Pojęcie i historia tomografii

Opowieść o powstawaniu tomografu komputerowego można byłoby sprowadzić do wymienienia nazwisk autorów tego wynalazku: Allana MacLeod Cormacka i Godfreya Newgold Hounsfielda oraz określenia czasu, w którym doszło do sformułowania idei tomografii: druga połowa lat 50-tych (Cormack) i druga połowa lat 60-tych (Honusfield) XX wieku. Wystarczy jednak popuścić wodze fantazji, aby z głębi wieków wyłonił się całościowy ogląd ludzkiej myśli i dążeń, które w konsekwencji doprowadziły do powstania urządzenia, bez którego trudno wyobrazić sobie współczesną medycynę.

Niniejszą historię można zacząć w czasach antycznych około 400 roku p. n. e., kiedy to grecki filozof Demokryt pierwszy określił materię, jako zlepek niewidzialnych i zarazem niepodzielnych cząsteczek i nadał mim nazwę atomów, pochodzącą od greckiego słowa atomos, czyli niepodzielny. Zbadał też niewidzialne siły, które powodowały przyciąganie lub odpychanie. Ich działanie obserwowano na przykładzie potartego futrem bursztynu, który mógł przyciągać różne drobne przedmioty. Dziś wiemy, że za tajemniczą przyczyną stoją siły elektrostatyczne, a śladem po badaniach Demokryta jest stosowanie nazwy „elektron”, co po grecku znaczy bursztyn, na określenie jednej z cząstek elementarnych. Zaobserwowane przez antycznych uczonych zjawiska fizyczne wykorzystano ponad dwa tysiące lat później – przy budowie urządzeń tomograficznych.

Promieniowanie X, wykorzystywane w rentgenowskiej tomografii komputerowej jest falą elektromagnetyczną, do poznania której przyczynił się angielski fizyk Michael Faraday (1791 - 1867) – autor słynnego prawa indukcji magnetycznej, sformułowanego w 1831 roku. W 1860 roku, ten wynalazek pozwolił Szkotowi Jamesowi Clarckowi Maxwellowi sformułować prawa zawarte w równaniach nazywanych jego imieniem. Równania Maxwella ujmowały całościowo magnetyzm i elektryczność w ich dynamicznych postaciach, co stanowiło silny impuls w kierunku późniejszych technik radio-telewizyjnych, jak również technik radiologicznych.

Całkowity przewrót w wiedzy o wnętrzu ludzkiego organizmu wywołało przypadkowe odkrycie promieniowania, zwanego dzisiaj promieniowaniem X. Zostało to dokonane w 1895 roku przez niemieckiego uczonego Wilhelma Conrada Röntgena (1845-1923) i stało się początkiem jego oszałamiającej kariery i sławy.

[Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923)]

8 listopada Röntgen, wówczas profesor fizyki na Uniwersytecie w Würzburgu, badał w swoim zaciemnionym laboratorium zjawiska świetlne występujące podczas wyładowań elektrycznych w lampach szklanych o wysokim stopniu próżni w lampach Crookesa. Röntgen pracował nad poznaniem własności promieni katodowych, a przede wszystkim nad określeniem ich zasięgu poza obrębem lampy. W trakcie doświadczenia uczony niespodziewanie zaobserwował niezwykłe zjawisko żarzenia się ekranu pokrytego kryształami czteroplatynocyjanku baru. Ekran ten był papierem fluorescencyjnym w owym czasie standardowo używanym do detekcji promieniowania ultrafioletowego. W momencie wykonywania doświadczenia przypadkowo znajdował się on w laboratorium, w zasięgu promieniowania pochodzącego z lampy. Uwagę odkrywcy zwrócił fakt, że ów ekran był w znacznej odległości od źródła promieniowania katodowego, by mogło ono stać się przyczyną jego żarzenia. Zaskakujące było i to, że szczelne przykrycie lampy tekturą nie wyeliminowało obserwowanego zjawiska, co ostatecznie negatywnie zweryfikowało przypuszczenie, jakoby za powstanie powyższego zjawiska odpowiedzialna była poświata powstająca podczas wyładowania elektrycznego wewnątrz lampy.

W ciągu następnych kilku dni, Röntgen przeprowadził jeszcze szereg prób, w trakcie których na drodze pomiędzy lampą a ekranem umieszczał różne przedmioty. Wtedy też dostrzegł na ekranie wyraźnie zarysowaną strukturę szkieletu własnej dłoni. Sukces Röntgena zwieńczyła przyznana mu w 1901 roku Nagroda Nobla. Technika wykonywania zdjęć rentgenowskich, za pomocą których można było obserwować bez żadnej chirurgicznej interwencji wewnętrzną fizjonomię człowieka, szybko znalazła uzasadnione wśród lekarzy i rozprzestrzeniła się na cały świat. Zaczęto budować aparaty służące do wykonywania zdjęć rentgenowskich dla celów medycznych, a badania rentgenowskie rozwijały się bardzo szybko, czego dowodem było zdjęcie zrobione całemu szkieletowi ludzkiemu już w 1897 roku. Z biegiem lat do obrazowania wnętrza ciała człowieka w dwóch wymiarach stosowano coraz doskonalsze konstrukcje aparatów rentgenowskich. Początkowo zachwyt nad diagnostycznymi możliwościami zdjęć rentgenowskich stopniowo ustępował przekonaniu o ograniczoności metody obrazowania ciała jedynie w dwóch wymiarach. Już w rok po odkryciu promieni X podjęto próbę uzyskania trójwymiarowego obrazu rentgenowskiego przy użyciu techniki stereoskopowej. Zaproponowane wówczas rozwiązanie przewidywało wykonanie dwóch zdjęć rentgenowskich przesuniętych względem siebie, przy pozostającym nieruchomo pacjencie. Dzięki takim zdjęciom diagnosta mógł poprzez stetoskop obserwować obraz z głębią.

Warto również wspomnieć o wkładzie Polaków w udoskonalenie technik obrazowania za pomocą promieni X. Mowa tu o udanych doświadczeniach doktora Karola Meyera z Krakowskiej Kliniki Chorób Wewnętrznych, które zostały uznane za wstęp do tomografii. Zastosowana przez niego w 1916 roku metoda wykonywania zdjęć stratygraficznych przy użyciu ruchomej lampy rentgenowskiej i nieruchomej kasety z kliszą do złudzenia przypomina proces pozyskiwania skanów w tomografie komputerowym.

Osobami, którym przypisuje się zasługę stworzenia tomografii komputerowej, są nagrodzeni w 1979 roku Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii Allan MacLeod Cormack (1924-1998) i Godfrey Newbold Hounsfield (1919-2004). Urodzony w Afryce Południowej Cormack po raz pierwszy zetknął się z zagadnieniami związanymi z tomografią związanymi z tomografią podczas prac na Uniwersytecie Cambridge. Z czasem Cormack przeniósł się na Uniwersytet w Harwardzie i tam w 1956 roku i tam rozpoczął prace nad kwestią rekonstrukcji obrazu na podstawie projekcji wykonywanych za pomocą promieni X. Najpierw rozwiązał problem teoretycznie by następnie potwierdzić wyniki badań na drodze eksperymentu przy pomocy zbudowanego przez siebie urządzenia. Nie zadbał jednak o wykorzystanie w praktyce swoich badań.

[Allan MacLeod Cormack (1924-1998)]

Dopiero Anglik Hounsfield z firmy EMI Ltd. doprowadził do skonstruowania pierwszego tomografu. W 1967 roku rozpoczął badania nad metodą tomograficzną, początkowo używając promieniowania gamma, które zachowuje się podobnie jak promieniowanie rentgenowskie.

[Godfrey Newbold Hounsfield (1919-2004)]

Hounsfield opracował inne podejście w porównaniu do swojego poprzednika, korzystając z komputera do przeprowadzenia skomplikowanych obliczeń. W taki sposób idea tomografii komputerowej znalazła swoje zastosowanie.

Pierwsze próby wykonane w laboratorium wykazały dużą złożoność problemów technicznych stojących przed konstruktorami tomografu, np. czas pozyskiwania skanów wynosił 9 dni, co było związane z niską wydajnością źródeł promieniowania gamma (Ameryk- Am), i co za tym idzie, dłuższym czasem wykonywania poszczególnych ekspozycji. Pierwsze doświadczenia przeprowadzone były na spreparowanych w formalinie mózgu człowieka, mózgu żywego cielaka i nerkach świni, co utrudniało rozróżnienie tkanek żywych od patologicznych. Jednak po bardzo wielu próbach i poświęceniu ogromu czasu otrzymano obraz o znacznym kontraście, na którym widoczne były różnice pomiędzy poszczególnymi tkankami. Rozdzielczość wynosiła wówczas 80 × 80 pikseli. Urządzenie to Hounsfield opatentował w 1968 roku. Kolejne unowocześnienia miały na celu skrócenie czasu dokonywanych pomiarów jak również procesu rekonstrukcji otrzymywanego obrazu. We wrześniu 1971 roku w Szpitalu Atkinson Morley’s Hospital w Wimbledonie zainstalowany został rozbudowany prototyp tomografu o nazwie EMI Mark I (tomografy wówczas nazywano EMI-scannerami od nazwy firmy EMI). Ze względy na niewielkie rozmiary otworu, w którym wykonywano projekcje, możliwe do wykonania były tylko badania głowy. Pierwszym pacjentem poddanym badaniu tomograficznemu była kobieta podejrzewana o guza w mózgu 1 października 1971 roku.
Tabela poniżej przedstawia podstawowe parametry stosowanego wówczas tomografu:

W roku 1973 na rynek wprowadzono pierwszy tomograf wytwarzamy przemysłowo, bazujący na komputerze Mark I o nazwie EMI CT 1000. Wkrótce znacznie zmniejszono czas pozyskiwania obrazu do 20 sekund. Łatwo można dostrzec fakt, że nie byłoby tomografii komputerowej bez komputera, za pomocą którego można zobrazować wyniki badania tomograficznego. Od początku istnienia tomografia komputerowa nabierała również znaczenia na płaszczyźnie komercyjnej. W roku 1973 sześć egzemplarzy modelu EMI CT 1000 zostało sprzedanych do Stanów Zjednoczonych, każdy za około 100 tyś funtów. W ciągu dwóch następnych lat rynek tomografów komputerowych osiągnął wartość około 40 mln funtów. W roku 1974 dla tomografów EMI wyrosła konkurencja w postaci urządzeń takich firm jak Neurscan czy Disco. Wkrótce później niski potencjał firmy EMI nie pozwolił jej się utrzymać na pozycji lidera, którą przejęli tacy potentaci w tej dziedzinie jak Technicare czy General Electric, które miały już większość udziałów na rynku tomografów. W roku 1974 i 1975 ślad za Amerykanami poszły również firmy europejskie jak Siemens i Philips, którzy włączyli się do wyścigu o zagarnięcie jak największej części produkcji w tej szybko rozwijającej się dziedzinie techniki.

Za początek historii tomografii pozytonowej można przyjąć rok 1953 i zbudowanie detektora pozytonów przez Brownell’a i Sweet’a.

[William Sweet i Gordon Brownell ze swoim urządzeniem (1953)]

Urządzenie to składało się z dwóch głowic i rejestrowało rozpad pozytonów w organizmie pacjenta. Wyniki w postaci rejestrowanych pozytonów były zapisywane na papierowej kliszy, a same kontury pacjenta nanoszone ręcznie.
Rysunek poniżej przedstawia dwa przypadki: (a) – rozpad pozytonów rejestrowany poza układem koincydencji, oraz (b) – rozpad pozytonów pozostający w koincydencji z dwoma głowicami jednocześnie.

[Rozpad pozytonów rejestrowany przez urządzenie z 1953 roku]

Pomimo ogromnych możliwości, jakie daje ta technika tomograficzna, jej rozwój nie był tak szybki jak w przypadku tomografii komputerowej (rentgenowskiej). Spowodowane jest to dużymi kosztami, które ściśle związane są z tą dziedziną medycyny. Porównując pierwsze tomografy z dzisiejszymi, to uderzający okaże się postęp, jaki w niezwykle krótkim czasie dokonał się w dziedzinie opracowywania i budowania tych urządzeń diagnostycznych. Współczesne tomografy potrafią dokonać projekcji w czasie kilkuset milisekund i zrekonstruować obraz o wymiarach 1024 x 1024 piksele Pierwszy tomograf pozytonowy sprzężony z komputerem oddano do użytku publicznego w roku 1973 na Uniwersytecie Waszyngtona w ST. Louis (rysunek poniżej).

[Pierwszy tomograf pozytonowy wspomagany przez komputer z 1973 roku]

Od tamtego czasu obserwujemy ciągły postęp jeśli chodzi o sprzęt do badań PET. Zasada działania tych urządzeń pozostaje bez zmian, jedynie parametry coraz to nowszych tomografów PET są coraz lepsze.