Scanner CAT

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Un scanner de tomodensitométrie (CT) ou de tomographie axiale informatisée (CAT) est un outil d'imagerie médicale qui fournit des images claires des structures internes du corps. Utilisant un faisceau de rayons X et un détecteur de rayonnement, il fournit des données à un ordinateur, qui construit ensuite une image en trois dimensions. Le scanner CAT est composé de divers composants électroniques complexes, qui sont produits par divers sous-traitants et assemblés en une unité complète par les fabricants de scanners. Développé pour la première fois au début des années 1970, des améliorations technologiques constantes ont fait de ce type de scanner un appareil de diagnostic radiologique inestimable.

Historique

L'invention du scanner CAT a été rendue possible par Wilhelm Roentgen, qui a découvert les rayons X en 1895. À cette époque, divers scientifiques étudiaient le mouvement des électrons à travers un appareil en verre connu sous le nom de tube de Crookes. Roentgen voulait capturer visuellement l'action des électrons, alors il a enveloppé son tube de Crookes dans du papier photographique noir. Lorsqu'il a mené son expérience, il a remarqué qu'une plaque recouverte d'un matériau fluorescent, qui se trouvait juste à côté du tube, était fluorescente ou brillait. C'était inattendu car aucune lumière visible n'était émise par le tube enveloppé. Après une enquête plus approfondie, il a découvert qu'en effet il y avait une sorte de lumière invisible produite par ce tube, et qu'elle pouvait pénétrer des matériaux tels que le bois, l'aluminium ou la peau humaine.

Après cette découverte initiale, Roentgen a rapidement réalisé l'importance de sa découverte pour la médecine. À l'aide de rayons X, il a déterminé qu'il était possible de créer une image de structures sous la peau. À cette fin, il a publié la première radiographie, une image de la main de sa femme. Il a reçu le premier prix Nobel de physique en 1901 pour cette découverte. La première utilisation documentée des rayons X pour un diagnostic réel aux États-Unis a eu lieu en 1896. Le Dr Gilman Frost et son frère, qui était physicien, les ont utilisés pour déterminer la gravité des blessures subies par un jeune garçon qui avait fait du patin à glace. accident. Cette radiographie a été prise dans le laboratoire de physique du Dartmouth College.

Au fur et à mesure que le domaine de la radiographie s'étendait, la technologie des rayons X s'améliorait régulièrement. L'une des limitations majeures des radiographies conventionnelles était qu'elles manquaient de profondeur; par conséquent, de nombreuses structures internes se sont superposées les unes aux autres. Avec l'aide d'ordinateurs, les scientifiques ont développé des méthodes pour résoudre ce problème. L'une de ces méthodes était la tomodensitométrie (CT) ou la tomographie axiale informatisée (CAT). Le premier scanner CAT a été présenté en 1970 par Godfrey Hounsfield et Allen Cormack. Au cours des deux décennies suivantes, des progrès significatifs ont été réalisés dans la conception des scanners, qui ont abouti aux scanners d'imagerie de haute qualité utilisés aujourd'hui.

Contexte

Les scanners CAT, comme toutes les autres machines à rayons X, utilisent des rayons X pour produire des images des structures internes du corps. Les rayons X sont un type de rayonnement ionisant capable de pénétrer les matériaux solides à des degrés divers, selon leur densité et leur épaisseur. En radiologie conventionnelle, une image est produite en plaçant un détecteur, tel qu'un film photographique, derrière le patient puis en dirigeant un faisceau de rayons X vers lui. Le rayonnement traverse le corps du patient et interagit avec le film. Étant donné que les rayons X qui frappent le film produisent des zones sombres après le traitement, les structures corporelles qui sont facilement pénétrées par les rayons X, telles que la peau, apparaissent comme des régions sombres. D'autres structures telles que les muscles, les tissus mous et les organes laissent passer différentes quantités de rayons X et apparaissent sous forme de zones grises. Les os, qui ne laissent pas passer les rayons X, se présentent sous la forme de zones d'un blanc éclatant.

Les images produites par les rayons X de films conventionnels sont souvent floues car de nombreuses structures internes sont superposées les unes aux autres. La tomographie a été développée pour réduire ce flou et permettre l'imagerie de zones spécifiques du corps. Les premières méthodes tomographiques impliquaient le déplacement simultané du générateur de rayons X et du film de détection dans des directions opposées. Lorsque les deux unités se déplacent horizontalement, seules les structures corporelles situées dans un plan géométrique spécifique permettront aux rayons X de passer systématiquement vers le détecteur. De cette façon, ces structures apparaissent clairement sur le film, tandis que les structures en dehors du plan sont floues. L'image produite par ce type de radiologie est parallèle au grand axe du corps.

La tomographie axiale informatisée et la tomographie transaxiale informatisée représentent une forme plus complexe et améliorée de tomographie conventionnelle. Les images sont produites en faisant tourner le générateur de rayons X et les détecteurs autour du patient en cercle. La quantité de rayonnement résiduel atténué émis par le corps à divers angles est mesurée et envoyée à un ordinateur au lieu d'être enregistrée directement sur un film. L'ordinateur exécute ensuite une série d'algorithmes complexes pour reconstruire l'image, qui peut ensuite être affichée sur un moniteur. Contrairement à la tomographie conventionnelle, l'image produite par la tomographie transaxiale informatisée est une coupe transversale du corps et est appelée image transaxiale car elle est perpendiculaire au grand axe du corps.

Les rayons X sont appelés rayonnements ionisants car ils sont capables d'interagir avec et de modifier certains types de matière, comme les molécules du corps. Bien qu'il s'agisse certainement d'un risque important pour la santé des humains, les avantages de l'utilisation des rayons X en médecine sont écrasants. Cependant, les travailleurs du domaine médical veillent à limiter leur exposition et celle des patients.

Conception

Le scanner CAT est composé de trois systèmes principaux, dont le portique, l'ordinateur et la console d'exploitation. Chacun d'eux est composé de divers sous-composants. L'ensemble portique est le plus grand de ces systèmes. Il est composé de tous les équipements liés au patient, y compris le support patient, la table de positionnement, les supports mécaniques et le boîtier du scanner. Il contient également le cœur du scanner CAT, le tube à rayons X, ainsi que des détecteurs qui génèrent et détectent les rayons X.

Le tube à rayons X est un type spécial de diode électrique scellée sous vide conçue pour émettre des rayons X. Il est composé de deux électrodes, la cathode et l'anode. Pour produire des rayons X, un filament dans la cathode est chargé d'électricité à partir d'un générateur haute tension. Cela fait chauffer le filament et émettre des électrons. Grâce à leur attraction naturelle et à une coupelle de focalisation spéciale, les électrons se dirigent directement vers l'anode chargée positivement. Les rayons X sont émis indifféremment lorsque les électrons frappent l'anode. L'anode, qui peut être rotative ou non, ramène ensuite l'électricité au générateur haute tension pour compléter le circuit. Pour focaliser les rayons X en un faisceau, le tube à rayons X est contenu à l'intérieur d'un boîtier de protection. Ce boîtier est doublé de plomb à l'exception d'une petite fenêtre en bas. Les rayons X utiles peuvent s'échapper par cette fenêtre, tandis que le plomb empêche la fuite des rayonnements parasites dans d'autres directions.

Contrairement à d'autres appareils radiologiques, les détecteurs d'un scanner CAT ne mesurent pas directement les rayons X. Ils mesurent le rayonnement atténué des structures corporelles en raison de leur interaction avec les rayons X. Un type de détecteur est un détecteur rempli de gaz idéal. Lorsque le rayonnement frappe l'un de ces détecteurs, le gaz est ionisé et un niveau de rayonnement peut être déterminé.

L'ordinateur est spécialement conçu pour collecter et analyser les entrées du détecteur. C'est un ordinateur de grande capacité capable d'effectuer des milliers d'équations simultanément. La vitesse de reconstruction et la qualité de l'image dépendent toutes du microprocesseur et de la mémoire interne de l'ordinateur. UNE ordinateur rapide est particulièrement important car il influence grandement la vitesse et l'efficacité de l'examen. Étant donné que l'ordinateur est si spécialisé, il nécessite une pièce avec un environnement strictement contrôlé. Par exemple, la température est généralement maintenue en dessous de 20 °C (68 °F) et l'humidité est inférieure à 30 %.

La console de commande est le centre de contrôle principal du scanner CAT. Il est utilisé pour saisir tous les facteurs liés à la prise d'un scan. En règle générale, cette console est composée d'un ordinateur, d'un clavier et de plusieurs moniteurs. Il existe souvent deux consoles de commande différentes, l'une utilisée par l'opérateur du scanner CAT et l'autre par le médecin. La console de l'opérateur contrôle des variables telles que l'épaisseur de la tranche de tissu imagée, le mouvement mécanique de la table du patient et d'autres facteurs techniques radiographiques. La console de visualisation du médecin permet au médecin de visualiser l'image sans interférer avec le fonctionnement normal du scanner. Il permet également la manipulation d'images, si cela est nécessaire pour le diagnostic et le stockage d'images pour une utilisation ultérieure. Pour ce type de stockage de données, des bandes magnétiques ou des disquettes sont disponibles.

La conception d'un scanner CAT s'est progressivement améliorée au fil du temps. Les scanners CAT originaux utilisaient un mince faisceau de rayons X et prenaient 180 lectures, une à chaque degré de rotation autour d'un demi-cercle. Le générateur de rayons X et les détecteurs se sont déplacés horizontalement pour chaque scan, puis ont été tournés d'un degré pour prendre le scan suivant. Deux détecteurs ont été utilisés, de sorte que deux images différentes puissent être générées à partir de chaque balayage. L'inconvénient de ce système était la longueur des temps de balayage. Une seule analyse peut prendre jusqu'à cinq minutes. Les conceptions se sont améliorées à mesure que davantage de détecteurs étaient ajoutés et que le faisceau de rayons X était déployé à l'aide d'un filtre spécial. Cela a considérablement réduit le temps de numérisation à environ 20 secondes. La prochaine amélioration majeure de la conception a entraîné l'élimination du mouvement horizontal du générateur et du détecteur, ce qui en fait un scanner rotatif uniquement. D'autres détecteurs ont été ajoutés et regroupés dans un réseau de détecteurs curvilignes. Le réseau de détecteurs a finalement été conçu pour être stationnaire, et le temps de balayage résultant a été réduit à une seconde.

Matières premières

Une grande variété de matériaux, tels que l'acier, le verre et le plastique, sont utilisés pour construire les composants d'un scanner CAT. Certains des composés les plus spécialisés peuvent être trouvés dans le divan du patient, le réseau de détecteurs et le tube à rayons X. Le canapé du patient est généralement fabriqué en fibre de carbone pour l'empêcher d'interférer avec la transmission du faisceau de rayons X. Les scanners CAT utilisent la technologie à rayons X pour créer des images tridimensionnelles des structures internes du corps. Les images sont obtenues en faisant tourner le générateur de rayons X et les détecteurs autour du patient. Ces informations sont introduites dans un ordinateur, qui reconstruit des images des structures corporelles dans son plan de focalisation. Le réseau de détecteurs des scanners plus modernes utilise des plaques de tungstène, un substrat en céramique et du gaz xénon. Le tungstène est également utilisé pour fabriquer la cathode et la cible du faisceau d'électrons du tube à rayons X. Les autres matériaux trouvés dans le tube sont le Pyrex. alliages de verre, de cuivre et de tungstène. Dans de nombreuses parties du système de scanner CAT, du plomb peut être trouvé, ce qui réduit la quantité de rayonnement en excès.

Le processus de fabrication

La fabrication du scanner CAT est généralement un assemblage de divers composants fournis par des fabricants externes. Le processus suivant explique comment les principaux composants sont produits.

Composants d'assemblage du portique

• 1 Le tube à rayons X est fabriqué à peu près comme les autres types de diodes électriques. Les composants individuels, y compris la cathode et l'anode, sont placés à l'intérieur de l'enveloppe du tube et scellés sous vide. Le tube est ensuite placé dans le boîtier de protection, qui peut ensuite être fixé à la partie rotative du châssis du scanner.
• 2 Divers réseaux de détecteurs sont disponibles pour les scanners CAT. Un type de réseau de détecteurs est le détecteur rempli de gaz idéal. Ceci est fait en plaçant des bandes de tungstène à 0,04 pouce (1 mm) d'intervalle autour d'un grand cadre métallique. Un substrat en céramique maintient les bandes en place. L'ensemble est hermétiquement scellé et rempli sous pression d'un gaz inerte tel que le xénon. Chacune des minuscules chambres formées par les espaces entre les plaques de tungstène sont des détecteurs individuels. Le détecteur fini est également fixé au châssis du scanner.
• 3 Pour créer la grande quantité de tension nécessaire pour produire des rayons X, un autotransformateur est utilisé. Ce dispositif d'alimentation est réalisé en enroulant du fil autour d'un noyau. Les branchements des prises électriques sont effectués en divers points le long de la bobine et connectés à la source d'alimentation principale. Avec cet appareil, la tension de sortie peut être augmentée jusqu'à environ deux fois la tension d'entrée.

Console de contrôle et ordinateur

• 4 La console de commande et l'ordinateur sont spécialement conçus et fournis par les fabricants d'ordinateurs. L'ordinateur principal de création de modèles est spécifiquement programmé avec les algorithmes de reconstruction nécessaires pour manipuler les données radiographiques de l'assemblage du portique. Les consoles de contrôle sont également programmées avec un logiciel pour contrôler l'administration de la tomodensitométrie.

Assemblage final

• 5 L'assemblage final du scanner CAT est un processus personnalisé qui a souvent lieu dans l'installation d'imagerie radiologique. Les pièces sont spécialement conçues pour abriter chaque composant et minimiser le risque d'exposition excessive aux rayonnements ou de choc électrique. En suivant des plans spécifiques, l'installation de l'équipement et le câblage de l'ensemble du système de scanner CAT sont terminés.

Contrôle qualité

Comme pour tout équipement électronique, les tests de contrôle qualité sont une partie importante de la fabrication de scanners CAT. Les fabricants de scanners comptent généralement sur leurs fournisseurs pour effectuer des tests de qualité de base sur les composants entrants. Lorsque des sections du scanner sont assemblées, des inspections visuelles et électriques sont effectuées tout au long du processus pour détecter les défauts. En plus des spécifications de qualité définies par les fabricants, la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a des réglementations qui obligent les fabricants à effectuer des tests de contrôle de qualité spécifiques. Des exemples de ces tests comprennent des tests d'étalonnage du tube à rayons X, des tests mécaniques de la table du patient et des tests de normalisation de la sortie visuelle.

Le futur

La recherche pour les futurs scanners CAT se concentre sur quatre objectifs de base, notamment la production d'images de meilleure qualité, la réduction de la quantité d'exposition aux rayonnements des patients, l'optimisation des algorithmes de reconstruction informatique et l'amélioration de la conception des scanners CAT. Diverses méthodes pour atteindre ces objectifs ont déjà été tentées. Pour améliorer la qualité de l'image, certains scanners intègrent des mouvements uniques du tube à rayons X, du détecteur ou des deux. D'autres modifient la position du patient. Des scanners plus rapides sont en cours de développement pour réduire le temps d'exposition des patients. Différents types d'algorithmes informatiques ont été développés pour une variété d'examens. Les futurs scanners CAT intégreront probablement la plupart de ces nouveaux développements, ainsi qu'un tube à rayons X à rotation continue et des détecteurs pour fournir la procédure d'imagerie la plus claire et la plus sûre possible.