63874 (Устройство и работа отдельных узлов рентгеновского компьютерного томографа)

Обобщенная структурная схема рентгеновского компьютерного томографа приведена на рис.1. Несмотря на существенные различия в принципах сканирования, конструкциях механических и электронных узлов она в целом применима ко всем поколениям РКТ.

Основу системы составляет электромеханический узел сканирования, куда входят источник рентгеновского излучения, блок детекторов, механические узлы и электрический привод. Весь этот комплекс размещается в закрытом корпусе и называется гентри, что в переводе с английского (gantry) означает портал подъемного крана или железнодорожный сигнальный мостик. Это короткое название отражает вертикальное расположение комплекса и наличие в нем круглого окна, в котором на специальном столе размещается пациент.

Рисунок 1. Структурная схема РКТ.

Система автоматического управления многие функции выполняет в автономном (асинхронном) режиме. Она управляет электроприводом и источником рентгеновского излучения, организует передачу электрических сигналов от детекторов в АЦП. Узел АЦП и интерфейса служит для цифрового преобразования сигналов детектора и передачи их в вычислительный комплекс. Его конкретная реализация зависит от скорости сканирования и количества элементов детектора. Вышеназванные узлы образуют комплекс сбора первичной информации.

Вычислительный комплекс управляет большей частью функций всех систем РКТ, выполняет математические операции реконструкции и вывода изображения на полутоновое отображающее устройство. Обычно он содержит ЭВМ общего назначения, которая осуществляет управляющие функции, и спецпроцессор, занимающийся только вычислительными процедурами. Такая организация позволяет с высокой скоростью обрабатывать большой объем информации, поступающий в вычислительный комплекс при сканировании и выводить изображение на экран немедленно по его окончании. Спецпроцессор (сопроцессор) может размещаться в корпусе общей ЭВМ. В этом случае вычислительный комплекс умещается в персональном компьютере.

Пульт управления, называемый также консолью оператора, служит для пуска и останова системы, выбора режимов, управления архивированием информации и др. Рентгеновское питающее устройство в основном имеет те же элементы, что и в рентгеновских аппаратах, но несколько проще ввиду ограниченного набора режимов. Его конкретные характеристики зависят от мощности рентгеновской трубки и режима ее работы (непрерывный или импульсный).

Детекторы рентгеновского излучения являются наиболее ответственными устройствами, определяющими последующую точность реконструкции изображения. Уже томографам второго поколения стала присуща многоэлементность детектирующего устройства. В связи с этим число принципиальных требований, общих для большинства РКТ, значительно возрастает. К ним относятся узкая апертура элементарного датчика, обеспечивающая пространственное разрешение 1 –2 мм и разрешение по контрасту; достаточно большой динамический диапазон по интенсивности (10³); малая инерционность; идентичность параметров и характеристик.

В томографах первого и второго поколений детектирование рентгеновского излучения осуществлялось с помощью сцинтилляторов NaI или CsI и ФЭУ. В детекторах томографа второго поколения возникает проблема подбора ФЭУ с одинаковыми характеристиками. Однако если даже ФЭУ подобраны, в процессе работы в силу дрейфа и других причин их характеристики изменяются, что может отразиться на качестве изображения. Поэтому в процессе работы томографа требуется периодическая программная коррекция их характеристик.

Рисунок 2. Детектор томографа второго поколения.

На рис.2 показана конструкция блока детекторов томографа второго поколения. В корпусе 1 из свинца располагаются сцинтиллятор 2 в виде монокристалла, за которым находятся ФЭУ 3. В передней части корпуса имеются узкие отверстия (коллиматоры), которые из рентгеновского пучка выделяют лучи по определенным направлениям. Для ускорения процесса обследования устанавливают две параллельные линейки ФЭУ. Это позволяет при сканировании получить изображение сразу двух слоев.

В томографах третьего и четвертого поколений, где число элементарных датчиков достигает сотен и тысяч, практически невозможно обеспечить идентичность характеристик такого количества ФЭУ. Кроме того, детектирующие системы были бы слишком громоздкими и дорогими. Поэтому здесь применяются полупроводниковые и газоразрядные детекторы.

Рисунок 3. Многоэлементный детектор с полупроводниковой мишенью.

Конструкция полупроводниковой детектирующей системы приведена на рис.3. Рентгеновское излучение через свинцовое фокусирующее устройство 1 (растр) проходит в стеклянную колбу 2 и попадает на стеклянную пластину 3, покрытую люминофором. Эта пластина охватывает фотокатод 4. Кванты света выбивают из фотокатода электроны, которые ускоряются электрическим полем и попадают в ячейки (углубления) полупроводниковой мишени 5. Возникающие при этом импульсы тока усиливаются внешними или встроенными в мишень усилителями 6. Такой детектор обладает очень широким динамическим диапазоном (10⁵).

Большинство требований, которые предъявляются к детекторам РКТ, наиболее просто и дешево удовлетворяются детекторами на основе ионизационных камер (рис.4). Они состоят из большого количества сообщающихся между собой ячеек, разделенных незамкнутыми перегородками – высоковольтными пластинами. Поэтому рабочий газ в ячейках (например, ксенон) обладает высокой степенью однородности, что и определяет главное качество детектора – идентичность характеристик его элементов. Ионизационные камеры выполняются из легкого металла. К корпусу камеры подводится высокое напряжение. Для надежной изоляции от высокого напряжения между входным окном и камерой делается прокладка из слюды.

Р ентгеновские кванты, проникающие в камеру, ионизируют газ. Ионы одного знака движутся к собирающим электродам (катодам), и в их цепи возникает ток, пропорциональный интенсивности падающего излучения. Вероятность ионизации зависит от длины собирающего электрода L и давления газа p. Общая величина заряда ионизации от одного 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 между двумя актами ионизации. Увеличение Q происходит до тех значений давления, при которых становится заметным влияние рекомбинации.

Рентгеновские трубки компьютерных томографов работают при больших напряжениях – 130 – 160 кВ. В томографах первого и второго поколений трубки работали в непрерывном режиме и имели масляное охлаждение. В томографах третьего 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 излучения таких трубок применяют коллиматоры. Они представляют собой узкие коробки из 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 и работу отдельных механических и электронных узлов РКТ второго поколения. И хотя они уступили место томографам третьего и четвертого поколений, ряд проблем, возникавших при их проектировании, остаются характерными и для их преемников. Здесь мы познакомимся с устройством и работой томографа СРТ-1010, который был разработан в Украине. Несмотря на несовершенство он сыграл положительную роль в развитии медицинского приборостроения, показав, что Украина располагает достаточным научно-техническим потенциалом для производства сложной медицинской техники.

Конструкция электромеханического сканирующего устройства этого томографа показана на рис.6. Элементы сканирующего устройства размещаются на массивной плите 1, которая вращается вокруг окна гентри. Рентгеновская трубка 2 и блок датчиков 3 прикреплены к раме 4. Вся эта конструкция линейно перемещается относительно несущей плиты с помощью электродвигателя 5 через редуктор 6 и ременно-зубчатую передачу 7. Вращательное движение осуществляется с помощью электродвигателя 8 через систему передач, показанную на нижнем рисунке. Электродвигатель 8 через редуктор 9 и кривошипно-шатунный механизм приводит в движение лапку, которая цепляется за зубец колеса, неподвижно закрепленного на корпусе гентри, и подтягивает основание 1 на три зубца. Всего колесо имеет 360 зубцов и, таким образом, происходит угловое перемещение на 3^о.

Рисунок 6. Конструкция сканирующего устройства томографа второго поколения

При линейном сканировании система трубка – блок детекторов движется непрерывно. Важно, чтобы это движение было относительно бесшумным и без пробуксовки. Для этого и применяется зубчато-ременная передача из пластиковой ленты.

Дискретные отсчеты вдоль направления сканирования получают с помощью прозрачной линейки с нанесенными на ней рисками. Эти риски фиксируются ИК оптоэлектронной парой, которая синхронно движется вместе с системой трубка – детектор. Количество линейных отсчетов обычно составляет около 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 интервалов между отдельными отсчетами неизбежен. Он обусловлен неточностью линейки, дифракцией ИК света и непостоянством скорости линейного перемещения (хотя скорость вращения электродвигателя 3 и стабилизируют). Однако эти временные интервалы нужно измерять с высокой точностью, так как от нее зависит качество изображения, получаемое с помощью операции свертки.

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 3^о. Учитывая, что сканирующая система поворачивается на угол 180^о, 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 = 0,2 1/см, а диаметр головы D = 25 см, то динамический диапазон составит I₀/I = e^D = 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