Scanner CAT

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Um scanner de tomografia computadorizada (TC) ou tomografia axial computadorizada (CAT) é uma ferramenta de imagem médica que fornece imagens nítidas das estruturas internas do corpo. Utilizando um feixe de raios X e um detector de radiação, ele fornece dados a um computador, que então constrói uma imagem tridimensional. O scanner CAT é feito de vários componentes eletrônicos complexos, que são produzidos por vários subcontratados e montados em uma unidade completa pelos fabricantes de scanner. Desenvolvido pela primeira vez no início dos anos 1970, os avanços tecnológicos constantes tornaram este tipo de scanner um dispositivo de diagnóstico radiológico inestimável.

História

A invenção do scanner CAT foi possibilitada por Wilhelm Roentgen, que descobriu os raios X em 1895. Nessa época, vários cientistas investigavam o movimento dos elétrons através de um aparelho de vidro conhecido como tubo de Crookes. Roentgen queria capturar visualmente a ação dos elétrons, então envolveu seu tubo de Crookes em papel fotográfico preto. Quando ele fez seu experimento, ele notou que uma placa revestida com um material fluorescente, que por acaso estava perto do tubo, ficava fluorescente ou brilhava. Isso foi inesperado porque nenhuma luz visível estava sendo emitida do tubo envolvido. Após uma investigação mais aprofundada, ele descobriu que de fato havia algum tipo de luz invisível produzida por esse tubo e que podia penetrar em materiais como madeira, alumínio ou pele humana.

Após essa descoberta inicial, Roentgen percebeu rapidamente a importância de sua descoberta para a medicina. Usando raios X, ele determinou que era possível criar uma imagem das estruturas abaixo da pele. Para tanto, publicou a primeira radiografia, uma imagem da mão de sua esposa. Ele recebeu o primeiro prêmio Nobel de física em 1901 por esta descoberta. O primeiro uso documentado de raios X para um diagnóstico real nos Estados Unidos ocorreu em 1896. O Dr. Gilman Frost e seu irmão, que era físico, os usaram para determinar a gravidade dos ferimentos sofridos por um menino que tinha patinação no gelo acidente. Esta radiografia foi tirada no laboratório de física do Dartmouth College.

À medida que o campo da radiografia se expandia, a tecnologia de raios-X melhorava continuamente. Uma das principais limitações dos raios X convencionais era a falta de profundidade; portanto, muitas estruturas internas foram sobrepostas umas às outras. Com a ajuda de computadores, os cientistas desenvolveram métodos para resolver esse problema. Um desses métodos foi a tomografia computadorizada (TC) ou tomografia axial computadorizada (CAT). O primeiro scanner CAT foi demonstrado em 1970 por Godfrey Hounsfield e Allen Cormack. Nas duas décadas seguintes, avanços significativos foram feitos no design do scanner, o que resultou nos scanners de imagem de alta qualidade usados ​​hoje.

Antecedentes

Os tomógrafos, como todas as outras máquinas de raios-X, utilizam raios X para produzir imagens de estruturas internas do corpo. Os raios X são um tipo de radiação ionizante capaz de penetrar materiais sólidos em diferentes graus, dependendo de sua densidade e espessura. Na radiologia convencional, uma imagem é produzida colocando um detector, como um filme fotográfico, atrás do paciente e, em seguida, direcionando um feixe de raios X em sua direção. A radiação passa pelo corpo do paciente e interage com o filme. Como os raios X que atingem o filme produzem áreas escuras após o processamento, as estruturas do corpo que são facilmente penetradas pelos raios X, como a pele, aparecem como regiões escuras. Outras estruturas, como músculos, tecidos moles e órgãos, permitem diferentes quantidades de raios X através deles e aparecem como áreas cinzentas. Os ossos, que não permitem a passagem de raios X, aparecem como áreas brancas brilhantes.

As imagens produzidas por radiografias de filme convencionais costumam ser confusas porque muitas das estruturas internas são sobrepostas umas às outras. A tomografia foi desenvolvida para reduzir essa imprecisão e permitir a imagem de áreas específicas do corpo. Os primeiros métodos tomográficos envolviam o movimento simultâneo do gerador de raios X e do filme de detecção em direções opostas. À medida que as duas unidades se movem horizontalmente, apenas as estruturas do corpo que estão em um plano geométrico específico permitirão que os raios X passem consistentemente pelo detector. Dessa forma, essas estruturas aparecem claramente no filme, enquanto as estruturas fora do plano são borradas. A imagem produzida por esse tipo de radiologia é paralela ao longo eixo do corpo.

A tomografia axial computadorizada e a tomografia transaxial computadorizada representam uma forma mais complexa e aprimorada de tomografia convencional. As imagens são produzidas girando o gerador de raios-X e os detectores ao redor do paciente em um círculo. A quantidade de radiação residual atenuada emitida pelo corpo em vários ângulos é medida e enviada para um computador em vez de ser registrada diretamente no filme. O computador então executa uma série de algoritmos complexos para reconstruir a imagem, que pode então ser exibida em um monitor. Ao contrário da tomografia convencional, a imagem produzida pela tomografia transaxial computadorizada é um corte transversal do corpo e é chamada de imagem transaxial porque é perpendicular ao longo eixo do corpo.

Os raios X são chamados de radiação ionizante porque são capazes de interagir e alterar certos tipos de matéria, como as moléculas do corpo. Embora este seja certamente um risco significativo para a saúde humana, os benefícios do uso de raios X na medicina são esmagadores. No entanto, os trabalhadores da área médica têm o cuidado de limitar a exposição a eles próprios e aos pacientes.

Design

O scanner CAT é composto de três sistemas principais, incluindo o gantry, o computador e o console operacional. Cada um deles é composto por vários subcomponentes. A montagem do pórtico é o maior desses sistemas. É composto por todos os equipamentos relacionados ao paciente, incluindo o suporte do paciente, a marquesa de posicionamento, os suportes mecânicos e a caixa do scanner. Ele também contém o coração do scanner CAT, o tubo de raios X, bem como detectores que geram e detectam os raios X.

O tubo de raios X é um tipo especial de diodo elétrico selado a vácuo, projetado para emitir raios X. É composto por dois eletrodos, o cátodo e o ânodo. Para produzir raios X, um filamento no cátodo é carregado com eletricidade de um gerador de alta tensão. Isso faz com que o filamento se aqueça e emita elétrons. Usando sua atração natural e um copo de foco especial, os elétrons viajam diretamente em direção ao ânodo carregado positivamente. Os raios X são emitidos indiscriminadamente quando os elétrons atingem o ânodo. O ânodo, que pode estar girando ou não, conduz a eletricidade de volta ao gerador de alta tensão para completar o circuito. Para focar os raios X em um feixe, o tubo de raios X é contido dentro de uma caixa protetora. Esta caixa é forrada a chumbo, exceto por uma pequena janela na parte inferior. Raios X úteis conseguem escapar por essa janela, enquanto o chumbo evita o escape de radiação em outras direções.

Ao contrário de outros dispositivos radiológicos, os detectores em um scanner CAT não medem os raios X diretamente. Eles medem a radiação atenuada das estruturas do corpo devido à sua interação com os raios x. Um tipo de detector é um detector de gás ideal. Quando a radiação atinge um desses detectores, o gás é ionizado e um nível de radiação pode ser determinado.

O computador é especialmente projetado para coletar e analisar dados do detector. É um computador de grande capacidade capaz de realizar milhares de equações simultaneamente. A velocidade de reconstrução e a qualidade da imagem dependem do microprocessador e da memória interna do computador. UMA o computador rápido é particularmente importante porque influencia muito a velocidade e eficiência do exame. Uma vez que o computador é tão especializado, ele requer uma sala com um ambiente estritamente controlado. Por exemplo, a temperatura é normalmente mantida abaixo de 68 ° F (20 ° C) e a umidade está abaixo de 30%.

O console operacional é o centro de controle mestre do scanner CAT. É usado para inserir todos os fatores relacionados à realização de uma varredura. Normalmente, esse console é composto por um computador, um teclado e vários monitores. Freqüentemente, há dois consoles de controle diferentes, um usado pelo operador do scanner CAT e o outro usado pelo médico. O console do operador controla variáveis ​​como a espessura da fatia do tecido com imagem, o movimento mecânico da maca do paciente e outros fatores de técnica radiográfica. O console de visualização do médico permite que o médico visualize a imagem sem interferir na operação normal do scanner. Ele também permite a manipulação de imagens, se isso for necessário para diagnóstico e armazenamento de imagens para uso posterior. Para este tipo de armazenamento de dados, fitas magnéticas ou disquetes estão disponíveis.

O design de um scanner CAT melhorou gradativamente com o tempo. Os scanners CAT originais utilizaram um feixe de raios X fino e feito de lápis e fizeram 180 leituras, uma em cada grau de rotação em torno de um semicírculo. O gerador de raios-X e os detectores moviam-se horizontalmente para cada varredura e, em seguida, eram girados um grau para fazer a próxima varredura. Dois detectores foram usados, de forma que duas imagens diferentes pudessem ser geradas a partir de cada varredura. A desvantagem desse sistema era o tempo de varredura demorado. Uma única varredura pode levar até cinco minutos. Os projetos melhoraram à medida que mais detectores foram adicionados e o feixe de raios-X foi espalhado usando um filtro especial. Isso reduziu significativamente o tempo de varredura para cerca de 20 segundos. A próxima grande melhoria no projeto resultou na eliminação do movimento horizontal do gerador e do detector, tornando-o um scanner somente rotativo. Mais detectores foram adicionados e agrupados em uma matriz de detectores curvilíneos. O conjunto de detectores acabou sendo projetado para ser estacionário e o tempo de varredura resultante foi reduzido para um segundo.

Matérias-primas

Uma grande variedade de materiais, como aço, vidro e plástico, são usados ​​para construir os componentes de um scanner CAT. Alguns dos compostos mais especializados podem ser encontrados na maca do paciente, no conjunto de detectores e no tubo de raios-X. A marquesa do paciente é normalmente feita de fibra de carbono para evitar que interfira na transmissão do feixe de raios-X. Os scanners CAT usam tecnologia de raios-X para criar imagens tridimensionais das estruturas internas do corpo. As imagens são obtidas girando o gerador de raios X e os detectores ao redor do paciente. Essas informações são alimentadas em um computador, que reconstrói imagens das estruturas corporais dentro de seu plano de foco. O conjunto de detectores de scanners mais modernos usa placas de tungstênio, um substrato de cerâmica e gás xenônio. O tungstênio também é usado para fazer o cátodo e o feixe de elétrons alvo do tubo de raios-x. Outros materiais encontrados no tubo são Pyrex. vidro, cobre e ligas de tungstênio. Em muitas partes do sistema do scanner CAT, o chumbo pode ser encontrado, o que reduz a quantidade de radiação em excesso.

O processo de fabricação

A fabricação do scanner CAT é normalmente um conjunto de vários componentes fornecidos por fabricantes externos. O processo a seguir discute como os principais componentes são produzidos.

Componentes da montagem do pórtico

• 1 O tubo de raios X é feito de maneira muito semelhante a outros tipos de diodos elétricos. Os componentes individuais, incluindo o cátodo e o ânodo, são colocados dentro do envelope do tubo e selados a vácuo. O tubo é então colocado no invólucro de proteção, que pode então ser conectado à parte giratória da estrutura do scanner.
• 2 Vários conjuntos de detectores estão disponíveis para scanners CAT. Um tipo de conjunto de detectores é o detector preenchido com gás ideal. Isso é feito colocando tiras de tungstênio com 0,04 polegada (1 mm) de distância em torno de uma grande estrutura metálica. Um substrato de cerâmica mantém as tiras no lugar. Todo o conjunto é hermeticamente selado e preenchido sob pressão com um gás inerte como o xenônio. Cada uma das pequenas câmaras formadas pelas lacunas entre as placas de tungstênio são detectores individuais. O detector acabado também é conectado à estrutura do scanner.
• 3 Para criar a grande quantidade de voltagem necessária para produzir raios X, um autotransformador é usado. Este dispositivo de fonte de alimentação é feito enrolando um fio em torno de um núcleo. As conexões de derivação elétrica são feitas em vários pontos ao longo da bobina e conectadas à fonte de alimentação principal. Com este dispositivo, a tensão de saída pode ser aumentada para aproximadamente duas vezes a tensão de entrada.

Consola de controle e computador

• 4 O console de controle e o computador são especialmente projetados e fornecidos pelos fabricantes de computadores. O computador de construção de modelo primário é especificamente programado com os algoritmos de reconstrução necessários para manipular os dados de raio-x da montagem do pórtico. Os consoles de controle também são programados com software para controlar a administração da tomografia.

Montagem final

• 5 A montagem final do scanner CAT é um processo personalizado que geralmente ocorre nas instalações de imagem radiológica. As salas são especialmente projetadas para abrigar cada componente e minimizar o potencial de exposição excessiva à radiação ou choque elétrico. Seguindo planos específicos, a instalação do equipamento e a fiação de todo o sistema do scanner CAT são concluídas.

Controle de qualidade

Como acontece com todos os equipamentos eletrônicos, os testes de controle de qualidade são uma parte importante da fabricação do scanner CAT. Os fabricantes de leitores normalmente confiam em seus fornecedores para realizar testes básicos de qualidade nos componentes que chegam. Quando as seções do scanner são montadas, as inspeções visuais e elétricas são realizadas durante todo o processo para detectar falhas. Além das especificações de qualidade definidas pelos fabricantes, a Food and Drug Administration (FDA) dos Estados Unidos possui regulamentações que exigem que os fabricantes realizem testes de controle de qualidade específicos. Exemplos desses testes incluem testes de calibração do tubo de raios X, testes mecânicos da mesa do paciente e testes de padronização da saída visual.

O Futuro

A pesquisa para futuros scanners CAT concentra-se em quatro objetivos básicos, incluindo a produção de imagens de melhor qualidade, reduzindo a quantidade de exposição à radiação do paciente, otimizando algoritmos de reconstrução de computador e melhorando o design do scanner CAT. Vários métodos de atingir esses objetivos já foram tentados. Para melhorar a qualidade da imagem, alguns scanners incorporam movimentos exclusivos do tubo de raios X, do detector ou de ambos. Outros mudam a posição do paciente. Scanners mais rápidos estão sendo desenvolvidos para reduzir o tempo de exposição do paciente. Diferentes tipos de algoritmos de computador foram desenvolvidos para uma variedade de exames. Os scanners CAT do futuro provavelmente irão incorporar a maioria desses novos desenvolvimentos, junto com um tubo de raios-X em rotação contínua e detectores para fornecer o procedimento de imagem mais claro e seguro possível.