تاریخچه توموگرفی کامپیوتری (سی تی اسکن)

تاریخ توموگرافی کامپیوتریِ اشعه ایکس یا سی تی اسکن حداقل به سال 1917 و تئوری ریاضی تبدیل رادون باز می‌گردد. در اکتبر سال 1963، ویلیام هولدندرف یک اختراع در ایالات‌متحده برای «دستگاه انرژی تابشی برای بررسی مناطق انتخاب شده از اشیاء داخلی محصور شده توسط مواد متراکم» ثبت کرد.
تصویربرداری کامپیوتری (CT) همچنین با عنوان «اسکن CAT» (محاسبه توموگرافی محوری) شناخته می‌شود. توموگرافی از کلمه یونانی "tomos" به معنی «قطعه» یا «بخش» و «گرافیا» به معنی «توصیف» گرفته شده است.
CT در سال 1972 توسط مهندس بریتانیایی گادفری هونسفیلد، از آزمایشگاه‌های EMI انگلستان و فیزیکدان متولد آفریقای جنوبی آلان کورمک از دانشگاه تافتز ماساچوست اختراع شد. هونسفیلد و کورمک بعدها جایزه صلح نوبل را برای کمک‌های خود به پزشکی و علم دریافت کردند. اولین سیتی اسکنر تجاری قابل‌اعتماد توسط سر گادفری هونسفیلد در سال 1967 اختراع شد.

نظریه ریاضی

تئوری ریاضی برای بازسازی توموگرافی کامپیوتری به سال 1917 با اختراع تبدیل رادون توسط یوهان رادون ریاضیدان اتریش برمی‌گردد. او با ریاضی نشان داد که یک تابع می‌تواند از یک مجموعه بی‌نهایت از تصویرهایش بازسازی شود. در سال 1937، یک ریاضیدان لهستانی به نام استیفان کاکرمرز، روشی را برای یافتن یک راه‌حل تقریبی برای یک سیستم بزرگ معادلات جبر خطی ایجاد کرد. این پایه و اساس روش قدرتمند دیگری برای بازسازی به نام «تکنیک بازسازی جبری (ART)» بود که بعدها توسط سر گودفری هاونفیلد به‌عنوان مکانیسم بازسازی تصویر در اختراع معروفش یعنی اولین CT اسکنر تجارتی به کار گرفته شد.

در سال 1956، رونالد N. Bracewell از روشی شبیه به تبدیل رادون برای بازسازی یک نقشه از تابش خورشیدی از مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌های تابش خورشیدی استفاده کرد. ویلیام اولدنورف، متخصص مغز و اعصاب UCLA و پژوهشگر ارشد پزشکی در بیمارستان لس آنجلس غربی، در سال 1959، ایده‌ی «اسکن کردن یک سر از طریق پرتو تابیده شده اشعه ایکس و تواناییِ بازسازی الگوهای پرتونگاری یک صفحه از میان سر » را پس از تماشای یک دستگاه خودکار ساخته شده برای رد کردن میوه یخ زده با تشخیص بخش‌های خشک شده را درک کرد. در سال 1961، او یک نمونه اولیه را تولید کرد که در آن یک منبع اشعه ایکس و یک ردیاب مکانیکی که در اطراف شی مورد نظر می‌چرخید قرار داشت. با بازسازی تصویر، این وسیله می‌تواند یک تصویر اشعه ایکس از یک ناخن محصور شده توسط یک دایره از دیگر ناخن‌ها را بگیرد که گرفتن اشعه ایکس از هر زاویه‌ای از آن غیر ممکن است. در مقاله برجسته اش که در سال 1961 منتشر شد، او مفاهیم اساسی را که بعداً توسط آلن مک لئود کورمک برای توسعه ریاضیاتِ توموگرافی کامپیوتری مورد استفاده قرار گرفت را توصیف کرد.

در اکتبر سال 1963، اولدنورف یک اختراع در ایالات‌متحده برای «دستگاه انرژی تابشی برای بررسی مناطق انتخاب شده از اشیاء داخلی محصور شده توسط مواد متراکم» را ثبت کرد. اولدندورف جایزه 1975 لسکر را با هونسفیلد برای این کشف به دریافت کرد. شاخه‌ی روش‌های ریاضی توموگرافی کامپیوتری از آن زمان توسعه‌ی فعالی داشته است، همان‌طور که از مقالات خلاصه شده توسط فرانک ناترسر و گابور هرمان، دو پیشگامان در این زمینه، مشهود است.

در سال 1968، نیروانا مکفاددن و مایکل ساراسوات، برای تشخیص انواع مختلف پاتولوژی شکمی شایع از طریق سیتی اسکن، از جمله آپاندیسیت حاد، انسداد روده کوچک، سندرم Ogilvie، پانکراتیتس حاد، نفوذپذیری و آترزی پوست سیب، رهنمودهایی دادند.

توموگرافی به‌عنوان یکی از ارکان تشخیص‌های رادیولوژیکی تا اواخر دهه 1970 بوده است، زمانی که در دسترس بودن مینی کامپیوترها و روش اسکن محورهای متقاطع، سی تی اسکنر به‌تدریج به‌عنوان شیوه‌ی ترجیحی برای دستیابی به تصاویر توموگرافی جایگزین توموگرافی معمولی (معروف به توموگرافی صفحه کانونی) شد. اسکن محورهای متقاطع به‌شدت به کار گادفری هونسفیلد و آلن مک لئود کورمک متولد آفریقای جنوبی تعلق دارد. از نظر ریاضیات، روش بر مبنای استفاده از تبدیل رادون است؛ اما همان‌طور که کورمک بعداً یادآوری کرد، مجبور بود که راه‌حل را خودش پیدا کند؛ زیرا تنها در سال 1972 او کار رادون را اتفاقی یاد گرفت.

اسکنرهای تجاری

اولین اسکنرهای تجاری یا دستگاه سی تی اسکن قابل‌اعتماد توسط گادفری هونسفیلد در Hayes، انگلستان، در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی مرکزی EMI با استفاده از اشعه ایکس اختراع شد. هوسفیلد این ایده را در سال 1967 اختراع کرد. اولین اسکنر EMI در بیمارستان اتکینسون مورلی در ویمبلدون انگلستان نصب شد و اولین اسکن مغز بیمار در 1 اکتبر سال 1971 انجام شد. این در سال 1972 به‌طور عمومی اعلام شد.

نمونه اولیه در سال 1971، 160 بار از 180 زاویه روخوانی می‌کرد که هرکدام با تفاوت 1 درجه از هم بود و هر اسکن کمی بیش از 5 دقیقه زمان می‌برد. تصاویر این اسکن‌ها 2.5 ساعت طول کشید تا توسطِ روش‌های بازسازی جبری بر روی یک کامپیوتر بزرگ پردازش شود. اسکنر دارای یک ردیابِ فوتوالکتریک و بر اساس اصل انتقال / چرخش عمل می‌کرد.

اولین دستگاه‌های سی تی اسکن های کلینیکی بین مهروموم‌های 1974 تا 1976 نصب شدند. سیستم‌های اصلی تنها به تصویربرداری از سر می‌پرداختند، اما سیستم‌های «کل بدن» با دهانه‌های بزرگ‌تر در سال 1976 در دسترس قرار گرفت. CT در سال 1980 به‌طور گسترده‌ای در دسترس بود. در حال حاضر حدود 6000 سی تی اسکنر در ایالات‌متحده و حدود 30000 دستگاه در سراسر جهان نصب‌شده است.

اولین سی تی اسکنر که توسط هونسفیلد در آزمایشگاهش در EMI ساخته شد چند ساعت برای به دست آوردن داده‌های خام برای یک اسکن زمان برد و چندین روز برای بازسازی یک تصویر از این داده‌های خام صرف کرد. جدیدترین سیستم‌های سی تی چندتکه‌ای می‌توانند تا حدود 4 تکه اطلاعات را در حدود 350 میلی‌ثانیه جمع کند و یک تصویر 512 × 512 متشکل از میلیون‌ها نقطه داده را در کمتر از یک ثانیه بازسازی کند. کل قفسه سینه (چهل و 8 میلی‌متر قطعه) را می‌توان در عرض پنج تا ده ثانیه با استفاده از پیشرفته‌ترین سیستم CT اسکن کرد.

در طول 25 سال گذشته، CT دستگاه سی تی اسکن پیشرفت چشمگیری در سرعت، راحتی بیمار و رزولوشن داشته است. همان‌طور که CT اسکن سریع‌تر شده است، آناتومی بیشتر در زمان کمتری می‌تواند مورد بررسی قرار گیرد. اسکن سریع‌تر کمک می‌کند تا مصنوعات ناشی از حرکت بیمار مانند تنفس یا پریستالیز حذف شود. تست‌های CT در حال حاضر سریع‌تر و بیمار دوست‌تر از هر زمان دیگری است. تحقیق و توسعه فوق‌العاده‌ای برای ارائه کیفیت تصویری عالی برای اطمینان تشخیص با کمترین احتمال دوز اشعه ایکس ساخته شده است.

اغلب ادعا می‌شود که درآمدهای حاصل از فروش موزیک‌های Beatles در دهه 1960، به توسعه اولین اسکنر سی تی EMI کمک کرد، اگرچه اخیراً مورد بحث قرار گرفته است. اولین دستگاه تولید اشعه ایکس (در واقع "EMI-Scanner" نامیده شد) محدود به ساخت بخش‌های توموگرافیک مغز بود، اما داده‌های تصویر را در حدود 4 دقیقه (اسکن دو قطعه مجاور) و زمان محاسبه (با استفاده از مینی کامپیوتر جنرال نوا) حدود 7 دقیقه برای هر تصویر بود. این اسکنر نیاز به استفاده از مخزن Perspex پر از آب با یک «سرپوش» لاستیکی از قبل ساخته شده در جلو داشت که سر بیمار را محاصره می‌کرد. مخزن آب برای کاهش دامنه دینامیکی تابش که به ردیاب‌ها می‌رسید (بین اسکن کردن از خارج سر در مقایسه با اسکن کردن از میان استخوان جمجمه) استفاده شد. تصاویر با وضوح نسبتاً کم بودند که از یک ماتریس 80 × 80 پیکسل تشکیل شده بود.

در ایالات‌متحده، اولین نصب دستگاه سی تی اسکن در کلینیکِ Mayo بود. به‌عنوان ادای احترام به تأثیر این سیستم در تصویربرداری پزشکی، کلینیک Mayo دارای یک اسکنر EMI برای نمایش در بخش رادیولوژی دارد. آلن مک لود کورمک از دانشگاه تافتز در ماساچوست به‌طور مستقل سیستم مشابهی را اختراع کرد و هر دو هونسفیلد و کورمک جایزه نوبل سال 1979 در پزشکی را به دریافت کردند.

اولین سیستم سی تی اسکن که می‌تواند تصاویری از هر بخشی از بدن را ایجاد کند و نیازی به «مخزن آب» نداشته باشد، اسکنر ACTA (اسکنر اتوماتیک محورهای متقاطع) طراحی شده توسط رابرت سید لدلی، DDS، در دانشگاه جورج تاون بود. این دستگاه 30 لوله فوتومالتیپلیر را به‌عنوان ردیاب به کار برد و تنها در 9 دوره انتقال / چرخش، بسیار سریع‌تر از اسکنر EMI، اسکن را تکمیل کرد. این از یک مینی کامپیوتر DEC PDP11 / 34 برای اجرای مکانیزمِ servo و برای به دست آوردن و پردازش تصاویر استفاده می‌کند. شرکت دارویی Pfizer نمونه اولیه از دانشگاه را به همراه حق تولید آن به دست آورد. سپس Pfizer شروع به ساخت نسخه‌هایی از نمونه اولیه کرد و آن را "200FS )«FS به معنی سریع اسکن) نامید که به‌سرعت می‌توانست آن‌ها را به فروش برساند. این واحد تصاویر را در یک ماتریس 256 × 256 تولید کرد، با تعریف بسیار بهتر از 80 × 80 EMI اسکنر.

از زمان اولین اسکنر سی تی، دستگاه سی تی اسکن تکنولوژی CT بسیار بهبود یافته است. سرعت بهبود، شمارش قطعات و کیفیت تصویر، تمرکز اصلی در ابتدای تصویربرداری قلب است. اسکنرها تصاویر را بسیار سریع‌تر و با وضوح بیشتری تولید می‌کنند که پزشکان می‌توانند بیماری را با دقت بیشتری تشخیص دهند و روش‌های پزشکی را با دقت بیشتری انجام دهند. در اواخر دهه 1990، CT اسکنرها به دو گروه عمده تقسیم شدند: "CT ثابت «و "CT قابل‌حمل». «اسکنرهای ثابت» بزرگ هستند و نیاز به یک منبع برق اختصاصی، گنجه الکتریکی، سیستم تهویه مطبوع، یک اتاق کار جداگانه و یک اتاق بزرگ سرب دارند. «اسکنرهای ثابت» همچنین می‌تواند در داخل تریلرهای تراکتور بزرگ نصب‌شده و از سایت به سایت برده شده و به‌عنوان «سی تی اسکنر موبایل» شناخته‌شده است. «اسکنرهای قابل‌حمل» سبک، کوچک و بر روی چرخ‌ها نصب‌شده است. این اسکنرها اغلب در محفظه‌ی سرب قرار دارند و از باتری یا برق دیواری استاندارد استفاده می‌کنند.

در سال 2008، شرکت زیمنس نسل جدیدی از اسکنر یا دستگاه سی تی اسکن را معرفی کرد که قادر به گرفتن عکس در کمتر از 1 ثانیه بود، به‌اندازه کافی سریع برای تولید تصاویر واضح از ضربانِ قلب و عروق کرونر بود.
تکنیک‌هایی که عمدتاً جایگزین شده‌اند
سی تی توسطِ پنوموناسپالوگرافی تهاجمی برای تصویربرداری از مغز و همچنین بیشتر برنامه‌های کاربردی توموگرافی صفحه کانونی جایگزین شده است.

توموگرافی صفحه کانونی

قبل از محاسبه توموگرافی، تصاویر توموگرافی می‌تواند توسط رادیوگرافی توسط توموگرافی صفحه کانونی ساخته شود که یک تکه از بدن را بر روی فیلم رادیوگرافی نشان می‌دهد. این روش در اوایل دهه 1900 توسط الساندرو والبرونا، رادیولوژیست ایتالیایی پیشنهاد شد. این ایده بر اساس اصول ساده هندسه تصویری است: حرکت هم‌زمان و در جهت‌های متضاد لوله اشعه ایکس و فیلم که توسط یک میله متصل شده‌اند که نقطه محوری آن نقطه کانونی است؛ تصویر ایجادشده توسط نقاط در صفحه کانونی واضح‌تر به نظر می‌رسد، درحالی‌که تصاویر از نقاط دیگر به‌عنوان نویز نابود می‌شوند. این تنها تا حدودی مؤثر است، زیرا تار شدن تنها در صفحه‌ی "x" اتفاق می‌افتد. این روش برای به دست آوردن تصاویر توموگرافی با استفاده از تکنیک‌های مکانیکی پیشرفته در اواسط قرن بیستم، به‌طور پیوسته تصاویری شفاف‌تر تولید کرد و با توانایی بیشتری برای تغییر ضخامت سطح مقطع مورد بررسی قرار گرفت. این امر از طریق معرفی دستگاه‌های پیچیده‌تر و متنوع‌تر انجام شد که می‌توانستند در بیش از یک صفحه حرکت کنند و وضوح مؤثرتری را ایجاد کنند. با این حال، با وجود افزایش پیچیدگی توموگرافی صفحه کانونی، در تولید تصاویر از بافت نرم ناکارا باقی مانده است. با افزایش قدرت و در دسترس بودن کامپیوترها در دهه 1960، تحقیقات در روش‌های عملی محاسباتی برای ایجاد تصاویر توموگرافی آغاز شد که منجر به توسعه سی تی اسکنر شد.

تاریخ‌های مهم

چگونگی توسعه CT در طول 50 سال گذشته:

• در اوایل دهه 1900، یک رادیولوژیست ایتالیایی به نام آلساندرو والببونا، توموگرافی را اختراع کرد که از فیلم رادیوگرافی برای دیدن یک تکه از بدن استفاده کرد. با اینکه توموگرافی متعارف تکامل یافته بود، هنوز در هنگام تصویربرداری بافت نرم، بی‌اثر بود.
• افزایش قدرت و در دسترس بودن کامپیوترها در دهه 1960 موجب تحقیق برای ایجاد تصاویر توموگرافی محاسباتی عملی شد.
• در سال 1967، سر هونسفیلد اولین کامپیوتر سی تی اسکن را در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی مرکزی EMI با استفاده از تکنولوژی اشعه ایکس اختراع کرد.
• در سال 1971 اولین CT مغز بیمار در ویمبلدون انگلستان انجام شد، اما تا سال بعد آن را تبلیغ نکرد.
• در سال 1973 اولین اسکنر سی تی اسکن در ایالات‌متحده نصب شد.
• تا سال 1980، 3 میلیون CT امتحان انجام شد و تا سال 2005، این تعداد سالانه به بیش از 68 میلیون سی تی اسکن افزایش یافته است.
• در طول دهه 1990، اسکنرهای قابل‌حمل / سیار CT محبوبیت بیشتری داشتند.
• تا سال 2005، 90 درصد از اسکنرهای PET واقعاً اسکنرهای تصویربرداری تزریقی PET-CT بود.
• بر اساس گزارش سرشماری تا سال 2007 بیش از نیمی از اسکنرهای CT در ایالات‌متحده، اسکنرهای چندین تکه‌ای با ظرفیت بیش از 64 تکه بود.
• نسل جدید CT اسکنر در سال 2008 توسعه یافت که می‌توانست تصاویری از ضربان قلب یا عروق کرونر را در کمتر از یک ثانیه بگیرد.
• دکتر متیاس پروکاپ در سال 2009 در Symosium International Multidilector-Row CT درباره مفاهیم بالینی CT ردیاب 16 سانتیمتری صحبت کرد. پوشش گسترده‌تر در هر چرخش گانتری، اسکن پویا و توانایی انجام چندین اسکن در زمان کمتر را فراهم می‌کند.
• FDA ابتکار خود را برای کاهش تابش‌های غیرضروری از تصویربرداری Medial در سال 2010 راه‌اندازی کرد که بیشتر به کاهش دوز تابش با CT اسکن توجه داشت.

بزرگ‌ترین پیشرفت در توموگرافی کامپیوتری در سال‌های اخیر:

• بهبود کلی در سرعت، تعداد قطعه، دوز تابش و کیفیت تصویر

1. 20 سال پیش یک آزمایش CT ممکن بود 30 دقیقه یا بیشتر طول بکشد. در حال حاضر، CT می‌تواند تصاویر و اطلاعات را در کمتر از 1-2 ثانیه جمع‌آوری کند.
2. تکنیک‌های بازسازی تصاویر تکراری، مبتنی بر مدل و آمار انطباقی باعث کاهش 70٪ -80٪ ​​ تابش در 4 سال گذشته شده است.
3. مواد ردیاب با دوره‌ای کاراتر و ردیاب‌ها با ابعاد بزرگ‌تر نیز به کاهش میزان تابش CT بیمار کمک می‌کنند و درعین‌حال بهبود کیفیت تصویر را نیز افزایش می‌دهند.

• تصویربرداری CT Perfusion در حال حاضر رادیولوژیست‌ها را قادر به شناسایی و تعیین میزان سکته مغزی و درک عمیق‌تر از تغییرات جریان خون در مغز بیمار می‌کند. در ترکیب با CT آنژیوگرافی، این روش جدید به‌طور بالقوه تکنولوژی تضعیف‌کننده‌ای برای ارزیابی سریع سکته حاد است. پرفيوژن CT از تومور نيز براي ارزيابي تأثير رژیم‌های مدرن درمان سرطان - بسيار زيادتر از روش‌های قديمي- مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• CT آنژیوگرافی عروق کرونر – آنژیوگرافی CT کرونر تک ضربانی قلب، ویژگی خاص و حساسیت بالا را برای بیماری عروق کرونر نشان داده است. در تنظیم درد قفسه سینه کم و متوسط ​​در بیمار در اتاق اورژانس، روش CT برای تریاژ موجب صرفه‌جویی در زمان و پول می‌شود. CT بیماری‌های قلبی مادرزادی و برنامه‌ریزی برای تخلیه دهلیزی فیبریلاسیون دیگر کاربردی پیشرفته CT هستند. ارزیابی CT در پرفیوژن میوکارد، پیشرفته‌ای پزشکی مؤثری را به ارمغان می‌آورد.
•  
• PET / CT دستگاه پت سی تی برای برنامه‌ریزی درمان سرطان - به پزشکان کمک می‌کند تا درک دقیقی از میزان گسترش بیماری داشته باشند. با استفاده از تصویربرداری تزریقی، پزشکان می‌توانند اطلاعات متابولیکی و آناتومیک را به یک‌باره ببینند. همچنین یک ارزیابی سریع از پاسخ به درمان یا پرفیوژن میوکارد را فراهم می‌کند.
• شبیه‌سازی CT - با اختراع CT با تصویربرداری سه‌بعدی و IMRT، شبیه‌سازی سی تی به ابزار ضروری در radiosurgery stereotactic و برای هدف قرار دادن تابش در اطراف ساختارهای حساس و یا ارگان‌ها تبدیل‌شده است.
•  
• بخش اورژانس CT - CT اولین خط تشخیص سریع و دقیق در بخش اورژانس است. با تست‌های بیشتر CT در نزدیک ERs، ارزیابی ضروری برای آفتروما، درد قفسه سینه حاد و یا دیگر شرایط اضطراری را فراهم می‌کند. علاوه بر این، در تابش پایین، پزشکان را برای افزایش کیفیت آزمایش‌های CT مربوط به کودکان، به‌ویژه برای مراحل CT ستون فقرات گردن و سینه، توانمند کرده است.
• چاپ سه‌بعدی - مجموعه داده‌های دیجیتالی دقیق از CT به‌شدت به افزایش محبوبیت کاربردهای پزشکی چاپ سه‌بعدی برای بهبود مراقبت‌های پزشکی کمک کرده است. در حال حاضر، رادیولوژیست‌ها می‌توانند داده‌های سی تی را در سه بعد چاپ کرده و به برنامه‌ریزی‌های جراحی و ایمپلنت‌های نمونه‌سازی کمک کنند.