Вычислительный томограф

 

Изобретение предназначено для нейродиагностики и позволяет сократить время обследования за счет уменьшения количества операций умножения при свертке. Томограф содержит сканирующий блок 1 с источником 2 проникающего излучения и детекторным устройством 3, блок 5 предварительной обработки данных, накапливающий сумматор 10, сдвигающий регистр 12, коммутатор 11, блок 13 свертки, блок 18 обратной проекции, видеоконтрольное устройство 27. Источник 2 и детекторное устройство 3 приводят в поступательное движение относительно неподвижного объекта 4, не меняя их взаимного расположения, затем поворачивают их на некоторый угол, ке меняя взаимного расположения, и вновь задают им поступательное движение, и так далее до поворота на 180°. Детекторное устройство 3 фиксирует количество принятого излучения . Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют без увеличения аппаратурных затрат обеспечить работу в режиме реального времени, при котором реконструкция изображения осуществляется параллельно со сканированием и изображение срезов поступает на дисплей одновременно с окончанием сканирования. 6 ил. « (Л ГС 00 00 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1287847 (5D 4 А 61 В 6 03

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3967086/28-14 (22) 24.07.85 (46) 07.02.87. Бюл. № 5 (71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро реле и автоматики (72) Ю. А. Бобровник, P. Е. Богуславский

М. Х. Славинский, Б. И. Фломенман и И. П. Хелемский (53) 615.475 (088.8) (56) Патент Великобритании № 1471531, кл. G 01 Х 23/06, 1973. (54) ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ (57) Изобретение предназначено для нейродиагностики и позволяет сократить время обследования за счет уменьшения количества операций умножения при свертке. Томограф содержит сканирующий блок 1 с источником 2 проникающего излучения и детекторным устройством 3, блок 5 предварительной обработки данных, накапливающий сумматор 10, сдвигающий регистр 12, коммутатор 11, блок 13 свертки, блок 18 обратной проекции, видеоконтрольное устройство 27.

Источник 2 и детекторное устройство 3 приводят в поступательное движение относительно неподвижного объекта 4, не меняя их взаимного расположения, затем поворачивают их на некоторый угол, не меняя взаимного расположения, и вновь задают им поступательное движение, и так далее до поворота на 180 . Детекторное устройство

3 фиксирует количество принятого излучения. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют без увеличения аппара турных затрат обеспечить работу в режиме реального времени, при котором реконструкция изображения осуществляется параллельно со сканированием и изображение,р срезов поступает на дисплей одновременно ф ф с окончанием сканирования. 6 ил.

1287847

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для нейродиагностики, а также для контроля промышленных изделий.

Цель изобретения — сокращение времени обследования за счет уменьшения количества операций умножения при свертке.

На фиг. 1 приведена структурная схема вычислительного томографа; на фиг. 2 — 4— структурные схемы блока предварительной обработки данных, блока свертки и блока обратной проекции соответственно; на фиг. 5 и 6 — схематически представлены процессы формирования проекции и реконструкции изображения (обратной проекции).

Вычислительный томограф (фиг. 1) содержит сканирующий блок 1, в состав которого входит источник 2 проникающего излучения и детекторное устройство 3, между которыми размещен исследуемый объект 4.

Выход сканирующего блока 1, которым является выход детекторного устройства 3, соединен с входом блока 5 предварительной обработки сигналов — с входом интегратора 6 (фиг. 2).

Блок 5 предварительной обработки сигналов содержит соединенные последовательно интегратор 6, аналого-цифровой преобразователь 7, буферный блок 8 памяти и логарифматор 9.

Выход логарифматора 9, являющийся выходом блока 5 предварительной обработки сигналов, соединен с входом накапливающего сумматора 10 (фиг. 1) и с первым входом коммутатора 11. Выход накапливающего сумматора 10 соединен с входом сдвигающего регистра 12, выход которого соединен с вторым входом коммутатора 11, выход которого соединен с входом блока

13 свертки — с входом входного блока 14 памяти (фиг. 3).

Выход блока 14 памяти соединен с первым входом устройства 15 умножения, второй вход которого соединен с выходом блока

16 памяти ядра свертки. Выход устройства 15 умножения соединен с входом накапливающего сумматора 17, выход которого, являющийся выходом блока 13 свертки, соединен с входом блока 18 обратной проекции, — с первым входом коммутатора 19 блока 20 памяти модифицированных проекций (фиг. 4).

Блок 21 памяти констант, также входящий в состав блока 18 обратной проекции, соединен через накапливающий сумматор 22 с адресным входом 23 блока 20 памяти модифицированных проекций. Выход блока

20 памяти модифицированных проекций соединен с первым входом накапливающего сумматора 24, выход которого соединен с входом выходного блока 25 памяти и вторым входом коммутатора 19, выход которого соединен с информационным входом 26 блока

20 памяти модифицированных проекций.

5 !

О

Выход выходного блока 25 памяти соединен с вторым входом сумматора 24, и кроме того, является выходом блока 18 обратной проекции в целом и соединяется с входом видеоконтрольного устройства 27.

Устройство работает следующим образом.

При работе томографа источник 2 проникающего излучения и детекторное устройство 3 сканирующего блока 1 приводят в поступательное движение относительно неподвижного исследуемого объекта

4. При этом детекторное устройство 3 не меняет своего положения относительно источника 2.

Затем источник 2 и детекторное устройство 3 поворачивают на некоторый угол (например, 1 ), также не меняя взаимного расположения, и вновь совершают поступательное движение и т.д. до поворота на 180 .

При всех этих перемещениях детекторное устройство 3 регистрирует количество принятого излучения и преобразует его в электрический ток пропорциональной величины.

Интегратор 6 (фиг. 2) формирует на выходе электрическое напряжение, пропорциональное интегралу величины тока за некоторое время (например, 1 мс), соответствующее перемещени:о источника 2 и детекторного устройства 3 на отрезок, соответствующий размеру элемента изображения (например. 1 мм) .

Аналого-цифровой преобразователь 7 преобразует напряжение с выхода интегратора 6 в параллельный двоичный код, поступающий в буферный блок 8 памяти.

Таким образом, после окончания очередного прохода в буферном блоке 8 памяти формируется ряд чисел, соответствуюющих величине поглощения полос 28 элементарной толщины в исследуемом слое объекта

4, сориентированных в направлении, перпендикулярном движению источника 2 (фиг. 5).

Проходя через логарифматор 9, каждое из этих чисел преобразуется в величину (число), соответствующую интегральной сумме коэффициентов поглощения на соответствующей полосе. Ряд таких чисел Ер, Е,...,Em, соответствующих m параллельным полосам, полностью покрывающим исследуемый слой объекта 4, принято называть проекцией исследуемого слоя.

Числа Eo, Ei,...,Å очередной проекции, сформированной в блоке 5 (фиг. 1) предварительной обработки сигналов, поступают последовательно на первый вход коммутатора 11. С выхода коммутатора 11 эти числа поступают во входной блок 14 памяти блока 13 свертки и запоминаются в последовательных т ячейках блока 14.

После этого организуется повторное чтение содержимого буферного блока 8 памяти

1287847

В блоке 18 обратной проекции эта проекция так же, как и нулевая, поступает последовательно на вход 26 блока 20 памяти модифицированных проекций. Но в отличие от нулевой модифицированной проекции каждый член первой левой модифицированной проекции поступает не в одну, а в ni последовательных ячеек памяти.

Так же в блоке 13 свертки формируются все остальные модифицированные проекции, а их запись в блок 20 осушествляется по тому же принципу с тем, чтобы в ячейках блока 20, отстояших друг от друга íà m адресов, хранились числа, подлежащие сложению при формировании результируюшей модифицированной проекции. В рассмотренном примере заполнение ячеек памяти блока 20 следует произвести так: ячейка О: S (О) ячейка 1: Я (1) ячейка 2: $ (2) ячейка 239: $(239) ячейка 240: S>(0) ячейка 241: Si(0) ячейка 242: Si(2) ячейка 243: $>(2) ячейка 244: $|(4) ячейка 245: S (4) ячейка 458: Si(218) ячейка 459: К (219) ячейка 460: О ячейка 461: О ячейка 480: О ячейка 481: О ячейка 482: О ячейка 499: 0Ä ячейка 500: Si(20) ячейка 501: S (20) ячейка 502: Я (22) ячейка 503: S< (22) ячейка 718: Si (238) ячейка 719: Si (238) ячейка 720: Sz (О) ячейка 721: $ (0) ячейка 722: Sq(0) ячейка 723: S (О) ячейка 724: $ (4) ячейка 725: $ (4) ячейка 726: $ (4) ячейка 727: Я(4) ячейка 916: Я (196) ячейка 917: $ (196) ячейка 918: Sz (196) ячейка 919: Sg(196) ячейка 920: О ячейка 921: О ячейка 922: О ячейка 960: О ячейка 961: О ячейка 999: О, ячейка 1000: Sy (40) ячейка 1001: $ (40) ячейка 1002: $ (40) ячейка 1003: Я(40) ячейка 1196: Sg (236) 5

35 ячейка 1197: $2 (236) ячейка 1198: >(236) ячейка 1199: $ (236)

Нули в соответствующие ячейки могут быть вписаны как предварительный очисткой всего блока 20, так и непосредственно в процессе записи проекций.

Такой способ расположения информации в блоке 20 позволяет просто организовать вычисление результирующей проекции. Для этого из блока 21 памяти констант в накапливаюший сумматор 22 записывается адрес нулевого члена нулевой модифицированной проекции. Считанное по этому адресу число S(0) поступает в накапливающий сумматор 24. Затем из блока 21 в сумматор

22 поступает приращение адреса т (например, 240) и складывается с адресом, хранившимся в сумматоре 22. Считанное по вычисленному в сумматоре 22 адресу число

S i (О) поступает в сумматор 24 и складывается с хранившимся там числом S(0). Затем из блока 21 в сумматор 22 снова поступает приращение т и складывается с вычисленным ранее адресом. Считанное по новому адресу число (например, О), складывается в сумматоре 24 с хранившейся там суммой.

Работа блоков 20 и 21 и сумматоров 22 и 24 в этом режиме продолжается до тех пор, пока в .сумматоре 24 не сформируется нулевой член результируюшей модифицированной проекции So. Это число через входной коммутатор 19, который в этом режиме передает информацию с второго входа, поступает на информационный вход 26 блока 20.

Одновременно из блока 2! считывается константа (N — 1) m (где N — число модифицированных проекций в блоке 20), например

N=5, (N — 1) m = — 960.

Сложение этого числа с адресом, храняшимся к этому моменту в сумматоре 22, дает в сумме адрес нулевого члена нуле вой модифицированной проекции. В ячейку с этим адресом производится запись числа $о, после чего к адресу в сумматоре 22 прибавляется 1 и из блока 20 в сумматор

24 поступает число S (1) . Аналогично описанному организуется последовательное чтение из блока 20 всех чисел, подлежаших сложению с S (1), и полученный в результате первый член результирующей модифицированной проекции S поступает на место числа S (1) в блок 20.

Точно так же вычисляются и заносятся в блок 20 остальные члены результирующей модифицированной проекции.

После этого в блоке 18 осушествляется обратная проекция полученной результирующей модифицированной проекции на массив изображения, формируемый в выходном блоке 25 памяти. При этом в ячейки блока 25, каждая из которых соответствует элементарному участку изображения, поступают члены результирующей модифицированной

1287847

S(0), S(1),..., S(m). (фиг. 2) и с выхода логарифматора 9 таже последовательность чисел Eo, En...,Е„„поступает в накапливаюший сумматор 10 (фиг. 1) . В накапливающем сумматоре 10 формируются суммы нескольких соседних членов проекции.

Числа Ei(0), E (ni), Ei(2ni),..., каждое из которых определяется как сумма

Е (1п )= Ei. + Ein,=+(+ + E1; nnl- п поступают в сдвигающий регистр, где они уменьшаются в Ki раз за счет сдвига вправо на hi разрядов, Ki= 2" .

С выхода сдвигающего регистра 12 последовательность

Е1(0)/Кь Е|(пl)/Kn Е|(2ni)/Кь.,.. поступает на второй вход коммутатора ll, который в этот период находится в режиме передачи на выход информации с второго входа.

С выхода коммутатора 11 эта последовательность также поступает во входной блок 14 памяти блока 13 свертки и запоминается в последуюших ячейках памяти блока 14. Затем снова повторяется чтение содержимого буферного блока 8 памяти (фиг. 2) и в той же последовательности происходят формирование второй дополнительной проекции

E2 (O) /К, Е. (и 2) /К, Е2 (2п >) /К,..., и ее запоминание в блоке 14 (фиг. 3) и т. д. до тех пор, пока все,1ополнительные проекции вида

E (0)/К„Е (п;)/К;, Е,(2п;)/К;,..., не запишутся в блоке 14.

В блоке 16 ядра свертки постоянно хранится ядро, состоящее из участков:

0 — L — pi+1, L — pi+2,..., L — 1, Lî, 1-ь.", Lpi — 1;

1 (левая половина) — KiM(— р2+1), KiMX

X (— pa+ 2),...,KiM (— р1);

1 (правая половина) — KiM (pi), К|М

X (pi+ 1),...,К М(р — 1); (левая половина) К,М (— р,+, +1),„, К;М (— р;);

1 (правая половина) — КМ(р;),...,КМ(р,+1 —— — 1).

В блоке 13 свертки производится свертка каждой из проекций, хранящихся в блоке

14, с соответствуюшими участками ядра из блока 16.

При этом сначала формируется нулевая модифицированная проекция

Формирование нулевого члена этой последовательности осуществляется в следующем порядке

Из блока 14 последовательно считываются члены исходной проекции Eo, Ei, Е ...., и поступают на первый вход устройства

15 умножения. Одновременно из блока

16 последовательно считываются члены нулевого участка ядра

1-о. 1- п 1 и поступают на второй вход устройства 15 умножения. С выхода устройства 15 умножения произведения

EoLо Е11- — 1 ° 1-21- — 2 поступают в накапливающий сумматор 17, в котором формируется сумма S(0)= EoLo+

+EEL i+ Е !. 2+,.... С выхода накапливающего сумматора 17 нулевой член S(0) нулевой модифицированной проекции поступает в блок 18 обратной проекции.

Точно так же производится формирование первого члена S (1) нулевой модифицированной проекции с той только разницей, что из блока 16 последовательно считываются члены нулевого участка ядра, начиная с Li

Lь Lо, L- — >, Так же последовательно формируются остальные члены нулевой модифицированной проекции. Поступая с выхода блока

l3 свертки в блок 18 обратной проекции, члены этой проекции попадают на первый вход входного коммутатора 19. В этот период коммутатор 19 находится в режиме передачи на выход информации с первого входа, поэтому члены нулевой модифицированной проекции последовательно поступают на информационный вход 26 блока 20 памяти модифицированных проекций.

Перед началом операции свертки из блока 21 памяти констант считывается в накапливающий сумматор 22 адрес, начиная с которого должна быть записана нулевая модифицированная проекция в блок 20.

С выхода накапливаюшего сумматора 22 этот адрес поступает на адресный вход 23 блока 20. После записи числа 8(0) по этому адресу код адреса в накапливающем сумматоре 22 увеличивается на единицу и после окончания вычисления числа S(1) в блоке

13 свертки оно записывается по этому адресу в блок 20. Точно так же последовательно записываются в блок 20 все числа нулевой модифицированной проекции.

Затем в блоке 13 свертки (фиг. 3) производится формирование первой левой модифицированной проекции. Для этого из блока 14 последовательно считываются члены первой дополнительной проекции, а из блока

16 — соответствующие члены первого левого участка ядра. С выхода устройства

15 умножения произведения соответствующих членов поступают в накапливаюший сумматор 17, на выходе которого последовательно формируются члены первой левой моди фи ци рован ной проекции

Si(0), Si(n,), Si(2ni),....

1287847 проекции, причем в каждую из ячеек поступает член проекции, соответствующий полосе, на которой находится центр соответствующего элементарного участка.

В числовом виде зона изображения, представляющая собой круг, разбита на элементарные квадраты (фиг. 6). В блоке 25 первая ячейка памяти соответствует крайнему слева квадрату в нижнем ряду изображения. Следующие ячейки 25 соответствуют следующим квадратам того же нижнего ряда. Затем идут ячейки следующего ряда слева направо и т.д. до крайней правой ячейки в верхнем ряду.

В блоке 21 памяти констант хранится предварительно вычисленный адрес ячейки блока 20 памяти модифицированных проекций, в которой хранится число, подлежащее записи в первую ячейку изображения.

Далее в блоке 21 хранится приращение адреса модифицированной проекции при переходе на один квадрат вправо. Последовательным прибавлением этой константы к адресу осуществляется выбор из блока 26 всех чисел, подлежащих записи в ячейки блока 25, соответствующие элементарным квадратам нижнего ряда. Затем из блока 21 извлекается константа приращения адреса при переходе от крайней правой ячейки первого ряда к крайней левой ячейке второго ряда и из блока 20 извлекается член модифицированной проекции, соответствующий полосе, на которой находится центр крайнего левого квадрата второго ряда.

Таким образом производится заполнение всех ячеек памяти блока 25 соответствуюшими числами.

Каждая из остальных проекций исследуемого слоя, формируемая в блоке 5 предварительной обработки данных, проходит такую же процедуру обработки до формирования соответствующей результирующей модифицированной проекции.

Затем производится обратная проекция, несколько отличная от описанной. Поскольку проекция расположена под другим углом. используется другой набор констант из блока 21 для определения адресов блока

26 памяти модифицированных проекций

1S

Кроме того, члены результирующей мо45 дифицированной проекции не просто записываются в соответствующие ячейки блока 25, а складываются с содержимым этих ячеек.

Для этого перед записью в очередную ячейку блока 25 производится чтение содержимого этой ячейки. Считанное число с выхода блока 25 поступает на второй вход сумматора 24 и складывается с поступающим на первый вход соответствующим членом модифицированной проекции.

Сумма с выхода сумматора 24 поступает в блок 25 и записывается в ту же ячейку.

После окончания обратной проекции всех модифицированных проекций блок 25 содержит реконструированное изображение исследуемого слоя. Затем эта информация из блока 25 передается в видеконтрольное устройство 27, которое воспроизводит изображение в виде полутоновой картины на экране.

Предлагаемый вычислительный томограф позволяет без увеличения аппаратурных затрат обеспечить работу в режиме реального времени, при котором реконструкция изображения осуществляется параллельно со сканированием и изображение срезов поступает на дисплей одновременно с окончанием сканирования.

Формула изобретения

Вычислительный томограф, содержащий сканирующий блок, включающий источник проникающего излучения и детекторное устройство, блок предварительной обработки сигналов, подключенный к выходу детекторного устройства, блок свертки, блок обратной проекции, подключенный к выходу блока свертки, и видеоконтрольное устройство, подключенное к выходу блока обратной проекции, отличающийся тем, что, с целью сокрашения времени обследования за счет уменьшения количества операций умножения при свертке, введены накапливающий сумматор, сдвигающий регистр и коммутатор, причем выход блока предварительной обработки сигналов соеДинен с входом накапливающего сумматора и с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом сдвигаюшего регистра, выход коммутатора соединен с входом блока свертки, а выход накапливающего сумматора соединен с входом сдвигающего регистра.

1287847

t 13

Фиг Я юг

Z8

Дгг 5

Я г б

Составитель Н. Галамага

Редактор Л. Гратилло Техред И. Верес Корректор Г. Решетник

Заказ 7729/5 Тираж 617 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4