Обобщенная структурная схемарентгеновскогокомпьютерного томографа приведена на рис.1. Несмотря на существенные различия впринципах сканирования, конструкциях механических и электронных узлов она вцелом применима ко всем поколениям РКТ.
Основу системы составляет электромеханический узелсканирования, куда входят источник рентгеновского излучения, блок детекторов,механические узлы и электрический привод. Весь этот комплекс размещается взакрытом корпусе и называется гентри, что в переводе с английского (gantry) означает портал подъемного кранаили железнодорожный сигнальный мостик. Это короткое название отражает вертикальноерасположение комплекса и наличие в нем круглого окна, в котором на специальномстоле размещается пациент.
/>
Рисунок 1. Структурная схема РКТ.
Система автоматического управления многие функциивыполняет в автономном (асинхронном) режиме. Она управляет электроприводом иисточником рентгеновского излучения, организует передачу электрических сигналовот детекторов в АЦП. Узел АЦП и интерфейса служит для цифрового преобразованиясигналов детектора и передачи их в вычислительный комплекс. Его конкретнаяреализация зависит от скорости сканирования и количества элементов детектора. Вышеназванныеузлы образуют комплекс сбора первичной информации.
Вычислительный комплекс управляет большей частьюфункций всех систем РКТ, выполняет математические операции реконструкции ивывода изображения на полутоновое отображающее устройство. Обычно он содержитЭВМ общего назначения, которая осуществляет управляющие функции, испецпроцессор, занимающийся только вычислительными процедурами. Такаяорганизация позволяет с высокой скоростью обрабатывать большой объеминформации, поступающий в вычислительный комплекс при сканировании и выводитьизображение на экран немедленно по его окончании. Спецпроцессор (сопроцессор)может размещаться в корпусе общей ЭВМ. В этом случае вычислительный комплексумещается в персональном компьютере.
Пульт управления, называемый также консолью оператора,служит для пуска и останова системы, выбора режимов, управления архивированиеминформации и др. Рентгеновское питающее устройство в основном имеет те жеэлементы, что и в рентгеновских аппаратах, но несколько проще ввиду ограниченногонабора режимов. Его конкретные характеристики зависят от мощности рентгеновскойтрубки и режима ее работы (непрерывный или импульсный).
Детекторы рентгеновского излучения являются наиболее ответственнымиустройствами, определяющими последующую точность реконструкции изображения. Ужетомографам второго поколения стала присуща многоэлементность детектирующегоустройства. В связи с этим число принципиальных требований, общих длябольшинства РКТ, значительно возрастает. К ним относятся узкая апертура элементарногодатчика, обеспечивающая пространственное разрешение 1 –2 мм и разрешение поконтрасту; достаточно большой динамический диапазон по интенсивности (103);малая инерционность; идентичность параметров и характеристик.
В томографах первого и второго поколенийдетектирование рентгеновского излучения осуществлялось с помощью сцинтилляторовNaI или CsI и ФЭУ. В детекторах томографа второго поколениявозникает проблема подбора ФЭУ с одинаковыми характеристиками. Однако если дажеФЭУ подобраны, в процессе работы в силу дрейфа и других причин иххарактеристики изменяются, что может отразиться на качестве изображения.Поэтому в процессе работы томографа требуется периодическая программнаякоррекция их характеристик.
/>
Рисунок 2. Детектор томографа второго поколения.
На рис.2 показана конструкция блока детекторовтомографа второго поколения. В корпусе 1 из свинца располагаются сцинтиллятор 2в виде монокристалла, за которым находятся ФЭУ 3. В передней части корпусаимеются узкие отверстия (коллиматоры), которые из рентгеновского пучка выделяютлучи по определенным направлениям. Для ускорения процесса обследованияустанавливают две параллельные линейки ФЭУ. Это позволяет при сканированииполучить изображение сразу двух слоев.
В томографах третьего и четвертого поколений, гдечисло элементарных датчиков достигает сотен и тысяч, практически невозможнообеспечить идентичность характеристик такого количества ФЭУ. Кроме того, детектирующиесистемы были бы слишком громоздкими и дорогими. Поэтому здесь применяютсяполупроводниковые и газоразрядные детекторы.
/>
Рисунок 3. Многоэлементный детектор сполупроводниковой мишенью.
Конструкция полупроводниковой детектирующей системыприведена на рис.3. Рентгеновское излучение через свинцовое фокусирующееустройство 1 (растр) проходит в стеклянную колбу 2 и попадает на стекляннуюпластину 3, покрытую люминофором. Эта пластина охватывает фотокатод 4. Квантысвета выбивают из фотокатода электроны, которые ускоряются электрическим полеми попадают в ячейки (углубления) полупроводниковой мишени 5. Возникающие приэтом импульсы тока усиливаются внешними или встроенными в мишень усилителями 6.Такой детектор обладает очень широким динамическим диапазоном (105).
Большинство требований, которые предъявляются кдетекторам РКТ, наиболее просто и дешево удовлетворяются детекторами на основеионизационных камер (рис.4). Они состоят из большого количества сообщающихсямежду собой ячеек, разделенных незамкнутыми перегородками – высоковольтнымипластинами. Поэтому рабочий газ в ячейках (например,ксенон) обладает высокой степенью однородности, что и определяет главноекачество детектора – идентичность характеристик его элементов. Ионизационныекамеры выполняются из легкого металла. К корпусу камеры подводится высокоенапряжение. Для надежной изоляции от высокого напряжения между входным окном икамерой делается прокладка из слюды./> />
Рентгеновские кванты,проникающие в камеру, ионизируют газ. Ионы одного знака движутся к собирающимэлектродам (катодам), и в их цепи возникает ток, пропорциональный интенсивностипадающего излучения. Вероятность ионизации зависит от длины собирающегоэлектрода L и давления газа p. Общая величина заряда ионизации отодного электрода выражается равенством
Рисунок 4. Детектор на основе ионизационной камеры.
Q = ne = SLpe/l,
где n-полное число образовавшихся ионов; S – удельная ионизация кванта в используемом газе; l – средняя длина пробега кванта междудвумя актами ионизации. Увеличение Q происходит до тех значений давления, при которых становится заметнымвлияние рекомбинации.
Рентгеновские трубки компьютерных томографов работают прибольших напряжениях – 130 – 160 кВ. В томографах первого и второго поколенийтрубки работали в непрерывном режиме и имели масляное охлаждение. В томографахтретьего и четвертого поколений применяют трубки с вращающимся анодом,работающие в импульсном режиме. Их мощность в импульсе составляет 40 – 100 кВт.
Для формирования тонкого (1 –2 мм) веера излучениятаких трубок применяют коллиматоры. Они представляют собой узкие коробкииз свинца, внутри которых находится система диафрагм (рис.5).
/>
/>
На входе в коллиматор установлен фильтр Ф, отсеивающий мягкое излучение. Далее расположена диафрагма Д1 и полупрозрачное зеркало ППЗ. Вместе с осветительной лампочкой оно служит для точной установки диафрагм. Регулируя положение диафрагм Д2 и Д3, добиваются, чтобы световой веер занимал все выходное окно коллиматора. По этому пути пойдет и рентгеновское излучение.
Рисунок 5. Коллиматор.
Механические и электронные узлы РКТ. Рассмотрим вначале устройство иработу отдельных механических и электронных узлов РКТ второго поколения. И хотяони уступили место томографам третьего и четвертого поколений, ряд проблем, возникавшихпри их проектировании, остаются характерными и для их преемников. Здесь мыпознакомимся с устройством и работой томографа СРТ-1010, который был разработанв Украине. Несмотря на несовершенство он сыграл положительную роль в развитиимедицинского приборостроения, показав, что Украина располагает достаточнымнаучно-техническим потенциалом для производства сложной медицинской техники.
Конструкция электромеханического сканирующегоустройства этого томографа показана на рис.6. Элементы сканирующего устройстваразмещаются на массивной плите 1, которая вращается вокруг окна гентри.Рентгеновская трубка 2 и блок датчиков 3 прикреплены к раме 4. Вся этаконструкция линейно перемещается относительно несущей плиты с помощьюэлектродвигателя 5 через редуктор 6 и ременно-зубчатую передачу 7. Вращательноедвижение осуществляется с помощью электродвигателя 8 через систему передач,показанную на нижнем рисунке. Электродвигатель 8 через редуктор 9 икривошипно-шатунный механизм приводит в движение лапку, которая цепляется зазубец колеса, неподвижно закрепленного на корпусе гентри, и подтягиваетоснование 1 на три зубца. Всего колесо имеет 360 зубцов и, таким образом,происходит угловое перемещение на 3о.
/>
Рисунок 6. Конструкция сканирующего устройстватомографа второго поколения
При линейном сканировании система трубка – блокдетекторов движется непрерывно. Важно, чтобы это движение было относительнобесшумным и без пробуксовки. Для этого и применяется зубчато-ременная передачаиз пластиковой ленты.
Дискретные отсчеты вдоль направления сканированияполучают с помощью прозрачной линейки с нанесенными на ней рисками. Эти рискификсируются ИК оптоэлектронной парой, которая синхронно движется вместе ссистемой трубка – детектор. Количество линейных отсчетов обычно составляетоколо 500 на расстоянии 25 см, т.е. отсчеты делаются через 0,5 мм. Это требует высокой точности при изготовлении линейки. И все же разброс временных интерваловмежду отдельными отсчетами неизбежен. Он обусловлен неточностью линейки,дифракцией ИК света и непостоянством скорости линейного перемещения (хотяскорость вращения электродвигателя 3 и стабилизируют). Однако эти временныеинтервалы нужно измерять с высокой точностью, так как от нее зависит качествоизображения, получаемое с помощью операции свертки.
В процессе обследования получают несколько сечений. Сцелью 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, чтосканирующая система поворачивается на угол 180о, получим общее числоугловых отсчетов, равное 60.
Специфической проблемой, возникающей при сканированииголовы, является большой динамический диапазон излучения, падающего надетектор. 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 диапазонаинтенсивности РИ применяются компенсирующие клинья 11. Сущность их действияпоясняет 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 ввиде тока ФЭУ, пропорционального интенсивности рентгеновского излучения. Этотток изменяется во время движения системы ИРИ – БД в промежутке между двумяотсчетами. Поэтому наиболее объективная информация будет соответствоватьсреднему значению интеграла тока на интервале между двумя отсчетами:
/>; /> -интервал дискретизации.
Интегрирование может быть выполнено аппаратнымисредствами, например с помощью аналогового интегратора. Значение интегралаобычно преобразуется в пропорциональный интервал времени, который измеряетсяпутем подсчета числа импульсов эталонной частоты. Величина среднего значенияинтеграла относится к середине интервала дискретизации. Пример реализациитакого способа АЦ-преобразования показан на рис.8, где приведены аналоговаячасть преобразователя и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Работой схемы управляют позиционные импульсы, которыепоступают от оптоэлектронной пары. Интегратор (DA1, С1) интегрирует ток ФЭУ. Его выходное напряжение равно
/>> 0
/>
Рисунок 8. Аналого-цифровое преобразование сигналовдетектора.
При поступлении i-1-го позиционного импульса формируется строб, который замыкаетключ S2 УВХ (DA2), и на емкости С2 запоминается напряжение интегратора /> за предыдущий интервалдискретизации. Сразу после окончания строба УВХ формируется строб «Сбросинтегратора», замыкающий ключ S1, иимпульс запуска генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН). Последнийпредставляет собой интегратор (DA3, R3,C3). При запуске ГЛИН ключ S3 размыкается, и конденсатор С3 начинает заряжаться. Когданапряжение ГЛИН достигнет уровня />, компаратор К сработает (установится в ноль). Всформированное им временное окно Тизм через схему И на счетчикпройдет некоторое количество импульсов, пропорциональное Тизм и />. При поступлении i-го позиционного импульса в УВХзаписывается величина />, полученная за интервал Тдi.
При равенстве UГЛИН = UИНТимеем
/>.
Если емкости С1 и С3 равны, тоизмерительный интервал Тизм определяется формулой
/>.
Если конденсаторы С1 и С3 одного типа, то погрешностьизмерения будет определяться в основном зависимостью R3 от температуры и дрейфом ФЭУ. Для уменьшения погрешностиприменяют способ двойного интегрирования. Он состоит в том, интегратор (DA1) вначале интегрирует в течениезаданного промежутка времени ток ФЭУ, а затем – опорный ток другой полярностидо 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 израсчетов при этом вообще исключается, т.е. ее изменение не вызываетпогрешности.
Для устранения ошибок преобразования, связанных снеидентичностью ФЭУ и их дрейфом, производят коррекцию выходных данных АЦП сучетом тангенса угла наклона и начального смещения передаточной характеристикикаждого 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 каналедетектора (их два) имеется свой интегратор и счетчик, а ГЛИН может быть общим.Кроме этого, еще один счетчик используют для точного измерения интерваладискретизации. Он подсчитывает число импульсов эталонной частоты в течениетекущего интервала дискретизации. Эта информация передается в ЭВМ ипредставляет собой точное значение шага временной дискретизации. Оригинальныйспособ передачи всей необходимой информации о результатах измерения приведен нарис.8. В этой схеме используются счетчики с параллельной предварительнойзагрузкой. Они имеют входы разрешения счета СЕ (Count Enable), разрешения загрузки L (Load) и тактовый C. Параллельная загрузка производитсяпо входам DI (Data Input), а вывод результата – по выходам DO (Data Output).
По окончании импульса сброса интеграторов (он общийдля всех каналов) начинается подсчет тактовых импульсов (ТИ) сразу всеми счетчикамирезультата и счетчиком скорости.
/>
Рисунок 8. Формирование и вывод цифровой информации втомографе.
Эти ТИ формируются автономным кварцевым генератором иимеют частоту порядка 20-40 МГц. С приходом очередного импульса сброса интеграторовпрекращается подсчет ТИ счетчиком скорости. Так для краткости называют счетчикточного значения интервала дискретизации. На входах L устанавливается разрешающий уровень, и от ЭВМ поступают ТИдля вывода результатов. Их частота может быть иной, чем частота ТИ для счета.При этом каскадное соединение счетчиков начинает работать как сдвигающийрегистр, причем информация в ЭВМ считывается с выходов DO последнего счетчика.
После первого ТИ вывода считывается результатизмерения n-го канала. Результат n-1-го канала переписывается в счетчикn-го канала, n-2-го – в n-1-йи т. д. Все это происходит в течение действия фронта ТИ вывода. Последнимисчитываются данные об интервале дискретизации, которые вначале хранились всчетчике скорости, а затем переместились в n-й счетчик. Такое остроумное решение позволило обойтись бездополнительных аппаратных затрат (мультиплексоров, логических схем и т.п.) дляввода в ЭВМ результатов от нескольких источников информации.
Следует отметить, что томографы первого и второгопоколений имеют достаточно сложную механику, которая требует постоянного уходаи регулировок. Ввиду большого количества подвижных частей при сканированиивозникает сильный шум, который может причинять беспокойство пациенту.Используемые в них рентгеновские трубки обычно работают в непрерывном режиме иимеют масляное охлаждение анода. Масло подается под давлением до 4 атм пожестким пластиковым шлангам, которые вследствие перемещения трубки изнашиваютсяи дают течь.
Как было сказано выше, наибольшее распространение вмедицине 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 снебольшим наклоном по отношению к вертикали. Время сканирования составляет 5 –6 с, а время реконструкции изображения – до 30 с. В томографах третьего ичетвертого поколений применяются рентгеновские трубки с вращающимся анодом,поэтому для них не требуется специальной системы охлаждения. Ко времени выпускаэтих томографов уже существовали компактные ПЭВМ и микропроцессорные системы.Все это обусловило сравнительную компактность системы РКТ – она занимает, какправило, одну ( достаточно большую) комнату, разделенную перегородками.
В гентри находятся ИРИ (рентгеновская трубка взащитном кожухе и коллиматор), система сбора данных, куда входятмногоэлементный детектор и электронный блок первичного преобразования,электропривод и другие механические узлы. В консоли оператора размещеныуправляющая и вычислительная система, органы управления и средства отображения.В РКТ «СТ МАХ 640» для вывода изображения предусмотрен черно-белый дисплей, адля его архивирования – твердый и гибкий диски и рентгеновская широкоформатнаяпленка, на которой может быть получено несколько кадров изображения. Обменинформацией между консолью оператора и блоком первичного преобразованияпроисходит только в цифровой форме./> />
На рис.9 показана конструкциягентри томографа «СТ МАХ 640». Рентгеновская трубка 1, коллиматор 2 имногоэлементный детектор 3 закреплены на вращающемся барабане 4
Рисунок 9. Конструкция гентри томографа «СТ МАХ 640».
Барабан 5 – неподвижен. Оба барабана изготовлены издюралюминия. Питание трубки, детектора и съем с него сигналов осуществляется покабельной системе 6. Она содержит высоковольтный кабель трубки и группу низковольтныхкабелей детектора. Кабельная система образует петлю, которая прикрепляется кподвижному и неподвижному барабанам. При вращении последнего ее изгибперемещается в направлении вращения. Для того чтобы кабельная система выдержаламного циклов сканирования, проводники всех кабелей должны быть выполненымногожильными, а изоляция кабелей – из эластичных износостойких полимеров.
Детектор томографа «СТ МАХ 640» ионизационного типа(ксеноновый) содержит 511собирающих электродов (см. рис.4). Подвижный барабанприводится во вращение шаговым двигателем 7 (через редуктор) и при сканированииповорачивается на угол 270о. Механическая система гентри можетотклоняться на угол ± 20оот вертикали, что позволяет получать изображения косых срезов.
Большое число элементов детектора обусловилосущественные различия между системами сбора первичных данных (ССД) томографов2-го и 3-го поколений. Способы для аналогового и цифрового преобразованияданных, применявшиеся в РКТ 2-го поколения (рис.8, рис.7), потребовали быслишком больших аппаратных средств и времени сбора. На рис.10 показанаструктурная 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 вчетыре группы, где коммутируются мультиплексорами МХ1. Так как емкостиинтегрирующих конденсаторов и заряды, образующиеся в них, достаточно малы,усиление сигналов от детектора производится предварительным усилителем сбольшим входным сопротивлением. Следует иметь в виду, что перебор всехэлементарных детекторов производится на каждом шаге сканирования. При полномвремени сканирования 6 с и количестве шагов около 4000 получаем время одногошага равным 1,5 мс. За это время нужно перебрать примерно 500 элементарныхдетекторов, т. е. на каждый элемент отводится 3 мкс и, следовательно,коммутаторы должны работать с высокой частотой. В конце каждого шагаинтегрирующие конденсаторы разряжаются ключами SP.
Сигналы от групп собирающих электродов объединяются коммутаторомМХ2, усиливаются усилителем с регулируемым коэффициентом усиления ипреобразуются в цифровую форму с помощью АЦП, от которого не требуется оченьвысокого быстродействия. Компаратор сравнивает напряжение на выходе МХ2 сопорным напряжением и управляет устройством, сообщающим код диапазона амплитуд,в котором находятся сигналы. Шаговое сканирование позволяет точно задаватьположение системы ИРИ – детектор и получать большое число проекций, чтообеспечивает высокую разрешающую способность томографа.