В процессе обследования получают несколько сечений. С целью его ускорения применяют детекторы с двумя параллельными группами датчиков (рис.2). При количестве датчиков от 8 до 10 раствор рентгеновского луча, захватываемого детектором, равен примерно 3о. Учитывая, что сканирующая система поворачивается на угол 180о, получим общее число угловых отсчетов, равное 60.
Специфической проблемой, возникающей при сканировании головы, является большой динамический диапазон излучения, падающего на детектор. Если принять средний коэффициент линейного ослабления для головы m = 0,2 1/см, а диаметр головы D = 25 см, то динамический диапазон составит I0/I = emD = 152. Для уменьшения динамического диапазона интенсивности РИ применяются компенсирующие клинья 11. Сущность их действия поясняет рис.7.
Материал и форму клиньев подбирают таким образом, чтобы общее поглощение РИ по всем путям было примерно одинаковым. Например, на пути 1 луч проходит, касаясь объекта и, следовательно, не испытывает в нем затухания, зато в клиньях он проходит большие расстояния. Наоборот, на пути 2 луч проходит большое расстояние в объекте и маленькое в клиньях. Клинья выполняют из какого-либо полимера. По краям клиньев расположены зоны полного поглощения (свинец), в которых производится учет темновых токов ФЭУ.
В процессе сканирования от детектора получают сигнал в виде тока ФЭУ, пропорционального интенсивности рентгеновского излучения. Этот ток изменяется во время движения системы ИРИ – БД в промежутке между двумя отсчетами. Поэтому наиболее объективная информация будет соответствовать среднему значению интеграла тока на интервале между двумя отсчетами:
; - интервал дискретизации.
Интегрирование может быть выполнено аппаратными средствами, например с помощью аналогового интегратора. Значение интеграла обычно преобразуется в пропорциональный интервал времени, который измеряется путем подсчета числа импульсов эталонной частоты. Величина среднего значения интеграла относится к середине интервала дискретизации. Пример реализации такого способа АЦ-преобразования показан на рис.8, где приведены аналоговая часть преобразователя и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Работой схемы управляют позиционные импульсы, которые поступают от оптоэлектронной пары. Интегратор (DA1, С1) интегрирует ток ФЭУ. Его выходное напряжение равно
> 0
Рисунок 8. Аналого-цифровое преобразование сигналов детектора.
При поступлении i-1-го позиционного импульса формируется строб, который замыкает ключ S2 УВХ (DA2), и на емкости С2 запоминается напряжение интегратора за предыдущий интервал дискретизации. Сразу после окончания строба УВХ формируется строб «Сброс интегратора», замыкающий ключ S1, и импульс запуска генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН). Последний представляет собой интегратор (DA3, R3,C3). При запуске ГЛИН ключ S3 размыкается, и конденсатор С3 начинает заряжаться. Когда напряжение ГЛИН достигнет уровня , компаратор К сработает (установится в ноль). В сформированное им временное окно Тизм через схему И на счетчик пройдет некоторое количество импульсов, пропорциональное Тизм и . При поступлении i-го позиционного импульса в УВХ записывается величина , полученная за интервал Тдi.
При равенстве UГЛИН = UИНТ имеем
.
Если емкости С1 и С3 равны, то измерительный интервал Тизм определяется формулой
Если конденсаторы С1 и С3 одного типа, то погрешность измерения будет определяться в основном зависимостью R3 от температуры и дрейфом ФЭУ. Для уменьшения погрешности применяют способ двойного интегрирования. Он состоит в том, интегратор (DA1) вначале интегрирует в течение заданного промежутка времени ток ФЭУ, а затем – опорный ток другой полярности до тех пор, пока выходное напряжение интегратора не станет равным нулю. Приравнивая интегралы на первом и втором этапах, найдем время второго этапа – оно будет пропорционально интегралу от тока ФЭУ. Емкость конденсатора из расчетов при этом вообще исключается, т.е. ее изменение не вызывает погрешности.
Для устранения ошибок преобразования, связанных с неидентичностью ФЭУ и их дрейфом, производят коррекцию выходных данных АЦП с учетом тангенса угла наклона и начального смещения передаточной характеристики каждого канала N = f(T), где N – код на выходе канала (рис.7).
Рисунок 7 Коррекция характеристик ФЭУ.
Величины N1 и N2 определяются перед началом обследования при автоматическом изменении времени Т интегрирования и неизменном токе ФЭУ. По полученной характеристике вычисляются
и смещение .
С помощью этих величин в дальнейшем производят коррекцию кода.
Для подсчета результата измерения в каждом канале детектора (их два) имеется свой интегратор и счетчик, а ГЛИН может быть общим. Кроме этого, еще один счетчик используют для точного измерения интервала дискретизации. Он подсчитывает число импульсов эталонной частоты в течение текущего интервала дискретизации. Эта информация передается в ЭВМ и представляет собой точное значение шага временной дискретизации. Оригинальный способ передачи всей необходимой информации о результатах измерения приведен на рис.8. В этой схеме используются счетчики с параллельной предварительной загрузкой. Они имеют входы разрешения счета СЕ (Count Enable), разрешения загрузки L (Load) и тактовый C. Параллельная загрузка производится по входам DI (Data Input), а вывод результата – по выходам DO (Data Output).
По окончании импульса сброса интеграторов (он общий для всех каналов) начинается подсчет тактовых импульсов (ТИ) сразу всеми счетчиками результата и счетчиком скорости.
Рисунок 8. Формирование и вывод цифровой информации в томографе.
Эти ТИ формируются автономным кварцевым генератором и имеют частоту порядка 20-40 МГц. С приходом очередного импульса сброса интеграторов прекращается подсчет ТИ счетчиком скорости. Так для краткости называют счетчик точного значения интервала дискретизации. На входах L устанавливается разрешающий уровень, и от ЭВМ поступают ТИ для вывода результатов. Их частота может быть иной, чем частота ТИ для счета. При этом каскадное соединение счетчиков начинает работать как сдвигающий регистр, причем информация в ЭВМ считывается с выходов DO последнего счетчика.
После первого ТИ вывода считывается результат измерения n-го канала. Результат n-1-го канала переписывается в счетчик n-го канала, n-2-го – в n-1-й и т. д. Все это происходит в течение действия фронта ТИ вывода. Последними считываются данные об интервале дискретизации, которые вначале хранились в счетчике скорости, а затем переместились в n-й счетчик. Такое остроумное решение позволило обойтись без дополнительных аппаратных затрат (мультиплексоров, логических схем и т.п.) для ввода в ЭВМ результатов от нескольких источников информации.
Следует отметить, что томографы первого и второго поколений имеют достаточно сложную механику, которая требует постоянного ухода и регулировок. Ввиду большого количества подвижных частей при сканировании возникает сильный шум, который может причинять беспокойство пациенту. Используемые в них рентгеновские трубки обычно работают в непрерывном режиме и имеют масляное охлаждение анода. Масло подается под давлением до 4 атм по жестким пластиковым шлангам, которые вследствие перемещения трубки изнашиваются и дают течь.
Как было сказано выше, наибольшее распространение в медицине получили РКТ третьего поколения. Больше всего их выпустили фирмы США. Типичным представителем РКТ этого поколения является томограф «СТ МАХ 640» фирмы General Electric. Это универсальный томограф, позволяющий получать томограммы всех частей тела, как поперечные, так и с небольшим наклоном по отношению к вертикали. Время сканирования составляет 5 – 6 с, а время реконструкции изображения – до 30 с. В томографах третьего и четвертого поколений применяются рентгеновские трубки с вращающимся анодом, поэтому для них не требуется специальной системы охлаждения. Ко времени выпуска этих томографов уже существовали компактные ПЭВМ и микропроцессорные системы. Все это обусловило сравнительную компактность системы РКТ – она занимает, как правило, одну ( достаточно большую) комнату, разделенную перегородками.
В гентри находятся ИРИ (рентгеновская трубка в защитном кожухе и коллиматор), система сбора данных, куда входят многоэлементный детектор и электронный блок первичного преобразования, электропривод и другие механические узлы. В консоли оператора размещены управляющая и вычислительная система, органы управления и средства отображения. В РКТ «СТ МАХ 640» для вывода изображения предусмотрен черно-белый дисплей, а для его архивирования – твердый и гибкий диски и рентгеновская широкоформатная пленка, на которой может быть получено несколько кадров изображения. Обмен информацией между консолью оператора и блоком первичного преобразования происходит только в цифровой форме.
Рисунок 9. Конструкция гентри томографа «СТ МАХ 640».
Барабан 5 – неподвижен. Оба барабана изготовлены из дюралюминия. Питание трубки, детектора и съем с него сигналов осуществляется по кабельной системе 6. Она содержит высоковольтный кабель трубки и группу низковольтных кабелей детектора. Кабельная система образует петлю, которая прикрепляется к подвижному и неподвижному барабанам. При вращении последнего ее изгиб перемещается в направлении вращения. Для того чтобы кабельная система выдержала много циклов сканирования, проводники всех кабелей должны быть выполнены многожильными, а изоляция кабелей – из эластичных износостойких полимеров.
Детектор томографа «СТ МАХ 640» ионизационного типа (ксеноновый) содержит 511собирающих электродов (см. рис.4). Подвижный барабан приводится во вращение шаговым двигателем 7 (через редуктор) и при сканировании поворачивается на угол 270о. Механическая система гентри может отклоняться на угол ± 20о от вертикали, что позволяет получать изображения косых срезов.
Большое число элементов детектора обусловило существенные различия между системами сбора первичных данных (ССД) томографов 2-го и 3-го поколений. Способы для аналогового и цифрового преобразования данных, применявшиеся в РКТ 2-го поколения (рис.8, рис.7), потребовали бы слишком больших аппаратных средств и времени сбора. На рис.10 показана структурная схема ССД томографа «СТ МАХ 640». Этот блок размещается в гентри.
Рисунок 10. Система сбора данных РКТ «СТ МАХ 640».
Здесь роль интеграторов выполняют конденсаторы, которые заряжаются импульсами тока от собирающих электродов. Они объединены в четыре группы, где коммутируются мультиплексорами МХ1. Так как емкости интегрирующих конденсаторов и заряды, образующиеся в них, достаточно малы, усиление сигналов от детектора производится предварительным усилителем с большим входным сопротивлением. Следует иметь в виду, что перебор всех элементарных детекторов производится на каждом шаге сканирования. При полном времени сканирования 6 с и количестве шагов около 4000 получаем время одного шага равным 1,5 мс. За это время нужно перебрать примерно 500 элементарных детекторов, т. е. на каждый элемент отводится 3 мкс и, следовательно, коммутаторы должны работать с высокой частотой. В конце каждого шага интегрирующие конденсаторы разряжаются ключами SP.
Сигналы от групп собирающих электродов объединяются коммутатором МХ2, усиливаются усилителем с регулируемым коэффициентом усиления и преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП, от которого не требуется очень высокого быстродействия. Компаратор сравнивает напряжение на выходе МХ2 с опорным напряжением и управляет устройством, сообщающим код диапазона амплитуд, в котором находятся сигналы. Шаговое сканирование позволяет точно задавать положение системы ИРИ – детектор и получать большое число проекций, что обеспечивает высокую разрешающую способность томографа.
Страницы: 1, 2
