Razele X

Razele X sunt o forma de radiatie electromagnetica de inalta frecventa a caror lungime de unda este cuprinsa intre 5 picometri si 10 nanometri, iar energia ajunge la cativa eV (electron-volt). Este o radiatie ionizanta, utilizata in numeroase domenii, printre care imagistica medicala si cristalografia. Razele X au fost descoperite in 1895 de fizicianul german Wilhelm Rntgen. Le-a numit astfel pentru ca erau de o natura necunoscuta (prin analogie necunoscuta x din matematica). Astazi ele mai sunt denumite si Raze Rntgen. [1]

Fig. 1. Wilhelm R ntgen

Prima imagine realizata cu ajutorul razelor X a fost cea a mainii Annei Bertha Rntgen, la 22 decembrie 1895 si din acest moment putem vorbi de prima radiografie. La 28 decembrie, Rntgen publica descoperirea sa intr-un articol intitulat Uber eine neue Art von Strahlen (Apropo de un nou fel de raze) in buletinul Societatii de Fizica si Chimie de la Wurzburg. Aceasta descoperire, i-a adus lui Rontgen premiul Nobel pentru fizica in 1901. Descoperirea lui a fost folosita rapid in stomatologie, pentru ca doua saptamani mai tarziu dupa aparitia articolului, medicul Otto Walkhoof realizeaza la Braunschweig, prima radiografie dentara. [1]

Fig. 2. Radiografia mainii primului ministru, Lord Salisbury, realizata de Campbell Swinton in 1896

Dezvoltarea tehnologica ce a caracterizat secolul XX a marcat desigur si evolutia aparaturii si componentelor folosite pentru generarea de raze X precum si a materialelor folosite pentru inregistrarea imaginilor. In ciuda acestor salturi calitative ale imagisticii radiologice, principiul obtinerii imaginilor a ramas neschimbat: proiectia intregii zone investigate pe un singur plan, cel al "placii fotografice". Interpretarea imaginilor stfel obtinute a constituit totdeauna un lucru dificil, accesibil doar persoanelor bine familiarizate cu aceste imagini. Acest fapt a condus chiar la aparitia in lumea medicala a unei specializari aparte - radiologia - al carei scop a fost tocmai interpretarea imaginilor obtinute in urma expunerii pacientului la un flux de raze X.

Fundamentele matematice ale reconstructiei imaginilor din proiectii au fost elaborate inca din 1917 de catre J. Randon, dar abia in 1963 A. M. Cormack de la Universitatea din Cape Town a publicat primul articol in care a pus de fapt bazele teoretice ale tomografiei computerizate, imbinand obtinerea proiectiilor cu ajutorul radiatiilor X cu procedeul reconstructiei imaginilor din proiectii. Realizarea practica a primului prototip a mai necesitat inca patru ani, astfel incat primele imagini de tomografie computerizata au fost obtinute in 1967 de G. N. Hounsfield, angajat la vremea aceea al casei de discuri EMI Records. Eforturile sale au demonstrat viabilitatea metodei imagistice si au atras atentia catorva firme producatoare de echipament radiologic astfel incat, in doar cativa ani, echipamentele tomografice computerizata au inceput sa fir produse in serie. Acest fapt a marcat inceputul unei competitii sustinute intre echipele de cercetatori astfel incat, de la primul echipament comercial instalat in 1971, pana la echipamentele produse in zilele noastre, saltul tehnologic a devenit impresionant.

Fig. 3. Aparatul experimental folosit de profesorul Rontgen vs. aparatul modern din zilele noastre

Algoritmii de reconstructie au necesitat de la bun inceput un volum mare de calcul, astfel incat evolutia calculatoarelor a reprezentat un factor major in atingerea acestor performante. Insusi denumirea de "Tomografie computerizata" (cu prescurtarea CT de la Computed Tomography") sugereaza de fapt complexitatea metodei si faptul ca datele achizitionate in urma expunerii pacientului la radiatiile X nu tradeaza nimic din aspectul imaginii finale obtinute in urma unui calcul complicat.

Tomografia computerizata furnizeaza imagini ce reprezinta atenuarea radiatiilor X in tesuturile vii. Imaginile sunt achizitionate ca o succesiune de plane paralele care, interpretate impreuna, reprezinta o distributie tridimensionala bazata pe aprecierea densitatii relative a tesuturilor. Astfel, poate fi investigata structura interna a corpului, indiferent ca este urmarit aparatul osos sau tesuturile moi. [6]

Primul CT avea un sistem de achizitie cu un singur detector (a) astfel ca intensitatea radiatiei X emisa de tub si atenuata de tesuturile strabatute era citita practic intr-un singur punct. Acest ansamblu format din tub si detector era translatat in lungul unei axe (b) pentru a obtine proiectia pe acea axa a transparentei la raze X a corpului investigat. Odata achizitionata aceasta proictie, urma o miscare de rotatie (c) pentru a pregati astfel achizitia unei noi proiectii dar sub un alt unghi, achizitie realizata prin aceeasi miscare de translatie (d).

Fig. 4. Achizitia proiectiilor la tomografele din prima generatie

Fig. 5. Primul CT Scanner

Desi functionala, metoda bazata pe alternanta translatie/rotatie s-a dovedit a fi mare consumatoare de timp si din acest motiv, in efortul de a reduce timpul de achizitie, primul pas a fost facut in directia multiplicarii detectorului care a devenit de fapt o serie de detectori cu aproximativ 20 celule. S-a nascut astfel cea de-a doua generatie de CT, foarte asemanatoare cu prima dar care, datorita noului tip de detector care permitea achizitia simultana a mai multor puncte din proiectie, putea reduce timpul de achizitie cam cu un ordin de marime.

Fig. 6. Achizitia proiectiilor la tomografele din a doua generatie

Generatia a doua de CT a adus pentru prima oara in prim plan ideea fascicolului divergent de raze X. Dezvoltarea acestei idei la generatia urmatoare de tomografe a condus la eliminarea totala a miscarii de translatie permitand obtinerea unor viteze de achizitie mult marite.

Fig. 7. Achizitia proiectiilor la tomografele din a treia generatie

Unghiul de divergenta al fascicolului de raze X emis de tub a devenit suficient de mare astfel incat sa poata cuprinde intreaga sectiune supusa investigatiei. In acelasi timp, aria de detectori a fost mult marita permitand achizitia cu rezolutia dorita a intrgii proiectii. Imprimand ansamblului format de tubut RX si aria de detectori o miscare de rotatie in jurul pacientului, s-au putut obtine proiectii succesive din diverse unghiuri ale sectiunii investgate.

Viteza de rotatie a ramas limitata doar de rata de transfer a informatiei din detectori catre unitatea de reconstructie si eventual de capacitatea de acceleratie si de franare a ansamblului mecanic. Una dintre problemele cu care s-au confruntat tomografele      generatiei a treia a fost legata de sensibilitatea ariei de detectori la vibratiile introduse de rotirea intregului ansamblu tub - detectori. Acest lucru a fost cu atat mai deranjant cu cat detectorii aflati la acel moment in exploatare erau detectori cu gaz sub presiune, acest lucru facand sistemul si mai vulnerabil la vibratii. Ca alternativa a aparut ideea unui inel complet de detectori, stationar si dispus in afara cercului pe care evolua tubul de raze X. Acest model constructiv s-a impus la un moment dat ca o noua generatie de tomografe - cea de-a patra, dar considerente legate de pretul sau nu i-au asigurat suprematia pe piata.

Fig. 8. Achizitia proiectiilor la tomografele din a patra generatie

In prezent, solutia constructiva aleasa pentru acest tip de echipamente este cea caracteristica generatiei a treia. Rotatia ansamblului tub - detector este continua ceea ce permite reducerea perioadei de rotatie la sub o secunda, iar aria detectorilor se extinde si in lungul axei perpendiculare pe planul sectiunii, permitand astfel achizitia mai multor sectiuni alaturate in decursul unei rotatii. In plus, concomitent cu miscarea de rotatie a ansamblului tub - detectori, are loc o translatie a pacientului astfel incat traiectoria de-a lungul careia sunt achizitionate proiectiile este in final elicoidala.

Rezonanta magnetica furnizeaza un contrast foarte bun intre varietatile de tesuturi moi investigate. Rezonanta magnetica masoara trei proprietati fizice. O proprietate este distributia nucleilor de hidrogen mobili care furnizeaza structura de ansamblu a planului de informatie. Cele doua proprietati masoara timpul de relaxare al nucleilor, obtinandu-se astfel diferenta intre diferitele tipuri de tesuturi. [6]

Fig. 9. Folosirea rezonantei magnetice pentru scanarea capului si a structurii unui os [7]

Tomografia computerizata cu emisie de fotoni masoara emisia de radiatii gamma. Sursa acestor raze este un radioizotop introdus in corp. Pe langa structura, acest tip de investigatie imagistica poate semnala prezenta sangelui in structura organului, cu o acuratete mai mare decat tomografia computerizata. [6]

Cea mai mare companie ce produce aparatura folosita pentru tomografia computerizata este Siemens. In 1974, ei au produs primul echipament folosit in CT. Iata o scurta incursiune in istoria CT si a aparatelor produse de Siemens. [8]

Descoperirea razelor X de catre fizicianul german Wilhelm Conrad Roentgen (1845 - 1923).

Decan la Universitatea Julius Maximilian din Wuerzburg.

Imaginea radiografica a mainii sotiei sale

F. H. Williams reuseste sa realizeze prima radiografie a toracelui (Boston)

Carl Schleussner realizeaza prima imagine fotografica folosind invelusul de bromura de argint (Frankfurt a. Main, Germania)

E. A. O Pasche construieste un colimator pentru a suprima nivelul de radiatii

Este luata in considerare pentru prima data protectia pacientului impotriva emisiei de radiatii in urma realizarii unei radiografii

Gustav Bucky dezvolta o retea de imprastiere a radiatiilor (Berlin, Germania)

Inginerul William D. Coolidge construieste primul mare tub catodic (Massachusetts, SUA)

Allesandro Vallebona dezvolta stratografia, deschizand astfel calea catre tomografie.

Bernard Ziedses des Plantes dezvolta planografia, o tehnica mult mai rafinata si care ajuta la formarea de imagini mult mai clare.

In Londra, dezvoltarea tomografiei computerizate a lui Godfrey N. Hounsfield a marcat imceputul unei noi ere de diagnosticare cu ajutorul tomografiei.

Cu ajutorul tomografiei computerizate a fost posibila pentru prima oara producerea de imagini a unei portiuni dintr-un obiect.

SIRETOM

Reconstructie de imagini instantanee

Primul sistem CT produs de o companie de echipmente medicale.

SIRETOM CT

SOMATOM

OPTI X- ray

caldura emisa:

1.0 MHU

Timp de scanare: 5 s a

intregului corp

SOMATOM      2

sincronizare ECG

imagine CT

matrice de afisare: 512 x 512

SOMATOM DR3

SOMATOM DRH - Multi Planar Reformatting (MPR)

SOMATOM CR - 3D Shaded Surface Displaz (SSD)

SOMATOM Plus - 1s/ rotare 360 ^o

Real - Time MPR

Primul scaner CT in forma de spirala ( Spiral CT) folosit in operatii de rutina

SOMATOM Plus - S

Scanare continua in spirala timp de 32 secunde

SOMATOM AR

Integrated CT - Angiography

SOMATOM Plus 4

Subsecond spiral CT

Lightning UFC (Ultra Fast Ceramic Detector)

SOMATOM Volume Zoom

Syngo software

SOMATOM Smile

CARE Dose

SOMATOM Sensation 16