CATスキャナー

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コンピューター断層撮影（CT）またはコンピューター断層撮影（CAT）スキャナーは、身体の内部構造の鮮明な画像を提供する医用画像ツールです。 X線ビームと放射線検出器を利用して、コンピューターにデータを供給し、コンピューターが3次元画像を作成します。 CATスキャナーは、さまざまな下請け業者によって製造され、スキャナーメーカーによって完全なユニットに組み立てられた、さまざまな複雑な電子部品で構成されています。 1970年代初頭に最初に開発された着実な技術の進歩により、このタイプのスキャナーは非常に貴重な放射線診断装置になりました。

歴史

CATスキャナーの発明は、1895年にX線を発見したヴィルヘルムレントゲンによって可能になりました。この頃、さまざまな科学者がクルックス管と呼ばれるガラス装置を通る電子の動きを調査していました。レントゲンは電子の作用を視覚的に捉えたかったので、クルックス管を黒い印画紙で包みました。彼が実験を行ったとき、彼は蛍光物質でコーティングされたプレートがたまたまチューブの近くに横たわっていたのに気づきました。ラップされたチューブから可視光が放射されていなかったため、これは予想外でした。さらに調査したところ、彼は確かにこのチューブによって生成されたある種の目に見えない光があり、それが木、アルミニウム、または人間の皮膚などの材料を透過する可能性があることを発見しました。

この最初の発見の後、レントゲンはすぐに彼の発見が医学にとって重要であることに気づきました。彼はX線を使用して、皮膚の下の構造の画像を作成することが可能であると判断しました。この目的のために、彼は最初のX線、妻の手の画像を公開しました。彼はこの発見により、1901年に最初のノーベル物理学賞を受賞しました。米国での実際の診断のための最初の文書化されたX線の使用は、1896年に発生しました。物理学者であったギルマンフロスト博士と彼の兄弟は、アイススケートをした少年が受けた負傷の重症度を判断するためにX線を使用しました。事故。このX線は、ダートマス大学の物理学研究室で撮影されました。

X線撮影の分野が拡大するにつれて、X線技術は着実に進歩しました。従来のX線の主な制限の1つは、深さが不足していることでした。したがって、多くの内部構造が互いに重なり合っていました。科学者たちはコンピューターの助けを借りて、この問題を解決する方法を開発しました。そのような方法の1つは、コンピューター断層撮影（CT）またはコンピューター断層撮影（CAT）でした。最初のCATスキャナーは、1970年にゴッドフリーハウンズフィールドとアレンコーマックによって実証されました。次の20年間で、スキャナーの設計が大幅に進歩し、今日使用されている高品質のイメージングスキャナーになりました。

背景

CATスキャナーは、他のすべてのX線装置と同様に、X線を使用して体内構造の画像を生成します。 X線は、密度と厚さに応じて、さまざまな程度で固体材料を透過できる電離放射線の一種です。従来の放射線科では、写真フィルムなどの検出器を患者の後ろに置き、X線ビームを患者に向けることによって画像が生成されます。放射線は患者の体を通過し、フィルムと相互作用します。フィルムに当たるX線は処理後に暗い領域を生成するため、皮膚などのX線が透過しやすい体の構造は暗い領域として表示されます。筋肉、軟部組織、臓器などの他の構造では、さまざまな量のX線が通過し、灰色の領域として表示されます。 X線が通過できない骨は、明るい白い領域として表示されます。

従来のフィルムX線で生成された画像は、内部構造の多くが互いに重なり合っているため、ぼやけていることがよくあります。トモグラフィーは、このあいまいさを軽減し、身体の特定の領域の画像化を可能にするために開発されました。初期の断層撮影法は、X線発生器と検出フィルムを反対方向に同時に動かすことを含んでいました。 2つのユニットが水平方向に移動すると、特定の幾何学的平面にある体の構造のみが、X線を一貫して検出器に通過させることができます。このように、これらの構造はフィルム上にはっきりと現れますが、平面の外側の構造はぼやけています。このタイプの放射線によって生成される画像は、体の長軸に平行です。

コンピューター化されたアキシャルトモグラフィーおよびコンピューター化されたトランスアキシャルトモグラフィーは、従来のトモグラフィーのより複雑で改良された形態を表す。画像は、X線発生器と検出器を患者の周りで円を描くように回転させることによって生成されます。さまざまな角度で体から放出される減衰した残留放射線の量が測定され、フィルムに直接記録されるのではなく、コンピューターに送信されます。次に、コンピューターは一連の複雑なアルゴリズムを実行して画像を再構築し、モニターに表示することができます。従来のトモグラフィーとは異なり、コンピューター化されたトランスアキシャルトモグラフィーによって生成された画像は、体の断面であり、体の長軸に垂直であるため、トランスアキシャル画像と呼ばれます。

X線は、体内の分子などの特定の種類の物質と相互作用して変化させることができるため、電離放射線と呼ばれます。これは確かに人間にとって重大な健康上のリスクですが、医学でX線を使用することの利点は圧倒的です。しかし、医療分野の労働者は、自分自身と患者への曝露量を制限するように注意を払っています。

デザイン

CATスキャナーは、ガントリー、コンピューター、オペレーティングコンソールを含む3つの主要なシステムで構成されています。これらはそれぞれ、さまざまなサブコンポーネントで構成されています。ガントリーアセンブリは、これらのシステムの中で最大のものです。これは、患者サポート、ポジショニングカウチ、機械的サポート、スキャナーハウジングなど、患者に関連するすべての機器で構成されています。また、CATスキャナーの心臓部であるX線管、およびX線を生成および検出する検出器も含まれています。

X線管は、X線を放出するように設計された特殊なタイプの真空シールされた電気ダイオードです。これは、カソードとアノードの2つの電極で構成されています。 X線を生成するために、陰極のフィラメントに高電圧発生器からの電気が充電されます。これにより、フィラメントが加熱され、電子が放出されます。それらの自然な引力と特別な集束カップを使用して、電子は正に帯電したアノードに向かって直接移動します。電子が陽極に当たると、X線が無差別に放出されます。回転している場合も回転していない場合もあるアノードは、電気を高電圧発生器に戻し、回路を完成させます。 X線をビームに集束させるために、X線管は保護ハウジング内に含まれています。このハウジングは、下部の小さな窓を除いて鉛で裏打ちされています。有用なX線はこの窓から逃げることができますが、鉛は他の方向への漂遊放射線の逃げを防ぎます。

他の放射線装置とは異なり、CATスキャナーの検出器はX線を直接測定しません。それらは、X線との相互作用のために体の構造から減衰した放射線を測定します。検出器の1つのタイプは、理想気体で満たされた検出器です。放射線がこれらの検出器の1つに当たると、ガスがイオン化され、放射線レベルを測定できます。

コンピューターは、検出器からの入力を収集して分析するように特別に設計されています。何千もの方程式を同時に実行できる大容量のコンピューターです。再構成の速度と画質はすべて、コンピュータのマイクロプロセッサと内部メモリに依存します。 A 高速コンピューターは、検査の速度と効率に大きく影響するため、特に重要です。コンピュータは非常に特殊であるため、厳密に制御された環境のある部屋が必要です。たとえば、温度は通常、華氏68度（20°C）未満に維持され、湿度は30％未満に維持されます。

オペレーティングコンソールは、CATスキャナーのマスターコントロールセンターです。スキャンに関連するすべての要素を入力するために使用されます。通常、このコンソールは、コンピューター、キーボード、および複数のモニターで構成されています。多くの場合、2つの異なるコントロールコンソールがあります。1つはCATスキャナーのオペレーターが使用し、もう1つは医師が使用します。オペレーターのコンソールは、画像化された組織スライスの厚さ、患者のソファの機械的な動き、およびその他のX線撮影技術の要因などの変数を制御します。医師の表示コンソールを使用すると、医師は通常のスキャナー操作を妨げることなく画像を表示できます。また、診断や後で使用するための画像の保存に必要な場合は、画像の操作も可能です。このタイプのデータストレージには、磁気テープまたはフロッピーディスクを使用できます。

CATスキャナーの設計は、時間の経過とともに徐々に改善されました。オリジナルのCATスキャナーは、X線の細い鉛筆のビームを利用し、半円の周りの回転の各角度で1つずつ、180回の読み取りを行いました。 X線発生器と検出器はスキャンごとに水平方向に移動し、次のスキャンを行うために1度回転しました。 2つの検出器を使用したため、各スキャンから2つの異なる画像を生成できました。このシステムの欠点は、スキャン時間が長くなることでした。 1回のスキャンには最大5分かかる場合があります。より多くの検出器が追加され、X線ビームが特別なフィルターを使用して扇形に広げられるにつれて、設計が改善されました。これにより、スキャン時間が約20秒に大幅に短縮されました。次の主要な設計の改善により、ジェネレーターと検出器の水平方向の動きがなくなり、回転専用スキャナーになりました。さらに検出器が追加され、曲線検出器アレイにグループ化されました。検出器アレイは最終的に静止するように設計され、結果として得られるスキャン時間は1秒に短縮されました。

原材料

CATスキャナーのコンポーネントを構成するために、鋼、ガラス、プラスチックなどのさまざまな材料が使用されています。より特殊な化合物のいくつかは、患者用ソファ、検出器アレイ、およびX線管に含まれています。患者用ソファは通常、X線ビームの透過を妨げることを防ぐために炭素繊維で作られています。 CATスキャナーは、X線技術を使用して身体の内部構造の3次元画像を作成します。画像は、X線発生器と検出器を患者の周りで回転させることによって取得されます。この情報はコンピューターに送られ、コンピューターは焦点面内の体の構造の画像を再構築します。最新のスキャナーの検出器アレイは、タングステンプレート、セラミック基板、およびキセノンガスを使用しています。タングステンは、X線管の陰極と電子ビームのターゲットを作るためにも使用されます。チューブに含まれる他の材料はパイレックスです。ガラス、銅、およびタングステン合金。 CATスキャナーシステムの多くの部分で鉛を見つけることができ、過剰な放射線の量を減らします。

製造
プロセス

CATスキャナーの製造は、通常、外部の製造元から提供されるさまざまなコンポーネントのアセンブリです。次のプロセスでは、主要なコンポーネントの製造方法について説明します。

ガントリーアセンブリコンポーネント

• 1 X線管は、他のタイプの電気ダイオードとほとんど同じように作られています。カソードとアノードを含む個々のコンポーネントは、チューブエンベロープ内に配置され、真空シールされます。次に、チューブは保護ハウジング内に配置され、保護ハウジングはスキャナーフレームの回転部分に取り付けることができます。
• 2CATスキャナーにはさまざまな検出器アレイが用意されています。検出器アレイの1つのタイプは、理想気体で満たされた検出器です。これは、大きな金属フレームの周りに0.04インチ（1 mm）のタングステンのストリップを配置することによって作成されます。セラミック基板がストリップを所定の位置に保持します。アセンブリ全体が密閉され、キセノンなどの不活性ガスで圧力が満たされます。タングステンプレート間のギャップによって形成された小さなチャンバーのそれぞれは、個別の検出器です。完成した検出器もスキャナーフレームに取り付けられています。
• 3 X線を生成するために必要な大量の電圧を生成するために、単巻変圧器が使用されます。この電源装置は、コアにワイヤーを巻いて作られています。電気タップ接続は、コイルに沿ったさまざまなポイントで行われ、主電源に接続されます。このデバイスを使用すると、出力電圧を入力電圧の約2倍に上げることができます。

コントロールコンソルとコンピューター

• 4コントロールコンソルとコンピューターは、コンピューターメーカーによって特別に設計され、供給されています。プライマリモデル構築コンピュータは、ガントリーアセンブリからのX線データを操作するために必要な再構成アルゴリズムで特別にプログラムされています。コントロールコンソールには、CATスキャンの管理を制御するソフトウェアもプログラムされています。

最終組み立て

• 5 CATスキャナーの最終組み立ては、放射線画像診断施設で行われることが多いカスタムプロセスです。部屋は、各コンポーネントを収容し、過度の放射線被曝や感電の可能性を最小限に抑えるように特別に設計されています。具体的な計画に従うことで、CATスキャナーシステム全体の機器の設置と配線が完了します。

品質管理

すべての電子機器と同様に、品質管理テストはCATスキャナー製造の重要な部分です。スキャナーメーカーは通常、入ってくるコンポーネントの基本的な品質テストを実行するためにサプライヤーに依存しています。スキャナーのセクションが組み立てられると、欠陥を検出するためにプロセス全体を通して視覚的および電気的検査が実行されます。メーカーによって設定された品質仕様に加えて、米国食品医薬品局（FDA）には、メーカーに特定の品質管理テストの実行を要求する規制があります。これらのテストの例には、X線管のキャリブレーションテスト、患者テーブルの機械的テスト、および視覚出力の標準化テストが含まれます。

未来

将来のCATスキャナーの研究は、より高品質の画像の生成、患者の放射線被曝量の削減、コンピューター再構成アルゴリズムの最適化、CATスキャナー設計の改善を含む4つの基本的な目標に焦点を合わせています。これらの目的を達成するためのさまざまな方法がすでに試みられています。画質を向上させるために、一部のスキャナーには、X線管、検出器、またはその両方の独自の動きが組み込まれています。他の人は患者の位置を変えます。患者の曝露時間を短縮するために、より高速なスキャナーが開発されています。さまざまな検査のために、さまざまな種類のコンピュータアルゴリズムが開発されています。将来のCATスキャナーは、これらの新しい開発のほとんどを、継続的に回転するX線管と検出器とともに組み込んで、可能な限り最も鮮明で安全なイメージング手順を提供する可能性があります。