CAT 스캐너

<시간 />

컴퓨터 단층 촬영(CT) 또는 컴퓨터 축방향 단층 촬영(CAT) 스캐너는 신체의 내부 구조에 대한 선명한 사진을 제공하는 의료 영상 도구입니다. X선 빔과 방사선 검출기를 활용하여 데이터를 컴퓨터에 공급하면 컴퓨터가 3차원 이미지를 구성합니다. CAT 스캐너는 다양한 하청업체에서 생산하고 스캐너 제조업체에서 완전한 장치로 조립하는 다양한 복잡한 전자 부품으로 구성됩니다. 1970년대 초에 처음 개발된 꾸준한 기술 향상으로 이러한 유형의 스캐너는 귀중한 방사선 진단 장치가 되었습니다.

연혁

CAT 스캐너의 발명은 1895년에 X선을 발견한 Wilhelm Roentgen에 의해 가능해졌습니다. 이 시기에 다양한 과학자들이 크룩스관으로 알려진 유리 장치를 통해 전자의 움직임을 조사하고 있었습니다. Roentgen은 전자의 작용을 시각적으로 포착하기를 원했기 때문에 Crookes 튜브를 검은색 인화지로 감쌌습니다. 그가 실험을 했을 때, 그는 형광 물질로 코팅된 판이 튜브 근처에 놓였을 때 형광 또는 빛을 발하는 것을 발견했습니다. 포장된 튜브에서 가시광선이 방출되지 않았기 때문에 이는 예상치 못한 결과였습니다. 추가 조사에서 그는 이 튜브에서 생성된 일종의 보이지 않는 빛이 실제로 나무, 알루미늄 또는 인간의 피부와 같은 물질을 투과할 수 있음을 발견했습니다.

이 초기 발견 후 Roentgen은 의학에서 발견의 중요성을 빠르게 깨달았습니다. 그는 X선을 사용하여 피부 아래 구조의 이미지를 만드는 것이 가능하다고 결정했습니다. 이를 위해 그는 아내의 손 사진인 첫 번째 엑스레이를 공개했다. 그는 이 발견으로 1901년에 최초의 노벨 물리학상을 받았습니다. 미국에서 실제 진단을 위한 최초의 문서화된 X선 사용은 1896년에 발생했습니다. Dr. Gilman Frost와 물리학자인 그의 형제는 아이스 스케이팅을 한 어린 소년이 입은 부상의 심각성을 결정하기 위해 X선을 사용했습니다. 사고. 이 엑스레이는 다트머스 대학의 물리학 실험실에서 촬영되었습니다.

방사선 촬영 분야가 확대되면서 엑스레이 기술은 꾸준히 발전했습니다. 기존 X선의 주요 한계 중 하나는 깊이가 부족하다는 것이었습니다. 따라서 많은 내부 구조가 서로 겹쳐졌습니다. 컴퓨터의 도움으로 과학자들은 이 문제를 해결하는 방법을 개발했습니다. 그러한 방법 중 하나는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 또는 컴퓨터 축 단층 촬영(CAT)입니다. 최초의 CAT 스캐너는 1970년 Godfrey Hounsfield와 Allen Cormack에 의해 시연되었습니다. 다음 20년 동안 스캐너 설계가 크게 발전하여 오늘날 사용되는 고품질 이미징 스캐너가 되었습니다.

배경

CAT 스캐너는 다른 모든 X선 기계와 마찬가지로 X선을 사용하여 내부 신체 구조의 이미지를 생성합니다. X선은 밀도와 두께에 따라 고체 물질을 다양한 정도로 투과할 수 있는 일종의 이온화 방사선입니다. 기존의 방사선학에서는 사진 필름과 같은 검출기를 환자 뒤에 배치한 다음 X선 빔을 환자 쪽으로 향하게 하여 이미지를 생성합니다. 방사선은 환자의 신체를 통과하여 필름과 상호 작용합니다. 필름에 닿는 X선은 가공 후 어두운 부분을 생성하기 때문에 피부와 같이 X선이 쉽게 투과되는 신체 구조는 어두운 부분으로 나타납니다. 근육, 연조직 및 기관과 같은 다른 구조는 서로 다른 양의 X선을 통과시켜 회색 영역으로 나타납니다. X선이 통과하지 못하는 뼈는 밝은 흰색 영역으로 나타납니다.

기존 필름 X선으로 생성된 이미지는 많은 내부 구조가 서로 중첩되어 있기 때문에 종종 흐릿합니다. 단층 촬영은 이러한 흐릿함을 줄이고 신체의 특정 부위를 촬영할 수 있도록 개발되었습니다. 초기 단층 촬영 방법은 X선 발생기와 검출 필름을 반대 방향으로 동시에 움직이는 방식이었습니다. 두 장치가 수평으로 움직이면 특정 기하학적 평면에 있는 신체 구조만 X선이 감지기로 일관되게 통과할 수 있습니다. 이러한 방식으로 이러한 구조는 필름에 명확하게 표시되는 반면 평면 외부의 구조는 흐리게 표시됩니다. 이러한 유형의 방사선으로 생성된 이미지는 신체의 장축과 평행합니다.

전산화 축 단층 촬영과 컴퓨터 경축 단층 촬영은 기존의 단층 촬영보다 복잡하고 개선된 형태를 나타냅니다. 영상은 X선 발생기와 검출기를 환자 주위에서 원형으로 회전시켜 생성됩니다. 다양한 각도에서 신체에서 방출되는 감쇠된 잔류 방사선의 양을 측정하여 필름에 직접 기록하는 대신 컴퓨터로 전송합니다. 그런 다음 컴퓨터는 일련의 복잡한 알고리즘을 실행하여 이미지를 재구성한 다음 모니터에 표시할 수 있습니다. 기존의 단층촬영과 달리 전산화단층촬영으로 생성되는 영상은 신체의 단면이며 신체의 장축에 수직이기 때문에 횡단영상이라고 한다.

X선은 신체의 분자와 같은 특정 유형의 물질과 상호 작용하고 이를 변경할 수 있기 때문에 전리 방사선이라고 합니다. 이것은 확실히 인간에게 심각한 건강 위험이기는 하지만 의학에서 X선을 사용하는 것의 이점은 압도적입니다. 그러나 의료 분야 종사자는 자신과 환자에게 노출되는 양을 제한하기 위해 주의를 기울이고 있습니다.

디자인

CAT 스캐너는 갠트리, 컴퓨터 및 운영 콘솔을 포함한 세 가지 기본 시스템으로 구성됩니다. 이들 각각은 다양한 하위 구성요소로 구성됩니다. 갠트리 어셈블리는 이러한 시스템 중 가장 큽니다. 이것은 환자 지지대, 포지셔닝 소파, 기계적 지지대 및 스캐너 하우징을 포함하여 환자와 관련된 모든 장비로 구성됩니다. 또한 CAT 스캐너의 핵심인 X선관과 X선을 생성하고 감지하는 감지기가 포함되어 있습니다.

X선관은 X선을 방출하도록 설계된 특수한 유형의 진공 밀봉된 전기 다이오드입니다. 음극과 양극의 두 전극으로 구성됩니다. X선을 생성하기 위해 음극의 필라멘트에 고전압 발생기의 전기가 충전됩니다. 이로 인해 필라멘트가 가열되어 전자를 방출합니다. 자연적인 인력과 특별한 포커싱 컵을 사용하여 전자는 양전하를 띤 양극으로 직접 이동합니다. X선은 전자가 양극에 부딪힐 때 무차별적으로 방출됩니다. 회전하거나 회전하지 않을 수 있는 양극은 전기를 다시 고전압 발생기로 전도하여 회로를 완성합니다. X선을 빔에 집중시키기 위해 X선관이 보호 하우징 안에 들어 있습니다. 이 하우징은 바닥의 작은 창을 제외하고는 납으로 라이닝되어 있습니다. 유용한 X선은 이 창 밖으로 빠져나갈 수 있는 반면 납은 다른 방향으로 표유 방사선이 빠져나가는 것을 방지합니다.

다른 방사선 장치와 달리 CAT 스캐너의 감지기는 X선을 직접 측정하지 않습니다. X선과의 상호 작용으로 인해 신체 구조에서 감쇠된 방사선을 측정합니다. 감지기의 한 유형은 이상적인 가스로 채워진 감지기입니다. 방사선이 이러한 감지기 중 하나에 부딪히면 가스가 이온화되고 방사선 수준을 결정할 수 있습니다.

컴퓨터는 탐지기의 입력을 수집하고 분석하도록 특별히 설계되었습니다. 수천 개의 방정식을 동시에 수행할 수 있는 대용량 컴퓨터입니다. 재구성 속도와 이미지 품질은 모두 컴퓨터의 마이크로프로세서와 내부 메모리에 따라 다릅니다. ㅏ 빠른 컴퓨터는 시험의 속도와 효율성에 큰 영향을 미치기 때문에 특히 중요합니다. 컴퓨터는 매우 전문화되어 있기 때문에 엄격하게 통제된 환경이 있는 방이 필요합니다. 예를 들어 온도는 일반적으로 20°C(68°F) 미만으로 유지되고 습도는 30% 미만입니다.

운영 콘솔은 CAT 스캐너의 마스터 제어 센터입니다. 스캔 수행과 관련된 모든 요소를 ​​입력하는 데 사용됩니다. 일반적으로 이 콘솔은 컴퓨터, 키보드 및 다중 모니터로 구성됩니다. 종종 두 개의 서로 다른 제어 콘솔이 있습니다. 하나는 CAT 스캐너 운영자가 사용하고 다른 하나는 의사가 사용합니다. 조작자의 콘솔은 영상화된 조직 조각의 두께, 환자 침상의 기계적 움직임 및 기타 방사선 촬영 기법 요소와 같은 변수를 제어합니다. 의사의 보기 콘솔을 통해 의사는 정상적인 스캐너 작동을 방해하지 않고 이미지를 볼 수 있습니다. 또한 나중에 사용하기 위해 진단 및 이미지 저장에 필요한 경우 이미지 조작이 가능합니다. 이러한 유형의 데이터 저장에는 자기 테이프 또는 플로피 디스크를 사용할 수 있습니다.

CAT 스캐너의 디자인은 시간이 지남에 따라 점진적으로 개선되었습니다. 원래의 CAT 스캐너는 얇은 연필 빔의 X선을 사용하여 반원을 중심으로 각 회전 각도에서 하나씩 180회 판독을 수행했습니다. X선 발생기와 검출기는 각 스캔에 대해 수평으로 이동한 다음 다음 스캔을 수행하기 위해 1도 회전했습니다. 두 개의 검출기가 사용되어 각 스캔에서 두 개의 서로 다른 이미지가 생성될 수 있습니다. 이 시스템의 단점은 긴 스캔 시간이었습니다. 단일 스캔에는 최대 5분이 소요될 수 있습니다. 더 많은 감지기가 추가되고 특수 필터를 사용하여 X선 빔이 밖으로 퍼지면서 설계가 개선되었습니다. 이로써 스캔 시간이 약 20초로 크게 단축되었습니다. 다음 주요 설계 개선 사항은 발생기와 감지기의 수평 이동을 제거하여 회전 전용 스캐너로 만드는 결과를 가져왔습니다. 더 많은 감지기가 추가되었고 곡선 감지기 어레이로 그룹화되었습니다. 검출기 어레이는 결국 고정되도록 설계되었으며 결과 스캔 시간은 1초로 단축되었습니다.

원자재

강철, 유리 및 플라스틱과 같은 다양한 재료가 CAT 스캐너의 구성 요소를 구성하는 데 사용됩니다. 보다 전문화된 화합물 중 일부는 환자용 침상, 검출기 어레이 및 X선관에서 찾을 수 있습니다. 환자용 침상은 일반적으로 탄소 섬유로 만들어져 X선 빔 전송을 방해하지 않습니다. CAT 스캐너는 X선 기술을 사용하여 신체 내부 구조의 3차원 이미지를 생성합니다. 환자 주변에서 X선 ​​발생기와 검출기를 회전시켜 이미지를 얻습니다. 이 정보는 초점면 내에서 신체 구조의 이미지를 재구성하는 컴퓨터에 입력됩니다. 최신 스캐너의 검출기 어레이는 텅스텐 판, 세라믹 기판 및 크세논 가스를 사용합니다. 텅스텐은 또한 X선관의 음극 및 전자빔 표적을 만드는 데 사용됩니다. 튜브에서 발견되는 다른 재료는 Pyrex입니다. 유리, 구리 및 텅스텐 합금. CAT 스캐너 시스템의 많은 부분에서 납이 발견되어 과도한 방사선의 양을 줄입니다.

제조
프로세스

CAT 스캐너 제조는 일반적으로 외부 제조업체에서 제공하는 다양한 구성 요소의 어셈블리입니다. 다음 프로세스에서는 주요 구성 요소가 어떻게 생산되는지 설명합니다.

갠트리 조립 부품

<울>

1 X선관은 다른 유형의 전기 다이오드와 매우 유사하게 만들어집니다. 캐소드와 애노드를 포함한 개별 구성 요소는 튜브 엔벨로프 내부에 배치되고 진공 밀봉됩니다. 그런 다음 튜브를 보호 하우징에 넣고 스캐너 프레임의 회전 부분에 부착할 수 있습니다.

2 CAT 스캐너에는 다양한 검출기 어레이를 사용할 수 있습니다. 검출기 어레이의 한 유형은 이상적인 가스 충전 검출기입니다. 이것은 큰 금속 프레임 주위에 0.04인치(1mm) 간격으로 텅스텐 스트립을 배치하여 만듭니다. 세라믹 기판이 스트립을 제자리에 고정합니다. 전체 어셈블리는 기밀하게 밀봉되어 있으며 크세논과 같은 불활성 가스로 압력이 채워져 있습니다. 텅스텐 판 사이의 틈에 의해 형성된 각각의 작은 챔버는 개별 감지기입니다. 완성된 검출기는 스캐너 프레임에도 부착됩니다.

3 X선을 생성하는 데 필요한 많은 양의 전압을 생성하기 위해 자동 변압기가 사용됩니다. 이 전원 공급 장치는 코어에 와이어를 감아 만들어집니다. 전기 탭 연결은 코일을 따라 다양한 지점에서 이루어지며 주 전원에 연결됩니다. 이 장치를 사용하면 출력 전압을 입력 전압의 약 2배까지 높일 수 있습니다.

콘솔 및 컴퓨터 제어

<울>

4 제어 콘솔과 컴퓨터는 컴퓨터 제조업체에서 특별히 설계하고 공급합니다. 기본 모델 구축 컴퓨터는 갠트리 어셈블리의 X선 데이터를 조작하는 데 필요한 재구성 알고리즘으로 특별히 프로그래밍되었습니다. 제어 콘솔은 또한 CAT 스캔의 관리를 제어하는 ​​소프트웨어로 프로그래밍됩니다.

최종 조립

<울>

5 CAT 스캐너의 최종 조립은 방사선 영상 시설에서 종종 발생하는 맞춤형 프로세스입니다. 방은 각 구성 요소를 수용하고 과도한 방사선 노출이나 감전의 가능성을 최소화하도록 특별히 설계되었습니다. 특정 계획을 따르면 전체 CAT 스캐너 시스템의 장비 설치 및 배선이 완료됩니다.

품질 관리

모든 전자 장비와 마찬가지로 품질 관리 테스트는 CAT 스캐너 제조의 중요한 부분입니다. 스캐너 제조업체는 일반적으로 공급업체에 의존하여 들어오는 구성 요소에 대한 기본 품질 테스트를 수행합니다. 스캐너의 섹션이 조립되면 결함을 감지하기 위해 전체 프로세스에 걸쳐 육안 및 전기 검사가 수행됩니다. 제조업체가 설정한 품질 사양 외에도 미국 식품의약국(FDA)에는 제조업체가 특정 품질 관리 테스트를 수행하도록 요구하는 규정이 있습니다. 이러한 테스트의 예로는 X선관의 보정 테스트, 환자 테이블의 기계적 테스트, 시각적 출력의 표준화 테스트가 있습니다.

미래

미래의 CAT 스캐너에 대한 연구는 더 나은 품질의 이미지 생성, 환자 방사선 노출량 감소, 컴퓨터 재구성 알고리즘 최적화 및 CAT 스캐너 설계 개선을 포함하는 4가지 기본 목표에 중점을 둡니다. 이러한 목적을 달성하기 위한 다양한 방법이 이미 시도되었다. 이미지 품질을 개선하기 위해 일부 스캐너는 X선관, 검출기 또는 둘 모두의 고유한 움직임을 통합합니다. 다른 사람들은 환자의 위치를 ​​바꿉니다. 환자 노출 시간을 줄이기 위해 더 빠른 스캐너가 개발되고 있습니다. 다양한 검사를 위해 다양한 종류의 컴퓨터 알고리즘이 개발되었습니다. 미래의 CAT 스캐너는 가능한 가장 명확하고 안전한 이미징 절차를 제공하기 위해 지속적으로 회전하는 X선 튜브 및 감지기와 함께 이러한 새로운 개발 대부분을 통합할 것입니다.