КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТОМОГРАФ Российский патент 1998 года по МПК A61B8/13 G01N22/00 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может использоваться для томографического исследования объектов и медицинской диагностики при различных заболеваниях человека, а также для лечения ряда заболеваний и контроля внутренних температурных градиентов в процессе гипертермии.

Известно устройство, реализующее способ СВЧ томографического исследования объекта [2]. Устройство содержит резонатор 1, возбуждающие элементы 2, передающее устройство 6, приемные устройства 5, устройство выделения сигнала 7, регистрирующее устройство 8. В резонатор 1 помещают исследуемый объект, при этом предварительно регистрируют спектр электромагнитных колебаний резонатора без объекта, затем - с объектом.

Недостатком устройства является то, что оно не может быть использовано для исследования внутренних органов человека в связи с большим затуханием сигнала в теле человека. В СВЧ-диапазоне это объясняется тем, что θ_o/θ_m < 1, где θ_o - собственная добротность резонатора с объектом; θ_m - нагруженная добротность резонатора.

Кроме того, устройство принципиально не может обеспечить получение информации для решения трехмерной задачи реконструкции и не имеет возможности локального внутреннего нагрева исследуемого объекта и контроля градиента температуры внутренних органов человека.

Наиболее близким по технической сущности является рентгеновский компьютерный томограф [1] , содержащий соосно установленный корпус, измерительную камеру, между которыми с возможностью вращения относительно продольной оси установлен каркас с размещенными на нем источниками излучения с веерной диаграммой направленности, L-приемников излучения, жестко размещенных по периметру между измерительной камерой и корпусом, при этом выводы приемников через многоканальное регистрирующее устройство подсоединены к устройству отработки и отображения информации, а один из выходов компьютера через исполнительное устройство соединен с каркасом.

Приемники рентгеновского излучения детектируют принятые сигналы. Результаты измерений, полученные с детекторов, математически обрабатываются для получения пространственного распределения затухания, которое визуализируется, например, на компьютере либо видеоматрице.

Недостатком этого устройства является то, что оно обеспечивает визуализацию внутреннего строения биологических объектов путем измерения плотности ткани. Таким образом, наличие резкого изменения плотности на пути распространения луча (например, наличие костей) приводят к неустранимым артефактам (искажениям). Это связано с тем, что при обработке результатов измерения не учитывается эффект трехмерного рассеяния распространяющегося луча.

В ряде случаев общее затухание луча за счет эффекта рассеяния настолько велико, что за таким препятствием сигнал практически отсутствует.

Кроме того, результат измерений не зависит от изменения температуры внутренних органов, что часто необходимо знать для медицинской диагностики внутренних органов.

Так для рентгеновского томографа результат измерения связан с температурой соотношением
ρ(t^°) = ρ_o(1 - βt^°),
где β - коэффициент объемного теплового расширения ( β_max =0,001 1/град);
t^o - температура, ^oC;
ρ - плотность ткани.

При требуемой температурной чувствительности в 1^oC необходимо фиксировать изменение ρ менее 0,1%, что практически недостижимо.

Рентгеновский томограф обеспечивает визуализацию внутреннего строения человека на основе измерения затухания в каждом лучевом направлении.

Причем чем больше совокупное число лучей, пересекающих исследуемое тело в различных направлениях, тем выше пространственное разрешение при визуализации изображения. Общее число лучей в рассмотренном томографе составляет
M=L•N•m,
где N - число экспозиций (число положений передающих излучателей);
L - число приемных детекторов в каждой экспозиции;
m - число одновременно работающих излучателей.

Потенциальная разрешающая способность томографа составит

где S - площадь квадрата, в который вписано исследуемое тело;
M - общее число лучей.

Рентгеновский томограф обеспечивает визуализацию среза исследуемого объекта, толщина которого составляет несколько миллиметров и равна толщине луча.

Недостатками рентгеновского томографа являются:
- практическая нечувствительность к внутренним температурным градиентам;
- невозможность учета рассеянных полей, что не позволяет проводить диагностику тканей, прилегающих к скелету человека;
- невозможность использования для лечения.

Технический эффект, который может быть достигнут при использовании предлагаемого компьютерного томографа заключается в том, что он:
- обеспечивает визуализацию трехмерных объектов;
- чувствителен к температурным градиентам внутренних органов;
- обеспечивает диагностику тканей, прилегающих к скелету;
- может быть использован для лечения в процессе гипертермии.

На чертеже изображена общая схема компьютерного томографа, где: 1 - корпус, 2 - измерительная камера, 3 - корпус, 4 - источники излучения с веерной диаграммой направленности, 5 - приемные устройства, 6 - согласующая жидкость, 7 - измеряемый объект, 8 - резервуар, 9 - источник возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 с горизонтальной поляризацией волны, 10 - источник возбуждения СВЧ-энергии на частоте F2 с вертикальной поляризацией волны, 11 - многоканальное регистрирующее устройство, 12 - компьютер, 13 - блок управления делителей и фазовращателей, 14 - первое исполнительное устройство, 15 - второе исполнительное устройство, 16 - рама.

Компьютерный томограф, содержит соосно установленные корпус 1, измерительную камеру 2, закрепленную на корпусе 1, каркас 3, установленный внутри корпуса 1 с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, K источников излучения с веерной диаграммой направленности 4, жестко установленные на раме 16, L приемных устройств 5, установленных по периметру измерительной камеры 2, источник возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 с горизонтальной поляризацией волны 9, источник возбуждения СВЧ-энергии на частоте F2 с вертикальной поляризацией волны 10, многоканальное регистрирующее устройство 11, выход которого подключен к входу компьютера 12, блок управляемых делителей и фазовращателей 13, каждый из m-входов которого соответственно соединен с каждым из m-выходов источника возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 с горизонтальной поляризацией волны 9, а каждый из m-выходов блока управляемых делителей и фазовращателей 13 соединен с соответствующим входом каждого из K источников излучения с веерной диаграммой направленности 4, при этом k-m входов источников излучения с веерной диаграммой направленности подключены соответственно к каждому из n-выходов источника возбуждения СВЧ-энергии на частоте F2 с вертикальной поляризацией волны 10, опорные выходы которых подключены к соответствующим опорным входам многоканального регистрирующего устройства 11, входы которого соединены с каждым выходом приемного устройства 5, при этом управляющий выход компьютера 12, подключен к управляющему входу блока управляемых делителей и фазовращателей 13 и к управляющему входу источника возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 с горизонтальной поляризацией волны, второй управляющий выход компьютера 12 через первое исполнительное устройство 14 кинематически связан с рамой 16, а третий управляющий выход компьютера 12 через второе исполнительное устройство кинематически связан с каркасом 3, при этом внутри измерительной камеры 2, выполненной из диэлектрического материала, установлен резервуар 8, выполненный из эластичного диэлектрического материала в виде тора, заполненного согласующей жидкостью 6, при этом внутри резервуара 8 расположен измеряемый объект 7.

Компьютерный томограф работает следующим образом.

Первоначально производится калибровка. Для этого внутри измерительной камеры 2 соосно помещается однородный диэлектрический объект цилиндрической формы (ф ≃ 350 мм) с известным значением диэлектрической проницаемости . В резервуар 8 поступает согласующая жидкость 6, которая создает избыточное давление, достаточное для плотного прилегания эластичных стенок резервуара к диэлектрическому объекту. При этом диэлектрическая проницаемость согласующей жидкости должна быть заранее известна. Идеальным случаем является
,
где - усредненная проницаемость тела человека.

От источника возбуждения СВЧ-энергии с вертикальной поляризацией волны 10, работающего на частоте F2, в котором образовано n идентичных каналов, поступают зондирующие сигналы на источники излучения с веерной диаграммой направленности 4. Зондирующие сигналы каждого из n-каналов имеют независимый друг от друга закон модуляции. Каждый зондирующий сигнал поступает на один из входов источника излучения с веерной диаграммой направленности 4. Источники излучения с веерной диаграммой направленности 4, установлены на каркасе 3 и прилегают раскрывами к внешней стенке измерительной камеры 2. При этом зондирующие сигналы распространяются в направлении приемных устройств 5, которые установлены на раме 16, закрепленной на каркасе 3 с возможностью вертикального перемещения. Все зондирующие сигналы имеют вертикальную поляризацию электромагнитного поля. При распространении каждый зондирующий сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг и затухает по амплитуде в соответствии с величиной и величиной . Приемные устройства 5, число которых L, воспринимают вертикальную составляющую электромагнитного поля всех зондирующих сигналов, которые после преобразования на промежуточную частоту поступают в многоканальное регистрирующее устройство 11. В многоканальном регистрирующем устройстве 11 осуществляется их детектирование путем свертки со своим опорным сигналом (со своей копией), поступающим от соответствующего канала источника 10 возбуждения СВЧ-энергии на частоте F2 с вертикальной поляризацией волны 10. В результате детектирования регистрируются постоянные напряжения Re E°nm

и Im E°nm для данного направления распространения зондирующих сигналов, значения которых фиксируются в компьютере 12. Время регистрации (измерения) составляет Δτ, после которого компьютер 12 выдает команду на перемещение рамы 16 через первое исполнительное устройство 14, на которой установлены приемные устройства 5, в вертикальном направлении на заданную величину. В новом положении приемных устройств 5 регистрируются новые значения Re E°nm и Im E°nm, которые фиксируются в памяти компьютера 12. Этот процесс повторяется для каждого нового положения приемных устройств 5 в вертикальном направлении. Обычно число положений составляет ≈15 с дискретом ≈10 мм. Далее компьютер 12 выдает команду через второе дополнительное устройство 15 на разворот каркаса 3 на заданный угол Δθ_m. Процесс повторяется до тех пор, пока угол разворота каркаса 3 относительно исходного не составит 270^o. В результате в компьютере 12 накоплена информация, достаточная для калибровки компьютерного томографа и нормирования зондирующих сигналов при последующих измерениях пациента.

Перед исследованием пациента часть согласующей жидкости 6 удаляется из резервуара 8 для снятия избыточного давления. Калибровочный объект удаляется и вместо него помещается пациент. В резервуаре 8 вновь создается избыточное давление, достаточное для плотного прилегания стенок резервуара 8 к телу пациента. Плоскость исследуемого сечения тела пациента должна совпадать с плоскостью симметрии диаграммы направленности источников излучения с веерной диаграммой направленности 4. Далее процесс исследования полностью аналогичен процессу калибровки. В результате в компьютере 12 накапливаются измерения Re Ednm

и In Ednm, которые нормируются относительно Re E°nm и In E°nm для соответствующих угловых положений источников излучения с веерной диаграммой направленности 4 и приемных устройств 5. В случае необходимости измерения параметров органов пациента в динамике команды на перемещение рамы 16 с установленными на ней приемными устройствами 5 и разворот каркаса 3 поступают от компьютера не сразу после окончания времени измерения Δτ, а через больший промежуток времени, определяемый периодом сердечных сокращений RR₁> Δτ. Для этого стандартная аппаратура снятия кардиограммы сопрягается с компьютером 12 и измерения синхронизируются от R зубца кардиограммы пациента. После того как процесс исследования пациента окончен, компьютер 12 вычисляет по заданному алгоритму распределение (X, Y, Z) и (X, Y, Z) и выдает на экран дисплея компьютера 12 (либо другого обычного компьютера) в виде картографической проекции. При проведении исследований в нескольких сечениях возможно получение изображения в виде объемной структуры. Выявленные патологические особенности органов (например, злокачественные опухоли на ранней стадии), связанные с аномальным отклонением в области (Xi, Yi, Zi) фиксируются компьютером 12, который дает команду через второе исполнительное устройство 15 на разворот каркаса 3 таким образом, чтобы расстояние от центра области (Xi, Yi, Zi) до источника излучения с веерной диаграммой направленности 4, работающего на частоте F1, было минимальным. От компьютера 12 поступают сигналы на блок управляемых фазовращателей и делителей 13 для оптимального распределения амплитуд (Ai) и фаз (Фi) каждого m-ого источника возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 с горизонтальной поляризацией волны 9. Блок управления фазовращателей и делителей 13 по своей сущности аналогичен обычно используемым при построении фазированных антенных решеток. Значения Ai и Фi вычисляются, так как известно распределение (X, Y, Z) и (X, Y, Z). В результате источники излучения с веерной диаграммой направленности 4, число которых m, образует фазированную антенную решетку с точкой фокусировки в центре заданной области (Xi, Yi, Zi). Включаются источники возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 с горизонтальной поляризацией волны. При этом устанавливается выходная мощность намного ниже номинальной (номинальная мощность 100. ..200 Вт). При работающем источнике возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 с горизонтальной поляризацией волны 9 проводятся исследования пациента как описано выше с той лишь разницей, что перемещение совокупности приемных устройств 5 по вертикали не производится. Так же отключается и синхронизация от кардиоцикла. В результате число измерений уменьшается и увеличивается скорость измерения и вычисления (X, Y, Z) и (X, Y, Z). При этом для каждого нового углового положения каркаса 3 компьютер вычисляет свои новые значения фаз Фi и амплитуд Ai и соответствующие сигналы поступают на блок управляемых фазовращателей и делителей 13. Поскольку сильно зависит от температуры (≈2% на 1^oC), что наблюдается резкое изменение в области фокусировки. Если область фокусировки (максимальное изменение ) с достаточной степенью совпадает с заданной областью (Xi, Yi, Zi), то следующий цикл проводится при номинальной выходной мощности источника возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 9 и включенной синхронизацией от кардиоцикла. При этом сигналы, излучаемые k-n источниками излучения 9, имеют горизонтальную поляризацию и частоту F1 < F2. Это обеспечивает достижение необходимой развязки между сигналами источника возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 9 и зондирующими сигналами k-m=n, поступающими на L входов приемных устройств 5. При проведении измерений при номинальной выходной мощности источника возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 9 на дисплее компьютера 12 постоянно наблюдается распределение (X, Y, Z), нормированное в величинах превышения температуры относительно исходной температуры в области (Xi, Yi, Zi). Когда значение превышения температуры превосходит заданное, то источник возбуждения СВЧ-энергии на частоте F1 9 автоматически отключается по команде, поступающей от компьютера.

Использование: в медицинской технике, а именно для томографического исследования объектов и контроля внутренних температурных градиентов при гипертермии человека. Технический результат: повышение чувствительности к температурным градиентам внутренних органов. Сущность: компьютерный томограф содержит соосно установленные корпус и измерительную камеру, между которыми с возможностью вращения вокруг продольной оси установлен каркас с размещенными на нем K источниками излучения с веерной диаграммой направленности и L приемных устройств, выходы которых подключены к соответствующим входам многоканального регистрирующего устройства, соединенного с компьютером, при этом первый управляющий выход компьютера подключен к исполнительному устройству, кинематически соединенному с каркасом, при этом дополнительно введены источник возбуждения СВЧ-энергии с горизонтальной поляризацией электромагнитной волны на частоте F1, каждый из m выходов которого соединен с m входами блока управляемых делителей и фазовращателей, m выходов которого подключены к каждому из входов K источников излучения с веерной диаграммой направленности, при этом K-m входов источников излучения подключены соответственно к каждому из n выходов источника возбуждения СВЧ-энергии с вертикальной поляризацией электромагнитной волны на частоте F2, опорные выходы которого подключены к соответствующим опорным входам многоканального регистрирующего устройства, второй управляющий выход компьютера подключен соответственно к источнику возбуждения СВЧ-энергии с частотой F1, а третий - соединен со вторым исполнительным устройством, кинематически соединенным с рамой, размещенной по периметру измерительной камеры и снабженной установленными на ней с возможностью продольного перемещения приемными устройствами. Внутри измерительной камеры, выполненной из диэлектрического материала размещен резервуар в форме тора из эластичного диэлектрического материала, заполненный согласующей жидкостью, с возможностью размещения в нем объекта исследования. 1 ил.

Компьютерный томограф, содержащий соосно установленные корпус и измерительную камеру, между которыми с возможностью вращения вокруг продольной оси установлен каркас с размещенными на нем K источниками излучения с веерной диаграммой направленности и L приемных устройств, выходы которых подключены к соответствующим входам многоканального регистрирующего устройства, соединенного с компьютером, при этом первый управляющий выход компьютера подключен к исполнительному устройству, кинематически соединенному с каркасом, отличающийся тем, что дополнительно введены источник возбуждения СВЧ энергии с горизонтальной поляризацией электромагнитной волны на частоте F₁, каждый из m выходов которого соединен с m входами блока управляемых делителей и фазовращателей, m выходов которого подключены к каждому из входов K источников излучения с веерной диаграммой направленности, при этом K m входов источников излучения подключены соответственно к каждому из n выходов источника возбуждения СВЧ энергии с вертикальной поляризацией электромагнитной волны на частоте F₂, опорные выходы которого подключены к соответствующим опорным входам многоканального регистрирующего устройства, второй управляющий выход компьютера подключен соответственно к источнику возбуждения СВЧ энергии с горизонтальной поляризацией электромагнитной волны на частоте F1 и блоку управляемых делителей и фазовращателей, а третий соединен с вторым исполнительным устройством, кинематически соединенным с рамой, размещенной по периметру измерительной камеры и снабженной установленными на ней с возможностью продольного перемещения приемными устройствами, при этом внутри измерительной камеры, выполненной из диэлектрического материала, размещен резервуар в форме тора из эластичного диэлектрического материала и заполненный согласующей жидкостью с возможностью размещения в нем объекта исследования.