КОМПЬЮ́ТЕРНЫЙ ТОМО́ГРАФ

КОМПЬЮ́ТЕРНЫЙ ТОМО́ГРАФ, уст­рой­ст­во, пред­на­зна­чен­ное для по­слой­но­го ис­сле­до­ва­ния внутр. струк­ту­ры объ­ек­та (напр., ор­га­нов че­ло­ве­ка, пром. из­де­лий) по­сред­ст­вом его мно­го­крат­но­го про­све­чи­ва­ния к.-л. ви­дом про­ни­каю­ще­го из­лу­че­ния; дей­ст­вие ос­но­ва­но на при­ме­не­нии ме­то­дов вы­чис­лит. то­мо­гра­фии. В К. т. 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 разл. 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 фи­зич. ха­рак­те­ри­сти­ки объ­ек­та (напр., плот­но­сти), вы­звав­шей из­ме­не­ние к.-л. 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 К. т., а так­же то­мо­гра­фы на ос­но­ве ядер­но­го маг­нит­но­го ре­зо­нан­са (т. н. ЯМР- или маг­нит­но-ре­зо­нанс­ные то­мо­гра­фы), в ко­то­рых ис­поль­зу­ет­ся ре­зо­нанс­ное ра­дио­час­тот­ное из­лу­че­ние. Напр., в рент­ге­нов­ских и гам­ма-то­мо­гра­фах вос­ста­нав­ли­ва­ют про­стран­ст­вен­ные рас­пре­де­ле­ния ко­эф. ос­лаб­ле­ния ис­поль­зуе­мо­го из­лу­че­ния, в ульт­ра­зву­ко­вых – ко­эф. ос­лаб­ле­ния или ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния ульт­ра­зву­ка. В маг­нит­но-ре­зо­нанс­ных то­мо­гра­фах ре­кон­ст­руи­ру­ют­ся ло­каль­ные кон­цен­тра­ции ре­зо­ни­рую­щих атом­ных ядер и вре­ме­на их ре­лак­са­ции.

В со­став К. т. 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 (напр., маг­нит­ные или оп­тич. дис­ки, маг­нит­ные лен­ты) и уст­рой­ст­ва для фо­то­ре­ги­ст­ра­ции то­мо­грамм. При­ме­не­ние тех­ни­ки ска­ни­рую­ще­го про­све­чи­ва­ния, вы­со­ко­чув­ст­вит. 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 К. т. мож­но ис­сле­до­вать объ­ек­ты раз­ме­ром от де­сят­ков мм до не­сколь­ких м. По­греш­ность из­ме­ре­ний обыч­но со­став­ля­ет ок. 1%; вре­мя ис­сле­до­ва­ния од­но­го слоя мо­жет из­ме­нять­ся в пре­де­лах от еди­ниц мс до де­сят­ков мин.

Рис. 1. Структурная схема рентгеновского компьютерного томографа.

Пер­вый К. т. (рент­ге­нов­ский) соз­дан в 1969 Г. Ха­унс­фил­дом (Но­бе­лев­ская пр., 1979; совм. с А. Кор­ма­ком) и пред­на­зна­чал­ся для ска­ни­ро­ва­ния внутр. ор­га­нов; стал ис­поль­зо­вать­ся с диа­гно­стич. це­ля­ми в кли­нич. ме­ди­ци­не. Ис­точ­ни­ком из­лу­че­ния в рент­ге­нов­ском К. т. (рис. 1) слу­жит рент­ге­нов­ская труб­ка, фор­ми­рую­щая тон­кий (1–10 мм) рас­хо­дя­щий­ся (т. н. 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 т. н. про­ек­ции, по ко­то­рым в компьютере осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ре­кон­ст­рук­ция то­мо­гра­фич. изо­бра­же­ния. С нач. 1990-х гг. в кли­нич. прак­ти­ке ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся спи­раль­ные и муль­тис­пи­раль­ные (со­дер­жа­щие два и бо­лее ря­дов де­тек­то­ров) рент­ге­нов­ские К. т., в ко­то­рых ска­ни­ро­ва­ние осу­ще­ст­в­ля­ет­ся при од­но­вре­мен­ном не­пре­рывном вра­ще­нии рент­ге­нов­ской труб­ки во­круг те­ла па­ци­ен­та и по­сту­пат. дви­же­нии сто­ла с па­ци­ен­том вдоль про­доль­ной оси (тра­ек­то­рия ска­ни­ро­ва­ния в этом слу­чае име­ет фор­му спи­ра­ли). Тех­но­ло­гия спи­раль­но­го ска­ни­ро­ва­ния по­зво­ля­ет зна­чи­тель­но со­кра­тить вре­мя, за­тра­чи­вае­мое на то­мо­гра­фич. ис­сле­до­ва­ние, по­вы­сить про­стран­ст­вен­ное и вре­меннóе раз­ре­ше­ние и су­ще­ст­вен­но умень­шить «лу­че­вую на­груз­ку» на па­ци­ен­та.

Рис. 2. Структурная схема магнитно-резонансного томографа.

В мед. ди­аг­но­сти­ке всё боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­ча­ют маг­нит­но-ре­зо­нанс­ные то­мо­гра­фы, по­зво­ляю­щие по­лу­чать вы­со­кое ка­че­ст­во изо­бра­же­ния и од­но­вре­мен­но ви­зуа­ли­зи­ро­вать неск. ха­рак­те­ри­стик объ­ек­та; кро­ме то­го, они не со­дер­жат ис­точ­ни­ков рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, ока­зы­ваю­ще­го вред­ное воз­дей­ст­вие на жи­вые ор­га­низ­мы. В маг­нит­ном К. т. (рис. 2) ис­поль­зу­ет­ся ре­зо­нанс­ное пе­ре­из­лу­че­ние ра­дио­волн яд­ра­ми ато­мов не­ко­то­рых эле­мен­тов (напр., во­до­ро­да), на­хо­дя­щих­ся в по­сто­ян­ном маг­нит­ном по­ле оп­ре­де­лён­ной ве­ли­чи­ны. Про­цесс ска­ни­ро­ва­ния осу­ще­ст­в­ля­ет­ся без ме­ха­нич. 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.

К. т. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся так­же в пром. ин­тро­ско­пии при тех­но­ло­гич. кон­тро­ле из­де­лий слож­ной струк­ту­ры (те­п­ло­вы­де­ляю­щих эле­мен­тов ядер­ных ре­ак­то­ров, ра­дио­элек­трон­ных эле­мен­тов, стро­ит. кон­ст­рук­ций и др.). Разл. мо­ди­фи­ка­ции ме­то­дов про­све­чи­ва­ния (напр., т. н. транс­мис­си­он­ные ме­то­ды) и об­ра­бот­ки дан­ных, при­ме­няе­мые в К. т., ис­поль­зу­ют­ся для ис­сле­до­ва­ния кри­стал­лов, струк­ту­ры био­ло­гич. мо­ле­кул, рас­пре­де­ле­ния по­род в зем­ной ко­ре и др. В ра­дио­изо­топ­ной мед. ди­аг­но­сти­ке, а так­же в ядер­ной энер­ге­ти­ке, фи­зи­ке плаз­мы и ра­дио­ас­тро­но­мии при­ме­ня­ют­ся ме­то­ды т. н. эмис­си­он­ной ком­пь­ю­тер­ной то­мо­гра­фии, для ко­то­рой ха­рак­тер­но вос­ста­нов­ле­ние про­стран­ст­вен­ных рас­пре­де­ле­ний ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния, на­хо­дя­щих­ся внут­ри ис­сле­дуе­мо­го объ­ек­та.