هندستنا الطبية : c t

الفصل الأول
المكونات الرئيسية لنظام التصوير الطبقي المُحَوسَب
COMPUTED TOMOGRAPHY (CT) INSTRUMENTATION

1: مقدمة:
لقد أحدث تطوير التصوير الطبقي المحوسب CT ثورةً في بداية السبعينيات من القرن الماضي في عالم التصوير الشعاعي الطبي medical radiology. فقد كان ذلك أول مرة يتمكن فيها الأطباء من الحصول على صور مقطعية عرضية tomographic cross-sectional عالية الجودة لتراكيب الجسم الداخلية. وفي العشر السنوات التالية لذلك تنافس 18 مصنِّعاً على تفجير سوق عالم أجهزة الـ CT . فازداد التعقيد التقني بشكل مثير، وحتى اليوم وأجهزة الـ CT ما زالت في نضوج مستمر لتتسم بمقدرات جديدة منها ما يزال في طريق البحث والتطوير.


الشكل (1-1) رسم تخطيطي نموذجي لجهاز التصوير الطبقي المحوري :(1) منصة التحكم، (2) القنطرة،
(3) طاولة المريض، (4) وسادة رأس المريض، (5) المصوِّر الليزري.
لقد تم تطوير جهاز الـ CT الأول في عام 1971 على يد المهندس المخترع هاونسفلد DR.G. N. Hounsfield في إنكلترا ، حيث تم استخدامه لتصوير الدماغ [Hounsfield 1980]. في ذلك الوقت تم حيازة معلومات الإسقاط projection data خلال حوالي 5 minutes ، وتم إعادة بناء الصورة في حوالي 20 minutes . ومنذ ذلك الوقت ما زالت تكنولوجيا التصوير الطبقي CT تتطور بشكل مثير وأصبحت تقنية الـ CT إجراء تصوير قياسي ومعياري لكل أجزاء الجسم في آلاف المرافق المنتشرة في العالم. فها هي معطيات الإسقاط يتم حيازتها في حوالي الثانية 1 second ، كما يتم إعادة بناء الصورة في 3 إلى 5 seconds . ثمة أنواع من الأجهزة لها ماسح خاص الغرض special-purpose scanner يقوم بحيازة معلومات الإسقاط من أجل صورة طبقية واحدة في 50 ms . يبين الشكل (1-1) ماسح CT نموذجي حديث، كما يبين الشكل (1-2) صوراً نموذجية للـ CT. الـ CT هو الاسم الذي أُعطي لإجراء التصوير التشخيصي الذي يتم فيه إعادة بناء المعلومات التشريحية رقمياً digitally reconstructed من معلومات إصدار أشعة X المحصول عليها عن طريق مسح منطقة معينة من اتجاهات كثيرة في نفس المستوي plane وذلك لإظهار وتجسيد معلومات هذا المستوي على شكل صورة.


الشكل (1-2) صور نموذجية للـ CT: (a) الدماغ، (b) الرأس ويظهر فيه مِحجرا العينين، (c) الصدر وتظهر فيه الرئتان، (d) البطن.
إن المهمة الجوهرية الأساسية لأنظمة الـ CT هي الحصول على عدد كبير إلى أقصى حد (حوالي 500000 ) من القياسات عالية الدقة لإصدار أشعة X خلال المريض وذلك وفق هندسة فراغية مُتحكم بها بدقة. يتكون النظام البسيط بشكل عام من : قنطرة a gantry ، وطاولة المريض patient table ، ولوحة مفاتيح التحكم console table ، وحاسب a computer . تتكون القنطرة gantry من : منبع أشعة X : X-ray source ، وكاشفات أشعة X : X-ray detectors ، ونظام حيازة المعلومات : data acquisition system : (DAS) .
يتم إعادة بناء الصور المقطعية المحوسبة من عدد كبير من قياسات إصدار أشعة X خلال المريض (تدعى بمعلومات الإسقاط projection data). وتكون الصور الناتجة عبارة عن خرائط "أوصاف" رسومية طبقية tomographic maps لمعامل تخامد أشعة X الخطي.(2).

الشكل (1-3) المكونات الرئيسية لنظام الـCT
كان الهدف من التصوير الطبقي المحوري في البداية تم تطوير الأفكار الداخلة في هذا النوع من التصوير من أجل تصوير الدماغ. وذلك لأن المجال الديناميكي للكثافات الدماغية dynamic range of densities in the brain يكافئ مقداراً صغيراً بالمائة فقط only a few percent كما أن الدماغ مغطى ببنية عظمية كثيفة للغاية لدرجة أن معظم أشعة X يتم امتصاصها بواسطة هذه البنية العظمية. يعتبر التصوير بالأشعة التقليدية صعباً حتى عند تحسين التباين بحقن مواد تباين contrast materials أو بحقن الهواء air.(1). إن الهدف الأساسي من هذا الجهاز هو إعطاء الاختلاف الشعاعي في تباين النسج الطرية المتنوعة من خلال الصورة . ففي صورة هذا الجهاز تظهر الجلطات الدموية و المادة الرمادية و المادة البيضاء و السائل النخاعي الشوكي و الأورام و كذلك الاستسقاء الدماغي في أشكال مختلفة قابلة للتمييز. يعطي CT صوراً مقطعية للأجسام بشكل نموذجي لجسم الإنسان ورأسه. يقدم هذا النظام تفاصيل تشريحية للبنى الداخلية للجسم مثل العضلات و العظام حيث يقوم بوصف التغيرات البنيوية التي توحي بتصور فيزيولوجي.

الشكل (1-4) مسقط علوي لتوضع نظام الـCT النموذجي في الغرفة
و على سبيل المثال فإن جريان الدم الضعيف يمكنه أن يضعف أو يميت النسيج المتأذي, و هكذا فإن هذا النظام لا يُظهر بشكل مباشر العمليات البنيوية غير المناسبة و لكنه يعطينا صورة عن النسيج المتأذي .(9).
2: أجزاء نظام الـ CT:
يتألف كما في الشكل (1-3) من :
1. القنطرة The Gantry.
2. حامل المريض (المضجع ) The Patient Support .
3. منصة المستثمر The Operator’s Console .
يبين الشكل (1-4) مسقطاً أفقياً علوياً لتوضع نظام الـCT النموذجي في الغرفة.

الشكل (1-5) القنطرة
عندما يوضع المريض بشكل محدد فإن المستثمر يستخدم المنصة ليبدأ التشغيل و من ثم المسح يتم جمع معطيات المسح في القنطرة و يتم إرسالها إلى منصة المستثمر و في المنصة يتم بواسطة الحاسب إعادة بناء الصورة من خلال معطيات المسح الخام و نحصل في النهاية على الصورة التي يتم إظهارها على الشاشة المرئية.
2-1: القنطرة :
تقوم القنطرة بجمع معطيات المسح الخام التي تحول لتصبح صورة عن طريق الحاسب و يمكن التحكم بحركتها كآلاتي :
1) حركة القسم العلوي من حامل المريض بشكل أفقي، و التي تستخدم من أجل المسح.
2) حركة شاقولية لحامل المريض .

الشكل (1-6) المضجع (حامل المريض)
3) إمالة القنطرة إلى الأمام و الخلف، و ذلك إذا أردنا الحصول على شريحة مائلة.
4) المراقبة و التحكم بإمالة القنطرة (قيادة المسح) . انظر الشكل (1-5).
2-2: المضجع (حامل المريض) :

الشكل (1-7) منصة التحكم
هو مركبة (أداة نقل) تستخدم من أجل تحريك المريض داخل و خارج الفتحة الخاصة بالمريض في القنطرة . يوجد محركين في حامل المريض : الأول من أجل تحريك المريض بشكل أفقي و الثاني من أجل تحريك المريض بشكل شاقولي.المحرك الأفقي عبارة عن محرك أحادي الطور يحرك القسم العلوي من حامل المريض من و إلى الفتحة الخاصة بالمريض و يتحكم به المستثمر من خلال لوحة تحكم موجودة على القنطرة و يصل السير محرك القيادة إلى الجزء العلوي ،و تعطي التغذية العكسية القدرة على الضبط الأفقي بحوالي 0.25mm . و المحرك الشاقولي عبارة عن محرك ثلاثي الطور و هو يعمل بنفس الطريقة السابقة. انظر الشكل (1-6).
2-3: لوحة التحكم :
تقوم بمهمتين أساسيتين :
1. تشكل ربط أولى بين المستثمر و نظام الـCT.
2. تعيد بناء معطيات المسح إلى صورة. (9).
3: الأنظمة والعناصر الأساسية في نظام التصوير الطبقي المحوري:
نظامان رئيسيان هما : نظام أشعة x والنظام الحاسوبي .
3-1: نظام أشعة X X-Ray System :
يتألف نظام أشعة X من : منبع الأشعة السينية X-ray source، والمسددات collimators، والكاشفات detectors ، ونظام حيازة المعلومات data-acquisition system .
3-1-1: منبع الأشعة السينية ، أنابيب أشعة X X-Ray Source :
مع استثناءٍ واحد وهو نظام الجيل الخامس الموصوف أعلاه فإن كل ماسحات التصوير الطبقي المحوري تستخدم أنابيب الأشعة السينية المتولدة نتيجة الفرملة (الكبح) bremsstrahlung x-ray tubes كمنبع للإشعاع. هذه الأنابيب هي من نوع تلك الأنابيب النموذجية المستخدمة في التصوير التشخيصي وتقوم هذه الأنابيب بتوليد الأشعة السينية وذلك بتسريع حزمة من الإلكترونات باتجاه مِصعَد هدف a target anode . تُسمى المساحة من المِصعد التي يتم منها إصدار الأشعة السينية تسمى بالبقعة المحرقية أو البؤرية focal spot وهي تكون مُسقطة على طول اتجاه الحزمة. تمتلك معظم الأنظمة قياسين اثنين للبقعة المحرقية وهما حوالي : 0.5 X 1.5 mm و 1.0 X 2.5 mm . تُستخدم تركيبة المُسدِّد (المجمع) للتحكم بعرض الحزمة المروحية ليكون قياسه بين 1.0 mm و 10 mm ، والذي بدوره يتحكم بعرض الشريحة المصورة .
لوازم هذه الأنابيب من الاستطاعة هي : 120 kV عند 200 to 500 mA ، ويتولد عنها طيف من الطاقة energy spectrum يتراوح بين حوالي : 30 و120 keV . تستعمل كل الأنظمة الحديثة مولدات ترددات عالية high-frequency generators تعمل نموذجياً في المجال بين 5 and 50 kHz [ Brunett et al.1990 ] . تستعمل بعض الأنظمة اللولبية spiral systems مولداً ثابتاً stationary generator في القنطرة gantry ، ويتطلب ذلك حلقات إنزلاقية ذات جهد عالٍ 120 kV high voltage (120-kV) slip rings ، بينما يستخدم البعض الآخر منها مولداً دواراً ذا حلقات إنزلاقية بجهد أقل 480 V :a rotating generator with a lower voltage (480-V) slip rings . إن عملية توليد الأشعة السينية في أنابيب الفرملة bremsstralung tubes هي عملية غير فعالة (غير كفؤة) وسبب ذلك هو أن معظم الاستطاعة المُقدمة لهذه الأنابيب تتسبَّب في تسخين المصعد heating. لذلك فإنه يتم استخدام مبادل حراري heat exchanger على المنصة الدوارة ليقوم بتبريد الأنبوب. للمسح اللولبي spiral scanning تحدياً متطلباتً خطيرة وكبيرة بما يتعلق بسعة التخزين الحرارية heat-storage capacity ومعدل التبريد cooling rate لأنبوب الأشعة السينية.
تضعُف شدة حزمة الأشعة السينية وتتخامد بسبب حدوث عمليات التبعثر والامتصاص absorption and scatter processes عند مرورها عبر المريض. تعتمد درجة التخامد هذه على طيف طاقة الأشعة السينية وأيضاً على العدد الذري الوسطي average atomic number وعلى كثافة كتلة أنسجة المريض mass density of the patient tissues . تُعطى شدة الأشعة الخارجة الصادرة transmitted intensity بالعلاقة :


حيث و هما شدتا الأشعتين الخارجة والساقطة على الترتيب، و L هو طول مسار الأشعة السينية و هو معامل التخامد الخطي للأشعة السينية، والذي يتفاوت بحسب نوع النسيج وبالتالي فإنه يكون تابعاً للمسافة x خلال المريض. وعليه فإن تكامل معامل التخامد في الأنسجة يُعطى بالعلاقة :

تتطلب خوارزميات إعادة بناء الصورة أخذ عدة قياسات لهذا التكامل على طول كثير من المسارات في الحزمة المروحية عند كل زاوية من الزوايا الكثيرة حول مركز تناظر المريض isoceneter. قيمة L معروفة ، وتتحدد قيمة عند معايرة النظام system calibration . وبذلك يتم حساب قيم التكامل على طول كل مسار من تحديد قياسات .(2).
يزودنا مصدر الإشعاع في الـCT بشعاع X ذو لون واحد(الفوتونات لها نفس طول الموجة) و هذا ما يجعل المادة بناء الصورة أبسط و أدق.
تستخدم وحدات الإشعاع المروحي الجديدة أنبوب أشعة تشخيصي مع مصعد دوار و رقعة مصعدية صغيرة جداً تنخفض قيمتها في بعض الوحدات إلى 0.6mm .هذه الأنابيب تمتاز بالتحمل العالي للحرارة و إمكانية تبديد هذه الحرارة المتولدة عندما يتم الحصول على شرائح متعددة في تتابع سريع.
إن السعات الحرارية للمصعد عالية في حال استخدام تيار أنبوب قيمته أكبر من 600 mA . (9).
3-1-2 المُسدِّدات :
تُستخدم تركيبة المُسدِّد (المجمع) collimator assembly للتحكم بعرض الحزمة المروحية ليكون قياسه بين 1.0 and 10 mm ، والذي بدوره يتحكم بعرض الشريحة المصورة width of the imaged slice .(2).
يسدد الشعاع X إلى نقطتين:نقطة قريبة من أنبوب أشعة X ,و الأخرى على الكاشف (s ).و من الضروري وجود خط نظر بين هاتين النقطتين.
إن المسدد على الكاشف هو الوسيلة الوحيدة للتحكم بإشعاع التبدد ,و كل كاشف لديه المسدد الخاص به, كما أن المسددات تنظم سماكة الشريحة.(9).
3-1-3 :كاشفات الأشعة السينية X-Ray Detectors:
يجب أن تحقق كاشفات الأشعة السينية في أنظمة التصوير الطبقي المحوري CT ما يلي :
( أ ) أن يكون لها كفاءة إجمالية عالية high overall efficiency وذلك للتقليل من الجرعة الإشعاعية التي يتلقاها المريض patient radiation dose، وأن تتمتع بمجال ديناميكي كبير large dynamic range ، ( ب ) أن تكون مستقرة جداً stable مع الزمن ، و( جـ ) أن تكون غير حساسة للتفاوتات في الحرارة temperature variations ضمن القنطرة gantry . هناك ثلاثة عوامل مهمة تساهم في كفاءة كاشف الأشعة السينية وهي : كفاءة المنهجية الهندسية المتّبعة geometric efficiency ، و كفاءة الكوانتم أو كفاءة الأسر quantum ( capture ) efficiency ، وكفاءة التحويل conversion efficiency [Villafanaet et al., 1987 ] . يشير مصطلح كفاءة المنهجية الهندسية إلى المساحة من الكاشفات الحساسة للأشعة وتؤخذ كجزء fraction من مساحة التعريض الكلية total exposed area. ستقوم الحواجز التنغستينية الضيقة septa الفاصلة بين كل عنصر كاشف والآخر (والتي تقوم بإزالة الأشعة المتبعثرة) أو أي مناطق أخرى غير حساسة للأشعة بالإنقاص من هذه القيمة. تشير كفاءة الكوانتم أو كفاءة الأسر إلى جزء الأشعة السينية الساقطة على الكاشف والتي يتم امتصاصها لتسهم في الإشارة المُقاسة measured signal . تشير كفاءة التحويل إلى قدرة تحويل إشارة الأشعة السينية الممتصة absorbed X-ray بدقة إلى إشارة كهربائية electrical signal . ( هذا المصطلح مختلف عن مصطلح كفاءة تحويل الطاقة energy conversion efficiency ) . الكفاءة الإجمالية overall efficiency هي حاصل ضرب الكفاءات الثلاثة السابقة وبشكل عام تقع هذه الكفاءة الإجمالية بين 0.45 and 0.85 .إن القيمة الأقل من الواحد 1 تشير إلى نظام ذي كاشف غير مثالي non-ideal detector system وينتج عن ذلك زيادة الحاجة إلى تعريض المريض إلى الجرعة الإشعاعية إذا ما أُريد الحفاظ على جودة الصورة image quality . أحياناً ما يُستخدم مُصطلح كفاءة الجرعة dose efficiency للدلالة على الكفاءة الإجمالية . (2).
استخدمت الأجهزةُ المبكرة الكاشفاتِ الومضانية scintillation detectors المبنيةَ على تكنولوجيا صور الطب النووي nuclear medicine. ولكي يتم التمكن من حشد كثير من الكاشفات في حيز صغير ضروري للحصول على وضوحية عالية فإنه قد تم تطوير كاشفات من نوع جديد. إحدى هذه الأنواع تستخدم مجموعة من الأجزاء على شكل " قفص البيض" تحتوي على حجيرات أيونية من غاز الزينون المضغوط an "egg crate" assembly of pressurized xenon gas ion chambers. يتم ترتيب عدة مئات من المكافئات الأسطوانية cylindrical equivalents على شكل قوس arc ، وكل واحدة منها تقوم بتغذية مضخم amplifier. يتم تحديد أبعاد كل أسطوانة وضغط الغاز فيها بحيث يكون امتصاص أشعة X من قِبَل كتلة غاز الزينون على طول الأسطوانة كافياً لكشف معدلات التعريض التي في الحدود المعقولة (حوالي 10 % من طاقة الإيقاف : about 10% stopping power). كما أن تكنولوجيا كاشفات الحالة الصلبة solid-state detector technology قد تطورت بحيث أمكن دمج مواد الومضانية scintillators في مصفوفات مع ثنائيات الضوئية photodiodes ولا تزال ذات امتصاص ممتاز للأشعة. تقوم الكاشفات الأحدث بتحويل إشعاع X مباشرةً إلى إشارات كهربائية، ثم ترسلها إلى مضخمات متعددة في دارات متكاملة multiple integrated-circuit amplifiers .(1).
تستخدم الأنظمة التجارية أحد نوعين من الكاشفات : كاشفات الحالة الصلبة solid-state detectors، وكاشفات التأيُّن الغازي gas ionization detectors.
1: كاشفات الحالة الصلبة ، البلورات الومَّاضة Solid-State detectors :
تتألف كاشفات الحالة الصلبة من مصفوفة من البلورات الومضانية scintillation crystals والثنائيات الضوئية photodiodes ، كما هو موضح في الشكل (1-8) .

الشكل (1-8) (a) تتألف كواشف الحالة الصلبة من بلورة ومَّاضة وديود ضوئي، (b) توضع كثير من هذه الكواشف متجاورةً لتُشكِّلَ مصفوفة كواشف يصل عددها إلى 4800 كاشفاً.
بشكل عام تكون المواد الومضانية scintillators عبارة عن إما تنغستات الكادميوم tungstate cadmium (CdWO4) أو عبارة عن مادة سيراميكية ceramic material مصنوعة من أكاسيد الأرض النادرة rare earth oxides ، بينما كانت الماسحات في الماضي تستخدم بلورات من مادة جيرمانات البزموت bismuth germanate crystals مع أنابيب مُضاعفات ضوئية photomultiplier tubes . تتمتع كاشفات الحالة الصلبة عامةً بكفاءة تحويل conversion efficiency وكفاءة كوانتم (أسر) quantum efficiency عاليتين، كما تتمتع أيضاً بمجال ديناميكي كبير large dynamic range.(2).
إن البلورات الومَّاضة هي إحدى تلك المواد التي تنتج الضوء نتيجة تأثير داخلي ما عليها.
عندما يتفاعل الفوتون مع البلورة فإن طاقة فوتون أشعة X تتحول إلى فوتونات ضوئية و عدد الفوتونات الضوئية يتناسب مع طاقة الفوتون المتفاعل. بعض هذه الفوتونات الضوئية يتم بعثها مباشرةً و تنتج الإشارة المطلوبة, تؤخر بعض الفوتونات الضوئية و ينتج ما نسميه بعد التشفيع, يتحدد لون الضوء المنبعث حسب نوع البلورة.(9).
إن وحدات الـCT (rotate-rotate) التي لا تستخدم البلورات الومَّاضة تقوم باستخدام حجرات تأيين غاز الزينون.
2: كاشفات التأيُّن الغازي gas ionization detectors:
تتألف كاشفات التأين الغازي كما هو مبين في الشكل (1-9) من مصفوفة من الحجيرات chambers المحتوية على غاز مضغوط compressed gas (عادة غاز الزينون xenon بضغط يصل حتى 30 atm) .
يتم تطبيق جهد عالٍ high voltage على الحواجز septa التنغستينية الفاصلة بين الحجيرات ليتم بذلك جمع (مراكَمةُ وإعادة السيطرة على) الشوارد ions المتولدة نتيجةً للإشعاع. تتمتع هذه الكاشفات باستقرار ممتاز وبمجال ديناميكي كبير large dynamic range ، إلا أن لها كفاءة كوانتم (أسر) quantum efficiency أخفض بشكل عام من كاشفات الحالة الصلبة. (2).
يشرح الشكل (1-10) الآتي لاقطاً واحداً مملوءً بغاز (حجيرة واحدة). في جميع اللواقط يجب أن يتوفر ما يلي:
1- مصعد و مهبط.
2- غاز خامل.
3- فرق كمون بين المصعد و المهبط.
4- جدران تفصل الكاشف عن بقية الأجزاء.
5- نافذة لدخول فوتون الإشعاع إلى الكاشف.


الشكل (1-9) مصفوفات كواشف التأين الغازي، تتألف من غاز ذي ضغط عالٍ في حجيرات متعددة مفصولة بحواجز. يطبق جهد كهربائي عالٍ على الحواجز المتعاقبة. تعمل هذه الحواجز أيضاً كأقطاب كهربائية وتجمع الشوارد المتشكِّلة نتيجة الإشعاع محوِّلةً إياها إلى إشارة كهربائية.
عندما يدخل الفوتون إلى الكاشف فإنه سيتفاعل مع ذرة الغاز و يتم تأيين الغاز و تحويل الغاز إلى إلكترون و أيون و بسبب فرق الكمون بين المصعد و المهبط فإن الإلكترون سيتجه نحو المصعد في حين أن الأيون الموجب سيتجه نحو المهبط و بالتالي ينتج تيار صغير في المصعد, هذا التيار الصغير ما هو إلا إشارة الخرج للكاشف. يتعلق هذا التيار الناتج بشكل أساسي بشدة الإشعاع الساقط. بسبب الكثافة المنخفضة نسبياً للغاز مقارنة مع الأجسام الصلبة فإن معظم فوتونات أشعة X تمر خلال الحجرة دون أن تُلتقط, لقد تم التغلب على هذه المشكلة بثلاثة طرق:
1- باستخدام غاز الزينون Xenon (أثقل الغازات).
2- بضغط غاز الزينون حتى 18-10 atm لزيادة كثافته.
3- باستخدام حجرة طويلة لزيادة عدد الذرات على طول ممر أشعةX.
إن الحجم النوعي للحجرة هو 2-1 m عرضاً و 10 mm ارتفاعاً و 10-8 cm عمقاً.
كما أن سيئة غاز الزينون هي انخفاض الفعالية, ففعالية هذه الكواشف هي ضمن المجال %60-50 . إن هذه الفعالية المنخفضة سببها عاملين الكثافة المنخفضة للمادة الماصَّة و امتصاص أشعة X من قبل النافذة الأمامية و التي تحتاج إلى غاز ذو ضغط عالٍ.(9).
3-1-4: نظام حيازة المعلومات Data-acquisition System (DSA) :


الشكل (1-11) نظام حيازة المعلومات DAS يحول الإشارة الكهربائية المتولدة عن كل كاشف إلى قيمة رقمية تهيئةً لإدخالها إلى الحاسب
لنرى الكسر في المعادلة : ، عندما (يُرسَل) هذا الكسر عبر مريض بدين obese patient فإن قيمته قد تكون أقل من . وهنا تتجلى مهمة نظام الحصول على المعلومات (DSA) في قياس بدقة خلال مجال ديناميكي أكبر من ، وتحويل كل النتائج إلى قيم رقمية digital values ، وإرسال هذه القيم إلى حاسب النظام لإعادة بناء الصورة. بعض المُصَنِّعين يستخدمون الطريقة الموضحة في الشكل (1-11) والتي يُستخدم فيها مبدلات تيار إلى جهد ذات مضخمات أولية بالغة الدقة precision preamplifiers current-to-voltage converters ومُكامِلات تمثيلية analog integrators ، وناخبات multiplexers ، ومبدلات تمثيلية رقمية analog-to-digital converters .
واختيارياً يستخدم بعض المصنعين المضخم الأولي للتحكم بمبدل متزامن يحوّل الجهد إلى تردد synchronous voltage-to-frequency converter (SVFC) مُستبدلين به الحاجة إلى المُكاملات والناخبات والمبدلات التمثيلية الرقمية [Brunette, et al., 1990 ]. إن التحويل الرقمي المتطلب في المعادلة يتم إنجازه إما باستخدام مُضخم لوغاريتمي تمثيلي analog logarithmic amplifier أو استخدام جدول قيَم رقمي digital look-up table وذلك بحسب المُصنِّع.

إن معدلات نقل المعطيات data transfer rates المُحَملَّة إلى الحاسبات كبيرة بمقدار يصل إلى 10 Mbytes/s من أجل بعض الماسحات. ويتم إنجاز ذلك بعمل توصيل المباشر direct connection في الأنظمة التي تتمتع بمصفوفة كاشفات ثابتة . بينما يجب أن تستخدم أنظمة الجيل الثالث ذات الحلقة الانزلاقية تقنيات معقدة. هناك مصَنِّع واحد على الأقل يستخدم المُرسِلات البصرية الضوئية optical transmitters على القنطرة الدوارة rotating gantry لكي يتم بواسطتها إرسال المعلومات إلى مُستقبلات بصرية ضوئية ثابتة fixed optical receivers [ Siemens, 1989 ] .(2)

الشكل (1-12) ماسح الـ EMI
• تجميع المعطيات : (9).
يوجد العديد من الأجيال لتجميع المعطيات و الفرق الأساسي هو عدد الإسقاطات و تكنولوجيا الحواسيب و سندرس ماسح EMI كنموذج أولى لإظهار كيفية تجميع المعطيات.\
• ماسح EMI:
صمم هذا الماسح بشكل خاص من أجل تقييم الدماغ حيث يوضع الرأس في حمام مائي بين أنبوب أشعة X في الأعلى و زوج من اللواقط (زوج من الكواشف) في الجهة المقابلة بالإضافة إلى كاشف مرجعي يعترض قسماً من الشعاع قبل وصوله إلى المريض بالإضافة إلى ذلك هناك القنطرة الصلبة التي تحافظ على الموقع القريب من أنبوب أشعة X و الكواشف و تضمن التوضع المناسب . يبقى المريض في وضع واحد خلال المسح و تتحرك القنطرة بطريقتين مختلفتين من الحركة أحدهما خطية و الأخرى دورانية . تتكرر الحركة الخطية كثيراً من المرات 180 مرة في كل مرة، و بين الـ 180حركة خطية والتي تليها فإن القنطرة تدور 1 درجة واحدة و لكن الحركة الدورانية الكاملة تشمل 180 درجة أي نصف دورة . تدعى الحركات الخطية مسحاً، و يكون شعاع X على وضعية On خلال الحركة الخطية و على وضعية off خلال الحركة الدورانية . و في هذا الجهاز تم قياس الإشعاع المنبعث 160 مرة وبما أن عدد كل الحركات الخطية و الخطوات الدورانية هي180 فيكون 160X180=28800 وهو عدد الإسقاطات. و بفترة مسح بين 4.5-5 دقائق و كل مسح يفحص مقطعي تصوير في الوقت نفسه كل واحد منهما من أجل زوج اللواقط. مقاطع التصوير الطبقية مطلوبة من أجل غالبية المرضى، و إذا طُلب عشر مقاطع تكون فترة المسح 25 دقيقة تقريباً. انظر الشكل (1-12).
يتحرك زوج اللواقط و أنبوب أشعة X بشكل مستمر و متناسق خلال حركة المسح الخطي حيث لا يتوقف من أجل 160من قراءات النفاذية التي تعيد تمثيل مُرَكِّبات خواص الامتصاص لجميع العناصر في مسار الشعاع .
يعاد بناء الصورة في هذا الماسح على شكل مصفوفة 80x80 و تكون أرقام الـCT متناسبة مع معامل التخامد و يدعى كل بيكسل في الصورة يتم إعادة تمثيله على شكل حجم نسيجي بالـفوكسيل VOXEL .
و في هذا الماسح مجال تسديد حقل أشعة X هو3x13 و يتحرك هذا الحقل عبر حمام مائي عرضه 27cm و يقوم بـ160من القراءات لنفاذية واحدة لكل 1.7mm، و بعد ذلك تتم معالجة المعطيات التي حُصِل عليها من القياسات. كما أن الأنبوب يكون ذا مصعد ثابت يُبَرد بالزيت و حجم البقعة المحرقية الاسمي 2.25x12mm ، و يشغل الأنبوب عند 120KVp و 33mA و يتم ترشيح حزمة أشعة X عن طريق طبقة ذات قيمة 6mm من الألمنيوم و كانت الكواشف عبارة عن مهتز كريستالي(بلوري) من يود الصوديوم مربوطة إلى أنابيب المضاعف الضوئي و زود الكاشف المرجعي بعامل تعرض ليعوض التغيرات اللحظية في خرج الأشعة .


• جمع معلومات الشرائح:

الشكل (1-14) الوضع الزاوي يتحدد بموقع الكاشف

الشكل (1-13) تجميع المعطيات من حزمة مروحية
تجمع المعطيات بينما يدور أنبوب أشعة X بالإضافة للدوران حول المريض و إن الدوران 360 درجة يعطي معلومات شريحة واحدة يتم إعادة بنائها إلى صورة مقطعية واحدة و تدعى المعطيات بمعطيات المسح الخام لكونها لم يتم بعد إعادة بنائها لتشكل الصورة حيث تتألف معطيات المسح الخام من معاملات تخامد . تتألف القنطرة من إطار ثابت و إطار مسح دائري و يحمل إطار المسح أنبوب أشعة X على شكل مروحي و هكذا تجمع المعطيات باستخدام حزمة مروحية كما في الشكل (1-13) و يدعم الإطار الثابت إطار المسح على محرك المسح و خلال المسح فإن قائد المسح (دارات التحكم بالموقع و السرعة و مضخم الطاقة ) يقوم بتزويد الطاقة إلى محرك المسح الذي يدوِّر أنبوب أشعة X حول الفتحة الخاصة بالمريض و يحتوي الإطار الثابت أيضا على اللواقط التي تقيس أشعة X التي تمر خلال المريض، وتُجمع المعطيات بواسطة هذه اللواقط و ترسل إلى إلكترونيات القنطرة، وتتحكم هذه الإطارات بتوليد أشعة X و المجمع (المُسدد) و محرك المسح و حيازة المعطيات حيث يتحكم هذا المحرك بحيازة المعطيات بواسطة اللواقط بالإضافة إلى أنه يقرأ خرج اللواقط و ترسل المعطيات إلى الكومبيوتر من أجل إعادة بناء الصورة.
• الموقع:
يحدد الوضع الزاوي لإطار المسح بواسطة الكاشف و ليس بالدرجات أو بالراديان و يدعى رقم الكاشف الذي يدخل إليه الشعاع المركزي بـ الموقع.الشكل (1-14).
• الإسقاطات :


الشكل (1-15) الإسقاط هو مجموعة من القياسات التي تؤخذ عندما يكون أنبوب أشعة X في موقع محدد
إن الإسقاط هو مجموعة من القياسات التي تؤخذ عندما يكون أنبوب أشعة X في موقع محدد، انظر الشكل (1-15)، تجمع إلكترونياتُ حيازة المعطيات في القنطرة المعطياتِ من اللواقط في فواصل زمنية غير مترابطة تسمى فواصل المعطيات أو الأزمنة المتكاملة وهذه الأسماء مشتقة من عملية جمع اللواقط لأشعة X حيث تستقبلها في فواصل محددة وفي نهاية هذا الفاصل فإن معطيات الإسقاط تكون قد جمعت و حولت إلى الحاسب . أي أنه في الوقت الذي يدور فيه أنبوب أشعة X للموقع التالي يبدأ فاصل المعطيات التالي حيث تكون معلومات الإسقاط الثاني قد جمعت و يستمر هذا حتى يقوم إطار المسح بدورة كاملة 360 درجة (1200 كاشف)، و إذا أخذ النظام المعلومات من أجل كل موقع فإن 1200إسقاطاً يؤخذ في الشريحة.
يدور أنبوب أشعة X باستمرار و لنفترض أن فاصل المعطيات يستمر طالما أن أنبوب أشعة X يدور بعرض كاشف واحد عندئذ فإن كل إسقاط يعطي لطخةًً بعرض كاشف واحد و هذا ما يخفض من الدقة الحيزية في الصورة النهائية و تستطيع دارات التحصيل تخفيض فاصل المعطيات .
يجب أن يكون للإسقاط عرض مناسب لكي يغطي المجال فالمسح ذو المجال الكامل و المستخدم في الأجسام الكبيرة يكون أعرض بمرتين من الإسقاط ذو المجال النصفي و المستخدم في الأجسام الصغيرة و هناك عاملان يحددان حجم المجال و هما المسدد الذي يحدد عرض حزمة أشعة X و دارات التحصيل والحيازة التي تقرأ خرج الكاشف.
• جمع الأشعة :

الشكل (1-16) جمع الأشعة
يتألف كل إسقاط من مجموعة أشعة انظر الشكل (1-16)، عددها مساوٍ لعدد الكواشف المغطاة بالإسقاط و مجموع الأشعة هو مجموع معاملات التخامد بين أنبوب الأشعة و الكاشف .
إن عملية إعادة البناء ما هي إلا عملية فصل معامل التخامد للعناصر الحجمية من مجموع الأشعة ،يتضمن كل مجموع شعاع معاملات التخامد للعناصر الحجمية التي يمر خلالها الشعاع . لنأخذ عنصر حجمي واحد تؤخذ إسقاطات الشريحة حول العنصر الحجمي المهم و نستطيع القول VOI، خلال إعادة بناء الصورة فإن القيم المختلفة لمجموع الإشارة المارة من خلال VOI يتم إضافتها ويكون معامل تخامد العنصر الحجمي VOI جزءً من مجموع الأشعة ويضاف مرات متتالية .
• قياس أشعة X :
تقيس الكواشف الأشعة المنبعثة من المريض و يتم تضخيم خرج الكواشف و رقمنته و نقله إلى الحاسب لإعادة بناء الصورة و تنجز إليكترونيات القنطرة هذه المهمة.
3-2: النظام الحاسوبي Computer System:
يستخدم المُصنِّعون أنظمة حاسوبية متنوعة للتحكم بعتاد النظام system hardware ، وللحصول على معلومات الإسقاط ، وليتم إعادة بناء الصور الطبقية الشرائحية ، وإظهارها، والتعامل معها . يبين الشكل (1-17) نظاماً حاسوبياً نموذجياً والذي يقوم باستخدام اثني عشر مُعالجاً صغرياً مستقلاً 12 independent processors تتصل بناقل مشترك ينقل المعطيات بمعدل أربعين ميجا بايت في الثانية a 40-Mbyte/s multibus .

الشكل (1-17) يتحكم النظام الحاسوبي بحركات القنطرة، يقوم بحيازة قياسات الأشعة السينية المرسلة عبر المريض ويعيد بناء الصورة النهائية. النظام الحاسوبي الذي نراه في هذا الشكل يستخدم وحدات معالجة مركزية من العائلة 12 68000 . (Courtesy of Picker international, Inc. )

يتم استخدام مصفوفة من المعالجات المتعددة ذات العمل المتخصص المهام multiple custom array processors وذلك لتحقيق سرعة حساب حصادُها مائتا مليون عملية ذات نقطة عائمة في الثانية 200 MFLOPS (million floating-point operations per second) ، ولتحقيق زمن إعادة بناء للصورة مقداره خمس ثوانٍ تقريباً 5 s. وذلك ليتم توليد صورة يتم إظهارها على عدد من عناصر الصورة تعدادُها 1024 X 1024 pixels display . كما يُستخدم نظام تشغيل UNIX مُبسَّط simplified UNIX operating system لتوفير بيئة عمل متعددة المهام ومتعددة المستثمرين multitasking, multi-user environment بغرض تنسيق وتنظيم المهام.
4: طريقة استثمار جهاز الـ CT :
يُعد فني الأشعة المريض لدراسة الرأس مثلاً و بعد نصف ساعة يُدخل المريض و يشغل الجهاز (نظام الـCT) و يقوم نظام الـCT الأوتوماتيكي بوضع كافة عناصر النظام على الحالة الابتدائية و يتم تحضير الكومبيوتر و البرامج . يستخدم أنبوب أشعة X مستويات عالية من الطاقة خلال المسح و لكن تتحول فقط نصف الطاقة إلى أشعة X و يتحول الباقي إلى حرارة لذا يقوم الجهاز بتحمية warm up متسلسلة تدريجية حتى لا يحترق الجهاز من تأثير الحرارة و التبريد المطبق. يوضع المريض على مضجع بوضعية معينة يكون فيها على ظهره مع إبعاد نقطة تثبيت القدم أو اتجاه القدم عن فتحة المريض و يمكن وضع الرأس للمريض على حامل دعامة لإمالة الرأس أو تميل القنطرة حتى نحصل على الزاوية الصحيحة.
يستخدم المستثمر أزرار التحكم الموجودة على القنطرة ليشغل المضجع و يحرك المريض إلى داخل الفتحة الخاصة به في القنطرة ، و يتم بواسطة شعاع الليزر منخفض الطاقة تحديد مكان أخذ الشرائح و بعدها يختار المستثمر أحد البرامج مع المحددات المطلوبة (حجم الحقل، ثخانة الشريحة، الفهرسة، دراسة الرأس ، جهد أنبوب X و التيار) و هي التي تحدد مكان المسح و بعدها يبدأ المسح و يتم أخذ الصور و الشرائح و معالجتها. و بعد ذلك هناك عملية التخزين على القرص الصلب.
و الصورة الملتقطة هي مجموعة من عناصر الصورة أو البيكسلات التي ترتبط بالنقاط داخل المريض و يشير كل بيكسل إلى سوية رمادية يتعلق بامتصاص أشعة X في تلك النقطة من الجسم و التي تسمى سوية رمادية، ويتم اختيار عرض التحكم بمجال قيم البيكسل (عنصر الصورة) الذي يشير إلى السويات من الأسود إلى الأبيض و تدعى هذه القيمة بالعرض width، كما يمكن القيام بالقياسات على الصورة بعد إظهارها وذلك بواسطة المؤشرة و الكرة المتدحرجة و بلوحة المفاتيح. فيتم قياس المسافة والمساحات و كثافة أشعة X. وجدير بالذكر انه و بالإضافة إلى إمكانية عرض الصور على الشاشة فإنه يتشكل دوماً صورة على فيلم عادي يتم تحميضه .
و كما نوقش سابقاً فإن الصورة تنتج عندما يدور شعاع X بزاوية 360 درجة حول المريض و يتم قياس كمية أشعة X بالكواشف و تُرقمن هذه القياسات و ترسل إلى الحاسب الذي يقوم بإعادة بناء الصورة و تظهر الصورة على الشاشة المرئية ، و تتألف الصورة من معطيات حيزية و تباين المعطيات.(9).
5: مقارنة الـ CT مع أجهزة التصوير السينية التقليدية :
صورة أشعة X التقليدية محدودة لأنها تتولد عن إسقاط للأشعة من منبع الأشعة عبر الجسم ثم على الفيلم، وفي حالة وجود مناطق جسمية ذات اختلافات أو تفاوتات variations كبيرة في الكثافة الإلكترونية على طول نفس مسار الحزمة فإن الاختلافات أو التفاوتات الصغيرة لن يكون بالإمكان كشفها. مثال على ذلك التصوير الشعاعي التقليدي للصدر chest conventional radiography حيث أن البنى العظمية الكثيفة تجعل من الصعب استسقاء المعلومات عن المناطق الأقل كثافةً في الرئة.
هناك طريقة لتذليل هذه العقبة وتقليل هذه الصعوبة الناشئة عن إعاقة بنية ما لتصوير بنية أخرى وهي طريقة تعريض المريض للأشعة من اتجاهات متعددة. ولكن هذا لن يكون عملياً بسبب التعرض الكبير للأشعة large exposure الذي يتلقاه المريض. إلا أنه في السنوات الحديثة أتاحت تقنية الـ CT طرقاً جديدة لحيازة معلومات أكثر من كل فوتون منبعث بحيث تم الحصول على معلومات أفضل عن الكثافة الإلكترونية للأجزاء الجسمية ليتم كشف البنى المختفية بشكل أو بآخر في الجسم وذلك عن طريق التعريض المتعدد الاتجاهات للأشعة multidirectional exposures.(1).
يعاني التصوير الشعاعي التقليدي بالأشعة السينية من تراكب البنى فوق بعضها, لكن CT يتغلب على هذا التراكب عن طريق تصوير شرائح مقطعية مستعرضة للجسم و ثخانة هذه الشرائح نموذجياً 10 mm , و في بعض الأنواع يمكن أن تُؤخذ شرائح رقيقة حتى 1 mm و لهذا فإن التراكب يحدث فقط في البنى الداخلية ذات الثخانة الأقل من ثخانة الشريحة.
عندما يقوم الطبيب الشعاعي بالتشخيص فإنه يأخذ عدة شرائح بالإضافة إلى معطيات المريض و معلومات أخرى. تتضمن الدراسة النموذجية للرأس من 8-12 شريحة و كل من هذه الشرائح ذات ثخانة 5 mm , و يمسح المريض مرة واحدة من أجل كل شريحة. والمسح هو عبارة عن مرور لأشعة X خلال المريض و تجميع المعطيات , و يقوم المضجع الذي يحمل المريض بإدخاله و تحريكه أفقياً بين المسح و الآخر, و بشكل مثالي فإن المسافة التي تتحركها الطاولة مكافئة لثخانة الشريحة.
المضجع في جهاز الـ CT هو عبارة عن الطاولة التي ترفع المريض و يُحرِّك المريض إلى فتحة المريض في القنطرة و تحتوي القنطرة على أنبوب أشعة X لتوليد هذه الأشعة و كواشف لقياس الأشعة التي تمر عبر المريض. (9).
تتألف لوحة المستثمر من لوحة مفاتيح من أجل إدخال الأوامر و شاشة مرئية من أجل قراءة إحصائيات النظام و رؤية الصورة و إشارات تحكمية من أجل بداية المسح و إنهاء المسح ,و معالجة الصور بمهارة, و تشغيل النظام و إيقافه و بعد أن يصدر المستثمر أمراً بالمسح فإن الحاسب يجري الخطوات التالية:
1- إصدار أشعة X .
2- جمع معطيات أشعة X من المريض.
3- معالجة المعطيات في الصورة.
4- تخزين الصورة على القرص.
5- إظهار الصورة على الشاشة المرئية.