Современные методы компьютерной томографии и конструкции томографов

2.1. Развитие компьютерной томографии

Современная компьютерная томография ориентирована на получение изображения любого поперечного сечения тела человека с дифференциацией мягких тканей по плотности и существенно новым подходом к диагностированию патологий различной выраженности. Эффективность применения рентгеновских компьютерных томографов предопределяется большим количеством факторов как экономического, так и технического характера. К ним относятся в первую очередь стоимость и возможность серийного выпуска компьютерных томографов для оснащения широкого круга клинических учреждений. Важной является также доза облучения, которую получает пациент при обследовании и от которой зависит возможное количество срезов, производимых при одном обследовании. Не менее важным представляется такой параметр, как время сканирования. Важность этого параметра особенно проявляется в тех случаях, когда осуществляется обследование органов тела человека, движение которых связано с дыханием, не говоря уже об исследованиях миокарда.

Взаимосвязанный учет перечисленных параметров приводит к разнообразным техническим реализациям, отличающимся как типами источников излучения, конструкцией механической части и систем автоматики и управления, так и системой приемников излучения. Можно отметить, что при построении компьютерных томографов различных типов в одних случаях ужесточаются требования к приводу системы управления сканирующей частью томографа, в других случаях более жесткие требования предъявляются к механике сканирующей части. Аналогично можно сказать в отношении системы приемников излучения и электроники предварительной обработки данных.

Указанные выше варианты построения структур компьютерных томографов тесно связаны с принципами математической обработки данных при восстановлении изображения по проекциям. Так, в случае систем, использующих малое число детекторов и поступательно-вращательный вид движения механической части, излучателем и коллиматором формируется параллельный пучок рентгеновских лучей и этим предопределяется некоторый алгоритм восстановления изображения. В системах с большим числом детекторов стремятся создать с помощью коллиматоров отличающийся от параллельного пучка луч с веерной геометрией, что не только изменяет конструкцию механической части (о чем говорилось выше), но и существенно влияет на сложность алгоритма восстановления. В этом случае алгоритм становится более сложным и требует значительно большей производительности вычислительной системы для получения изображения в реальном масштабе времени.

Таким образом, целесообразно рассмотреть отдельно некоторые из наиболее употребительных структур компьютерных томографов и показать на их примерах характер и пути развития компьютерной томографии. Система компьютерной томографии может быть построена с использованием одного информационного детектора и одного источника излучения, как показано на рис. 2.1. Здесь ИРИ — источник рентгеновского излучения, ИД — информационный детектор. Пунктирной линией показано направление потока рентгеновского излучения, ИО — исследуемый объект. Сплошными стрелками показано, что для получения томографического изображения необходимо осуществить два вида движения. Первое из них поступательное, т. е. ИРИ и ИД осуществляют синхронное передвижение вдоль ИО. Далее производится вращательное движение системы ИРИ и ИД на некоторый элементарный угол, величина которого задается при выборе технических характеристик системы и связана с точностью восстановления. После фиксации системы ИРИ и ИД в новом угловом положении вновь производится поступательное движение механически жестко связанных ИРИ и ИД в направлении, противоположном поступательному движению в предыдущем угловом положении.

Рассмотренная структура достаточно проста и может быть отнесена к медленно действующим, что в свою очередь предопределяет наиболее подходящую область применения таких систем — исследование головы. Исторически так и сложилось, что подобные системы были созданы и ориентированы на применение в нейрофизиологии и нейрохирургии.

Отличительная особенность такой системы заключается в том, что использование одного детектора исключает трудности с подбором группы одинаковых детекторов, с необходимостью разработки многоканальной электроники предварительной обработки данных и значительных трудностей, связанных с калибровкой каналов. Однако быстрое получение изображения в такой системе затруднено, что сужает области применения таких систем. Естественным развитием рассмотренной топографической системы является система, содержащая группу детекторов и сохраняющая общие принципы построения механической части системы и принципы восстановления изображения (рис. 2.2). В этой системе начинают появляться сложности, связанные с приемом и предварительной обработкой информации, которые состоят в необходимости тщательного подбора группы идентичных детекторов и построения сложной параллельной цепи тракта усиления каналов и ввода соответствующих масштабных коэффициентов.

Error: Reference source not found

Рис. 2.1. Схема томографа первого поколения. Обозначения в тексте.

Error: Reference source not found

Рис. 2.2. Схема томографа второго поколения. Обозначения в тексте.

Однако такое построение томографической системы обеспечивает возможность получения высокой пространственной разрешающей способности при приемлемом времени сбора данных и восстановлении изображения. Дальнейшее развитие томографических систем было связано с необходимостью существенного уменьшения времени томографирования и улучшения качества сканирования всего тела. Построение такого рода систем потребовало пересмотра принципов работы и функционирования механической части, способов обработки информации и т. д. Естественно, что для уменьшения времени сканирования представлялось целесообразным исключить два вида движения элементов сканирующего устройства, поступательного и вращательного, и заменить их только вращательным движением (рис. 2.3). Здесь так же, как и в предыдущих системах, имеются источник рентгеновского излучения, линейка детекторов ИД, воспринимающая рентгеновский сигнал веерной формы. Развал луча обеспечивает полный охват объекта и линейки детекторов. Движение осуществляется таким образом, что ИРИ и ИД находятся в каждый момент времени в противоположных частях сканирующего устройства по отношению к исследуемому объекту. Вращательное движение осуществляется непрерывно, что является основой получения малого времени сканирования. Однако такой подход к построению сканирующего устройства, обладающий существенным преимуществом в получении малого времени сканирования, сразу наталкивается на целый ряд трудностей. Первая из них состоит в необходимости создания высокоточной механической конструкции, обеспечивающей минимально возможные биения на оси подшипника, которая является центром вращения.

Error: Reference source not found

Рис. 2.3. Схема томографа третьего поколения. Обозначения в тексте.

Error: Reference source not found

Рис. 2.4. Схема томографа со многими детекторами и одной трубкой.

Обозначения в тексте.

Вторая трудность — в необходимости формирования веерного рентгеновского пучка с высокими показателями по равномерности во всех точках детектирующего устройства, несмотря на значительное расстояние от фокальной точки излучателя. Третья трудность — в необходимости создания высокостабильной линейки идентичных детекторов, обладающих высоким коэффициентом полезного действия по отношению к приему рентгеновского излучения. Эта трудность многократно усиливается, если учитывать все возрастающие требования к улучшению пространственной разрешающей способности при исследовании головы и всего тела. Нужно отметить, что при разработке томографических систем наблюдается стремление к увеличению количества детектирующих элементов в линейке заданного размера.

Связанная с третьей четвертая проблема состоит в разработке электронных цепей предварительной обработки данных, которые должны быть построены таким образом, что в параллельных каналах, количество которых равно количеству детектирующих элементов, содержится аппаратура предварительного усиления и аналого-цифрового преобразования с целью передачи сформированного цифрового кода в цифровую вычислительную систему для последующей обработки и восстановления изображения. Важно отметить пятую трудность построения таких систем. Она состоит в том, что вычислительные средства, на которые возлагается обработка информации, должны обладать высокой производительностью и в реальном масштабе времени обсчитывать матрицу значительного объема с вычислением сложных тригонометрических функций.

Исследования показывают, что улучшение основных параметров томографической системы может быть достигнуто путем увеличения числа детекторов при одном источнике рентгеновского излучения (рис. 2.4). При этом детекторная система становится круговой и не располагается на вращающемся подшипнике. Электроника предварительной обработки данных также может быть вынесена с вращающейся части, что может рассматриваться как существенное упрощение конструкции и значительное снижение требований к массогабаритным параметрам электроники. Однако в такого рода системах должны быть преодолены значительные трудности, связанные с построением круговой детектирующей системы, требования к которой не снижаются. а в определенной мере ужесточаются необходимостью подбора значительного числа детектирующих элементов с одинаковыми характеристиками.

Следующим типом томографической системы можно считать систему, показанную на рис. 2.5. Она содержит круговую линейку детекторов и группу источников рентгеновского излучения. В этом варианте нет необходимости в создании высокоточной механики, так как свойственный предыдущим системам вращательный процесс исключается и заменяется работой коммутирующего устройства, переключающего с помощью электронной схемы источники рентгеновского излучения ИРИ₁, ИРИ₂, … , ИРИ_n. Определенные преимущества этой системы заметно снижаются нс только необходимостью построения круговой линейки детекторов, о сложности которой говорилось ранее, но и необходимостью тщательного подбора идентичных источников рентгеновского излучения, имеющих одинаковые спектральные характеристики с близкими характеристиками распределения энергии по веерному пучку.

Error: Reference source not found

Рис. 2.5. Схема томографа со многими детекторами и многими трубками.