CT یا تصویربرداری توموگرافی کامپیوتری که با نام CAT یعنی توموگرافی کامپیوتری محوری نیز شناخته می‌شود، کلمه‌ایست یونانی که از دو جزء تشکیل شده است. tomos به معنای “برش” یا “بخش” و Graphia به معنی “توصیف” است.
معرفی سی تی اسکن به عنوان یک ابزار پاراکلینیک یک پیشرفت بزرگ در تصویر برداری تشخیصی محسوب می‌شود. بسیاری بر این باورند که اختراع CT همانند کشف اشعه X توسط رونتگن (Rontgen) تاثیرات زیادی بر حوزه پزشکی، جراحی و رادیولوژی داشته و پزشکان و بیماران را از محدودیت‌های روش‌های تصویر برداری سنتی رهایی بخشیده. این اختراع ارائه دهنده‌ی مفاهیم استفاده از داده‌های دیجیتالی، تعامل سیستم‌های نمایشی پیشرفته و پردازش قدرتمند تصویری در مطالعات بیولوژیکی داخل بدن، و در عین حال یک محیط علمی و شبیه سازی شده برای سایر تحولات مهم دیگر، از جمله تصویربرداری رزونانس مغناطیسی را فراهم کرده است. CT برای اولین بار، اطلاعات کمی در مورد اختلاف چگالی بافت‌های برش داده شده با استفاده از اشعه X را در اختیار پزشکان قرار داده است.
CT جزئیات داخلی بافت نرم را که قبلاً غیرقابل دستیابی بودند، نشان می‌دهد. می‌توان از آن برای یافتن ناهنجاری‌هایی مانند تومورها استفاده کرد و امکان اندازه گیری دقیق میزان جذب اشعه ایکس توسط بافت بدن را فراهم می‌کند، که برای تشخیص و درمان بسیار ارزشمند است.
گادفری هانسفیلد (Godfrey Hounsfield)، مهندس برق انگلیسی، یکی از پیشگامان توسعه سی تی اسکن محسوب می‌شود. نکته قابل توجه در مورد هانسقیلد این است که او تجربه قبلی کار در زمینه پزشکی را نداشت اما مهندس قابلی بود که توانست با دانش و مهارت خود، نام خود را به عنوان یکی از بزرگ‌ترین افراد تاریخ رادیولوژی و پزشکی ثبت کند. شخص دیگری که مسقل از هانسقیلد بر روی مبانی آماری توسعه CT کار می‌کرد، دانشمند آفریقای جنوبی آلن مک لئود کورماک (Allan MacLeod Cormack) بود. این دو نفر به دلیل تلاش‌های خود در حوزه توسعه و اختراع CT، مشترکاً جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی را در سال ۱۹۷۹ دریافت کردند.
هانسفیلد دستگاهی را طراحی کرد که با کمک اشعه ایکس تصاویر مختلفی از نمونه را از زوایای مختلف گرفته و با استفاده از ابزارهای رایانه‌ای، تصویر را بازسازی می‌کند. این اختراع باعث بهبود چشمگیری در تکنیک‌های تشخیص پزشکی شده است.
گادفری هانسفیلد (Godfrey Hounsfield)
گادفری هانسفیلد در سال ۱۹۱۹ در ناتینگهامشایر (Nottinghamshire) انگلیس به دنیا آمد و در سال ۲۰۰۴ در کینگستون (Kingston)، در جنوب غربی لندن درگذشت. او آخرین فرزند یک خانواده ۷ نفره بود و در مزرعه کوچکی در نزدیکی Newark-on-Trent ،در انگلیس بزرگ شد. همواره علاقه زیادی به ماشین آلات مزرعه خانواده‌اش نشان می‌داد و استعداد زیادی در ریاضی و فیزیک داشت.
گودفری در سال ۱۹۳۹ ، در آغاز جنگ جهانی دوم، برای حضور در نیروی هوایی سلطنتی (Royal Air Force) داوطلب شد. پس از پایان جنگ، معاون نیروی هوایی مارشال جان کاسیدی (John Cassidy) از درخواست گودفری برای دریافت کمک هزینه برای تحصیل در کالج مهندسی برق فارادی (Faraday)، در لندن، موافقت کرده و با دریافت دیپلم این کالج فارغ التحصیل شد.
سپس گادفری هانسفیلد به شرکت صنایع الکتریکی و موسیقی (EMI) پیوست و تا سال ۱۹۶۷ روی بر روی فناوری رادار‌ها و رایانه‌ها کار کرد. وی تیمی را تشکیل داد و با همراهی این تیم کامپیوتر EMIDEC 1100، اولین رایانه بزرگ ترانزیستور انگلستان را در سال ۱۹۵۹ با موفقیت راه اندازی کرد. پس از این پروژه، مشغول طراحی دستگاه CT اسکن شد و توانست در سال ۱۹۷۹ جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی را از آن خود کند.
او طرز فکر منحصر به فردی داشت و معتقد بود که باید برای پژوهش از حداقل مطلق ریاضی* استفاده کرد اما در کنارش از مشاهده و درک خود نیز استفاده کرد. با این که این کار در ظاهر آسان به نظر می‌رسد اما در باطن دشوارتر از آن چه تصور می‌شود، است. این از تصاویر و مدل‌های ذهنی و آنالوگ‌های بسیاری استفاده می‌کرد و در مورد نحوه کارکرد هر چیزی در جهان کنجکاو بود.
اولین اختراعات هانسفیلد
هانسفیلد در سال ۱۹۵۱ به عنوان یکی از کارمندان EMI در هایز در میدلزکس (Hayes in Middlesex) شروع به کار کرد. در این کارخانه او مدتی بر روی طراحی رادار و ساخت اسلحه کار کرد و مدتی بعد اداره آزمایشگاه کوچکی را بر عهده گرفت. در این مدت او به ساخت و طراحی رایانه‌ها، که هنوز در مراحل ابتدایی خود بودند، علاقه خاصی پیدا کرد.
از حدود سال ۱۹۵۸ ، هانسفیلد سرپرستی تیمی را بر عهده گرفت و با راهنمایی و کار با این تیم اولین کامپیوتر تمام ترانزیستور با نام EMIDEC 1100 در انگلستان ساخته شد. ترانزیستوری که در این سازه مورد استفاده قرار گرفت، از نوع OC72 بود. این دستگاه از لوله‌‌های خلاء ترمونیکی * که بعدها در بیشتر رایانه‌ها استفاده شدند، بسیار کندتر بود. هانسفیلد این محدودیت را با هدایت ترانزیستورها با هسته مغناطیسی از میان برداشت. EMI پیش از این که با افزایش سرعت ترانزیستورها، روش هانسفیلد منسوخ شود، حدود ۲۴ دستگاه رایانه بزرگ را با استفاده از فناوری مغناطیسی هانسفیلد به فروش رساند.
در حوالی همین برهه، هانسفیلد به آزمایشگاه‌های تحقیقاتی مرکزی EMI منتقل شد. اولین کار وی طراحی حافظه رایانه‌ای با فیلم باریک و با قابل دسترسی سریع و آسان حاوی یک میلیون کلمه بود. اما پس از مدتی متوجه شد که این کار هرگز سود آوری تجاری را برای شرکت به همراه ندارد و پروژه به کلی متوقف شد و در این نقطه، آغاز کار هانسفیلد بر روی دستگاه سی تی اسکن رقم خورد.
اختراع دستگاه CT اسکن
به دلیل ماهیت اصلی کار هانسفیلد در یک شرکت صنعتی، او از تحقیقات دیگر افراد در مورد تصویر برداری اطلاعی نداشت او البته با ادبیات علمی آن‌ها نیز ناآشنا بود. پیش از او تعدادی از دانشمندان در حوزه‌های مختلف به پیشرقت‌هایی در حوزه تصویر برداری دست یافته بودند.
ریاضیدان مشهور یوهان رادون (Johann Radon) در سال ۱۹۱۷ در دانشکده*Technische Hochschule در وین، مشکل یکپارچگی لازم برای پشتیبانی از فیلتر‌ها به منظور ارائه تصویر واقعی از میدان گرانشی را حل کرده بود. ریچارد بیتس (Richard Bates) در دانشگاه کانتربری (Canterbury) در نیوزیلند، پیشرفت‌هایی را در زمینه توموگراف‌ها انجام داده بود. در سال ۱۹۷۱، بیتس (Bates)، مهندس برق و ترنس پیترز (Terence Peters) دانشجوی وی مقاله‌ای را منتشر كردند كه در آن به توضیح روشی برای تولید مقاطع دقیق از سایه‌های اشعه ایكس با استفاده از فیلترینگ دیجیتالی یا نوری از توموگراف‌های قدیمی که تاری ناخواسته دارند، ارائه دادند.
آخرین و شاید، مرتبط‌ترین پژوهش در این حوزه در سال ۱۹۶۱ توسط ویلیام اولدندورف (William Oldendorf) در دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس انجام شد. اولدندورف، اسکن یک شی از زوایای مختلف در امتداد محیط خود را آزمایش کرده بود و تصاویر مقطعی را که تغییرات جزئی از نظر ترکیب ساختمانی داشتند، به دست آورد. و اما شاید مهمترین کار که هانسفیلد از این نیز اطلاعی نداشت، طراحی‌های آلن کورماک بود که بعدها نیز مشترکاً جایزه نوبل به هر دوی این دو نفر داده شد. تحقیقات کورماک مکمل تحقیقات هانسفیلد بود. هدف او بهبود دزیمتری در رادیوتراپی سرطان با پروتون‌ها با جبران تفاوت میرایی بافت‌های مختلف بود*. او به شیوه‌ای علمی، بر روی مبانی ریاضی بازسازی تصویر کار می‌کرد.
هانسفیلد در ابتدا با این سوال مواجه شد كه آیا می‌تواند در الگوی تشخیصی موضوع جدیدی پیدا كند یا خیر. همکاران او در EMI در حال ایده پردازی در این زمینه بودند و هانسفیلد نیز کار خود را با فکر کردن به بازسازی تصاویر آغاز کرد.
او در این فکر بود که بتواند با استفاده از تصاویری که از زاویه‌های مختلف از یک جعبه می‌گیرد، بتواند ماهیت درونی آن را به صورت سه بعدی تجسم کند و در نهایت این تصویر سه بعدی بازسازی شده را به قطعات متفاوتی تقسیم کند. او ماتریکسی از اعداد را در یک مربع نوشته و از اسکن گرفت. سپس با استفاده از یک برنامه رایانه‌ای و محاسبه مقادیر جذب‌های بیشتر توانست تصویر را بازسازی کند*. او برای صحبت بیشتر در این رابطه به وزارت بهداشت رفته و اذعان داشت که درصورتی که فوتون کافی در اختیار داشته باشد، می‌تواند دستگاهی برای اسکن بدن طراحی کند.
هانسفیلد در اولین تجربه آزمایشگاهی خود، با استفاده از یک تخت محرک* آن را به گونه‌ای تنظیم کرد که منبع پرتوی(americium-241) موازی با تخت قرار گرفته و با هر حرکت حدود ۱ درجه دور تحت بچرخند.* او از یک بطری و تکه‌های Perspex استفاده کرد. پس از گذشت نه روز از اسکن، او تعداد کافی از تصاویر را در اختیار داشت تا برای بازسازی تصویر واحد از آن‌ها استفاده کند. فرآیندی که در رایانه موجود حدود دو ساعت و نیم طول می‌کشد. این تصاویر اولیه با روش بازسازی جبری تولید می‌شدند، که در مقایسه با روش فوریه (Fourier)* که بعدها تصویر سازی استفاده شد، از نظر محاسباتی ناکارآمد بود.
در اواخر سال ۱۹۶۹ هانسفیلد یک لوله و ژنراتور اشعه ایکس خریداری کرد و اظهار داشت كه با استفاده از اشعه ایكس می‌توان از چندین جهت جسم را در معرض پرتو قرار داد و ساختمان داخلی آن را مشاهده کرد. با استفاده از این منبع اشعه X به جای منبع گاما، زمان اسکن به نه ساعت کاهش یافت و امکان اسکن قسمت قشری مغز امکان پذیر شد (البته اسکن از مغزی که خارج از جمجمه بود). نتیجه دلگرم کننده بود: ماده خاکستری و سفید قابل تشخیص بودند.
هانسفیلد و شرکت EMI به دنبال بودجه‌ای برای تامین هزینه‌های توسعه این بودند، زیرا جهشی بسیار بزرگ محسوب می‌شد و بسیار پر خطر بود. بنابرین هانسفیلد با دیدار اعضای وزارت بهداشت انگلستان رفت. او ۴ سال برای دریافت بودجه تلاش کرد و بسیاری از رادیولوژیست‌ها و پزشکان کار او را بی نتیجه می‌دانستند. البته در این میان باید جیمز امبروز James Ambrose)) وتعدادی دیگر را استثنا دانست.
ایده تمرکز بر روی طراحی یک اسکنر مغزی در طی صحبت با سه رادیولوژیست ارشد مطرح شد: دکتر جیمز آمبروز ، دکتر لوئیز کرل (Dr Louis Kreel) و دکتر فرانک دویل (Dr Frank Doyle) که همگی از نمایندگان وزارت بهداشت بودند.هانسفیلد تمایل داشت یک دستگاه بسیار بزرگ بسازد تا بدن را به صورت مقطعی اسکن کند، اما رادیولوژیست‌ها و وزارت بهداشت معتقد بود که تمرکز بر روی مغز عملی محتاطانه‌تر خواهد بود.
ایده اصلی طراحی دستگاه جدید بر این اساس بود که در واحدهای تخصصی جراحی مغز و اعصاب چندین عدد از دستگاه سی تی اسکن وجود داشته باشد و داده‌های اسکنرها برای پردازش، از طریق خطوط تلفن، بر روی رایانه‌های پایه در EMI ارسال شوند و پس از پردازش و تهیه تصاویر مجدداً به مراکز درمانی ارسال شوند.
در ابتدا ، برای آزمایش اسکنر اولیه در بررسی مغز، از یک نمونه در موزه هیستوپاتولوژی استفاده شد. در قدم بعدی از مغز گاوی که تازه ذبح شده بود استفاده کردند. استفاده از شوک الکتریکی بریا کشتن گاو باعث بروز خونریزی‌های مغزی در گاو می‌شد به همین دلیل از روش ذبح برای کشتن گاوها استفاده کردند. نتایج به دست آمده در سال ۱۹۶۸ آمیدوار کننده بود.
اولین دستگاه سی تی اسکن بالینی در سال ۱۹۷۱ در بیمارستان اتکینسون مورلی (Atkinson Morley) در ویمبلدون (Wimbledon) ساخته و نصب شد و در این مرکز اولین بیمار، که زنی مشکوک به تومور مغزی بود، تحت اسکن قرار گرفت و نتایج اسکن یک تومور بزرگ، تاریک و دایره‌ای را نشان دادند. هانسفیلد در کنار جیمز آمبروز بریا اولین بار این آزمایش بالینی را با استفاده از اسکنر مغز در سال ۱۹۷۲ انجام داد .
جیمز آمبروز در بیمارستان اتکینسون مورلی در ویمبلدون، که یکی از مهمترین مراکز جراحی مغز و اعصاب در انگلیس بود، مشغول به کار بود. او پتانسیل واقعی CT را درک کرد و به هانسفیلد در مشاوره بالینی طراحی دستگاه باری می‌کرد. او اولین کسی بود که اسکن‌های مغز را تفسیر کرد و بسیاری از مشاهدات اولیه او اساس آموزش عصبی رادیولوژی در چهار دهه گذشته بوده است. بینش و کمک‌های آمبروز در مورد کاربردهای بالینی دستگاه، هم پزشکان و هم شرکت‌ها را در درک اهمیت توموگرافی کامپیوتری یاری کرد.
دکتر آمبروز بعدها اعلاک کرد که با تزریق ماده حاجب حاوی ید، می‌توان نقطه خاصی را که تومور در آن قرار دارد محلی سازی کرده و بهتر آن را در تصویر شناسایی کرد.
همن طور که اشاره شد دستگاه ساخته شده بسیار کند بود. هر ثبت تصاویر به ۵ دقیقه زمان نیاز داشت؛ علاوه بر آن زمان پردازش نیز بسیار طولانی بود. اطلاعات نیز باید یک بار به شرکت EMI ارسال شده و کامپیوتر ICL 1905 تمام شب را صرف پردازش تصاویر کرده و سپس نتایج را به بیمارستان ارجاع می‌داد. در این زمان هانسفیلد مشغول به کار بر روی مینی رایانه‌ای بود که بتواند زمان پردازش اطلاعات را کاهش دهد. با استفاده از این مینی رایانه‌ها دیگر نیاز به انتقال اطلاعات به شرکت و بازگرداندن دوباره آن نبود. این کمتر کردن زمان، باید بدون کاهش کیفیت تصویر انجام می‌شد و به عقیده او تنها افزایش تعداد دتکتورها کافی نبود. همچنین برای افزایش سرعت پردازش اطلاعات، نمایشگرها نیز نیاز به بهبود داشتند.
این دستاورد نوین در کنفرانس‌های کنگره سالانه انستیتوی رادیولوژی انگلیس، که قدیمی‌ترین گردهمایی رادیولوژی جهان است، در آوریل ۱۹۷۲ و در ماه مه در نیویورک معرفی شد. به محض مشاهده تصاویر ، متخصصان متوجه پتانسیل فوق العاده این تکنیک جدید شدند. به کمک دستگاه اختراعی هانسفیلد امکان تمایز بین بافت‌های نرم، تومورها و لخته‌های خون در بالین با هزینه قابل قبول و دوز ۱ فراهم شد.
سه اسکنر تولیدی تولید شده، توسط وزارت بهداشت خریداری شده و در Manchester Royal Infirmary قرار داده شدند. دو اسکنر دیگر نیز در همان مراحل ابتدایی ساخته شده و هر دو به ایالات متحده آمریکا فرستاده شدند. یکی به کلینیک مایو و دیگری به بیمارستان عمومی ماساچوست.
در سال ۱۹۷۵ هانسفیلد نسخه دیگری از CT اسکن را در یک کنفرانس بین المللی در برمودا معرفی کرد.
اسکنرهای مغزی از حلقه لاستیک پر از آب در اطراف سر بیمار استفاده می کردند ، تا محدوده دینامیکی اشعه X تشخیص داده شده را کاهش دهند و به عنوان یک مقیاس برای کالیبراسیون صفحه خاکستری نمایش باشند. تمامی اسکنرهای اولیه به این حمام آب نیاز داشتند و در مراحل اولیه، نیاز بود تا در کنار نتایج برگه اسکن داده‌های عددی نیز در کنار برگه چاگ شوند. عددی در کنار چاپ های قطبی از تصویر مقیاس خاکستری را ضروری ساخته است. صدای چاپگر نیز بسیار آزار دهنده بود. او در این کنفرانس اعلام کرد که دستگاه دیگر نیازی به حمام آب* ندارد و بنابراین دسترسی و تهیه تصویر از سایر نقاط بدن نیز فراهم شد.* او در این کنفرانس تصویری از کلیه‌های یک خوک را نشان داد.
این CT اسکن جدید، با نام CT5000، در بیمارستان نورتویک پارک (Northwick Park) در شمال لندن نصب شد. سی دتکتور در این نسل جدید کارگذاری شده بود و مدت زمان ثبت هر تصویر به حدود ۲۰ ثانیه کاهش پیدا کرده بود.
*تحقیقات بعدی هانسفیلد پیشرفت‌های دیگری را در زمینه فناوری CT و حوزه‌های مرتبط با تصویربرداری تشخیصی مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی) فراهم کرد که در این تصویربرداری‌های جدید از اشعه ایکس استفاده نمی‌شود.
مقیاس هانسفیلد
هونزفیلد واحد Hounsfield (HU) را اختراع کرد؛ یک مقدار بی اندازه* که برای بیان تبدیل خطی ضریب میرایی اندازه گیری شده به شکل یک عدد ساده استفاده می‌شود. این ضریب مربوط به توانایی بافت در تضعیف اشعه X و تبدیل دیجیتال به آنالوگ باشد که به صورت تصاویر خاکستری در مانیتور نمایش داده می‌شود.*
سی تی اسکن در طول تاریخ ۲۵ ساله خود، شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در سرعت، راحتی بیمار و وضوح تصاویر ایجاد شده است. با تسریع زمان اسکن تصاویر، سطح بیشتری از بدن در زمان کمتری قابل اسکن است. اسکن سریع‌تر به از بین بردن مداخلات ایجاد شده ناشی از حرکت بیمار مانند تنفس یا دور زدن کمک می‌کند. آزمایشات CT اسکن در حال حاضر سریع‌تر و دوستانه‌تر از گذشته است. همچنین با انجام تحقیقات و پژوهش‌های فراوان، کیفیت تصویر بهبود یافته و دوز اشعه ایکس دریافتی نیز کاهش یافته است.
