است. هر چه سرعت چرخش گانتري بيشتر باشد، سرعت نمونه‌برداري نيز بيشتر شده و باعث مي‌شود كه زمان اسكن كوتاه‌تر شود. البته همانطور كه گفتيم كيفيت تصاوير در اين حالت پايين مي‌آيد و علاوه بر آن دوز دريافتي بيمار به علت كوتاه بودن زمان هر اسكن، كاهش مي‌يابد.

در دستگاه‌هاي مختلف، تعداد نماها متغير است. بخصوص اينكه در دستگاه‌هاي جديدتر از آشكارسازهاي حالت جامد استفاده مي‌شود. بعلت سريع‌بودن اين آشكارسازها امكان افزايش نماها بوجود آمده و امروزه تعداد نماها در هر دوران كامل به بيش از 1400 رسيده است، يعني در حد فاصل هر درجه چرخش گانتري، تقريبا 1400  بار نمونه‌برداري انجام مي‌شود. مفهوم ديگر اين است كه جسم از 1400 زاويه مختلف مورد مشاهده قرار مي‌گيرد و با جمع‌آوري اطلاعات از تمامي نماها و تمامي آشكارسازها و پردازش اين اطلاعات با استفاده از روش‌هاي بازسازي تصوير، به تصوير دقيق با قدرت تفكيك فضايي و كنتراست مناسب دست خواهيم يافت. سرعت چرخش گانتري متناسب با نوع و محل تصويربرداري، توسط كاربر قابل تعيين است.

پس از نمونه‌برداري الكترونيكي از خازن‌هاي شارژشده (و بلافاصله پس از تخليه شارژ خازن جهت نمونه‌برداري بعدي) اين سيگنال نمونه‌برداري‌شده بايستي با ضريب مناسبي تقويت شود. ميزان ضريب اعمال‌شده جهت تقويت سيگنال‌ها، توسط سيستم كنترل مي‌شود. پس از تقويت و تصحيح سيگنال اطلاعات آنالوگ بدست‌آمده به يك مبدل آنالوگ به ديژيتال سپرده مي‌شود تا اطلاعات از حالت آنالوگ به حالتي تبديل شود كه امكان ارسال آن وجود داشته باشد.

به اين ترتيب اطلاعات تمامي آشكارسازها در تمامي نماها، تبديل به اعداد ديژيتال شده و به سمت بخش پردازش تصاوير ارسال مي‌شود.

لازم به ذكر است كه انجام تمامي مراحل در سيستم جمع‌آوري داده‌ها شامل نمونه‌برداري از تمامي آشكارسازها در تمامي نماها، تخليه خازن‌هاي مربوطه براي نمونه‌برداري بعدي، انتخاب ضريب مناسب جهت تقويت سيگنال‌ها، ارسال سيگنال‌هاي تقويت‌‌شده به مبدل آنالوگ به ديجيتال، دريافت اطلاعات ديجيتال و دسته‌بندي آنها، پشت سرهم قرار دادن اين اطلاعات و در نهايت هماهنگي با كامپيوتر مركزي جهت  ارسال اين اطلاعات به قسمت پردازش تصوير‌ ، عملياتي است كه توسط يك پردازشگر اصلي در سيستم جمع‌آوري داده‌ها ‌ كنترل و راهبري مي‌شود. پردازشگري ‌كه خودش نيز توسط پردازشگر ديگري كه در قسمت كنترل تخت و گانتري قرار دارد، كنترل مي‌شود.

 يك بورد واسطه نيز وظيفة دريافت اطلاعات تصويري ارسال شده از گانتري را بر عهده دارد. اين بورد موظف است بلافاصله پس از دريافت اطلاعات، آنها را در ديسك سخت ذخيره كند. سرعت انتقال اطلاعات از سيستم جمع‌آوري داده‌ها به ديسك سخت از طريق بورد واسطه بايستي به‌گونه‌اي باشد كه خللي در جمع‌آوري اطلاعات توسط سيستم جمع‌آوري داده‌ها  ايجاد نشود. به عبارتي ديگر، به‌همان سرعتي كه اطلاعات توسط سيستم جمع‌آوري داده‌ها نمونه‌برداري مي‌شود، به‌همان سرعت هم به بورد واسط منتقل شده و سريعاً وارد ديسك سخت مي‌شود. اهميت اين مرحله از جمع‌آوري اطلاعات آنقدر زياد است كه طراحان ترجيح داده‌اند يك ديسك سخت كه داراي سرعت بالايي است به‌طور جداگانه به اين امر اختصاص يابد. در واقع اين ديسك حاوي اطلاعات خام^[24] دريافت شده از گانتري خواهد بود. پس از ذخيرة اطلاعات، اين اطلاعات خام از ديسك خوانده شده و وارد قسمت بازسازي تصوير مي‌شود. تصاوير در اين مرحله ساخته شده و علاوه بر نمايش، در ديسك سخت ديگري ذخيره مي‌شود تا بعدها بتوان تصاوير را بررسي مجدد نمود. در صورتي كه اپراتور بخواهد تصاوير را مجدداً بازسازي نمايد، در صورت وجود اطلاعات خام ، سيستم آنها را مجدداً از ديسك سخت بازخواني كرده و توسط قسمت بازسازي تصوير، آنها را مجدداً بازسازي و در ديسك سخت دوم ذخيره مي‌كند. با اينكه عمليات بازسازي و پردازش تصاوير را مي‌توان هم به‌صورت سخت‌افزاري و هم نرم‌افزاري انجام داد، اما سيستم‌هاي توسعه‌يافته و پيشرفته ترجيح داده‌اند كه براي بالاتر بردن سرعت بازسازي، عمليات بازسازي تصاوير را بر عهده سخت‌افزار قرار دهند. به اين ترتيب اين امكان فراهم مي‌شود كه نرم‌افزار به‌جاي درگير شدن در انجام محاسبات طولاني و پيچيده پردازش، به اپراتور سرويس‌دهي نمايد و علاوه بر آن مي‌توان با موازي كردن تعداد بيشتري از بوردهاي پردازش تصوير، سرعت بازسازي تصوير را نيز افزايش داد.

نكتة قابل اهميت ديگر اين است كه در دستگاههاي سي‌تي‌اسكن جديد به علت بالا رفتن تعداد و سرعت نمونه‌برداري و همچنين، افزايش تعداد آشكارسازها، حجم بالايي از اطلاعات بايستي در زماني بسيار كوتاه از گانتري به كنسول منتقل شود. به عبارت ديگر احتياج به اتصالات و ارتباطاتي داريم كه بتواند سيگنالهايي با پهناي باند وسيع و فركانس بالا را انتقال دهد. از اين رو، در سيستمهاي جديد چون امكان استفاده از سيم وكابل جهت چنين انتقالي وجود نداشت، از فيبر نوري استفاده كرده‌اند . 

آنچه تا اينجا شرح داديم، اجزاي اصلي گانتري بود كه مستقيما در فرايند ساختن تصوير دخالت داشتند. جزئيات ديگري نيز در گانتري قرار دارد.

مبحث چرخش قسمت دوار گانتري ‌كه در بخش‌هاي قبلي شرح داده شد، يكي از دشواري‌هايي است كه سازندگان دستگاه سي‌تي‌اسكن با آن مواجه هستند. اينكه گانتري با چه سرعتي بچرخد و در تمامي طول چرخش، سرعت آن ثابت باشد و تا حد ممكن چرخش اين بخش بسيار سنگين موجب لرزش نشود، از مقوله‌‌هايي است كه جذابيت زيادي براي مهندسين تجهيزات پزشكي دارد. اما آنچه در اينجا لازم به توضيح است، تفاوت دستگاههاي سي‌تي‌اسكن معمولي نسبت به دستگاههاي سي‌تي‌اسكن اسپيرال است. در دستگاههاي سي‌تي‌اسكن معمولي كابل‌ها و اتصالات مربوط به تامين ولتاژ تيوب و كابلهاي انتقال اطلاعات متصل به آشكارسازها  باعث محدود شدن چرخش نا محدود تيوب و آشكارسازها  مي‌شود ، زيرا چرخش بيش از حد آنها باعث پاره شدن كابل‌هاي متصل مي‌شود. در دستگاههاي سي‌تي‌اسكن معمولي تهيه تصاوير يكي در ميان با چرخش گانتري در جهت عقربه‌هاي ساعت و خلاف آن انجام مي‌شود. در تكنولوژي‌هاي جديدتر، با استفاده از جاروبكهاي لغزان^[25]، اين مشكل مرتفع گرديده است. در حال حاضر در دستگاه‌هاي اسپيرال، امكان چرخش در يك جهت به‌صورت نامحدود وجود دارد و در نتيجه، سرعت نيز افزايش يافته است و علاوه بر آن امكان تصويربرداري مارپيچي (هليكال) نيز فراهم گرديده است. سرعت‌هاي متفاوتي براي چرخش گانتري در نظر گرفته شده است، از حدود 3/0 ثانيه تا 5 ثانيه براي هر دور، دامنه سرعتي است كه مي‌تواند توسط كاربر تغيير نمايد.

در گانتري قسمت ديگري وجود دارد كه وظيفة كنترل و ثابت نگه‌داشتن دماي آشكارسازها را بر عهده دارد، يكي از شرايط ثابت ماندن كارائي آشكارساز، تحت كنترل و ثابت ماندن دماي آشكارسازاست. علاوه بر آن بخش مكانيكي در گانتري سي‌تي‌اسكن تعبيه شده است كه مي‌تواند كل مجموعة گانتري را تغيير زاويه دهد تا بتوان به‌صورت مايل اسكن انجام داد. عمدتاً اين سيستم به‌صورت هيدروليك طراحي مي‌شود. زواياي گانتري از 30+ تا 30- درجه قابل تغيير است.

گانتري مي‌تواند تا 30 درجه به طرف جلو يا عقب خم شود.

نكتة ديگري كه در اين قسمت قابل ذكر است، تعداد و شكل آشكارسازها است. از لحاظ تقسيم‌بندي آشكارساز، دستگاه سي‌تي‌اسكن به دو نوع كلي تك‌رديفي و چند ‌رديفيعي^[26] تقسيم مي‌شود. مدل تك‌مقطعي داراي يك رديف

 

آشكارساز است كه تعداد اين آشكارسازها در مدلهاي مختلف تا حدود 1000 عدد هم مي‌رسد. در چنين حالتي به ازاي هر دوران كامل گانتري، يك تصوير ساخته مي‌شود. ضخامتي كه تصوير از آن تهيه مي‌شود (ضخامت مقطع)، توسط كليماتور تعيين مي‌گردد و حداكثر ناحية اسكن شده به ازاي هر دوران كامل گانتري، همان ضخامت مقطع است كه عمدتاً معادل 10 ميلي‌متر است. در دستگاه سي‌تي‌اسكن چند ‌مقطعي (مولتي‌اسلايس)، مجموعة آشكارساز دورديفي، چهار رديفي، هشت رديفي، شانزده رديفي و بالاتر است. در اولين نگاه، تنها تفاوتي كه دستگاه سي‌تي‌اسكن تك‌رديفي با چند رديفي دارد، تعداد تصويري است كه به ازاي هر دوران كامل به‌دست مي‌آيد. به‌عنوان مثال با هر دوران گانتري در يك سيستم شانزده رديفي، شانزده تصوير به‌دست مي‌آيد. اما اين تنها تفاوت اين دو نوع سيستم نيست. تفاوت عمدة ديگر اندازة ناحيه‌اي است كه در هر دوران گانتري اندازه‌گيري مي‌شود. چرا كه در دستگاه سي‌تي‌اسكن چندرديفي آنچه ضخامت مقطع را تعيين مي‌كند، آشكارساز است نه كليماتور. به‌عنوان مثال، در دستگاههاي سي‌تي‌اسكن 64 رديفي با توجه به اينكه ضخامت هر رديف از آشكارسازها 625/0 ميلي‌متر است (64 × 625% = 40) ناحيه‌اي كه در يك چرخش گانتري اسكن مي‌شود، mm 40 است. به‌فرض اينكه اندازة كرونال قلب mm 120 باشد، با سه چرخش گانتري، كل قلب اسكن مي‌شود و همين مقادير و مفاهيم است كه دستگاههاي سي‌تي‌اسكن امروزي وارد مقوله‌هاي قلبي-عروقي شده و اصطلاح سي‌تي‌آنژيو (‍CTA) بر سر زبانها افتاده است .اما تفاوت ديگري كه در دستگاه سي‌تي‌اسكن چندرديفي وجود دارد، امكان تغيير دادن ضخامت مقطع با گروه‌بندي رديفهاي آشكارساز است. به‌عنوان مثال، با انتخاب 32 رديف دوتايي از آشكارسازها امكان دريافت 32 تصوير با ضخامت 25/1 ميليمتر فراهم مي‌شود (و يا 16 رديف چهارتايي، 8 رديف هشت‌تايي و ...).

اسكن مارپيچي توسط يك سي‌تي‌اسكن چهاررديفي