سی‌تی اسکن
برش‌نگاری رایانه‌ای یا توموگرافی رایانه‌ای (Computerized Tomography) که به‌اختصار سی‌تی اسکن نامیده می‌شود، روشی نوین است که در علوم تشخیصی و فیزیک پزشکی کاربرد فراوانی دارد. در این روش، بدن انسان یا دیگر جانوران به صورت لایه‌به‌لایه برانداز (اسکن) می‌شود، و بدین ترتیب بخش‌های درونی بدن برای پزشکان قابل رؤیت می‌گردد. این فناوری امروزه در بیمارستان‌ها و مراکز پژوهشی در سرتاسر دنیا (از جمله در ایران) کاربرد وسیع دارد.
مقدمه
تصویربرداری سی‌تی یا توموگرافی کامپیوتری استفاده از اشعه ایکس همراه با الگوریتم‌ها و محاسبات کامپیوتری برای ایجاد تصویر از بدن است. در این روش، یک تیوب یا لولهٔ تولیدکنندهٔ اشعه ایکس، در مقابل یک آشکارساز (دتکتور) قرار داده شده، و با کمک حلقه‌ای که به صورت چرخشی در اطراف بیمار حرکت می‌کند، تصویر مقطعی از بدن به‌دست می‌آید. سی‌تی اسکن در سطح آگزیال (محوری) تصاویر ایجاد می‌کند، اما تصاویر مقطع کرونال (تاجی) و ساژیتال (سهمی) را می‌توان به وسیلهٔ بازسازی‌های کامپیوتری ارائه کرد.
عوامل رادیوکنتراست
مواد حاجب اغلب در سی‌تی اسکن برای توصیف بهتر آناتومی استفاده می‌شوند. در حالی که رادیوگرافی قادر به تولید تفکیک‌پذیری فضایی بالاتری است، سی‌تی اسکن می‌تواند اطلاعات بیشتری در مورد تغییرات دقیق مربوط به میرایی پرتو ایکس تشخیص دهد. سی‌تی اسکن بیمار را در معرض تابش اشعهٔ یونیزان بیشتری در مقایسه با رادیوگرافی قرار می‌دهد. در سی‌تی نوع اسپیرال با آشکارسازهای زیاد (مولتی دتکتور)، از چند ردیاب استفاده می‌شود که تصاویر عالی و با جزئیات بسیار ظریف در زمان کوتاه‌تری به‌دست می‌آید.
کاربردهای پیشرفته
با تجویز سریع کنتراست وریدی، تصاویر دقیق‌تری به‌دست می‌آید که می‌توان آن‌ها را به صورت سه‌بعدی بازسازی کرد. این تصاویر می‌توانند شامل کاروتید، شریان مغزی و کرونری، یا به صورت سی‌تی آرتریوگرافی و سی‌تی آنژیوگرافی باشند. سی‌تی اسکن تست انتخابی برای تشخیص برخی شرایط اضطراری مانند خونریزی مغزی، آمبولی ریه، دایسکشن آئورت، آپاندیسیت، دیورتیکولیت، و سنگ کلیه است.
تاریخچه
نخستین دستگاه سی‌تی اسکن که به لحاظ تجاری قابل بهره‌برداری بود، توسط گادفری هانسفیلد در آزمایشگاه مرکزی تحقیقات ئی‌ام‌آی در بریتانیا در سال ۱۹۷۲ اختراع شد. حقوق قانونی ئی‌ام‌آی متعلق به شرکت توزیع آثار موسیقی گروه بیتل‌ها بود که منافع آن به بودجهٔ پژوهشی اختصاص می‌یافت. سر گادفری هانسفیلد و آلن مک لود مک کورمک به خاطر اختراع سی‌تی اسکن، برندهٔ جایزهٔ نوبل پزشکی سال ۱۹۷۹ شدند. نخستین دستگاه سی‌تی اسکنر در کلینیک میو در روچستر، مینه‌سوتا در سال ۱۹۷۲ نصب شد.
پیشینه
پایه‌های ریاضی
پایه‌های ریاضی مقطع‌نگاری کامپیوتری به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد. کاربرد عملی این روش در دهه ۶۰ میلادی بنیان‌گذاری شد. در سال ۱۹۶۳، آلن کرماک از دانشگاه تافتز از افرادی بود که نخستین بار نظریه یک سیستم سی‌تی اسکن را مطرح کرد.
توسعه عملی
عملاً اولین اسکنر تجاری در سال ۱۹۷۲ توسط گودفری هانسفیلد از آزمایشگاه EMI در انگلستان انجام شد. یکای هانسفیلد به افتخار او نام‌گذاری گردید. در نهایت، جایزه نوبل پزشکی سال ۱۹۷۹ به کرماک و هانسفیلد جهت ابداع این سیستم اعطا شد.
توسعه‌های بعدی
سال‌ها بعد، سیستم‌های سی‌تی از نوع پیچشی (یا مارپیچی)، توسط افرادی چون ویلی کالندار (Willi Kalender) ابداع شدند. این سیستم‌ها با بهره‌گیری از آشکارسازهای چندگانه و حرکت پیوسته و چرخشی دستگاه در اطراف بیمار، تصاویر با دقت و جزئیات بسیار بیشتری را در زمان کمتری تولید می‌کنند.
پیشرفت‌ها و کاربردها
پیشرفت‌های مداوم در فناوری سی‌تی اسکن، از جمله سریع‌تر شدن زمان تصویربرداری و بهبود رزولوشن تصاویر، باعث افزایش دقت و کارایی این روش شده‌اند. امروزه از سی‌تی اسکن به میزان بیشتری در تشخیص‌های پزشکی استفاده می‌شود و این روش به یکی از ابزارهای اصلی در تشخیص شرایط اضطراری و اورژانسی تبدیل شده است.
نسل‌ها
در واقع، تکامل سیستم‌های سی‌تی را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:
- نسل اول: سیستم‌های پرتو خطی (pencil beam). حرکت منشأ و آشکارساز هر دو به صورت انتقال-دوران.
- نسل دوم: سیستم‌های پرتو بادبزنی باریک (narrow fan beam). حرکت منشأ و آشکارساز هر دو به صورت انتقال-دوران.
- نسل سوم: سیستم‌های پرتو بادبزنی پهن (wide fan beam). حرکت منشأ و آشکارساز هر دو به صورت دورانی. آغاز استفاده از فناوری حلقه‌های لغزنده (slip ring technology).
- نسل چهارم: سیستم‌های با حرکت دورانی منشأ، اما با آشکارساز ساکن.
- نسل پنجم: سیستم‌های مقطع‌نگاری رایانه‌ای با پرتو الکترونی
- نسل ششم: اضافه شدن حرکت مارپیچی یا اسپیرال (spiral). برای این نوع سیستم‌ها، گام (pitch) قابل تعریف است.
- نسل هفتم: استفاده از آرایه‌های آشکارساز چندردیفی (Multi Detector Array) معروف به MDCT.
امروزه پویشگرهای سی‌تی نسل هفتم بر اساس الگوی حرکتی سیستم‌های نسل سوم کار می‌کنند، و سیستم‌های نسل چهارم در واقع از رده خارج شدند؛ لذا منشأ پرتوها و آشکارسازها هر دو حرکت دورانی دارند. همچنین با آمدن به بازار سی‌تی‌های نسل ششم و هفتم با آرایهٔ +۶۴ برش، سیستم‌های مقطع‌نگاری رایانه‌ای با پرتو الکترونی تقریباً از صحنه حذف شده‌اند، و امروزه بیشتر فقط برای پژوهش کاربرد دارند.
ساختار و طرز کار
ساختار دستگاه سی‌تی اسکن
دستگاه متداول سی‌تی اسکن متشکل از تعداد انبوهی آشکارساز کوچک از نوع شمارنده درخششی (Scintillator) است که به صورت چندین ردیف درون دستگاه قرار داده شده‌اند. این آشکارسازها پرتوهای ایکس عبوری از بدن بیمار را آشکارسازی می‌کنند. سپس سیگنال‌های دریافت‌شده توسط الگوریتم‌های مخصوصی مانند بازتابی فیلتر شده (Filtered Backprojection) و بازسازی تکراری (Iterative Reconstruction) به تصاویر تبدیل می‌شوند.
سیر تکاملی دستگاه‌های سی‌تی اسکن
سیر تکاملی این دستگاه‌ها اغلب در هفت نسل توسعه (Generation) بررسی می‌شود:
- نسل اول: تک‌آشکارساز و پرتوهای موازی
- نسل دوم: چند آشکارساز و پرتوهای بادبزنی کوچک
- نسل سوم: آشکارسازهای چندگانه و پرتوهای بادبزنی بزرگ
- نسل چهارم: آشکارسازهای حلقه‌ای ثابت و تیوب پرتو ایکس متحرک
- نسل پنجم: دستگاه‌های الکترونی که بدون حرکت مکانیکی تیوب کار می‌کنند
- نسل ششم: دستگاه‌های پیچشی (Helical) با آشکارسازهای چندگانه
- نسل هفتم: دستگاه‌های چند برشی با آشکارسازهای گسترده‌تر و فناوری‌های پیشرفته‌تر
پیشرفت‌های اخیر
پیشرفت‌های اخیر در ساختمان دستگاه تصویربرداری، تکنولوژی آشکارسازی، آرایه‌های آشکارساز چندگانه و طراحی تیوب پرتو ایکس، زمان اسکن را به کسری از ثانیه کاهش داده‌است. کامپیوترهای مدرن قدرت محاسباتی بالایی ارائه می‌دهند که اجازه بازسازی عمده اطلاعات تصویر را به صورت لحظه‌ای (Real-Time) می‌دهند.
چالش‌های موجود
با وجود پیشرفت‌های مکرر و زیادی که امروزه در صنعت سی‌تی اسکن مشاهده می‌شود، آرتیفکت (Artifact) در سی‌تی اسکن همچنان یکی از موضوعات مهم در کیفیت تصویر این سیستم‌ها محسوب می‌گردد. این آرتیفکت‌ها می‌توانند ناشی از عوامل مختلفی مانند حرکت بیمار، مواد فلزی در بدن و تفاوت در میزان جذب پرتوهای ایکس توسط بافت‌های مختلف باشند.
انواع
مقطع‌نگاری رایانه‌ای با پرتو الکترون (EBCT) در این نوع مقطع‌نگاری رایانه‌ای که به EBCT موسوم گشت، از حرکت غیر مکانیکی منبع پرتوهای ایکس استفاده می‌شود. این سیستم‌ها از یک حلقهٔ تنگستنی استفاده می‌شود که دید زاویهٔ ۲۱۰ درجه را پوشش می‌دهد، و در عوض از میادین الکترومغناطیسی برای انحنا دادن به پرتو به زاویه معینی استفاده می‌گردد.
این روش با پیشرفت سیستم‌های MDCT امروزه تقریباً منسوخ شده‌است.
مقطع‌نگاری رایانه‌ای با آشکارسازهای چند-ردیفی (MDCT)
در قسم دیگر، منبع پرتوهای ایکس و میز (یا تخت بیمار) هم‌زمان حرکت می‌کنند که به اخذ داده‌ها به صورت مارپیچ گونه (helical) می‌انجامد. این مد از مقطع‌نگاری رایانه‌ای امروزه بیشتر رایج است و مقطع‌نگاری رایانه‌ای با آشکارسازهای چند-ردیفی (MDCT) یا «مولتی اسلایس» (MSCT) نام دارد.
اخیراً این دستگاه‌ها با پت اسکن به صورت ترکیبی (پت-سی تی) وارد بازار شده‌اند. در این روش جدید (یعنی PET/CT)اطلاعات مربوط به فیزیولوژی و عملکرد (قابلیت PET)، با اطلاعات مربوط به آناتومی (که CT با رزولوشن بالا در اختیارمان می‌گذاشت)، تلفیق شده و ارزش تصاویر نهایی در تشخیص، بسیار بالاست. مهمترین کاربردهای کلینیکی این روش:
مطالعهٔ تومور (۸۵٪) دانش قلب‌شناسی (۵٪) عصب‌شناسی(۱۰٪) می‌باشند.
اما ترکیبات مشابه دیگر نیز، همانند سیستم‌های SPECT/CT نیز وجود دارند.
| ویژگی | EBCT | MDCT |
| منبع پرتو ایکس | یک هدف پرتو الکترونی | یک تیوب پرتو ایکس چرخنده |
| آشکارساز | یک آشکارساز | چندین ردیف آشکارساز |
| هندسهٔ اسکن | هدف و آشکارساز هر دو ثابت | دهانه (gantry) چرخنده |
| وضوح زمانی | ۱۰۰ میلی ثانیه | ۲۵۰ میلی ثانیه |
| وضوح فضایی | (۰٫۸) (۰٫۸) (۲٫۵) میلی‌متر مکعب | (۰٫۵) (۰٫۵) (۱٫۰) میلی‌متر مکعب |
| پرتودهی | ۱٫۵ میلی سیورت | ۹ میلی سیورت |
مقطع‌نگاری رایانه‌ای با اشعه مخروطی (CBCT)
این نوع سیستم‌ها را می‌توان در دنداپزشکی‌ها و آزمایشگاه‌ها دید.
مقطع‌نگاری رایانه‌ای با دو انرژی (DSCT)
سیستم‌های ترکیبی
مقطع‌نگاری رایانه‌ای با آشکارسازهای تخت (FDCT)
آرتیفکت
مقطع‌نگاری رایانه‌ای به دلیل نوع کار و مشخصات اجزایش دارای آرتیفکتهاییست که منحصر بفرد بوده، و حائز اهمیت بسیارند. مهمترین این‌ها عبارتند از:
- آرتفکت حرکتی (به انگلیسی: Motion artifact) باعث ظهور تصویری تار می‌گردد. در سیستم‌های نسل هفتم، تعداد وفور آرایه‌های آشکارساز، سرعت فوق‌العاده زیادی به سیستم بخشیده‌اند، که این خود باعث بالا رفتن قدرت تفکیک زمانی، و در نتیجه نزول و حتی محو کامل آرتیفکت‌های حرکتی شده‌است.
- آرتفکت مخطط (به انگلیسی: Streak artifact) غالباً در مجاور مواد متراکم (مثل مثلاً ترکیبات کلسیمی در آترواسکلروسیس) دیده می‌شود، و باعث ظهور خطوطی روشن و شسته شدن اطلاعات در مجاور مواد متراکم می‌گردد.
- آرتفکت سخت شدن پرتو (به انگلیسی: Beam hardening artifact) که به دلیل جذب فوتون‌های با انرژی کمتر ظاهر می‌شود.
- آرتفکت حلقوی (به انگلیسی: Ring artifact) که در نسل سوم پویشگرها ظاهر شد و به دلیل عدم تنظیم آشکارسازها می‌تواند ظاهر شود.
کاربردهای غیر پزشکی
از سی تی اسکن‌ها برای کاربردهای غیر پزشکی نیز استفاده می‌شود. به‌طور نمونه در تحقیقات دیرینه‌شناسی یا علم مواد، سی تی اسکن‌ها نقش قابل توجهی را ایفا می‌کنند.
اخیراً حتی یک فسیل دایناسور مومیایی شده توسط بزرگ‌ترین سی تی اسکن جهان متعلق به شرکت بویینگ آمریکا، اسکن شد.