Как работает томограф

Томограф — это сложное медицинское оборудование, используемое для получения детальных изображений внутренних органов и тканей тела. Название "томограф" происходит от двух греческих слов:

"томос" (τόμος) — означает "слой" или "сечение".
"графо" (γράφω) — означает "писать" или "изображать".

Таким образом, томограф — это устройство, которое "изображает срезы" (или слои) тела.

Существует несколько типов томографов, наиболее распространёнными из которых являются компьютерные томографы (КТ) и магнитно-резонансные томографы (МРТ). Несмотря на различия в принципах работы, их устройство имеет общие черты. Рассмотрим основные компоненты и принцип работы томографа.

Как устроен томограф.

Основные компоненты томографа:

1. Гентри (кольцевая часть томографа).

Это основная часть томографа, которая имеет форму кольца или тоннеля. Внутри гентри расположены ключевые элементы, такие как источник излучения (в КТ) или магнитные катушки (в МРТ).

В КТ гентри содержит рентгеновскую трубку и детекторы, которые вращаются вокруг пациента.

В МРТ гентри содержит мощный магнит и радиочастотные катушки.

2. Стол для пациента

Это подвижная платформа, на которой пациент лежит во время исследования. Стол плавно перемещается внутрь гентри, чтобы сканировать разные части тела.

3. Источник излучения (в КТ)

В компьютерной томографии используется рентгеновская трубка, которая генерирует пучок рентгеновских лучей. Эти лучи проходят через тело пациента и улавливаются детекторами.

4. Детекторы (в КТ)

Детекторы регистрируют ослабление рентгеновских лучей после их прохождения через ткани тела. На основе этих данных строится изображение.

5. Магнитная система (в МРТ)

В МРТ используется мощный магнит, который создаёт постоянное магнитное поле. Это поле выравнивает протоны в атомах водорода в теле пациента. Магниты могут быть постоянными, резистивными или сверхпроводящими (наиболее мощные).

6. Радиочастотные катушки (в МРТ)

Эти катушки генерируют радиочастотные импульсы, которые возбуждают протоны в тканях тела. После прекращения импульсов протоны возвращаются в исходное состояние, излучая сигнал, который улавливается катушками.

7. Система обработки данных

Компьютерная система томографа обрабатывает сигналы, полученные от детекторов (в КТ) или катушек (в МРТ), и преобразует их в изображения. Используются сложные алгоритмы реконструкции, такие как обратное проецирование в КТ или преобразование Фурье в МРТ.

8. Система управления

Включает пульт управления, с помощью которого врач или настраивает параметры сканирования (например, толщину среза, область исследования).

9. Система охлаждения (в МРТ)

В МРТ с сверхпроводящими магнитами используется система охлаждения жидким гелием для поддержания низких температур, необходимых для работы магнита.

10. Защитные элементы

Все томографы оснащены защитными экранами для минимизации воздействия излучения (в КТ) или магнитного поля (в МРТ) на окружающих.

Как работает томограф

В КТ (компьютерная томография):

• Рентгеновская трубка вращается вокруг пациента, испуская пучок лучей.
• Детекторы улавливают ослабленные лучи после их прохождения через тело.
• Компьютер обрабатывает данные и строит трёхмерное изображение внутренних структур.

В МРТ (магнитно-резонансная томография):

• Мощное магнитное поле выравнивает протоны в тканях тела.
• Радиочастотные импульсы возбуждают протоны, которые затем возвращаются в исходное состояние, излучая сигнал.
• Сигналы улавливаются катушками и преобразуются в изображения.

Основная разница между КТ и МРТ - КТ использует рентгеновское излучение и лучше подходит для визуализации костей, лёгких и экстренной диагностики. А МРТ использует магнитное поле и радиочастотные импульсы, что делает её более подходящей для исследования мягких тканей, мозга, суставов.

Ключевая часть рентгеновского аппарата (в том числе компьютерного томографа) — рентгеновская трубка, которая генерирует рентгеновские лучи. Давай разберём, как она устроена и как работает, простыми словами.

Как устроена рентгеновская трубка? В неё входят:

1. Вакуумная колба:

Это герметичная стеклянная или металлическая трубка, из которой откачан воздух. Вакуум нужен, чтобы электроны могли свободно двигаться.

2. Катод (минус):

Это отрицательно заряженный электрод, который испускает электроны. Обычно он сделан из проволоки, которая нагревается (как в лампочке) и выпускает поток электронов.

3. Анод (плюс):

Это положительно заряженный электрод, который притягивает электроны. Он сделан из тугоплавкого металла (например, вольфрама), потому что при ударе электронов он сильно нагревается.

4. Мишень (фокусное пятно):

Это часть анода, куда ударяются электроны. Когда электроны сталкиваются с мишенью, они резко тормозят, и их энергия превращается в рентгеновское излучение.

5. Система охлаждения:

Так как анод сильно нагревается, в трубке есть охлаждение (например, масляная или водяная система), чтобы она не перегревалась.

Как это работает:

Сперва происходит нагрев катода. Катод нагревается и начинает испускать электроны (как нить в лампочке). Происходит ускорение электронов, они летят к аноду, потому что он заряжен положительно, а они — отрицательно. Их ускоряет высокое напряжение (десятки или сотни тысяч вольт). Электроны с огромной скоростью ударяются о мишень на аноде. При этом их энергия превращается в два вида излучения: тормозное излучение (основная часть рентгеновских лучей)и характеристическое излучение (возникает, когда электроны выбивают другие электроны из атомов мишени).
В конце происходит выход рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи выходят из трубки через специальное окно (обычно сделанное из бериллия, которое пропускает рентген, но задерживает другие частицы).

Рентгеновские лучи могут проходить через мягкие ткани (например, кожу и мышцы), но задерживаются плотными структурами (например, костями). Это позволяет врачам "видеть" внутренние органы и кости на снимках. Например, когда делается рентгеновский снимок руки, рентгеновская трубка испускает лучи, которые проходят через твою руку и попадают на специальную плёнку или цифровой детектор. Кости задерживают лучи, поэтому на снимке они выглядят белыми, а мягкие ткани — тёмными.