Томография

Томография (греч. τομη — сечение) — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством его многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях.

Терминологические вопросы

См. также Интроскопия.

Ранее под томографией понимался метод рентгенологического исследования, с помощью которого можно производить снимок слоя, лежащего на определённой глубине исследуемого объекта. Он был предложен через несколько лет после открытия рентгеновских лучей и был основан на перемещении двух из трёх компонентов (рентгеновская трубка, рентгеновская плёнка, объект исследования). Наибольшее распространение получил метод съёмки, при котором исследуемый объект оставался неподвижным, а рентгеновская трубка и кассета с плёнкой согласованно перемещались в противоположных направлениях. При синхронном движении трубки и кассеты только необходимый слой получается четким на пленке, потому что только его вклад в общую тень остаётся неподвижным относительно плёнки, всё остальное — смазывается, почти не мешая проводить анализ полученного изображения. В настоящее время доля последнего метода в исследованиях стремительно уменьшается, в связи со своей относительно малой информативностью и высокой дозовой нагрузкой, в следствии чего такое определение морально устарело и данный метод получил название классическая томография или линейная томография.

Вычислительная томография — область математики, занимающаяся разработкой математических методов и алгоритмов восстановления внутренней структуры объекта по проекционным данным. В частности, область занимается решениями прямой и обратной томографической задачи (обращение прямой томографической задачи).

См. также преобразование Радона и экспоненциальное преобразование Радона.

Компьютерная томография — в широком смысле, синоним термина томография (так как все современные томографические методы реализуются с помощью компьютерной техники); в узком смысле (в котором употребляется значительно чаще), синоним термина рентгеновская компьютерная томография, так как именно этот метод положил начало современной томографии.

Анатомическая томография — основана на получении срезов тканей человека с их последующей фиксацией с помощью химических веществ и регистрация их на фотоплёнку. Классическими примерами анатомической томографии являются пироговские срезы и изображения гистологических препаратов. Терминологически, в настоящее время, данные методы не относят к томографии, в силу их разрушающего характера.

История томографии

• В 1917 году австрийский математик Иоганн Радон предложил способ обращения интегрального преобразования, впоследствии получившего его имя (см. преобразование Радона), благодаря которому стало возможно восстанавливать изначальную функцию, зная её преобразование. Однако в то время работа Радона не попала в поле зрения исследователей и вскоре была незаслуженно забыта современниками.
• В 1963 году американский физик А. Кормак повторно (но отличным от Радона способом) решил задачу томографического восстановления, а в 1969 году английский инженер-физик Г. Хаунсфилд из фирмы EMI Ltd. сконструировал «ЭМИ-сканер» (EMI-scanner) — первый компьютерный рентгеновский томограф, чьи клинические испытания прошли в 1972 году. В 1979 году Кормак и Хаунсфилд «за разработку компьютерной томографии» были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
• А в 2003 за изобретение метода магнитно-резонансной томографии, на основе открытия Реймонда Дамадьяна, Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур.

Классификация видов томографии

Взаиморасположение источника зондирующего излучения, объекта и детектора

С точки зрения взаиморасположения источника зондирующего излучения, объекта и детектора томографические методы могут быть разделены на следующие группы:

• трансмиссионные — регистрируется зондирующее внешнее излучение, прошедшее через пассивный (неизлучающий) объект, частично ослабляясь при этом;
• эмиссионные — регистрируется излучение, выходящее из активного (излучающего) объекта с некоторым пространственным распределением источников излучения;
• комбинированные трансмиссионно-эмиссионные (люминесцентные, акустооптические и оптоакустические и др.) — регистрируется вторичное излучение от источников, распределённых по объёму объекта и возбуждённых внешним излучением;
• эхозондирование — регистрируется зондирующее внешнее излучение, отражённое от внутренних структур пассивного объекта.

Размеры исследуемых объектов

• Микроуровень (микротомография) — исследуются объекты размером с отдельную клетку.
• Уровень объектов, соизмеримых с человеческим телом (от отдельного органа или лабораторной мыши до самолёта).
• Макроуровень — атмосферные явления (облака, циклоны, торнадо), планеты и звёзды.

Сфера применения

По сфере применения выделяют:

• медицинскую томографию (как вид медицинской визуализации и медицинской диагностики);
• промышленную (техническую) томографию (как вид дефектоскопии);
• томографию макрообъектов.

Зондирующее излучение

• Томография с использованием звуковых волн (в том числе сейсмических):
  • ультразвуковая томография (УЗТ);
  • сейсмическая томография.
• Томография с использованием электромагнитного излучения:
  • радионуклидная эмиссионная томография (гамма-излучение);
    • однофотонная эмиссионная томография (ОФЭКТ);
    • двухфотонная эмиссионная или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ);
  • рентгеновская томография;
    • рентгеновская компьютерная томография (КТ, РКТ);
  • оптическая (лазерная) томография (ОТ);
  • томография в радиодиапазоне.
• Томография с использованием электромагнитных полей:
  • магнитно-резонансная томография (МРТ);
  • электро-импедансная томография.
• Томография с использованием элементарных частиц:
  • нейтронная томография;
  • электронная и позитронная томография;
  • протонная томография;
  • нейтринная томография.

Литература

• A. C. Kak, M. Slaney Principles of Computerized Tomographic imaging. (IEEE Press, NY 1988)
• Хорнак Дж. П. Основы МРТ (1996—1999)
• Cormack A.M. Early two-dimensional reconstruction and recent topics stemming from it // Nobel Lectures in Physiology or Medicine 1971—1980. — World Scientific Publishing Co., 1992. — p. 551—563
• Hounsfield G.N. Computed Medical Imaging // Nobel Lectures in Physiology or Medicine 1971—1980. — World Scientific Publishing Co., 1992. — p. 568—586
• Lauterbur P.C. All science is interdisciplinary — from magnetic moments to molecules to men // Les Prix Nobel. The Nobel Prizes 2003. — Nobel Foundation, 2004. — p. 245—251
• Mansfield P. Snap-shot MRI // Les Prix Nobel. The Nobel Prizes 2003. — Nobel Foundation, 2004. — p. 266—283
• Мэнсфилд П. Быстрая магнитно-резонансная томография // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 10, с. 1044—1052 (перевод на русский)

Сайты

• Группа Вычислительной томографии, Институт теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН