Рентгеновский вычислительный томограф

 

1. РЕНТГЕНОВСКИЙВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ, содержащий набор управляемых источников рентгеновского излучения и набор детекторов, расположенных по окружности и установленных с возможностью совместного вращения, блок регистрации, вход которого соединен с выходами детекторов , а выход - с входом вьгаислительно-отображающего комплекса с управляющим выходом, блоки питания и управления, выходы которых соединены с источниками рентгеновского излучения , отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия томографа при одновременном обеспечении равноточности измерений, в него дополнительно введены управляющие ключи, кольцевые счетчики с установочными входами и генератор тактовых импульсов, причем выходы управляющих ключей связаны с входами блоков питания и управления широколлимированньк источников рентгеновского излучения, управляющие входы ключей соединены с выходам кольцевых счетчиков, входы которых соединены с выходим генератора тактовых импульсов, управляющий выход вычислительно-отображающего комплек (О са соединен с входами управляющих (Л ключей и генератором тактовых имс пульсов, причем число разрядов каждого кольцевого счетчика равно количеству источников рентгеновского излучения J-i, попадаемых в поле зрения каждого детектора, и начальное состояние каждого кольцевого счетчика задано в виде цикличегских перестановок псевдослучайной послеО5 довательности, состоящей из Л. еди00 ниц и нулей. 00 2. Томограф по п. 1, о т л и 00 00 чающийся тем, что при М 2 - 1, где п - натуральное число, в качестве кольцевых счетчиков используют регистры сдвига с логической обратной связью в виде сумматора по модулю два.

СООЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИ4ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (!9) ((() (5()4 G 01 (23/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

/ г

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2i) 3696564/24-25 (22) 31.01.84 (46) 23.07.85. Бюл. №- 27 (72) В.И.Г1ухин, Ю.H.Èåòàëüíèêoâ и И.Б.Рубашов (71) Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (53) 62 1.386(088.8) (56) 1. Патент Великобритании № 1539685, кл. H 4 F, опублик,1979.

2. Robb R.A. The Dynamic Spaciak

Reconstructor An Х-Ray Fluoroscopic

СТ Scanner for Dynamic Volume

Imaging of Moving Organs. — IEEE

"Trans. Мерз.са1 Imaging", Ч.М.$.-1, ¹ 1, 1982, р. 28 (прототип). (54)(57) 1. РЕНТГЕНОВСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ, содержащий набор управляемых источников рентгеновского излучения и набор детекторов, расположенных по окружности и установленных с возможностью совместного вращения, блок регистрации, вход которого соединен с выходами детекторов, а выход — с входом вычислительно-отображающего комплекса с управляющим выходом, блоки питания и управления, выходы которых соединены с источниками рентгеновского излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия гамографа при одновременном обеспечении равноточности измерений, в него дополнительно введены управляющие ключи, кольцевые счет ики с установочными входами и генератор тактовых импульсов, причем выходы управляющих ключей связаны с входа— ми блоков питания и управления широколлимированных источник в рентгеновского излучения, управляющие входы ключей соединены с выходами кольцевых счетчиков, входы которых соединены с выходом генератора тактовых импульсов, управляющий выход вычислительно-отображающего комплекса соединен с входами управляющих ключей и генератором тактовых импульсов, причем число разрядов каждого кольцевого счетчика равно количеству источников рентгеновского излучения К, попадаемых в поле зрения каждого детектора, и начальное состояние каждого кольцевого счетчика задано в виде циклических перестановок псевдослучайной последовательности, состоящей из 11. единиц и нулей.

2. Томограф по п. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что при М = — 2 — 1, где п — натуральное число, в качестве кольцевых счетчиков используют регистры сдвига с логической обратной связью в виде сумматора по модулю два.

1168838

Изобретение относится к измерительным схемам, использующимся в прикладной ядерной физике, и может най ти применение в конструкциях рентгеновских вычислительных томографов, 5 .предназначенных для исследования внутренней структуры объектов путем пропускания ионизирующего излучения с последующим определением его поглощения. 10

Известны рентгеновские вычислительные томографы, содержание неподвижный детектирующий комплекс, выполненный в виде набора детекторов, установленных по окружности, охватываю- 15 щей исследуемый объект, рентгеновскую трубку с веерной коллимацией пучка, установленную с возможностью вращения вокруг объекта по вписанной концентрической окружности, причем де- 20 текторы соединены с блоками регистрации и вычислительно-отображающим комплексом, а рентгеновская трубка соединена с источником питания и блоком управления. Известные томогра-25 фы относятся к томографам четвертого поколения и являются наиболее быстродействующими из серийно выпускаемых f1) .

Однако несмотря на то, что время 30 экспозиции томографов четвертого поколения составляет 1-5 с они не-. пригодны для большинства кардиологи— ческих исследований в силу недостаточного быстродействия. Особенностью

35 кардиологических исследований является подвижность и сложность структуры сердца и сердечно-сосудистой системы.

Наиболее близким техническим реше40 нием к изобретению является рентгеновский вычислительный томограф с динамической пространственной реконструкцией, содержащий набор рентгеновских трубок с узкой коллимацией

45 пучка и набор детекторов, установленных ло окружности, охватывающей исследуемый объект, причем выходы детекторов соединены через блоки регистрации с вычислительно-отображающими комплексом, рентгеновские труб«50 ки соединены с блоками питания и управления, входы которых связаны с управляющим выходом вычислительноотображающего комплекса, а кольцо, образованное детекторами и рентгеновскими трубками, установлено с возможностью вращения вокруг исследуемого объекта.

При работе томографа, узкоколлимированным лучом каждой рентгеновской трубки поочередно электронным образом сканируют каждый из детекторов при одновременном совместном вращении рентгеновских трубок и набора детекторов вокруг исследуемого объекта.

Если набор детекторов состоит иэ

N» штук, 1с1 — число рентгеновских трубок, Т вЂ” полное время измерений при заданном положении набора детекторов и рентгеновских трубок, то время отдельного измерения составлят ет to = И Поскольку время кажЭ 5 дого измерения постоянно, а интенсивность прошедшего излучения меняется на три порядка в зависимости от плотности исследуемого объекта, то погрешность измерений также меняется в широком диапазоне, что приводит к ухудшению выявления мелких деталей на томографических изобра- хсениях (2) .

Томограф имеет большее быстродействие по сравнению с томографами четвертого поколения, однако и оно недостаточно для количественного анализа регионального кровообращения н наполнения сосудов при кардиологических исслепованиях.

Целью изобретения является повышение быстродействия томографа при одновременном обеспечении равноточности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в рентгеновский вычислительный томограф, содержащий набор управляемых источников рентгеновского излучения и набор детекторов, расположенных по окружности и установленных с возможностью совместного вращения, блок регистрации, вход которого сое-! динен с выходами детекторов, а выход — с входом вычислительно-отображающего комплекса с управляющим выходом, блоки питания и управления, выходы которых соединены с источниками рентгеновского излучения, дополнительно введены управляющие ключи, кольцевые счетчики с установочными входами и генератор тактовых импульсов, причем выходы управляющих ключей связаны с входами блоков питания и управления ыирококоллимированных источников рентгеновского излучения, управляющие входы ключей

1168838

1 О

45 (1) М п =;Е N„„A„(t, ), 13 где i = 1, 2, ... N А (t ) ь A- 1 — 1 матрица, состоящая из 1 и О, полученная циклической перестановкой первой строки, совпадающей с псевдослучайной последовательностью, состоящей из К единиц и М-К нулей. Матрица А описывает порядок включения источников рентгеновского излучения.

Требуемые для численной реконструкции томографического изображения соединены с выходами кольцевых счетчиков, входы которых соединены с выходом генератора тактовых импульсов, управляющий выход вычислительно-отображающего комплекса соединен

5 с входами управляющих ключей и генератором тактовых импульсов, причем число разрядов кольцевых счетчиков равно количеству источников рентгеновского излучения И, попадаемых в поле зрения каждого детектора, а начальное состояние каждого кольцевого счетчика задано в виде циклических перестановок псевдослучайной последовательности, состоящей из M единиц и нулей, Кроме того, при М = 2 — 1, rqe ,)П п.— натуральное число, в качестве кольцевых счетчиков используют регистры сдвига с логической обратной щ связью в виде сумматора по модулю два.

Быстродействие томографа достигается за счет обеспечения интегрального режима измерений при получении д топографического изображения, при котором каждым детектором регистрируют излучение, прошедшее через исследуемый объект одновременно от нескольких источников рентгеновского излучения. При последующей численной обработке результатов измерений и предложенном выборе одновременно включаемых источников рентгеновского излучения, удается разделить вклады каждого источника в результат измерения каждым детектором. .Пусть интенсивность прошедшего через объект излучения от S-ro источника рентгеновского излучения и зарегистрированного i-тым детектором равна N„<, При одновременном включении К из И источников, показания

i-детектора и; в момент времени длительностью t равны о

D(Nj ) К(1 — С) (1 — 2C) Nis +

1 с

+ сигт + (1 — -)р

15 К (2) 1 — Х N

И 6=1 р — фоновая интенсивность импульсов, включающая вклад рассеянного в объекте излучения, фонового излучения и шумов регистрирующей аппаратуры, К-1

С= — — относительное число одновременно включаемых источников.

Решение уравнения (1) не составляет трудностей, так как матрица

А по своим свойствам близка к ортогональной. При включении половины

1 источников (С = ) дисперсия D(N )

2 fg не зависит от значений N и равна

2И вЂ” 4р

И+ 1 в И+ 1

2(И;

И (3) Время, необходимое для получения данных N, с дисперсией, определяемой соотношением (3), составляет

Nz, 1 То . М.Ns- — =—

M И Г1

Т о так как одновременно задействовано

М детекторов из всего набора N .

Аналогичные данные, полученные при измерениях с помощью известного томографа равны о (g) 5 Рр э (4) И причем р = — р:, так как фон определяется в основном вкладом рассеянного излучения, который пропорционален количеству одновременно включенных источников рентгеновского излучения. Дисперсия Do(Ni ) зависит от интенсивности N прошедшего излучения.

Таким образом, при измерениях с помощью предлагаемого томографа время измерений уменьшается в М раз, значения N„ находят из решения системы линейных алгебраических уравне— ний (1), причем дисперсия значений

N составляет

1168838 дисперсии результатов равны между собой и не зависят от интенсивности прошедшего излучейия. Однако суммарная дисперсия результатов каждого детектора при измерениях предлагаемым томографом превышает суммарную дисперсию результатов каждого детектора при измерениях известным томографом в 2 раза„ согласно соотношению (5) м :г(«;,1 2 M Ж, м P) м = м =2, (5) — - О(14 51 — б /Й

5=

При увеличении времени измерений

Т в четыре раза, т.е. при Т =

4 То достигается равенство суммарной и дисперсии при измерениях с помощью 20 предлагаемого и известного томографов.

На фиг. 1 изображена схема рентгеновского вычислительного томографа„ на фиг. 2 схема регистра сдвига с логической обратной связью сумматора по модулю два при М = 2 — 1 = 15. ф

Псевдослучайные последовательности, состоящие из 8 единиц 7 нулей (7 +

+ 8 = 15), описывающие закон (матри- 30 ца Л ) чередования включенных источников рентгеновского измерения

Asj:00010011010:1111

О О 1 О О 1 1 О 1 О 1 1 1 1 035

0 1 0 0 1 I Î 1 0 1 1 1 1 0 0

1 О О 1 1 О 1 О 1 1 1 1 0 0 0

001101011110001

О 1 1 О 1 0 1 1 1 1 О О О 1 О

1 1 0 1 О 1 1 1 1 О О 0 1 О 1

1 О 1 О 1 1 1 1 О О О 1 О 1

010111100010111

1 О 1 1 1 1 О О 0 I О 1 1 1 О

01111ООО I 0 I 110

1 I 1 1 О О О 1 О I 1 1 О 1 050

111000101110101

1 О О О 1 О 1 1 1 О 1 О 1 1

100010111010111

Рентгеновский вычислительный то-, мограф содержит набор управляемых источников 1 рентгеновского излучения, набор детекторов 2, установленных по окружности, блок 3 регистрации, вход которого соединен с выходами детекторов, а выход — с входом вычислительно-отображающего комплекса 4> управляющий выход которого соединен с. входом генератора 5 тактовых импульсов и входами ключей 6, выходы которых соединены последовательно с блоками 7 питания и управления, источников 1 рентгеновского излучения.

Выход генератора 5 тактовых импульсов соединен с входами кольцевых счетчиКоВ 8 с установочными входами, выхо-. ды которых соединены с управляющими входами ключей 6, Есчи число источников рентгеновского излучения, одновременно попадающих в поле зрения каждого детектора равно M = 2 — 1, где n — натуральное

Ц число, в качестве кольцевых счетчиков предпочтительнее использовать регистры сдвига с логической обратной связью в виде сумматора по модулю два, схема которого приведена на фиг. 2, позиция 9. При подаче тактовых импульсов от генератора 5 на его выходе формируется набор из и О, описывающихся матрицей А .

Томограф работает следующим оСразом.

Перед началом работы, через уста-, новочные входы в каждый кольцевой счет счетчик 8 заносятся последовательные циклические перестановки псевдослучайной последовательности длины

М. С приходом управляющего сигнала с вычислительно-отображающего комплекса 4, тактовый сигнал генератора 5 циклически сдвигает состояние кольцевых счетчиков 8, выходные сигналы которых управляют прохождением управляющего сигнала на блоки 7 питания и уцравления через ключи б.

С приходом управляющего сигнала соответствующий блок питания и управления включает источник 1 рентгеновского излучения, которое после прохождения через объект регистрируется набором детекторв 2, соединенных с блоком 3 регистрации, данные, с которого поступают в вычислительноотображающий комплекс 4. Спустя заданное время регистрации t вычислительно-отображающий комплекс вырабатывает очередной сигнал управления и цикл измерений повторяется.

1 168838

Для получения набора проекций в диао пазоне углов и М Çá0 предусмотрено механическое вращение набора«источников рентгеновского излучения одновременно с набором детекторов вокруг оси, проходящей через центр окружности, на которой они установлены.

Расположение детекторов и источников рентгеновского излучения на одной 10 окружности обеспечивает одинаковые геометрическое условия для регистрации излучения каждым детектором.

Детекторы предпочтительно выполнять, например, на ocHoRe сцинтилляторов !5 из германата висмута, обладающего высокой эффективностью поглощения излучения и практически постоянной угловой эффективностью регистрации в относительно широком диапазоне уг- 20 лов. Для дополнительного выравнивания угловой зависимости эффективности регистрации можно использовать такие известные технические решения, как выполнение сцинтиллятора в виде усеченной пирамиды, установленной под углом к оси падения излучения.

При установке набора детекторов на ,первой половине окружности и набора источников на второй половине, мак30 максимальный угол коллимации источо йиков составляет 90, что вполне постижимо в современных рентгеновских трубках. Управление работой источника рентгеновского излучения, если в их качестве используют рентгеновские трубки с управляющей сеткой достигается, например, путем включения источника смещения между накалом и сеткой рен-.геновской трубки.

При использовании в томографе комбинированных детекторов, позволяющих раздельно регистрировать низкои высокоэнергетичные компоненты излучения, предположительнее не выключать рентгеновскую трубку при приходе на управляющий вход клюса сигнала О, а снижать напряжение питания анода, для смещения спектра излучения в низкоэнергетичную область. При таком режиме измерения, обеспечивающие получение большей информации об объек— те, получены вдвое быстрее, чем при работе известного томографа.

Таким образом, предлагаемый быст— родействующий рентгеновский вычислительный томограф позволяет обеспечить равноточность измерений и повысить быстродействие. При использовании 28 рентгеновских трубок, как и в известном томографе быстродействие повы28 шается в -.- = 7 раз при угле коллима4 ции каждой рентгеновской трубки, рав-. ном 90

1168838