Компьютерный томограф

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТОМОГРАФ, устройство, предназначенное для послойного исследования внутренней структуры объекта (например, органов человека, промышленных изделий) посредством его многократного просвечивания каким-либо видом проникающего излучения; действие основано на применении методов вычислительной томографии. В компьютерном томографе проникающее (просвечивающее) излучение (электромагнитное, ультразвук, пучки заряженных частиц и др.) взаимодействует с веществом исследуемого объекта, величина взаимодействия измеряется и представляется в цифровом виде. Обычно просвечивание осуществляется многократно по различным пересекающимся направлениям, число которых может достигать 10⁴-10⁶ и более, в плоскости слоя толщиной 0,5-10 мм. По результатам измерений с помощью компьютера производится реконструкция (восстановление) для выделенного слоя пространственного распределения физической характеристики объекта (например, плотности), вызвавшей изменение какого-либо параметра просвечивающего излучения (интенсивности, скорости распространения и др.). Восстановленное пространственное распределение исследуемой характеристики представляет собой матрицу чисел, которая преобразуется в видеосигнал и отображается на экране дисплея в виде полутонового чёрно-белого или окрашенного в условные цвета изображения - томограммы. В зависимости от вида просвечивающего излучения различают рентгеновские, гамма, протонные, ультразвуковые, оптические компьютерные томографы, а также томографы на основе ядерного магнитного резонанса (так называемые ЯМР- или магнитно-резонансные томографы), в которых используется резонансное радиочастотное излучение. Например, в рентгеновских и гамма-томографах восстанавливают пространственные распределения коэффициента ослабления используемого излучения, в ультразвуковых - коэффициент ослабления или скорости распространения ультразвука. В магнитно-резонансных томографах реконструируются локальные концентрации резонирующих атомных ядер и времена их релаксации.

В состав компьютерного томографа обычно входят: источник просвечивающего излучения; сканирующее устройство, обеспечивающее формирование области взаимодействия и её перемещение по объекту; устройства для детектирования и измерения результатов взаимодействия излучения с веществом объекта; компьютер для управления процессами сканирования и измерения, сбора и цифровой обработки массивов данных; дисплей; съёмные накопители информации (например, магнитные или оптические диски, магнитные ленты) и устройства для фоторегистрации томограмм. Применение техники сканирующего просвечивания, высокочувствительных детекторов, а также методов цифровой обработки данных обеспечивает высокое пространственное разрешение (десятки линий на 1 мм), большое отношение сигнал/шум (до 10³ и более) и соответственно высокую контрастную чувствительность. С помощью компьютерного томографа можно исследовать объекты размером от десятков мм до нескольких м. Погрешность измерений обычно составляет около 1%; время исследования одного слоя может изменяться в пределах от единиц мс до десятков минут.

Первый компьютерный томограф (рентгеновский) создан в 1969 Г. Хаунсфилдом (Нобелевская премия, 1979; совместно с А. Кормаком) и предназначался для сканирования внутренних органов; стал использоваться с диагностическими целями в клинической медицине. Источником излучения в рентгеновском компьютерном томографе (рис. 1) служит рентгеновская трубка, формирующая тонкий (1-10 мм) расходящийся (так называемый веерный) пучок рентгеновских лучей, пронизывающий объект; интенсивность прошедшего излучения регистрируется детектором, состоящим из большого числа (до 10³ и более) чувствительных к излучению элементов (сцинтилляционных счётчиков, ионизационных детекторов и др.). Режим работы рентгеновской трубки задаётся высоковольтным генератором. Сканирующее устройство обычно представляет собой жёстко скреплённые рентгеновскую трубку и детектор, непрерывно вращающиеся вокруг исследуемого объекта. Сигналы с элементов детектора с помощью аналого-цифровых преобразователей измеряются и поступают в компьютер. Информация со всех элементов снимается через каждые 0,5-1°, в результате за один оборот формируется массив данных, состоящий из 10⁵-10⁶ чисел, упорядоченных в так называемой проекции, по которым в компьютере осуществляется реконструкция томографического изображения. С начала 1990-х годов в клинической практике широко используются спиральные и мультиспиральные (содержащие два и более рядов детекторов) рентгеновские компьютерные томографы, в которых сканирование осуществляется при одновременном непрерывном вращении рентгеновской трубки вокруг тела пациента и поступательное движении стола с пациентом вдоль продольной оси (траектория сканирования в этом случае имеет форму спирали). Технология спирального сканирования позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на томографическое исследование, повысить пространственное и временное разрешение и существенно уменьшить «лучевую нагрузку» на пациента.

В медицинской диагностике всё большее распространение получают магнитно-резонансные томографы, позволяющие получать высокое качество изображения и одновременно визуализировать несколько характеристик объекта; кроме того, они не содержат источников рентгеновского излучения, оказывающего вредное воздействие на живые организмы. В магнитном компьютерном томографе (рис. 2) используется резонансное переизлучение радиоволн ядрами атомов некоторых элементов (например, водорода), находящихся в постоянном магнитном поле определённой величины. Процесс сканирования осуществляется без механического перемещения - созданием магнитного поля заданной конфигурации путём изменения токов в катушках магнитного сканирующего устройства, а также заданием формы и скважности импульсов радиочастотного (РЧ) излучения, возбуждающего ядра атомов в исследуемой области объекта. Сформированные последовательности импульсов подаются от РЧ-генератора на РЧ-катушку, окружающую объект. Ответное излучение резонирующих ядер (эхо-сигнал) воспринимается той же катушкой через некоторое время после прекращения действия возбуждающих импульсов. Зарегистрированное излучение после усиления, фазового детектирования и преобразования в цифровую форму поступает в компьютер для реконструкции изображения.

Компьютерные  томографы широко применяются также в промышленной интроскопии при технологическом контроле изделий сложной структуры (тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, радиоэлектронных элементов, строительных конструкций и др.). Различные модификации методов просвечивания (например, так называемые трансмиссионные методы) и обработки данных, применяемые в компьютерном томографе, используются для исследования кристаллов, структуры биологических молекул, распределения пород в земной коре и др. В радиоизотопной медицинской диагностике, а также в ядерной энергетике, физике плазмы и радиоастрономии применяются методы, так называемой эмиссионной компьютерной томографии, для которой характерно восстановление пространственных распределений источников излучения, находящихся внутри исследуемого объекта.

Лит.: Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. М., 1983; Вайнберг Э. И. и др. Промышленная рентгеновская вычислительная томография // Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник / Под ред. В. В. Клюева. 2-е изд. М., 1986. Т. 1; Физика визуализации изображений в медицине / Под ред. С. Уэбба. М., 1991. Т. 1; Мэнсфилд П. Быстрая магнитнорезонансная томография // Успехи физических наук. 2005. Т. 175. № 10.