Способ калибровки источника рентгеновского излучения компьютерного томографа Российский патент 2025 года по МПК A61B6/03 

Группа изобретений относится к медицинской отрасли промышленности, в частности к компьютерной томографии, и обеспечивает возможность определения размеров и положения источника рентгеновского излучения компьютерного томографа, как в целях тестирования, так и контроля его заданных эксплуатационных параметров.

Параметры размеров и координаты местоположения источника рентгеновского излучения в компьютерных томографах играют важнейшую роль для получения качественных реконструированных изображений. Для выполнения калибровки источника обычно используют тестовые объекты – фантомы.

Известен способ калибровки источника рентгеновского излучения компьютерного томографа, в котором источник представлен в виде неподвижной рентгеновской трубки, при этом калибровку выполняют, используя типовые тестовые объекты в виде: камеры с точечными отверстиями, щелевой камеры или звездообразной миры (тест-объекта лучевого кругового) [ГОСТ Р МЭК 60336-99].

Недостатком известного способа является невозможность калибровки источников излучения электронно-лучевых рентгеновских компьютерных томографов (ЭЛКТ). В отличие от традиционных (механических) КТ-сканеров в ЭЛКТ нет механически перемещаемой рентгеновской трубки. Вместо этого стационарная высоковольтная электронно-лучевая трубка вырабатывает пучок электронов. Система электромагнитных катушек фокусирует и направляет пучок электронов на анод, который представляет собой тугоплавкую металлическую (вольфрамовую) мишень, расположенную по дуге окружности вокруг стола, на котором располагается пациент. В месте падения электронного пучка на анод генерируется веер рентгеновских лучей, проходящих через пациента на детектор излучения. Токи в системе электромагнитных катушек изменяются во времени таким образом, чтобы пучок электронов пробегал по мишени по заданной траектории, обеспечивая перемещение источника рентгеновского излучения в пространстве с течением времени. Детектор излучения представляет собой двумерную матрицу элементов, регистрирующих интенсивность падающего рентгеновского излучения. Прошедшее через пациента излучение регистрируется на детекторе излучения на протяжении времени пробега пучка электронов по мишени в заданные моменты времени, таким образом формируется набор проекций (двумерных изображений). Моменты времени регистрации изображения и работа электромагнитных катушек настраиваются таким образом, чтобы имитировать получение заданного количества проекций с вращающимся источником рентгеновского излучения (движущимся по дуге окружности) с шагом по углу, близким к равномерному. Кроме того, известный способ не обеспечивает возможности одновременного измерения размеров источника излучения для всех моментов времени, соответствующих сформированным проекциям, и определения координат геометрического центра источника излучения в пространстве, что исключает возможность применения известного способа для калибровки источников рентгеновского излучения самых современных на данный момент томографов пятого поколения, используемых для сканирования сердца.

В качестве прототипа выбран способ калибровки источника рентгеновского излучения компьютерного томографа, в котором источник излучения представлен в виде электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с дугообразным анодом, закрепленной в кольцеобразной раме томографа (гентри). Способ реализуют путем сканирования многостержневого фантома, состоящего из множества стержней, закрепленных в корпусе, и последующей обработки результатов сканирования. В способе используется начальное приближение для положений элементов детектора и положений источника излучения. Далее способ включает сканирование многостержневого фантома и вычисления положений стержней на основе начального приближения положений элементов детектора и источника излучения. Далее способ включает модификацию по меньшей мере одного из положений элементов детектора и положений источника излучения на основе по меньшей мере двух из положений элементов детектора, положений источника излучения и положений стержней. Способ дает возможность получения более точных положений элементов детектора и положений источника излучения. [US7006594B2, дата публикации: 28.02.2006].

Преимуществом прототипа является возможность калибровки современного ЭЛКТ, поскольку при выполнении способа за один пробег пучка электронов определяются две координаты (X, Y) положения геометрического центра источника излучения в плоскости его вращения.

Однако недостатком прототипа является ограниченность калибровки ЭЛКТ, поскольку при определении положения геометрического центра источника излучения в пространстве остается неизвестной координата Z, перпендикулярная плоскости вращения источника, и его размер.

Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в достижении приемлемой или максимальной для томографа точности способа калибровки его источника рентгеновского излучения за один полный проход источника по дуге.

Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в создании способа калибровки источника рентгеновского излучения с дугообразным анодом и фантома для его осуществления, обеспечивающих определение двух размеров источника рентгеновского излучения, радиального и азимутального, снижение погрешности при вычислении размеров за счет максимизации коэффициента увеличения, а также определения всех трех координат положения геометрического центра источника рентгеновского излучения.

Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Способ калибровки координат источника рентгеновского излучения компьютерного томографа, при выполнении которого:

- осуществляют определение положения геометрического центра источника рентгеновского излучения в плоскости вращения (координаты X, Y) для всех моментов времени регистрации проекций детектором;

- осуществляют сканирование фантома в соответствии с настоящей группой изобретений, содержащего рабочие элементы из радионепрозрачного материала, расположенные между траекторией источника и детектором рентгеновского излучения таким образом, чтобы тени, отбрасываемые элементами фантома, ближайшими к источнику излучения, попадали на детектор и на полученном изображении не выходили за края изображения и не пересекались;

- на основе полученных после сканирования изображений фантома в соответствии с настоящей группой изобретений, а также полученных координат положения геометрического центра источника излучения в плоскости его вращения и координат элементов детектора определяют координаты центров теней рабочих элементов фантома на изображениях проекций и третью координату (Z) источника излучения, характеризующую его положение вдоль оси, перпендикулярной плоскости его вращения для всех моментов времени регистрации проекций детектором и трехмерные координаты центров элементов фантома.

Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Способ калибровки размеров источника рентгеновского излучения компьютерного томографа, осуществляемый на основе этапов, описанных в способе по первому изобретению, при выполнении которого:

- на основе полученных после сканирования фантома в соответствии с настоящей группой изобретений изображений проекций, а также трехмерных координат источника излучения для всех моментов времени регистрации проекций детектором и координат центров рабочих элементов фантома определяют величину радиального и азимутального размеров источника рентгеновского излучения на аноде для всех моментов времени регистрации проекций детектором.

Сущность третьего изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Фантом для калибровки источника рентгеновского излучения компьютерного томографа для реализации способов в соответствии с первым и вторым изобретением характеризуется тем, что содержит дугообразное основание из полимерного материала с по меньшей мере одним рядом рабочих элементов из радионепрозрачного материала, расположенных в каждом ряду с постоянным шагом вдоль основания.

Калибровка источника рентгеновского излучения компьютерного томографа в рамках настоящей группы изобретений подразумевает определение координат положений источника рентгеновского излучения в системе отсчета, привязанной к неподвижной части томографа (аноду, детектору, гентри), а также азимутального и радиального габаритных размеров источника на дугообразном аноде для всех моментов времени регистрации проекций детектором. Под источником излучения подразумевается пятно на аноде (мишени), в котором генерируется рентгеновское излучение в результате падения электронного пучка. Азимутальным называется размер вдоль касательного направления к дуге анода в центральной точке источника. Радиальным называется размер источника вдоль направления, перпендикулярного к азимутальному в центральной точке источника. Используя декартову систему координат, оси X, Y, которые располагаются в номинальной плоскости вращения источника излучения (реальная траектория движения источника излучения ЭЛКТ может не лежать в одной плоскости, под номинальной плоскостью вращения будем понимать плоскость, расстояние до которой от траектории движения источника излучения мало), ось Z ортогональна этой плоскости.

Величину координат X и Y положения геометрического центра источника рентгеновского излучения в плоскости его вращения могут получать известным способом (патент US7006594B2), основанным на получении изображения многостержневого фантома, который устанавливают в изоцентре томографа.

Координату Z геометрического центра источника рентгеновского излучения определяют на основе полученного после сканирования фантома изображения и координат XY положения геометрического центра источника излучения в плоскости его вращения.

Величину радиального и азимутального размеров источника рентгеновского излучения определяют на основе сканирования и получения изображения фантома и координат XYZ геометрического центра источника излучения в соответствии с настоящей группой изобретений.

Фантом в соответствии с настоящей группой изобретений содержит дугообразное основание из полимерного материала, обеспечивающее возможность размещения и фиксации фантома внутри кольцеобразной рамы томографа (гентри). В качестве полимерного материала может быть представлен, например, ABS-пластик, полиэтилен, поливинилхлорид, предпочтительно полипропилен. Длина основания может соответствовать длине дугообразного анода источника рентгеновского излучения или незначительно отличаться от нее. Основание может иметь плоскую или объемную форму. Основание может содержать ребра жесткости для придания устойчивости и монолитности конструкции, что, в свою очередь, обеспечивает удобство позиционирования, а также элементы для фиксации фантома внутри гентри.

В фантоме в качестве рабочих элементов из радионепрозрачного материала могут быть использованы шарики. Не меняя сути изобретения, могут быть использованы аналогичные объекты. Они обеспечивают сильное поглощение части рентгеновского излучения при осуществлении сканирования, продуцируя контрастные тени на полученном рентгеновском изображении проекций. Их минимальный возможный диаметр определяется тем, чтобы для каждой проекции тень от шарика, ближайшего к центральной плоскости источника для этой проекции, имела на матрице детектора минимальный из размеров не менее 5 пикселей. Центральной плоскостью источника называется плоскость, проходящая через центр источника и перпендикулярная азимутальному (касательному к дугообразному аноду) направлению в этой точке. Максимальный возможный диаметр каждого шарика определяется тем, чтобы тень от шарика, лежащего в центральной плоскости источника, полностью помещалась в границах матрицы детектора. Количество шариков и связанный с ним шаг между шариками подбираются таким образом, чтобы их тени на КТ-изображении не пересекались и на изображениях соседних проекций смещение теней шариков в окрестности центральной плоскости было меньше расстояния между ними. Характерная оценка шага между шариками на дугообразном основании фантома - 1,8°.

Также не исключен вариант, при котором в качестве фантома может быть использована маска из радионепрозрачного материала с рабочими элементами в виде отверстий.

Основная группа шариков установлена на основании азимутально в один ряд, что позволяет им продуцировать тени на полученном рентгеновском изображении проекций (в каждом ракурсе сканирования источника рентгеновского излучения). На основании могут быть установлены дополнительные ряды шариков, шаг которых может отличаться в большую или меньшую сторону от шага шариков основного ряда, что обеспечивает возможность верификации результатов. Шарики могут быть закреплены на основании любым известным способом. Для простоты и точности сборки, а также устойчивости конструкции и простоты её позиционирования, чтобы в одном проходе источника все тени шариков попали полностью на матрицу детекторов, шарики могут быть закреплены в отверстиях, выполненных в основании.

Установку фантома в соответствии с настоящей группой изобретений осуществляют внутрь кольцеобразной рамы томографа (гентри) напротив детекторов таким образом, чтобы шариками обеспечивалось поглощение части рентгеновского излучения, создаваемого источником, а тени, отбрасываемые одним рядом рабочих элементов в окрестности центральной плоскости, находились на матрице детектора в пределах её границ и не пересекались. Для этого его располагают в зоне выхода рентгеновского излучения, генерируемого дугообразным анодом. Следует отметить, что чем меньше расстояние между дугой анода и дугообразным основанием фантома, тем меньше погрешность при калибровке источника рентгеновского излучения. Данное расстояние может быть получено исходя из коэффициента увеличения, который равен отношению расстояния от геометрического центра источника до детектора к расстоянию от геометрического центра источника до центра рабочего элемента в центральной плоскости источника, и размера пикселя детектора. Точная формула погрешности:

где l (pix) - размер пикселя в азимутальном направлении;

m - коэффициент увеличения.

Также следует отметить, что не требуется прецизионная точность изготовления и позиционирования фантома. Для гентри томографа диаметром 1 м оценка точности размещения шариков в основании фантома и позиционирования по Z составляет 1 мм, точности размещения в плоскости XY в радиальном направлении составляет 5 мм, а в азимутальном - 1/2 расстояния между шариками.

Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, обеспечивающих возможность установки внутрь кольцеобразной рамы томографа фантома и максимального приближения ряда радиально закрепленных рабочих элементов из радионепрозрачного материала к источнику рентгеновского излучения, что позволяет получить на рентгеновском изображении тени рабочих элементов, за счет анализа которых, при заранее полученных посредством многостержневого фантома координатах X и Y положения геометрического центра источника рентгеновского излучения в плоскости его вращения, обеспечивается возможность определения координаты Z, характеризующей положение геометрического центра источника излучения на оси, перпендикулярной плоскости его вращения, и азимутального и радиального размеров источника рентгеновского излучения за один пробег источника по дуге мишени.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в создании способа калибровки источника рентгеновского излучения с дугообразным анодом и фантома для его осуществления, обеспечивающих определение всех трех координат положения геометрического центра источника рентгеновского излучения, минимизацию погрешности определения радиального и азимутального размеров источника рентгеновского излучения по всей дуге пробега источника при калибровке за счет максимизации коэффициента увеличения и выполнение всей процедуры за счет только двух полных сканов, один из которых – это скан известного многостержневого фантома, а другой – скан фантома в соответствии с настоящей группой изобретений.

Группа изобретений обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники неизвестен способ калибровки источника рентгеновского излучения, при выполнении которого обеспечивается восстановление величины азимутального и радиального размеров источника рентгеновского излучения, а также всех трех координат его положения. Ввиду этого группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».

Группа изобретений поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - Компьютерный томограф, изометрия, защитный кожух снят.

Фиг. 2 - Дугообразный анод и матрица детекторов компьютерного томографа, изометрия.

Фиг. 3 - Фантом для калибровки компьютерного томографа в соответствии с настоящей группой изобретений, изометрия.

Фиг. 4 - Схема установки и сканирования фантома для калибровки компьютерного томографа в соответствии с настоящей группой изобретений.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Способ калибровки источника рентгеновского излучения осуществляют с использованием электронно-лучевого компьютерного томографа с двумя источниками излечения пятого поколения (ЭЛКТДИ, DSEBCT), содержащего кольцеобразную раму 10 с установленными: дугообразной матрицей детекторов 12, дугообразными вольфрамовыми анодами 14 и электронными пушками 16.

Используемый для калибровки фантом в соответствии с настоящей группой изобретений имеет дугообразное основание 18 из полимерного материала, имеющего ребра 20 жесткости и содержащего два ряда 22 и 24 радиально закрепленных шариков из вольфрама или свинца с известным радиусом и шагом.

Для осуществления калибровки используют известный из уровня техники многостержневой фантом и фантом в соответствии с настоящей группой изобретений, которые поочередно сканируют (в любой последовательности) при одинаковых настройках томографа, осуществляя обстрел электронами 28 анода 14, получая при этом источник 30, генерирующий луч 32.

В частности, посредством установки многостержневого фантома в изоцентр 26 получают координаты X и Y положения геометрического центра источника рентгеновского излучения в плоскости его вращения на каждой из 1875 проекций (соответствующих 1875 источникам излучения 30).

Посредством установки фантома в соответствии с настоящей группой изобретений восстанавливают радиальный и азимутальный размеры, а также координату Z, характеризующую положение геометрического центра источника излучения на оси, перпендикулярной плоскости его вращения.

Для этого фантом устанавливают таким образом, чтобы область тени от шарика, схематично показанная на фиг. 4, полностью помещалась на матрицу детекторов. Все необходимые данные получают за один пробег источника по дуге за счет максимально плотной посадки тестовых объектов – шариков - в фантоме.

Координату Z, характеризующую положение точки излучения на оси, перпендикулярной плоскости вращения, получают на основе изображений проекций рядов шариков фантома и координат X и Y по центральному лучу источника излучения 30, исходя из предположения, что центральный луч проходит через центр самого

Азимутальный размер источника 30 определяют посредством выражения, которое получено из решения соответствующей задачи в приближении геометрической оптики:

где R - радиус шарика;

L - расстояние между источником и детектором;

m - отношение расстояний между источником и детектором и источником и центром шарика;

y - азимутальный размер половины тени;

x - искомый азимутальный полуразмер источника.

Радиальный размер источника 30 определяют посредством выражения, которое получено из решения соответствующей задачи в приближении геометрической оптики:

где s - искомый радиальный полуразмер источника;

z - координата центра шарика;

γ - угол наклона мишени к оси Y.

В завершении способа полученные данные могут быть введены в систему управления томограф.

Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в создании способа калибровки источника рентгеновского излучения с дугообразным анодом и фантома для его осуществления за один пробег источника по дуге, обеспечивающих минимизацию погрешности определения радиального и азимутального размеров источника рентгеновского излучения за счет максимизации коэффициента увеличения, а также определения всех трех координат положения его геометрического центра.

Использование: для калибровки источника рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют определение координат X и Y, характеризующих положение геометрического центра источника рентгеновского излучения в плоскости вращения для всех моментов времени регистрации проекций детектором томографа; затем осуществляют сканирование фантома, содержащего установленные на дугообразном основании из полимерного основания рабочие элементы из радионепрозрачного материала, расположенные между траекторией источника и детектором рентгеновского излучения таким образом, чтобы тени, отбрасываемые рабочими элементами фантома, ближайшими к источнику излучения, попадали на детектор томографа и на полученном изображении не выходили за края изображения и не пересекались; на основе полученных после сканирования изображений фантома, а также полученных координат положения геометрического центра источника излучения в плоскости его вращения и координат элементов детектора определяют координаты центров теней рабочих элементов фантома на изображениях проекций и координату Z источника излучения, характеризующую его положение вдоль оси, перпендикулярной плоскости его вращения, для всех моментов времени регистрации проекций детектором, и трехмерные координаты центров элементов фантома; на основе полученных после сканирования фантома изображений проекций, а также трехмерных координат источника излучения для всех моментов времени регистрации проекций детектором и координат центров рабочих элементов фантома определяют величину радиального и азимутального размеров источника рентгеновского излучения на аноде томографа для всех моментов времени регистрации проекций детектором томографа. Технический результат: обеспечение возможности снижения погрешности при определении размеров источника рентгеновского излучения. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ калибровки координат источника рентгеновского излучения компьютерного томографа, при выполнении которого:

- осуществляют определение координат X и Y, характеризующих положение геометрического центра источника рентгеновского излучения в плоскости вращения, для всех моментов времени регистрации проекций детектором томографа;

- осуществляют сканирование фантома, содержащего установленные на дугообразном основании из полимерного основания рабочие элементы из радионепрозрачного материала, расположенные между траекторией источника и детектором рентгеновского излучения таким образом, чтобы тени, отбрасываемые рабочими элементами фантома, ближайшими к источнику излучения, попадали на детектор томографа и на полученном изображении не выходили за края изображения и не пересекались;

- на основе полученных после сканирования изображений фантома, а также полученных координат положения геометрического центра источника излучения в плоскости его вращения и координат элементов детектора определяют координаты центров теней рабочих элементов фантома на изображениях проекций и координату Z источника излучения, характеризующую его положение вдоль оси, перпендикулярной плоскости его вращения, для всех моментов времени регистрации проекций детектором, и трехмерные координаты центров элементов фантома.

2. Способ по п. 1, при выполнении которого расстояние между дугой анода томографа и дугообразным основанием фантома выбирают исходя из коэффициента увеличения, который равен отношению расстояния от геометрического центра источника до детектора к расстоянию от геометрического центра источника до центра рабочего элемента в центральной плоскости источника излучения, и размера пикселя детектора томографа.

3. Способ калибровки размеров источника рентгеновского излучения компьютерного томографа, при выполнении которого:

- осуществляют определение координат X и Y, характеризующих положение геометрического центра источника рентгеновского излучения в плоскости вращения, для всех моментов времени регистрации проекций детектором томографа;

- осуществляют сканирование фантома, содержащего установленные на дугообразном основании из полимерного основания рабочие элементы из радионепрозрачного материала, расположенные между траекторией источника и детектором рентгеновского излучения таким образом, чтобы тени, отбрасываемые рабочими элементами фантома, ближайшими к источнику излучения, попадали на детектор томографа и на полученном изображении не выходили за края изображения и не пересекались;

- на основе полученных после сканирования изображений фантома, а также полученных координат положения геометрического центра источника излучения в плоскости его вращения и координат элементов детектора определяют координаты центров теней рабочих элементов фантома на изображениях проекций и координату Z источника излучения, характеризующую его положение вдоль оси, перпендикулярной плоскости его вращения, для всех моментов времени регистрации проекций детектором, и трехмерные координаты центров элементов фантома;

- на основе полученных после сканирования фантома изображений проекций, а также трехмерных координат источника излучения для всех моментов времени регистрации проекций детектором и координат центров рабочих элементов фантома определяют величину радиального и азимутального размеров источника рентгеновского излучения на аноде томографа для всех моментов времени регистрации проекций детектором томографа.

4. Способ по п. 3, при выполнении которого расстояние между дугой анода томографа и дугообразным основанием фантома выбирают исходя из коэффициента увеличения, который равен отношению расстояния от геометрического центра источника до детектора к расстоянию от геометрического центра источника до центра рабочего элемента в центральной плоскости источника излучения, и размера пикселя детектора томографа.

5. Фантом для калибровки источника рентгеновского излучения компьютерного томографа для реализации способа в соответствии с п. 1 или 3, характеризующийся тем, что содержит дугообразное основание из полимерного материала с по меньшей мере одним рядом рабочих элементов из радионепрозрачного материала, расположенных в каждом ряду с постоянным шагом вдоль основания.

6. Фантом по п. 5, характеризующийся тем, что дугообразное основание выполнено из полипропилена.

7. Фантом по п. 5, характеризующийся тем, что длина дугообразного основания соответствует длине дугообразного анода источника рентгеновского излучения.

8. Фантом по п. 5, характеризующийся тем, что основание содержит ребра жесткости.

9. Фантом по п. 5, характеризующийся тем, что рабочие элементы выполнены в виде шариков.

10. Фантом по п. 9, характеризующийся тем, что минимальный диаметр каждого шарика выбран таким образом, чтобы для каждой проекции тень от шарика, ближайшего к центральной плоскости источника для этой проекции, имела на матрице детектора томографа минимальный из размеров не менее 5 пикселей, а максимальный диаметр каждого шарика выбран таким образом, чтобы тень от шарика, лежащего в центральной плоскости источника, полностью помещалась в границах матрицы детектора томографа.

11. Фантом по п. 6, характеризующийся тем, что количество шариков и связанный с ним шаг между шариками выбраны таким образом, чтобы их тени на КТ-изображении не пересекались и на изображениях соседних проекций смещение теней шариков в окрестности центральной плоскости было меньше расстояния между ними.

12. Фантом по п. 11, характеризующийся тем, что шаг между шариками на дугообразном основании фантома составляет 1,8°.

13. Фантом по п. 6, характеризующийся тем, что основание содержит дополнительный ряд шариков, шаг которых отличается от шага элементов основного ряда.

14. Фантом по п. 6, характеризующийся тем, что шарики закреплены в отверстиях, выполненных в основании.