Tomografia komputerowa (ang. Computed Tomography – CT)  jest systemem pośredniego obrazowania – dokonywana jest rekonstrukcja obrazu na drodze obliczeń matematycznych. Badanie to pozwala na uzyskanie obrazów  przestrzennych (wizualizacja narządów 3D) i przekroju badanego obiektu dzięki wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego.

Tomografia komputerowa umożliwia ustalenie rozpoznania do leczenia operacyjnego, dlatego stosuje się ją bardzo szeroko w diagnostyce. Umożliwia lekarzowi dokonanie oceny niemal wszystkich narządów wewnętrznych człowieka i rozpoznanie w nich zmian chorobowych. Badanie nie jest długie – średni czas to 15-30 minut. Ponadto tomografia komputerowa jest bezbolesna i zupełnie nieinwazyjna. Do przeprowadzenia tomografii nie jest potrzebne żadne przygotowanie przez pacjenta, jednak jeżeli jest to badanie z użyciem kontrastu to powinien on nie przyjmować posiłków na około 6 godzin przed badaniem. Metoda obrazowania za pomocą tomografii komputerowej jest ciągle doskonalona poprzez czołowe firmy z branży aparatury medycznej pragnące jak najlepiej sprostać oczekiwaniom nowoczesnej medycyny.

Współczesne tomografy komputerowe (ang. CT scanner) wykonują nawet do 2 000 000 projekcji. Dzięki temu ich rozdzielczość sięga dziesiątków mikrometrów. Standardem staje się tomografia komputerowa wielorzędowa, w których liczba odbierających elementów zwiększona została do 64, choć takie firmy jak Toshiba czy Philips wprowadziły już na rynek  skanery 128 i 256 rzędowe. Kolejnym etapem rozwoju jest wprowadzenie dwóch lamp rentgenowskich. Zmiany pozwalają na znaczne skrócenie czasu badania, zmniejszenie dawki promieniowania rentgenowskiego, a jednocześnie uzyskanie dużo większej ilości danych, pozwalających na dokładniejsze obrazowanie badanych narządów i  lepszą projekcję przestrzenną obrazu (3D). Kierunek postępów w rozwoju tomografii komputerowej jest nakreślany w stronę tomografii spektralnej.

Budowa tomografu komputerowego

W tomografii komputerowej możemy wyróżnić trzy charakterystyczne fragmenty: stół na którym w pozycji unieruchomionej  podczas badania leży pacjent, skaner (gantry), który jest głównym urządzeniem dokonującym pomiaru oraz oprzyrządowanie, czyli konsolę operatora za pomocą której operator steruje systemem tomografu, wyświetla i archiwizuje obrazy.

Podstawowym elementem skanera jest system pomiarowy zawierający: komorę pomiarową, lampę rentgenowską i kolimator, system detektorów, układ obracający, układ zasilania lampy rentgenowskiej.

Lampa rentgenowska posiada wirującą anodę oraz jest odporna na duże obciążenia termiczne wynikające z dużej liczby następujących szybko po sobie skanów. Detektory służą do przetwarzania promieniowania rentgenowskiego na sygnał elektryczny. Najczęściej stosowane są dwa typy detektorów – kseonowe i półprzewodnikowe. Kolimatory znajdują się w pobliżu lampy rentgenowskiej i przy każdym z detektorów. Mają za zadanie kształtować wiązkę promieniowania i minimalizować rozpraszanie promieniowanie. Od ich wysokości zależy grubość skanowanej warstwy.

Ogólna zasada rekonstrukcji obrazu w tomografii komputerowej

Podczas skanowania pacjent umieszczany jest w komorze pomiarowej, a rejestrowanie obrazu odbywa się za pomocą obrotu (3 – tor ruchu lampy) dookoła obiektu/pacjenta (5)  obręczy pomiarowej, w której znajduje się lampa rentgenowska (4) i nieruchome detektory (1) wykonujące serię prześwietleń (2 – wiązka promieniowania). Podczas każdorazowej emisji promieniowania przez lampę detektory przesyłają do komputera  informację o pochłoniętym przez tkanki promieniowaniu. Dzięki odpowiedniej obróbce przy użyciu metod matematycznych uzyskuje się czytelny obraz, który może być już interpretowany przez lekarza. Wszystkie metody przetwarzania danych z detektorów bazują na odtworzeniu osłabień promieniowania w podstawowym elemencie objętości obiektu. Powstałe obrazy są monochromatyczne (czarno-białe), tak samo jak w przypadku podstawowych zdjęć rentgenowskich.

Skanowanie pojedynczych przekrojów wymaga przesunięcia pacjenta oraz przerwy na wzięcie przez niego oddechu (badanie płuc czy wątroby) w celu wykonania prześwietleń dla kolejnego. Stwarzało to ryzyko przemieszczenia organów w czasie oddychania oraz poruszenia się pacjenta w czasie przerwy. W związku z tym obecnie standardowo stosowanym rozwiązaniem jest tomografia spiralna. Lampa rentgenowska i detektor obracają się wokół pacjenta w sposób ciągły po linii śrubowej.

Tomografia komputerowa spiralna pozwoliła skrócić czas badania jak i zmniejszyć dawkę podawanego kontrastu. Spowodowała ona szybki i wciąż postępujący rozwój angiografii - technice umożliwiającej obrazowanie dużych naczyń krwionośnych, pozwalając na diagnozowanie (trójwymiarowa CTA) zwężenia tętnicy nerkowej czy tętniaka jamy brzusznej.

Algorytmy rekonstrukcji i wizualizacji dla tomografii komuterowej

Metoda sumacyjna (Back Projection)

Polega na zsumowaniu poszczególnych prześwietleń (projekcji) wykonywanych pod różnym kątem. Im większa jest ich ilość tym dokładniejszy otrzymujemy obraz, dzięki któremu możemy wnioskować o budowie wewnętrznej obiektu. Metoda ta nie jest wykorzystywana obecnie w praktyce.

Metoda iteracyjna

Rekonstrukcja polega na odszukania współczynnika pochłaniania promieniowania w poszczególnych elementach objętości obiektu (voxelach), tak aby był on zgodny ze zmierzonymi wartościami. Początkowo określa się wartość współczynnika na równym poziomie dla wszystkich elementów, a następnie porównuje z wynikami. Przez kolejne powtórzenia porównywania i modyfikacje wartości dla kolejnych projekcji doprowadza się do uzyskania zgodności pomiędzy wartościami zmierzonymi, a wyznaczonymi.

Możemy wyróżnić trzy odmiany metody iteracyjnej:

• rekonstrukcja jednoczesna – obliczenia dla wszystkich prześwietleń i całej matrycy voxeli
• korekcja promień po promieniu – obliczenia i poprawki prowadzone są dla każdej projekcji
• korekcja punkt po punkcie – powtórzenie obliczeń i poprawek następuje oddzielnie dla każdej prześwietlenia i dla każdego voxela.

Metody analityczne

Metody analityczne są używane we wszystkich współczesnych tomografach komputerowych. Do najpopularniejszych z nich należą analiza w oparciu o transformatę Fouriera oraz, obecnie powszechnie stosowana, filtrowana projekcja wsteczna, występująca również w literaturze jako filtrowany rzut wsteczny czy też metoda sumacyjna z filtrowaniem (ang. FBP – Filtered Back Projection).

Metoda FBP zapobiega powstawaniu rozmycia występującego przy bezpośrednim zastosowaniu metody Fouriera. Do poprawy dokładności szukanego obrazu przyczynia się zastosowanie odwrotnego przekształcenia Radona oraz twierdzenia o przekroju Fouriera. Na rekonstrukcję składają się dwie główne czynności: filtracja i operacja rzutu wstecznego.

Stopień eliminacji rozmycia obrazu zależy od zastosowanego filtru. Źle dobrany filtr rekonstrukcji (górnoprzepustowy) może bardzo dobrze eliminować rozmycie, ale również uwypuklać szum, co przełoży się znacznie na jakość obrazu, dlatego w literaturze można spotkać szczegółowe rozważania na temat doboru optymalnego filtru.

Wśród filtrów rekonstrukcyjnych należy wymienić filtr: Shepp-Logana, Parzen, Ram-Laka czy Hamminga.

Najpopularniejsze zastosowania diagnostyczne tomografii komputerowej

Diagnostyka:

• mózgowia i odcinka lędźwiowo-krzyżowego kręgosłupa-tętniaki aorty
• guzy mózgu
• nowotworów pęcherza moczowego, prostaty, jajnika, macicy
• udarów mózgu
• nieurazowe zmiany w centralnym układzie nerwowym – tętniak, krwawienie, wodogłowie
• dokładne badanie jamy brzusznej i miednicy
• świeże urazy czaszki – łatwe wykrycie krwiaków
• badanie nie nadaje się do diagnozowania chorób jelit

Firmy zajmujące się produkcją tomografów komputerowych

Polska nie posiada rodzimej korporacji produkującej tomografy komputerowe, lecz na jej terenie działają filie firm światowych liderów specjalizujących się w tej branży, np. Philips Healthcare Polska, GE Medical Systems Polska.

Do największych z nich,  zajmujących się produkcją sprzętu medycznego, a w tym tomografów komputerowych należą między innymi:  Johnson & Johnson, GE Healthcare, Siemens Healthcare, ANDA Medical, Philips Healthcare, Almana Medical Imaging, Tyco Healthcare, Neusoft, Hitachi Medical Systems.

Istnieje ponadto wiele firm, które są dystrybutorami takich producentów jak: TMS – przedstawiciel Toshiba Medical Systems, Mar-med – przedstawiciel Neusoft, KIE – przedstawiciel Hitachi Medical Systems, Consultronix - Philips.