РЕНТГЕНОВСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ Российский патент 1996 года по МПК G01N23/08 A61B6/03 

Изобретение относится к области рентгенотехники, а более конкретно к рентгеновским томографам, преимущественно промышленного назначения.

Известен рентгеновский вычислительный томограф, содержащий узкоколлимированный источник и жестко связанный с ним детектор рентгеновского излучения, держатель исследуемого объекта, систему сканирования исследуемого объекта путем многократных линейных сканирований объекта при различных угловых положениях системы, источник-детектор относительно исследуемого объекта для получения наборов проекционных данных, цепь предварительной обработки сигналов детектора, систему восстановления и визуализации изображения на основе полученных проекционных данных /1/.

Недостатком известного томографа является относительно невысокое пространственное разрешение, которое задается размерами коллимированного пучка в направлении линейного сканирования. Возможности же уменьшения указанного размера достаточно ограничены из-за связанного с таким уменьшением снижения интенсивности регистрируемого детектором сигнала и требуемого для компенсации увеличения времени сбора информации на каждом отсчете. При этом помимо увеличения времени контроля это приводит к снижению полосы пропускания системы детектирования и увеличению шумовой составляющей сигнала из-за попадания в область шума типа 1/f, где f полоса пропускания.

Наиболее близким техническим решением является вычислительный томограф, содержащий источник рентгеновского излучения, детектор рентгеновского излучения с цепью предварительной обработки сигнала, держатель исследуемого объекта, средства относительного сканирования системы источник-детектор и держателя для получения наборов проекционных измерительных сигналов, средства двойного дифференцирования проекционных измерительных сигналов и систему восстановления и визуализации изображения /2/.

Достоинством указанного решения является возможность восстановления изображения исследуемого слоя в реальном времени, что обеспечивается в известном томографе /1/.

Вместе с тем, отмеченные выше недостатки известного томографа /1/ с точки зрения пространственного разрешения и наличия шумовой составляющей типа 1/f, что приводит к снижению чувствительности контроля, в общем виде справедливы и для томографа /2/.

Кроме того, операция двойного дифференцирования, осуществляемая в вычислительном блоке, приводит сама по себе к появлению составляющей ошибки вследствие аппаратурных причин, что также неблагоприятно сказывается на точности и чувствительности результатов томографического исследования.

Задача изобретения заключается в повышении пространственного разрешения получаемых проекционных данных двойного дифференцирования и снижении шумовых факторов от накопления измерительных данных и их обработки.

Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения и чувствительности томографического исследования.

Согласно изобретению поставленная задача решена таким образом, что в рентгеновском вычислительном томографе, содержащем источник рентгеновского излучения, детектор рентгеновского излучения с цепью предварительной обработки сигнала, держатель исследуемого объекта, средства относительного сканирования системы источник-детектор и держателя для получения наборов проекционных измерительных сигналов, средства двойного дифференцирования проекционных измерительных сигналов и систему восстановления и визуализации изображения, указанные средства двойного дифференцирования образованы: (a) установленным в источнике рентгеновского излучения коллиматором с фасонным коллимационным отверстием, форма поперечного сечения которого имеет две взаимноперпендикулярные оси симметрии, с неодинаковыми размерами пучка вдоль каждой оси симметрии и в перпендикулярном к ней направлении; (в) средствами вращения коллиматора с фиксированной частотой вокруг оси, перпендикулярной плоскости поперечного сечения коллимационного отверстия и проходящей через точку пересечения его осей симметрии; (c) включенным в цепь предварительной обработки сигнала фильтром, настроенным на выделение составляющей сигнала на удвоенной частоте вращения коллиматора.

Указанное выше выполнение средств двойного дифференцирования проекционной информации или, точнее, средств получения двукратно дифференцированной проекционной информации позволяет, с одной стороны, как это будет более подробно пояснено в дальнейшем, повысить пространственное разрешение при выделении мелких деталей внутренней структуры исследуемого объекта и, с другой стороны, за счет использования модуляционного метода устранить шумовые составляющие типа 1/f при увеличении времени набора информации, поскольку в этом случае сужение полосы пропускания происходит около частоты 2F, где F - частота вращения коллиматора.

Кроме того, для получения двукратно дифференцированных проекционных данных не требуется специального вычислительного блока, что, соответственно, и не вызывает появления связанной с его функционированием аппаратурной ошибки.

При этом авторам не известно указанное выполнение системы получения двукратно дифференцированных проекционных данных в других объектах техники.

Соответственно изложенному, авторы полагают, что заявляемый томограф соответствует критериям охраноспособности "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена схема рентгеновского вычислительного томографа, на фиг. 2 вид с торца одного из возможных вариантов выполнения вращающегося коллиматора, на фиг. 3 диаграммы получения сигнала при прохождении зоной пучка протяженной неоднородности, на фиг. 4 диаграммы получения сигнала при прохождении зоной пучка неоднородности с размерами на уровне разрешения обычного сканирования коллимированным пучком и на фиг. 5 диаграммы получения сигналов при прохождении зоной пучка малых неоднородностей.

Рентгеновский вычислительный томограф содержит коллимированные источник 1 и детектор 2 рентгеновского излучения, жестко соединенные рамой 3, держатель 4 исследуемого объекта 5, привод 6 линейного сканирования системы источник 1 детектор 2 относительно держателя 4 с объектом 5, привод 7 поворота держателя 4, блок 8 датчиков пространственных координат, причем приводы 6, 7 и блок 8 образуют средства сканирования с необходимыми элементами управления, что не является предметом настоящего изобретения в силу известности выполнения.

С источником 1 связан коллиматор 9, являющийся ротором электродвигателя, статор 10 которого подключен к схеме 11 электропитания, приводящей двигатель во вращение с частотой F.

К детектору 2 подключена цепь предварительной обработки сигнала, включающая предусилитель 12, фильтр 13, настроенный на выделение составляющей сигнала на частоте 2F, усилитель 14 и аналого-цифровой преобразователь 15 (АЦП).

Система восстановления и визуализации изображения содержит ЗУ 16, блок 17 обратного проецирования и суммирования и видеоконтрольное устройство 18.

Используемый в источнике 1 коллиматор 9 имеет фасонное коллимационное отверстие 19, форма поперечного сечения которого, в общем случае, должна удовлетворять следующим условиям:
наличие двух перпендикулярных друг к другу осей симметрии А1, А2;
различные размеры вдоль каждой оси симметрии А1 и А2 и в перпендикулярном к ней направлении.

Этим условиям удовлетворяет приведенная на фиг. 2 форма поперечного сечения коллимационного отверстия 19 в виде вытянутого прямоугольника. Этим же условиям удовлетворяют также, например, эллипс и гантелевидная фигура. Вращение коллиматора 9 осуществляется вокруг оси, проходящей через точку пересечения осей симметрии А1, А2 и перпендикулярной к плоскости поперечного сечения коллиматора.

В некоторых случаях может быть целесообразным варьирование частоты F вращения коллиматора 9. В этом случае схема 11 выполнена с возможностью перестройки частоты питания статора 10, а фильтр 13 частоты выделяемой составляющей сигнала, для чего сигнальный выход схемы 11 может быть подключен к входу управления фильтра 13 или предусмотрены внешние средства управления схемой 11 и фильтром 13 (не показаны).

При описании работы рентгеновского вычислительного томографа подробно рассмотрен процесс формирования проекционных данных с помощью используемых в томографе средств, поскольку этот аспект является основным для понимания сущности изобретения, тогда как остальные аспекты функционирования (режим сканирования, обработка данных) в данном изобретении не затрагиваются и предполагаются известными.

Фиг. 3 иллюстрирует процесс формирования проекционного сигнала при прохождении занимаемой вращающейся рентгеновской пучковой зоной (далее зона пучка) протяженной неоднородности 20 внутренней структуры контролируемого объекта 5, например полости.

На верхней диаграмме фиг. 3 показаны различные положения зоны пучка при прохождении им неоднородности 20.

На второй диаграмме фиг. 3 приведена проекционная кривая 21, получаемая при использовании средств заявляемого томографа.

На трех нижних диаграммах фиг. 3 показаны соответственно получаемая проекционная кривая 22 для невращающегося пучка той же площади, что и зона вращающегося пучка, кривая 23 ее первой и кривая 24 второй производной кривой 22.

При сканировании протяженной неоднородности 20 измерительный сигнал в томографе формируется следующим образом (рассматривается вариант полости или зоны с равномерной уменьшенной плотностью).

До точки Х зона пучка перемещается в области однородной плотности контролируемого объекта 5, и на выходе фильтра 13 сигнал отсутствует. В точке Х зона пучка начинает входить в зону неоднородности 20 с меньшей плотностью, вследствие чего на выходе фильтра начинает появляться сигнал, соответствующий появлению в сигнале детектора 2 составляющей с частотой 2F, причем амплитуда сигнала на выходе фильтра 13 пропорциональна перепаду интенсивностей прошедшего через объект 5 пучка в ходе его вращения с частотой F. Поскольку неоднородность 20 имеет меньшую плотность, то интенсивность пучка при его захождении в неоднородность будет возрастать, т.е. формируемый фильтром 13 сигнал положителен. Увеличение амплитуды сигнала фильтра 13 происходит до вхождения зоны пучка в неоднородность 20 на половину радиуса зоны пучка, после чего амплитуда пучка снижается до нуля в точке Х2, в которой при любом положении пучка его площади в неоднородности 20 и вне ее одинаковы и сигнала на выходе фильтра 13 нет. При дальнейшем продвижении зоны пучка в неоднородность 20 на выходе фильтра формируется отрицательный сигнал, поскольку несмотря на интегральное увеличение интенсивности по всей зоне пучка вхождение части пучка в зону повышенной плотности объекта 5 вне неоднородности 20 вызывает уменьшение интенсивности, т.е. выделяемая на частоте 2F составляющая отрицательна. Этот отрицательный сигнал увеличивается по амплитуде до вхождения зоны пучка в неоднородность 20 на 3/4 радиуса зоны пучка, после чего амплитуда сигнала на выходе фильтра 13 уменьшается до нуля в точке Х3.

При прохождении зоной пучка неоднородности 20 сигнал на выходе фильтра 13 отсутствует вплоть до точки Х4, в которой зона пучка начинает выходить из неоднородности 20. Далее процесс формирования сигнала в области между точками Х4, Х5, Х6 повторяется, но в обратном порядке, поскольку зона пучка перемещается из области с меньшей в область с большей плотностью. Таким образом формируется показанная на фиг. 3 проекционная кривая 21.

Если рассмотреть прохождение через неоднородность 20 невращающегося пучка с такой же занимаемой им зоной, то формируемый детектором 2 сигнал имеет форму кривой 22, первая производная которой представлена кривой 23, а вторая
кривой 24. Из сопоставления кривых 21 и 24 виден их принципиально одинаковый характер.

При прохождении зоной вращающегося пучка неоднородности 25 с размерами, соответствующими радиусу зоны пучка и, тем самым, примерно равными разрешению в направлении сканирования при использовании невращающегося пучка с той же зоной, сигнал формируется следующим образом (фиг. 4).

Между точками Х7 Х8 сигнал формируется аналогично сигналу кривой 21 между точками Х1 и Х2. Между точками Х10 Х11 сигнал формируется так же, как и между точками Х5 и Х6 на кривой 21. Между точками Х8 Х10 сигнал имеет отрицательную величину с максимумом в точке Х9, что соответствует сложенной левой и правой половиной участков кривой 21 между точками Х2 Х3 и Х4 Х5. Результирующий сигнал имеет вид кривой 26.

Кривая 27 на фиг. 4 иллюстрирует сигнал детектора 2 при прохождении неоднородности 25 невращающимся пучком с той же зоной, а кривые 28 и 29 представляют соответственно первую и вторую производную кривой 27.

Из сопоставления кривых 26 и 29 виден их одинаковый характер.

Таким образом, в пределах линейного разрешения известных томографов описанные выше средства адекватно выполняют функцию двойного дифференцирования по отношению к формируемому детектором сигналу со сканированием простым коллимированным пучком.

При прохождении зоной вращающегося пучка малых неоднородностей вид получаемого сигнала может зависеть от ряда факторов, в том числе и от относительной геометрии прохождения зоны пучка через такие неоднородности, что иллюстрирует фиг. 5.

На верхней диаграмме фиг. 5 зона пучка проходит через малые неоднородности 30 и 31 размером порядка узкой стороны поперечного сечения пучка, первая из которых смещена от центральной линии сканирования, проходящей через центр зоны пучка, а вторая попадает в центральную область зоны пучка, где интенсивность постоянна.

При прохождении зоной пучка смещенной от его центра малой неоднородности 30 сигнал имеет форму кривой 32, представляющей собой выступ с гладкой вершиной. При прохождении зоной пучка центральной малой неоднородности 31 формируется сигнал 33 в виде двух смежных выступов с провалом между ними, который соответствует вхождению неоднородности 31 в область постоянной интенсивности вращающегося пучка.

Возможность выделения малых неоднородностей в описанном томографе обусловлена снятием ограничений на время накопления информации при отдельном отсчете в силу исключения шумовых составляющих типа 1/f, как это было отмечено выше.

Использование: в области рентгенотехники, конкретно к рентгеновской томографии. Сущность изобретения: томограф содержит средства получения двукратно дифференцированных проекционных данных, образованные установленным в источнике 1 рентгеновского излучения коллиматором 9 с фасонным коллимационным отверстием 19, форма поперечного сечения которого имеет две взаимно перпендикулярные оси симметрии с неодинаковыми размерами пучка вдоль каждой оси симметрии и в перпендикулярном к ней направлении, средствами вращения 9 - 11 коллиматора с фиксированной частотой вокруг оси, перпендикулярной плоскости поперечного сечения коллиматора и проходящей через точку пересечения его осей симметрии, и с включенным в цепь 12 - 15 предварительной обработки сигнала детектора 2 фильтром 13, настроенным на выделение составляющей сигнала на удвоенной частоте вращения коллиматора. 5 ил.

Рентгеновский вычислительный томограф, содержащий источник рентгеновского излучения, детектор рентгеновского излучения с цепью предварительной обработки сигнала, держатель исследуемого объекта, средства относительного сканирования системы источник детектор и держателя исследуемого объекта для получения наборов проекционных измерительных сигналов, средства двойного дифференцирования проекционных измерительных сигналов и систему визуализации и восстановления изображения, отличающийся тем, что средства двойного дифференцирования образованы установленным в источнике рентгеновского излучения коллиматором с фасонным коллимационным отверстием, форма поперечного сечения которого имеет две взаимно перпендикулярные оси симметрии с неодинаковыми размерами пучка вдоль каждой оси симметрии и в перпендикулярном к ней направлении, средствами вращения коллиматора с фиксированной частотой вокруг оси, перпендикулярной к плоскости поперечного сечения коллимационного отверстия и проходящей через точку пересечения его осей симметрии, и включенным в цепь предварительной обработки сигнала детектора фильтром, настроенным на выделение составляющей сигнала на удвоенной частоте вращения коллиматора.