Сбор и обработка измерительной информации
Полученные в аналоговойформе координатные и энергетический сигналы нуждаются в дополнительнойкоррекции. Координатные сигналы требуют введения поправок, учитывающихсистематические линейные искажения, а энергетические – поправок нанеравномерность чувствительности детектора. Кроме того, Z-сигналы должны пройти амплитуднуюселекцию и отбор сигналов, попавших в заданное энергетическое окно, дляформирования команд для ввода информации. К задачам сбора и обработки можнотакже отнести сбор информации о характеристиках ФЭУ (спектрах) с целью ихпоследующей коррекции в случае необходимости. Все эти задачи решаются с помощьюблока управления и обработки (БОУ). Это название достаточно условно, так какуправляющие функции выполняют и другие узлы, например, блок управленияприводами. В основном данный блок выполняет задачи коррекции систематическихискажений сигналов, подготовку и выдачу измерительной информации для ЭВМ, атакже очень важную функцию коррекции режимов ФЭУ, обеспечивающую выравниваниеих коэффициентов усиления. Структурная схема этого блока приведена на рис.1.
Территориально этот блокрасположен в нижней части 6 аппарата. Сюда поступают аналоговые координатные иэнергетические сигналы из блока детектора и преобразуются в цифровую форму спомощью трех АЦП. В выпускаемой модели ГКС-301Т коррекция осуществляетсясмешанным способом – цифровым и аналоговым, и, в конечном итоге, измерительныесигналы в ЭВМ поступают в аналоговом виде, где они, естественно, сновапреобразуются в цифровую форму. Эта особенность преобразования еще будетобсуждаться.
Анализатор спектра, или амплитудный селектор,регистрирует импульсы, попадающие в установленное энергетическое окно, ивырабатывает логические сигналы, управляющие различными узлами. Некоторые изних используются также в качестве командных при вводе аналоговых измерительныхсигналов в ЭВМ. Анализатор спектра проектируется с учетом возможностииспользования радионуклидов с различными энергиями g-квантов. Наиболее сложным и важнымузлом БОУ является система автоматического накопления и стабилизации (САНС),которая служит для установки и периодической коррекции режимов ФЭУ./> />
Рисунок 1. Структурная схемаблока обработки и управления
Эта система взначительной мере автономна. Ее работа протекает в основном под управлениемсобственного контроллера, и только на стадии математической обработкирезультатов, полученных в системе, используется ЭВМ. Поскольку запуску в эксплуатациюкомплекса ЭКТ предшествует его настройка, в которой важнейшую роль играет САНС,изучение блока обработки и управления начнем именно с этой системы.
Напомним, что выходныесигналы в гамма-камере формируются из линейных комбинаций сигналов всех ФЭУ.Изменение коэффициентов усиления ФЭУ приводит к пропорциональному изменению ихсигналов, а значит, и общего сигнала гамма-камеры. Эту зависимость можнозаписать в виде системы уравнений/>
/>,
/>, (1)
… .
/>,
где /> – сигнал на входе к-гоФЭУ от вспышки в i-й точке отсчетас известными координатами; Gi– коэффициент усиления i-го ФЭУ; Zк – общий выходной сигнал от вспышки вi-й точке. Все величины в системе (1)могут быть представлены в относительных единицах.
Вклады /> отдельных ФЭУопределяют во время предварительной настройки. Для этого набирают спектрдетектора в известной точке поверхности. Спектр получают, перемещаяэнергетическое окно вдоль диапазона энергий и подсчитывая число вспышек заопределенный интервал времени в каждом положении окна. Типичный вид спектра детекторас коллиматором показан на рис.2. При низких энергиях наблюдается подъем засчет шумов и фонового излучения, затем – небольшой пик, обусловленныйвторичным излучением свинца коллиматора (его называют переизлучением) иосновной фотопик. Вклад отдельных ФЭУ в общий сигнал определяют, поочередно отключаяих от источника питания. При этом происходит смещение фотопика влево (тонкаялиния). Величина смещения DА и является мерой вклада ФЭУ. Из этих величин составляют файл, который хранитсяв памяти ЭВМ и используется при решении системы (1). Эту систему можно записатьв матричном виде
С´G= Z,
где С – матрицавкладов ФЭУ в точках сцинтилляций с известными координатами, Z– векторобщих сигналов для тех же точек, G – вектор коэффициентов усиления.Решая это уравнение относительно G, получим
G= C-1Z.
Решение этого матричногоуравнения занимает много времени и требует большого объема памяти. Поэтому оновыполняется в ЭВМ, куда после накопления спектра засылаются исходные данные – Си Z .
Рассмотрим, как формируется спектр спомощью структурной схемы накопителя САНС (рис.3). В режиме автоматическойнастройки детектор облучается точечным источником, расположенным на некоторомрасстоянии от поверхности детектора./> />
Рисунок 3. Накопитель спектраСАНС.
Собственно спектры ФЭУ накапливаются в ОЗУ, общийобъем памяти которого разбит на несколько областей по количеству ФЭУ. В своюочередь, каждая область содержит несколько ячеек (128 – 256), в которыхсодержатся отсчеты спектра данного ФЭУ. Адреса ОЗУ составляются из выходныхданных специального ПЗУ и нескольких старших разрядов Z-сигнала DZ. В ПЗУ записаны номера ФЭУ, которые извлекают, используя в качествеадресов цифровые координаты DXи DY(несколько старших разрядов). Номер каждого ФЭУ в ПЗУ занимает некоторую зону.Соответственно имеется определенный диапазон координат DXи DY, попадающих в данную зону. Такимобразом, задается адрес области, занимаемой некоторым ФЭУ, и ячейки в этойобласти с известной энергией импульса. Теперь остается записать в эту ячейкуединицу. Это делается с помощью цифрового компаратора.
Контроллер САНС формирует некоторое энергетическоеокно неизменной ширины. Оно задается верхним и нижним уровнями, которыепоступают на цифровой компаратор. Окно перемещается вдоль диапазона энергий. Навход сравнения компаратора подаются те же разряды Z-сигнала, которые используются для адресации ОЗУ. Когда Z-сигнал попадает в энергетическоеокно, компаратор выдает сигнал чтения/записи ОЗУ и ряд других управляющихсигналов. По этим командам из ОЗУ по установленному адресу вызывается ячейкапамяти, к содержимому которой в инкременторе добавляется единица. Затем новоезначение через буферный регистр снова записывается в ту же самую ячейку. Этотпроцесс и представляет собой накопления спектра. В качестве инкрементора можноиспользовать сумматор или счетчик с входами параллельной загрузки.
По завершении процесса накопления содержимое ОЗУ черезпоследовательный интерфейс (например, стандартный интерфейс RSC-232) пересылается в ЭВМ, гдепроизводится решение уравнений (1). Результатом этого решения будут коэффициентыусиления ФЭУ. Их представляют в относительных единицах (процентах) и сравниваютс коэффициентом усиления реперного канала, принимаемым условно за 100% (канал100). Если коэффициент усиления какого-либо канала существенно отличается отреперного, его корректируют, и возвращают новое значение в регистр ЦАП,управляющего режимом данного ФЭУ. Циклы накопления и коррекции коэффициентовусиления продолжаются до тех пор, пока отличия коэффициентов усиления ФЭУ отреперного канала не станут приемлемыми. Для наглядности ход настройкиотображают на экране монитора ЭВМ в виде матрицы ФЭУ, где в кружках указываютотносительную величину коэффициента усиления.
Для лучшего понимания цифровой амплитудной селекцииполезно более подробно остановиться на некоторых особенностях цифровогокомпаратора. Его можно построить на двух микросхемах, например, К555СП1. Этимикросхемы представляют собой компараторы, сравнивающие два четырехразрядныхчисла А и В, и выдающие сигналы низкого уровня на трех выходах соответственнопри выполнении условий A >B, A = B и A
На компаратор DD1 подаются младшие разряды Z-сигнала ZL и коднижнего уровня НУ, а на DD2 –старшие разряды Z-сигнала и кодверхнего уровня ВУ. Если Z-сигналпопадает в окно, т. е. он больше НУ и меньше ВУ, то вначале компаратор DD1 выдаст сигнал на выходе « > », азатем DD2 продолжит сравнение и выдаст сигнална выходе «
/>
/>
Рисунок 4. Цифровой амплитудный селектор
Если же Z-сигналне попадает в окно (Z ВУ), тосигнал на выходе «
Достаточно длительный опыт эксплуатации ЭКТ показал,что настроенная детекторная система долгое время сохраняет свои основныепараметры в допустимом диапазоне. Поэтому к «услугам» САНС приходится прибегатьсравнительно редко (не более двух раз в год). По этим причинам обычно неиспользуется и режим стабилизации, который занимает довольно много рабочеговремени.
Рассмотрим теперь рабочий режим, когда в ЭВМпередаются сигналы для формирования изображения. Для этого используютсяпервичные координатные и энергетический сигналы. Однако, прежде, чем попасть вЭВМ, они проходят довольно сложный путь дополнительной коррекции. Как ужеговорилось, эти поправки зависят от координат сцинтилляций и заранее известны.Поскольку поправки нужно вводить в реальном масштабе времени, т. е. немедленно,то эти преобразования выполняют аппаратными средствами (с такой проблемой мывстречались еще при изучении УЗ сканеров). Следовательно, поправочныекоэффициенты, с помощью которых вычисляются сами поправки, должны храниться вПЗУ, а первичные аналоговые сигналы – преобразовываться в цифровую форму.
Дальнейший путь преобразований зависит от типа ихарактеристик доступной для разработчика и производства элементной базы. Всвязи с этим надо еще раз заметить, что требуемая скорость передачи сигналов вЭВМ весьма высока – она достигает 200000 импульсов (байт или слов при цифровойсвязи) за секунду. Так как эти сигналы приходится передавать на достаточнобольшое расстояние (несколько метров), то возникают определенные техническиетрудности при их передаче в цифровой форме. В модели ГКС-301Т они передаются ваналоговом виде, а в ЭВМ преобразуются в цифровую форму с помощью встроенныхАЦП. Как видим, первичные аналоговые сигналы проходят многоступенчатоепреобразование: сначала в цифровую форму (для вычисления поправок, а также дляиспользования в процедуре накопления спектров), затем – снова в аналоговую –для получения скорректированных сигналов и посылки их в ЭВМ, где еще они разпреобразуются в цифровые.
Коррекция линейных искажений заключается в изменениипервичных значений координат X, Y на некоторую величину (поправку) DX и DY, которые являются функциями этих же координат. Для этогоиспользуют различные аппроксимации, простейшей из которых является билинейная.При такой аппроксимации поправки вычисляются согласно алгоритму
DXi = K1i+ K2iXi + K3iYi + K4iXiYi, (2)
DYi = K5i+ K6iXi + K7iYi + K8iXiYi,
где K1i, K2i и т. д. – коэффициенты, которые рассчитывают при настройкепри помощи дырчатого фантома; Xi, Yi – младшие разряды координат.
Далее поправки DX и DY суммируют с исходными сигналами и получают скорректированныекоординаты
Хкор = Х + DХ и Yкор= Y+ DY.
Если эта процедура выполняется в аналоговой форме, товсе операнды в уравнениях (2) нужно представить в аналоговом виде. Структурнаясхема, выполняющая эти преобразования, показана на рис.5.
Первичный аналоговый сигнал Х поступает на УВХ1 и УВХ2и преобразуется в цифровой код DXс помощью АЦПX. Аналогично преобразуется и сигнал Y. Цифровые координаты DXи DY поступают на входы вычислителя поправок, которые на еговыходах появляются в аналоговом виде и суммируются с исходными аналоговымисигналами. Очевидно, что в вычислителе поправок цифровые данные должны бытьпреобразованы в аналоговые величины. Структурная схема вычислителя поправокприведена на рис.6. /> />
Рисунок 5. Структурная схемалинейной коррекции координат.
Преобразования в этом блоке выполняются в соответствиис алгоритмом (2). На ПЗУ (по четыре на каждую координату) подаются старшиеразряды координат, по которым извлекаются коэффициенты К1, К2 и т. д. Ониумножаются в перемножающих ЦАП на аналоговые величины (UОП и др.), причем аналоговые множители, куда входяткоординатные сигналы и их произведения, формируются с помощью трех отдельныхперемножающих ЦАП из младших разрядов и опорных напряжений. Далее отдельныеслагаемые суммируют и получают поправку.
Подобным же образом производят и амплитудную коррекциюэнергетического сигнала, но по более простому алгоритму
Zкор = Z +DZ, (3)
где DZ = KZZ – поправка, а KZ – коэффициент, являющийся функциейкоординат. Как и в случае коррекции координат, этот коэффициент хранится /> />
в ПЗУ и извлекается оттуда покоординатным сигналам.
Рисунок 6. Вычислитель поправок координатных сигналов.
Амплитудный селектор (анализатор спектра) служит длярегистрации попадания Z-импульсовв заданное энергетическое окно, причем таких окон может быть несколько. Этообъясняется тем, что программа работы современных ЭКТ, как правило, содержитмультиизотопный режим, т. е. режим, в котором используются несколько (2 – 3)изотопов с разными энергиями g-квантов. Хотя, по правде говоря, это бывает редко. «Многооконная»селекция реализуется с помощью специальных сдвоенных компараторов (рис.7)
Окно задается двумя уровнями напряжений – верхним (ВУ)и нижним (НУ), причем сами эти уровни формируются с помощью ЦАП, которыеуправляются кодами изотопов. Z-сигналодновременно поступает на входы компараторов (инвертирующий и неинвертирующий). Выходной сигнал компаратора поступает на логическое устройство,стробируемое импульсами, которые формируются из тех же самых Z-импульсов, но со сдвигом во времени.Сигнал на выходе появляется только в том случае, если Z-импульс находится в пределах окна. Логическое устройствоможет иметь несколько выходов, сигналы которых используются для управлениявводом информации в ЭВМ и при настройке в режиме осциллоскопа. В качествекомпаратора можно использовать микросхему К554СА1 и др.
Знакомясь с устройством ЭКТ, мы постоянно отмечаемнасыщенность различных блоков аналоговыми аппаратными средствами, особенно этоотносится к /> />
Рисунок 7. Амплитудныйселектор.
блокам коррекции. АЦП в аппаратной части используютсянеэффективно – по сути, только для обслуживания адресации ПЗУ с поправочнымикоэффициентами и для цифровой амплитудной селекции при накоплении спектров.Большое количество ступеней преобразования не может не сказаться на качествеизображения. Разработчики это понимали, но у них не было выбора. Сейчас этотвыбор появился в виде новой элементной базы, о которой уже говорилось в главе«Ультразвуковые сканеры». Цифровая элементная база постепенно вытесняетаналоговую и в этой отрасли медицинской интроскопии./> />
В новой модели эмиссионноготомографа ОФЭКТ после интегрирования аналоговых сигналов X, Y, Z и аналоговой коррекции энергетическойзависимости X и Y преобразования продолжаются только в цифровой форме.Обобщенная структурная схема цифрового канала измерительной информацииизображена на рис.8.
Рисунок 8. Канал аппаратной цифровой обработки.
АЦП Х, Y, Z размещаются в модуле детектора в непосредственной близости отаналоговых источников. Это сводит к минимуму примесь всевозможных помех. Всяцифровая аппаратная часть, занятая преобразованием измерительной информации,находится в модуле ПЭВМ. Цифровые сигналы в нее передаются по хорошо защищеннымканалам (экранированные кабели или волоконная оптика) помехоустойчивыми кодами,например, с проверкой на четность.
В модуле коррекции по-прежнему производится коррекция,но только цифровая, линейных и энергетических искажений. Для этого используютсяте же алгоритмы (2) и (3). Они реализуются аппаратными средствами с помощьюпрограммируемых логических интегральных схем (ПЛИС), например, серии 10K70RC240-3 фирмы ALTERA, цифровых перемножителях и др.Амплитудная селекция выполняется исключительно цифровыми компараторами.
В модуле сбора в зависимости от выбранного режимапроизводятся накопление спектров или формирование матриц изображения. Дляускорения процесса обмена информацией с ЭВМ внутреннее ОЗУ разбито на две части– банка (Банк1 и Банк2). С таким приемом мы уже неоднократно встречались.
Переход к преимущественно цифровой обработке позволяетсущественно улучшить качество изображения. Очередь теперь за расширением долиучастия цифровой элементной базы в работе детектора, например цифроваякоррекция энергозависимости первичных координатных сигналов и др. Не следуетзабывать, что для управления режимом ФЭУ требуется большое количество АЦП и ихбуферных регистров. Применение ПЛИС и специализированных микросхем, содержащихв одном корпусе несколько функционально независимых ЦАП, и здесь позволитуменьшить количество плат и улучшить качество работы системы в целом.
Еще раз перечислим возможности современногоэмиссионного томографа. Он может работать как гамма-камера в статическом идинамическом режимах. Изображения, которые при этом получают, по традицииназывают сцинтиграммами. В динамическом режиме кроме изображения еще строятграфик накопления –выведения РФП в исследуемой области, т.е. гамма-камеравыполняет еще и функции радиометра.
Сканирование всего тела выполняют с целью выявленияметастазов в скелете. При этом изображение тела выводится на весь экран вуменьшенном масштабе. Оно разворачивается по мере сканирования, котороепроизводится очень медленно. Для этого в блоке синхронизации разверткикоордината линейного перемещения, поступающая от специального датчика,суммируется с одной из координат вспышки (например, Х) в системе координатдетектора. Координата Y исмещенная координата Х уменьшаются с одинаковым масштабным коэффициентом и передаютсяв ЭВМ.
В режиме томографирования детекторная головка обходитпо орбите ложе пациента. В процессе ее вращения создается несколько кадровизображения. Эти кадры аналогичны проекциям, получаемым при сканированиирентгеновским компьютерным томографом. Однако в отличие от РКТ из кадровизображения ЭКТ можно реконструировать много сечений различной ориентации, какв магнитно-резонансном томографе.