CAT-Scanner

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Ein Computertomographie- (CT) oder computergestützter axialer Tomographie-(CAT)-Scanner ist ein medizinisches Bildgebungsgerät, das klare Bilder der inneren Strukturen des Körpers liefert. Unter Verwendung eines Röntgenstrahls und eines Strahlungsdetektors liefert es Daten an einen Computer, der dann ein dreidimensionales Bild erstellt. Der CAT-Scanner besteht aus verschiedenen komplexen elektronischen Komponenten, die von verschiedenen Zulieferern produziert und von den Scannerherstellern zu einer kompletten Einheit zusammengebaut werden. Erstmals in den frühen 1970er Jahren entwickelt, haben stetige technologische Verbesserungen diesen Scannertyp zu einem unschätzbaren radiologischen Diagnosegerät gemacht.

Verlauf

Die Erfindung des CAT-Scanners wurde durch Wilhelm Roentgen ermöglicht, der 1895 die Röntgenstrahlen entdeckte. Etwa zu dieser Zeit untersuchten verschiedene Wissenschaftler die Bewegung von Elektronen durch eine als Crookes-Röhre bekannte Glasapparatur. Roentgen wollte die Wirkung der Elektronen visuell einfangen, also wickelte er seine Crookes-Röhre in schwarzes Fotopapier. Als er sein Experiment durchführte, bemerkte er, dass eine mit einem fluoreszierenden Material beschichtete Platte, die zufällig in der Nähe der Röhre lag, fluoreszierte oder glühte. Dies war unerwartet, da kein sichtbares Licht von der umwickelten Röhre emittiert wurde. Bei weiteren Untersuchungen stellte er fest, dass diese Röhre tatsächlich eine Art unsichtbares Licht erzeugte und Materialien wie Holz, Aluminium oder menschliche Haut durchdringen konnte.

Nach dieser ersten Erkenntnis erkannte Röntgen schnell die Bedeutung seiner Entdeckung für die Medizin. Mithilfe von Röntgenaufnahmen stellte er fest, dass sich Strukturen unter der Haut abbilden lassen. Dazu veröffentlichte er das erste Röntgenbild, ein Bild der Hand seiner Frau. Für diese Entdeckung erhielt er 1901 den ersten Nobelpreis für Physik. Der erste dokumentierte Einsatz von Röntgenstrahlen für eine tatsächliche Diagnose in den Vereinigten Staaten erfolgte im Jahr 1896. Dr. Gilman Frost und sein Bruder, ein Physiker, verwendeten sie, um die Schwere der Verletzungen zu bestimmen, die ein kleiner Junge beim Eislaufen erlitt Unfall. Dieses Röntgenbild wurde im Physiklabor des Dartmouth College aufgenommen.

Mit der Erweiterung des Bereichs der Radiographie verbesserte sich die Röntgentechnologie stetig. Eine der Haupteinschränkungen herkömmlicher Röntgenstrahlen bestand darin, dass ihnen die Tiefe fehlte; daher wurden viele interne Strukturen übereinander gelegt. Mit Hilfe von Computern entwickelten Wissenschaftler Methoden, um dieses Problem zu lösen. Eine solche Methode war die Computertomographie (CT) oder die computerisierte axiale Tomographie (CAT). Der erste CAT-Scanner wurde 1970 von Godfrey Hounsfield und Allen Cormack demonstriert. In den nächsten zwei Jahrzehnten wurden im Scannerdesign bedeutende Fortschritte erzielt, die zu den heute verwendeten hochwertigen Bildscannern führten.

Hintergrund

CAT-Scanner verwenden wie alle anderen Röntgengeräte Röntgenstrahlen, um Bilder von inneren Körperstrukturen zu erzeugen. Röntgenstrahlen sind eine Art ionisierender Strahlung, die feste Materialien je nach Dichte und Dicke unterschiedlich stark durchdringen kann. In der konventionellen Radiologie wird ein Bild erzeugt, indem ein Detektor, beispielsweise ein fotografischer Film, hinter dem Patienten angeordnet wird und dann ein Röntgenstrahl darauf gerichtet wird. Die Strahlung durchdringt den Körper des Patienten und interagiert mit der Folie. Da Röntgenstrahlen, die auf die Folie auftreffen, nach der Entwicklung dunkle Bereiche erzeugen, zeigen sich Körperstrukturen, die von Röntgenstrahlen leicht durchdrungen werden, wie die Haut, als dunkle Bereiche. Andere Strukturen wie Muskeln, Weichteile und Organe lassen unterschiedlich viele Röntgenstrahlen durch und erscheinen als graue Bereiche. Knochen, die keine Röntgenstrahlen durchlassen, zeigen sich als strahlend weiße Bereiche.

Die von herkömmlichen Filmröntgenbildern erzeugten Bilder sind oft unscharf, weil viele der inneren Strukturen übereinander liegen. Die Tomographie wurde entwickelt, um diese Unschärfe zu reduzieren und die Abbildung bestimmter Körperregionen zu ermöglichen. Frühe tomographische Verfahren beinhalteten die gleichzeitige Bewegung des Röntgengenerators und des Nachweisfilms in entgegengesetzte Richtungen. Da sich die beiden Einheiten horizontal bewegen, können nur Körperstrukturen, die in einer bestimmten geometrischen Ebene liegen, Röntgenstrahlen gleichmäßig zum Detektor durchdringen. Auf diese Weise treten diese Strukturen auf dem Film deutlich hervor, während Strukturen außerhalb der Ebene unscharf werden. Das von dieser Art der Radiologie erzeugte Bild ist parallel zur Längsachse des Körpers.

Die computergestützte axiale Tomographie und die computergestützte transaxiale Tomographie stellen eine komplexere und verbesserte Form der konventionellen Tomographie dar. Die Bilder werden erzeugt, indem der Röntgengenerator und die Detektoren im Kreis um den Patienten herum gedreht werden. Die Menge der abgeschwächten Reststrahlung, die vom Körper unter verschiedenen Winkeln emittiert wird, wird gemessen und an einen Computer gesendet, anstatt direkt auf Film aufgezeichnet zu werden. Der Computer führt dann eine Reihe komplexer Algorithmen aus, um das Bild zu rekonstruieren, das dann auf einem Monitor angezeigt werden kann. Anders als bei der herkömmlichen Tomographie ist das Bild, das bei der computergestützten transaxialen Tomographie erzeugt wird, ein Querschnitt des Körpers und wird als transaxiales Bild bezeichnet, da es senkrecht zur Längsachse des Körpers steht.

Röntgenstrahlen werden ionisierende Strahlung genannt, weil sie in der Lage sind, mit bestimmten Arten von Materie, wie beispielsweise Molekülen im Körper, zu interagieren und diese zu verändern. Obwohl dies sicherlich ein erhebliches Gesundheitsrisiko für den Menschen darstellt, sind die Vorteile der Verwendung von Röntgenstrahlen in der Medizin überwältigend. Die Beschäftigten im medizinischen Bereich achten jedoch darauf, die Exposition für sich selbst und die Patienten zu begrenzen.

Design

Der CAT-Scanner besteht aus drei Hauptsystemen, nämlich der Gantry, dem Computer und der Bedienkonsole. Diese setzen sich jeweils aus verschiedenen Unterkomponenten zusammen. Die Portalbaugruppe ist die größte dieser Systeme. Es besteht aus der gesamten patientenbezogenen Ausstattung, einschließlich der Patientenliege, der Lagerungsliege, der mechanischen Stützen und des Scannergehäuses. Es enthält auch das Herzstück des CAT-Scanners, die Röntgenröhre, sowie Detektoren, die Röntgenstrahlen erzeugen und detektieren.

Die Röntgenröhre ist eine spezielle Art von vakuumversiegelten, elektrischen Dioden, die dazu bestimmt sind, Röntgenstrahlen zu emittieren. Es besteht aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode. Um Röntgenstrahlen zu erzeugen, wird ein Glühfaden in der Kathode mit Strom von einem Hochspannungsgenerator aufgeladen. Dadurch erwärmt sich der Glühfaden und emittiert Elektronen. Durch ihre natürliche Anziehungskraft und eine spezielle Fokussierschale wandern die Elektronen direkt auf die positiv geladene Anode zu. Röntgenstrahlen werden wahllos emittiert, wenn die Elektronen auf die Anode auftreffen. Die Anode, die sich drehen kann oder nicht, leitet den Strom dann zurück zum Hochspannungsgenerator, um den Stromkreis zu schließen. Um die Röntgenstrahlen zu einem Strahl zu fokussieren, befindet sich die Röntgenröhre in einem Schutzgehäuse. Dieses Gehäuse ist bis auf ein kleines Fenster unten mit Blei ausgekleidet. Nützliche Röntgenstrahlen können aus diesem Fenster entweichen, während das Blei das Entweichen von Streustrahlung in andere Richtungen verhindert.

Im Gegensatz zu anderen radiologischen Geräten messen die Detektoren in einem CAT-Scanner Röntgenstrahlen nicht direkt. Sie messen Strahlung, die von den Körperstrukturen aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Röntgenstrahlen abgeschwächt wird. Ein Detektortyp ist ein idealer gasgefüllter Detektor. Trifft Strahlung auf einen dieser Detektoren, wird das Gas ionisiert und ein Strahlungspegel kann bestimmt werden.

Der Computer ist speziell dafür ausgelegt, Eingaben vom Detektor zu sammeln und zu analysieren. Es ist ein Computer mit großer Kapazität, der Tausende von Gleichungen gleichzeitig ausführen kann. Die Rekonstruktionsgeschwindigkeit und Bildqualität hängen alle vom Mikroprozessor und dem internen Speicher des Computers ab. EIN schneller Computer ist besonders wichtig, da er die Geschwindigkeit und Effizienz der Untersuchung stark beeinflusst. Da der Computer so spezialisiert ist, benötigt er einen Raum mit einer streng kontrollierten Umgebung. Beispielsweise wird die Temperatur typischerweise unter 68 °F (20 °C) gehalten und die Luftfeuchtigkeit liegt unter 30 %.

Die Bedienkonsole ist die zentrale Schaltzentrale des CAT-Scanners. Es wird verwendet, um alle Faktoren im Zusammenhang mit der Durchführung eines Scans einzugeben. Normalerweise besteht diese Konsole aus einem Computer, einer Tastatur und mehreren Monitoren. Oft gibt es zwei verschiedene Steuerkonsolen, eine wird vom Bediener des CAT-Scanners und die andere vom Arzt verwendet. Die Bedienerkonsole steuert solche Variablen wie die Dicke des abgebildeten Gewebeschnitts, die mechanische Bewegung der Patientenliege und andere Faktoren der Röntgentechnik. Die Betrachtungskonsole des Arztes ermöglicht es dem Arzt, das Bild zu betrachten, ohne den normalen Scannerbetrieb zu stören. Es ermöglicht auch Bildmanipulationen, wenn dies für die Diagnose und Bildspeicherung für die spätere Verwendung erforderlich ist. Für diese Art der Datenspeicherung stehen Magnetbänder oder Disketten zur Verfügung.

Das Design eines CAT-Scanners wurde im Laufe der Zeit schrittweise verbessert. Die ursprünglichen CAT-Scanner verwendeten einen dünnen Röntgenstrahl und nahmen 180 Messungen vor, eine bei jedem Rotationsgrad um einen Halbkreis. Der Röntgengenerator und die Detektoren bewegten sich bei jedem Scan horizontal und wurden dann um einen Grad gedreht, um den nächsten Scan durchzuführen. Es wurden zwei Detektoren verwendet, so dass von jedem Scan zwei verschiedene Bilder erzeugt werden konnten. Der Nachteil dieses Systems waren lange Scanzeiten. Ein einzelner Scan kann bis zu fünf Minuten dauern. Das Design wurde verbessert, da mehr Detektoren hinzugefügt wurden und der Röntgenstrahl mit einem speziellen Filter aufgefächert wurde. Dies reduzierte die Scanzeit erheblich auf etwa 20 Sekunden. Die nächste große Konstruktionsverbesserung führte dazu, dass die horizontale Bewegung des Generators und des Detektors eliminiert wurde, was ihn zu einem Nur-Rotations-Scanner machte. Weitere Detektoren wurden hinzugefügt und zu einem krummlinigen Detektorarray gruppiert. Das Detektorarray wurde schließlich stationär entworfen und die resultierende Scanzeit auf eine Sekunde reduziert.

Rohstoffe

Für den Bau der Komponenten eines CAT-Scanners werden verschiedenste Materialien wie Stahl, Glas und Kunststoff verwendet. Einige der spezialisierteren Verbindungen finden sich in der Patientenliege, dem Detektorarray und der Röntgenröhre. Die Patientenliege besteht typischerweise aus Kohlefaser, um zu verhindern, dass sie die Röntgenstrahlenübertragung stört. CAT-Scanner verwenden Röntgentechnologie, um dreidimensionale Bilder der inneren Strukturen des Körpers zu erstellen. Bilder werden erhalten, indem der Röntgengenerator und die Detektoren um den Patienten herum gedreht werden. Diese Informationen werden einem Computer zugeführt, der Bilder der Körperstrukturen innerhalb seiner Fokusebene rekonstruiert. Das Detektorarray modernerer Scanner verwendet Wolframplatten, ein Keramiksubstrat und Xenongas. Wolfram wird auch verwendet, um das Kathoden- und Elektronenstrahltarget der Röntgenröhre herzustellen. Andere Materialien in der Röhre sind Pyrex. Glas, Kupfer und Wolframlegierungen. In vielen Teilen des CAT-Scannersystems ist Blei zu finden, das die Menge an überschüssiger Strahlung reduziert.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Herstellung von CAT-Scannern ist typischerweise eine Zusammenstellung verschiedener Komponenten, die von externen Herstellern geliefert werden. Der folgende Prozess beschreibt, wie die Hauptkomponenten hergestellt werden.

Komponenten der Gantry-Baugruppe

• 1 Die Röntgenröhre wird ähnlich wie andere Arten von elektrischen Dioden hergestellt. Die einzelnen Komponenten, einschließlich Kathode und Anode, werden in den Röhrenmantel eingebracht und vakuumversiegelt. Der Tubus wird dann in das Schutzgehäuse eingesetzt, das dann am drehbaren Teil des Scannerrahmens befestigt werden kann.
• 2 Für CAT-Scanner stehen verschiedene Detektorarrays zur Verfügung. Eine Art von Detektor-Array ist der ideale gasgefüllte Detektor. Dazu werden Wolframstreifen mit einem Abstand von 0,04 Zoll (1 mm) um einen großen Metallrahmen gelegt. Ein Keramiksubstrat hält die Streifen an Ort und Stelle. Die gesamte Baugruppe ist hermetisch abgedichtet und mit einem Inertgas wie Xenon druckgefüllt. Jede der winzigen Kammern, die durch die Lücken zwischen den Wolframplatten gebildet werden, sind einzelne Detektoren. Der fertige Detektor wird ebenfalls am Scannerrahmen befestigt.
• 3 Um die große Menge an Spannung zu erzeugen, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen benötigt wird, wird ein Spartransformator verwendet. Diese Stromversorgungsvorrichtung wird hergestellt, indem Draht um einen Kern gewickelt wird. An verschiedenen Punkten entlang der Spule werden elektrische Abzweigverbindungen hergestellt und an die Hauptstromquelle angeschlossen. Mit diesem Gerät kann die Ausgangsspannung auf etwa das Doppelte der Eingangsspannung erhöht werden.

Steuerkonsole und Computer

• 4 Die Steuerkonsole und der Computer werden speziell von Computerherstellern entwickelt und geliefert. Der primäre Modellbaucomputer ist speziell mit den Rekonstruktionsalgorithmen programmiert, die benötigt werden, um die Röntgendaten von der Gantry-Baugruppe zu manipulieren. Die Steuerkonsolen sind auch mit Software programmiert, um die Verwaltung des CAT-Scans zu steuern.

Endmontage

• 5 Die Endmontage des CAT-Scanners ist ein kundenspezifischer Prozess, der oft in der radiologischen Bildgebungseinrichtung stattfindet. Die Räume sind speziell darauf ausgelegt, jede Komponente unterzubringen und das Risiko einer übermäßigen Strahlenbelastung oder eines Stromschlags zu minimieren. Durch Befolgen spezifischer Pläne wird die Geräteinstallation und Verkabelung des gesamten CAT-Scannersystems abgeschlossen.

Qualitätskontrolle

Wie bei allen elektronischen Geräten sind Qualitätskontrolltests ein wichtiger Bestandteil der Herstellung von CAT-Scannern. Die Scannerhersteller verlassen sich in der Regel darauf, dass ihre Lieferanten grundlegende Qualitätstests an den eingehenden Komponenten durchführen. Wenn Teile des Scanners zusammengebaut werden, werden während des gesamten Prozesses visuelle und elektrische Inspektionen durchgeführt, um Fehler zu erkennen. Zusätzlich zu den von den Herstellern festgelegten Qualitätsspezifikationen verfügt die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) über Vorschriften, die von den Herstellern die Durchführung bestimmter Qualitätskontrolltests verlangen. Beispiele für diese Tests umfassen Kalibrierungstests der Röntgenröhre, mechanische Tests des Patiententisches und Standardisierungstests der visuellen Ausgabe.

Die Zukunft

Die Forschung für zukünftige CAT-Scanner konzentriert sich auf vier grundlegende Ziele, darunter die Produktion von Bildern mit besserer Qualität, die Reduzierung der Strahlenbelastung des Patienten, die Optimierung der Computerrekonstruktionsalgorithmen und die Verbesserung des Designs von CAT-Scannern. Es wurden bereits verschiedene Methoden versucht, diese Ziele zu erreichen. Um die Bildqualität zu verbessern, enthalten einige Scanner einzigartige Bewegungen der Röntgenröhre, des Detektors oder beider. Andere ändern die Position des Patienten. Es werden schnellere Scanner entwickelt, um die Expositionszeit des Patienten zu verkürzen. Für eine Vielzahl von Untersuchungen wurden verschiedene Arten von Computeralgorithmen entwickelt. Zukünftige CAT-Scanner werden wahrscheinlich die meisten dieser neuen Entwicklungen enthalten, zusammen mit einer kontinuierlich rotierenden Röntgenröhre und Detektoren, um das klarste und sicherste Bildgebungsverfahren zu ermöglichen.