Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая группа изобретений относится к области спектральной компьютерной томографии и может быть использована как в медицине (в частности, при исследованиях быстропротекающих процессов, таких как исследования сердца или исследования кровотока с контрастированием), так и в области промышленного неразрушающего контроля.
Уровень техники
Рентгеновская компьютерная томография (КТ) построена на принципе получения послойного изображения внутренней структуры исследуемых объектов.
Типовой КТ-сканер состоит из рентгеновской трубки, установленной напротив одного или более детекторов. Во время сканирования рентгеновская трубка испускает излучение, которое проходит через исследуемый объект и попадает на один или более детекторов рентгеновского излучения. Сигнал с детекторов преобразуется в данные, которые используются для создания трехмерных изображений объема исследуемого объекта.
В первых и простейших КТ-сканерах ширина детекторов определяла размер исследуемой области объекта, изображение которой получалось за одно сканирование. Это определяет невозможность таких КТ-сканеров исследовать объекты, ширина которых больше ширины детектора, без организации линейного перемещения (подачи) исследуемого объекта. Перемещение в свою очередь вносит артефакты движения при реконструкции изображений.
Большинство современных КТ-сканеров работают по принципу постоянного вращения, при котором рентгеновская трубка и детектор жестко спарены, а их ротационные движения вокруг сканируемой области происходят одновременно с испусканием и регистрацией рентгеновского излучения [Компьютерная томография. Базовое руководство, Второе издание на русском языке, переработанное и дополненное, Матиас Хофер, Мед. Лит., 2008].
Устройства с вращающимися рентгеновскими трубками имеют физические ограничения, накладываемые механическим вращением. В частности, для медицинских компьютерных томографов скорость вращения ограничивается приблизительно тремя оборотами в секунду, что также вызывает появление артефактов движения при реконструкции изображений.
Развитие КТ-сканеров связано с созданием технических решений, позволяющих отказаться от движущихся частей аппарата, поскольку любые механические перемещения приводят к погрешностям измерений, улучшением качества детектирования рентгеновского излучения и улучшением качества обработки.
Одно из усовершенствований рентгеновских трубок связано с применением протяженных анодов, сканируемых электронным пучком. В частности, известна конструкция КТ-сканера со сканирующим пучком электронов (патент US 6735271 B1), предназначенная для сканирования непрерывно движущихся объектов, включающая винтовую или наклонную мишень, коллиматор и детектор.
Недостатками данного устройства являются плохое разрешение детектора, соотношение сигнал/шум и пространственное разрешение (С R Peebles, Heart. 2003 Jun; 89(6): 591-594, «Non-invasive coronary imaging: computed tomography or magnetic resonance imaging? »).
Современные осевые КТ-сканеры, использующие широкие детекторные линейки, позволяют осуществлять сканирование широких областей, в частности, полной анатомии органов при медицинских исследованиях. В такой традиционной осевой КТ невозможно обеспечить полную выборку, что приводит к искажениям. Недостаток в данных может быть теоретически или математически определен и уменьшен посредством использования двух рентгеновских источников в стереоскопической конфигурации и объединения распознанных данных (патент RU 2429467).
Из уровня техники известны устройства для получения рентгеновского изображения со сканирующим пучком электронов. В частности, известен электронно-лучевой сканер (патент US 8530849), включающий стационарный источник, генерирующий пучок электронов, детектор и мишень, расположенную концентрично по окружности. Кроме того, может также использоваться вторая мишень и второй источник электронов.
Однако известное устройство, как и большинство КТ-сканеров с одним источником рентгеновского излучения, работает на одной энергии, что не позволяет определять различное поглощение рентгеновского излучения разными материалами и проводить спектральный анализ в рамках одного сканирования.
Известны способы и устройства для реализации спектральной компьютерной томографии. Например, из заявки на выдачу патента US 20120236987 известен многоканальный КТ-сканер, имеющий матрицу детекторов, которая содержит два типа детекторов, отличающихся по своему спектральному отклику. Сканер предназначен для генерации изображений, связанных с различными энергетическими спектрами рентгеновского излучения.
Из заявки RU 2009108306 известны также устройство и способ для спектральной компьютерной томографии, основанные на измерении энергии посредством детектора и сумматора, который объединяет полученные измерения энергии. Из патента US 5966422 известна реализация компьютерной томографической системы с несколькими отдельными рентгеновскими источниками на одном гентри, что позволяет получать комбинированные изображения. В патенте RU 2505268 описано устройство для спектральной компьютерной томографии с поворотным гентри, в котором энергия рентгеновской трубки поочередно переключается между двумя разными уровнями анодного напряжения в течение процедуры визуализации, и используется двухслойная детекторная матрица с энергетическим разрешением.
Из патента RU 2694331 известен способ двухэнергетической томографии в коническом пучке и схема устройства двухэнергетического детектора. Способ включает формирование посредством рентгеновского аппарата направленного потока рентгеновского излучения через тело пациента, разделение прошедшего сквозь область тела пациента излучения на низкоэнергетическую и высокоэнергетическую составляющие рентгеновского спектра посредством фильтра, регистрацию прошедшего излучения на плоскопанельном детекторе рентгеновского излучения, обработку данных с детектора после завершения экспонирования и получения томограммы. При этом разделение низкоэнергетической и высокоэнергетической составляющих рентгеновского спектра, поглощенного в детекторе, происходит благодаря тому, что профиль системы фильтрации прошедшего излучения создает такой поток излучения, что часть пикселей детектора регистрирует излучение, не взаимодействовавшее с фильтром, а другая половина пикселей регистрирует излучение, прошедшее через фильтр. Комбинация четырех рядом стоящих пикселей состоит из двух пикселей, регистрирующих излучение, не взаимодействовавшее с фильтром, и двух пикселей, регистрирующих излучение, прошедшее через фильтр.
Из патента RU 2738115 известен способ рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов. Сущность изобретения заключается в том, что на объект предварительно наносят систему рентгеноконтрастных реперов, проводят рентгенографию объекта вместе с реперами, по искажению проекций реперов на детекторе в разных ракурсах определяют геометрию облучения и после преобразования программным путем координат прямых на детекторах, соответствующих исследуемому сечению объекта, в дуги окружности с центром в середине объекта восстанавливают при помощи стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего сечения объекта, при этом облучение объекта проводят импульсными синхронизированными рентгеновскими источниками одновременно в разных ракурсах, причем излучение каждого источника строго коллимированно, и регистрируют только одним детектором.
Однако известные решения не обеспечивают проведение ультрабыстрого (за время порядка нескольких десятков миллисекунд) спектрального анализа исследуемого объекта.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа и системы для рентгеновской электронно-лучевой компьютерной томографии с по меньшей мере двумя источниками излучения и детекторной системой на основе детекторов одного типа, без механического вращения, которые обеспечивают проведение ультрабыстрого спектрального анализа исследуемого объекта (за время, не превышающее нескольких десятков миллисекунд).
Раскрытие изобретения
Техническим результатом является создание способа и системы для рентгеновской электронно-лучевой компьютерной томографии с по меньшей мере двумя источниками излучения и детекторной системой на основе детекторов одного типа, которые обеспечивают сверхмалое время сканирования исследуемого объекта (не превышающее нескольких десятков миллисекунд).
Группа изобретений обеспечивает проведение спектрального анализа при генерации рентгеновского излучения с разной энергией при независимой работе двух и более источников электронов и может быть использована при исследовании быстротекущих процессов, таких как исследование сердца в медицине или исследование кровотока при контрастировании.
Технический результат достигается за счет создания способа спектральной электронно-лучевой компьютерной томографии с использованием по меньшей мере двух источников, генерирующих пучки электронов (электронных пушек), направленных на кольцеобразную мишень, согласно которому формируют управляющий сигнал, обеспечивающий генерацию электрического тока в виде меандра, формирующего пучок электронов высокого уровня энергии сначала первым источником электронов, который направляют на первую часть мишени, затем вторым источником электронов, который направляют на вторую - оставшуюся часть мишени, с последовательной генерацией рентгеновского излучения высокого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени; аналогично формируют пучок электронов низкого уровня энергии сначала первым источником электронов, который направляют на первую часть мишени, затем вторым источником электронов, который направляют на вторую - оставшуюся часть мишени, с последовательной генерацией рентгеновского излучения низкого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени. При этом положение пучка на частях мишени изменяют магнитными системами, обеспечивающими перемещение пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени. Сгенерированное рентгеновское излучение направляют на исследуемый объект (через щель-коллиматор), с последующим детектированием отраженного сигнала рентгеновского излучения высокого и низкого уровней энергии и реконструкцией изображения исследуемого объекта (в блоке формирования изображения).
Согласно предлагаемому способу, время перемещения пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени составляет не более 30 мс, генерацию электрического тока, формирующего пучки электронов высокого и низкого уровней энергии, осуществляют посредством переключение соответствующих уровней анодного напряжения за время, не превышающее 50 мкс.
В частном варианте реализации изобретения высокий и низкий уровни энергии пучков электронов формируют за счет переключения соответствующих уровней анодного напряжения, значения которых отличаются не менее чем на 20 кВ, предпочтительно, не менее чем на 40 кВ.
Технический результат достигается также за счет создания системы для проведения спектральной электронно-лучевой компьютерной томографии, включающей вакуумную камеру; по меньшей мере два источника электронов, расположенных на задней части вакуумной камеры, выполненные с возможностью поочередной генерации сначала пучков электронов высокого уровня энергии, затем пучков электронов низкого уровня энергии; кольцеобразную мишень, расположенную на передней части вакуумной камеры и предназначенную для облучения первой части мишени - первым источником электронов и второй - оставшейся части, вторым источником электронов, с обеспечением генерации рентгеновского излучение последовательно первой и второй частями мишени; магнитную систему вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков, выполненную с возможностью последовательного изменения положения пучка электронов на соответствующей части кольцеобразной мишени с обеспечением перемещения пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени за один цикл сканирования; окно выхода рентгеновского излучения, выполненное с обеспечением распространения рентгеновского излучения на исследуемый объект; детекторную систему, выполненную с возможностью детектирования отраженного сигнала рентгеновского излучения низкого и высокого уровней энергии; коллиматор, расположенный между мишенью и детекторной системой; блок формирования изображения, выполненный с возможностью реконструкции изображения исследуемого объекта.
При этом генерацию пучков электронов высокого и низкого уровней энергии реализуют с использованием источника высоковольтного питания с многоуровневым модулятором.
Количество частей мишени, предназначенных для облучения источником электронов, предпочтительно, соответствует количеству источников электронов.
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает пропорциональное увеличение скорости сканирования исследуемого объекта при синхронизации развертки электронных пучков по дугообразным секциям мишени, а также пропорциональное уменьшение длины траектории электронных пучков и, соответственно, уменьшение линейных размеров системы вдоль оси сканирования. За счет увеличения поля сканирования (поля обзора) и уменьшения времени развертки рентгеновского излучения предлагаемый способ может быть использован при сканировании движущихся объектов в режиме реального времени. При этом использование не менее двух источников рентгеновского излучения, которые способны работать на разных уровнях энергии, позволяет проводить спектральный анализ исследуемого объекта за счет различного поглощения рентгеновского излучения структурно разными материалами.
Таким образом, группа изобретений реализует принцип сканирующей электроннолучевой компьютерной томографии, за счет чего обеспечивает высокую скорость работы, позволяет уменьшить длину электронного тракта за счет применения нескольких источников электронов, обеспечивая при этом проведение спектрального анализа за счет генерации рентгеновского излучения несколькими независимыми друг от друга источниками электронов при различных уставках анодного напряжения.
Краткое описание чертежей
Группа изобретений иллюстрируется чертежами и графиками, где
на Фиг. 1 представлен общий вид источника рентгеновского излучения для ультрабыстрой спектральной компьютерной томографии, содержащей два источника электронов (пушки), присоединенные к вакуумной камере, установленной на опорной раме;
на Фиг. 2 представлен вариант выполнения кольцеобразной мишени, составленной из металлических пластин для генерации рентгеновского излучения (системы мишеней), установленной на плите охлаждения;
на Фиг. 3 - общий вид плиты охлаждения со стороны каналов охлаждения;
на Фиг. 4 - общий вид источника рентгеновского излучения, где показаны вакуумная камера, опорная рама, источники электронов, магнитная система вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков, окно выхода рентгеновского излучения;
на Фиг. 5 - опорная рама с установленной вакуумной камерой, каркас детекторной системы, коллиматор;
на Фиг. 6 - схема реализации многоуровневого модулятора;
на Фиг. 7 - общий вид электронно-лучевого компьютерного томографа, реализованного с использованием заявляемой группы изобретений, с необходимым для его работы оборудованием;
на Фиг. 8 - пример временной диаграммы процесса двухэнергетического сканирования в соответствии с предлагаемым способом.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - вакуумная камера; 2 - источник электронов; 3 - опорная рама; 4 - мишень для генерации рентгеновского излучения; 5 - теплопроводящий блок мишени; 6 - часть мишени (секция), предназначенная для облучения первым источником электронов; 7 - часть мишени (секция), предназначенная для облучения вторым источником электронов; 8 - магнитная система вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков; 9 - окно выхода рентгеновского излучения; 10 - каркас детекторной системы; 11 - плита охлаждения; 12 - каналы в плите охлаждения; 13 - охлаждающая секция; 14 - коллиматор; 15 - гентри; 16 - стол пациента; 17 - система распределения питания; 18 - система питания и накопления электроэнергии; 19 - высоковольтный источник питания; 20 - электроника управления разверткой пучка; 21 - система компьютерного управления; 22 - блок, включающий систему сбора данных и систему реконструкции данных (блок формирования изображения); 23 - чиллер; 24 - электрокардиограф.
Осуществление изобретения
Ниже представлено более детальное описание реализации заявляемой группы изобретений, которое не ограничивает объем притязаний изобретений, а демонстрирует возможность их осуществления с достижением заявляемого технического результата.
Система для осуществления спектральной компьютерной томографии включает устройство для генерации рентгеновского излучения (узел формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы), детекторную систему, коллиматор и электронный блок управления, выполненный с возможностью регулировки подачи напряжения на устройство для генерации рентгеновского излучения и съема информации с детекторной системы.
При этом устройство для генерации рентгеновского излучения включает установленную на опорной (несущей) раме 3 вакуумную камеру 1, на переднем конце которой установлена кольцеобразная мишень 4 (или система мишеней) для генерации рентгеновского излучения, а на задней части камеры по меньшей мере два источника электронов 2 (электронные пушки), питаемые от высоковольтного источника напряжения 19, каждый из которых создает пучок электронов с заданной кинетической энергией и необходимой конфигурацией. При этом вакуумная камера 1 представляет собой сварную несущую конструкцию из нержавеющей стали, которая имеет экранировку от рентгеновского излучения и обеспечивает сверхвысокий вакуум от 10-5 до 10-9 Па, который необходим для формирования электронного пучка. Устройство также включает магнитную систему 8 вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков (магнитную систему отклонения и управления разверткой электронного пучка для каждого источника электронов), и окна 9 выхода рентгеновского излучения, ограничивающие распространение рентгеновского излучения (обеспечивающие распространение рентгеновского излучения только на исследуемый объект). Упомянутая магнитная система содержит размещенные на вакуумной камере по меньшей мере одну фокусирующую катушку и несколько отклоняющих катушек для каждого источника электронов, которые поочередно перемещают пучки электронов по дугообразным частям 6 и 7 кольцевой мишени. Отклонение (сканирование) электронного пучка по всей длине мишени обеспечивает количество изображений (проекций), необходимых для формирования трехмерного изображения исследуемой области объекта. Управление фокусировкой и разверткой пучка электронов по мишени осуществляют с помощью источника тока с цифровым управлением. Таким образом, магнитная система обеспечивает управление электронным пучком, коллимацию пучка на мишени, обеспечивает формирование пятна (с требуемым размером) пучка электронов на каждой из используемых для визуализации мишеней, что приводит к генерации рентгеновского излучения в точке фокусировки.
Дугообразную мишень 4, предпочтительно, выполняют из теплопроводящих (например, из меди, графита) блоков 5 (сегментов) с напаянными пластинами из сплава тяжелых металлов (вольфрам, рений и т.д.), ориентированных под разными углами к оси сканирующей рентгеновской трубки и обеспечивающих генерацию рентгеновского излучения. Детекторная система может быть образована набором сцинтилляционных матриц (матриц детекторных элементов, например, 1161 матрица размером 16x32 с размером пикселя 1,06 мм на 1,12 мм), закрепленных на кольцеобразном каркасе 10, снабженном зазором, расположенным напротив окна выхода рентгеновского излучения. В частных вариантах реализации изобретения мишень и детекторная система могут быть выполнены в соответствии с патентом РФ на изобретение №2811066. В частности, мишень 4 может быть сформирована из двенадцати сегментов 5, расположенных с небольшим зазором (около 0,4 мм) друг относительно друга, содержащих основание из теплопроводящего материала, предпочтительно, бескислородной меди высокой проводимости (OFHC), с припаянными пластинами из вольфрам-рениевого сплава, и снабжена системой охлаждения, расположенной со стороны внешней установочной поверхности основания и представляющей собой набор проточных каналов 12 (не менее 7, шириной от 3 до 5 мм и расстоянием между соседними каналами от 13 до 15 мм) для циркуляции охлаждающей среды (охлаждающих ребер) с прямоугольным профилем поперечного сечения, выполненных в кольцеобразной плите охлаждения 11 (толщиной, например, от 21 до 23 мм), и образующих по меньшей мере две охлаждающие секции 13 (Фиг. 3). Каналы системы охлаждения, предпочтительно, расположены параллельно дугообразной мишени на равном расстоянии друг от друга, при этом входные отверстия для охлаждающей жидкости могут быть расположены в центральной части кольца плиты (ее нижней части), а выходные на концах ее широкой части, при этом циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется в двух частях плиты охлаждающих секциях, симметричных относительно вертикальной оси, проходящей через центр кольцеобразной плиты. Углы между вольфрам-рениевыми пластинами кольцеобразной мишени рассчитывают исходя из геометрии расположения источников электронов, мишени, размера окна выхода рентгеновского излучения и расположения детекторов для расширения области захвата исследуемого объекта в рамках проведения одного сканирования. Детекторная система включает в себя фотодатчики, соединенные с аналого-цифровым преобразователем, который выдает цифровое значение, соответствующее количеству энергии рентгеновского излучения, воспринимаемому детекторным элементом, для дальнейшей обработки системой реконструкции данных. Между мишенью и детекторной системой расположен коллиматор 14. В процессе сборки мишень 4 закрепляют на несущей раме 3 с вакуумной камерой 1, на которую также устанавливают каркас 10 с детекторной системой и коллиматор 14 (Фиг. 5).
В предпочтительном варианте реализации система для осуществления спектральной компьютерной томографии включает два источника электронов, при этом мишень представлена двумя дугообразными симметричными участками (частями) 6 и 7, один из которых предназначен для облучения первым источником электронов, а второй вторым источником электронов. В других вариантах осуществления изобретения возможно использование более двух источников электронов и магнитных систем отклонения, работающих последовательно и обеспечивающих развертку пучка электронов по соответствующему отдельному сектору мишени (количество которых соответствует количеству источников электронов и магнитных систем отклонения).
Окно 9 выхода рентгеновского излучения выполнено из тонкого металла (например, бериллий, тонкая нержавеющая сталь) и является частью вакуумной камеры в области выхода рентгеновского излучения. Область рентгеновского окна расположена напротив мишени и позволяют пучку генерируемого рентгеновского излучения распространяться в исследуемой зоне.
Электронный блок управления выполнен с программным сопровождением, обеспечивающим в зависимости от поставленной задачи регулирование длительности подачи высокого и низкого напряжений на устройство для генерации рентгеновского излучения (рентгеновский излучатель) и порционный съем информации с детектора с заданным координатно-временным шагом.
Питание источника электронов 2 осуществляют с помощью высоковольтного двухканального источника питания 19 (выходное (катодное) напряжение до -140 В относительно «земли», выходная мощность 420 кВт), обладающего независимым источником накала (напряжение накала относительно катода) и независимым модулятором (напряжение модулятора относительно катода) для каждого источника электронов. Низковольтная силовая часть источника питания может включать набор инверторов, каждый из которых тактируется синхронно с равными сдвигами фазы. Регулировка и стабилизация выходного напряжения может происходить за счет фазо-сдвигового ШИМ-управления. Высоковольтная силовая часть источника питания может включать 2 источника высокого напряжения на основе высоковольтных трансформаторов, к выходам которых подключен умножитель напряжения. Быстрое (менее нескольких десятков миллисекунд) переключение уровней анодного напряжения может быть реализовано посредством применения многоуровневых модуляторов.
Многоуровневый модулятор обеспечивает быстрое ступенчатое формирование прецизионных N уровней постоянного высокого напряжения на нагрузке емкостного характера. Подобное устройство необходимо для быстрого прецизионного переключения режимов работ высоковольтных приборов, например, таких как лазеры, клистроны, источники электронов и другие устройства.
Конструкция многоуровневого модулятора показана на Фиг. 6. Модулятор состоит из N прецизионных источников напряжения (ИН1 ИНn), обладающих такой пиковой выходной мощностью, чтобы обеспечить изменение уровней напряжений на нагрузке (в описываемой реализации - на управляющем электроде источника электронов) с необходимой скоростью (в частном варианте реализации - 6 кВт); каждый источник формирует независимый уровень напряжения, соответствующий одному из требуемых уровней постоянного высокого напряжения на нагрузке емкостного характера (Zc). Необходимая пиковая выходная мощность источников напряжения может быть обеспечена, например, за счет электрического соединения выхода источника с большой электрической емкостью, или иным способом. Каждый источник напряжения может быть как регулируемым, так и нерегулируемым, в зависимости от решаемых модулятором задач. Выход каждого источника подключен ко входу соответствующего высоковольтного ключа (К1 - Кn). Каждый ключ имеет независимый канал управления (КУ1 - КУn). Каналы управления ключами могут как иметь, так и не иметь гальваническую развязку, быть электрическими, оптическими или основанными на иных принципах работы. Выход каждого ключа подсоединяется к блоку защит и формирования фронта напряжения (БЗФ), который предотвращает аварийное воздействие работы ключей друг на друга, защищает ключи и источники напряжения от аварийных электрических воздействий со стороны нагрузки (Zc), формирует форму и длительность фронта переключения напряжения между уровнями напряжения, а также обеспечивает передачу электрического сигнала с выходов ключей на общий выход многоуровневого модулятора, электрически соединенного с нагрузкой.
Источники напряжения (ИН1-ИНn) включаются и начинают вырабатывать электрическое напряжение, значение которого соответствует требуемым уровням выходного напряжения модулятора. Управляющие сигналы через каналы управления (КУ1 - КУn) замыкают или размыкают соответствующие ключи (К1 - Кn) последовательно в том порядке, в котором требуется сформировать уровни напряжения на выходе модулятора. При этом, в каждый момент времени не более одного ключа находится в замкнутом состоянии. За счет большой пиковой выходной мощности источников формирование напряжения на нагрузке происходит достаточно быстро (в данной реализации изобретения не менее 230 вольт за микросекунду). Требуемая величина пиковой выходной мощности источников напряжения определяется требуемым временем переключения уровней напряжения на выходе модулятора и характеристиками нагрузки, такими как электрическое сопротивление и электрическая емкость (в данной реализации изобретения не менее 2 нанофарад). При переключении между уровнями выходного напряжения избыточная энергия из нагрузки может быть диссипирована в элементах ключей и блока защит, или рекуперирована в один или несколько источников напряжения с помощью специальной последовательности включения и выключения соответствующих ключей.
В реализации высоковольтного источника питания, используемого при осуществлении заявляемого способа двухэнергетического сканирования, может быть использован частный случай многоуровневого модулятора, а именно трехуровневый модулятор. Модулятор меняет режим работы источника электронов от состояния «заперто» (выходное напряжение модулятора -1200 В) до нагрузочных состояний «низкая энергия» (выходное напряжение модулятора +1500…+2000 В) или «высокая энергия» (выходное напряжение модулятора +2000…+3500 В). Время переключения между уровнями напряжений составляет не более 20 мкс по уровням от 10% до 90% и не более 50 мкс по уровням 0.1% и 99.9%, при этом точность и стабильность уровней не хуже 0.1%.
Каждая из электронных пушек включает в себя высоковольтные разъемы, которые соединяют электронную пушку с источником питания.
При выходе из зоны источника пучок электронов попадает в сканирующую трубку через фланец со встроенным электродом для удаления ионов. Данный электрод используется для «перехвата» ионов, перемещающихся из зоны мишени в зону катода, с целью минимизации воздействия таких ионов на поверхность катода и влияния на неоднородность пространственного заряда пучка. Сгенерированный в электронной пушке и прошедший через область электродов для удаления ионов пучок последовательно проходит через элементы магнитной системы, магнитные поля которых фокусируют, отклоняют и вращают пучок в разных направлениях, в зависимости от величины и полярности токов в катушках. В предпочтительном варианте реализации изобретения система магнитного отклонения для каждого из источника электронов включает фокусирующий соленоид (создает первичную фокусировку пучка), две пары дипольных катушек (создают поперечные по отношению к оси пучка магнитные отклоняющие поля, а также квадрупольный момент для создания эллиптического поперечного сечения пучка), угловые квадрупольные катушки для «вращения» эллипса пучка. Управление токами в катушках осуществляют с помощью электроники управления разверткой пучка.
На Фиг. 7 представлен общий вид электронно-лучевого компьютерного томографа, реализованного с использованием заявляемой группы изобретений, с дополнительным оборудованием, и который включает электронно-лучевой сканер с гентри 15, и связанные со сканером электронный блок управления, выполненный с возможностью регулировки подачи напряжения на устройство для генерации рентгеновского излучения электроннолучевого сканера и съема информации с детектора, систему распределения питания 17, систему питания и накопления электроэнергии 18, высоковольтный источник напряжения 19, чиллер 23. При этом электронный блок управления включает электронику управления разверткой пучка (ЭУРП) 20, систему компьютерного управления 21, блок 22, включающий систему сбора данных и систему реконструкции данных. В состав томографа также входят стол пациента 16, электрокардиограф 24 и пульт управления (не показан). ЭУРП размещена в стандартной стойке и связана с помощью соединительных кабелей с системой распределения питания, системой магнитного отклонения, системой компьютерного управления, системой сбора данных, столом пациента, высоковольтным источником питания, электрокардиографом. ЭУРП обеспечивает подачу электрического тока заданной силы на системы магнитного отклонения с целью управления движением электронного пучка по рентгеновской мишени, синхронизацию всех устройств компьютерного томографа по средствам выдачи сигнала синхронизации на систему сбора данных, стол пациента, высоковольтный источник питания, электрокардиограф. ЭУРП может представлять собой модульную конструкцию, включающую цифровой модуль и аналоговые модули. Цифровой модуль может включать цифровую плату управления, которая осуществляет связь устройства с системой компьютерного управления, управление и контроль состояния ЭУРП, создание сигналов управления магнитным полем каждого магнита, входящего в состав магнитной отклоняющей системы. Цифровая плата также обеспечивает синхронизацию запуска системы сбора данных, управление включением и выключением модулирующих анодов (высоковольтного источника питания). Сигналы управления, созданные цифровой платой, усиливаются на аналоговой плате до требуемых значений по току (с помощью операционного усилителя) для создания магнитных полей в катушке. Аналоговый модуль получает контрольный сигнал с цифрового модуля с требуемой формой и преобразует этот сигнал в требуемый выходной ток на магнитную систему отклонения.
Выбор аппаратного состава системы сбора данных обусловлен геометрическими размерами, количеством детекторных плиток и скоростью системы детекторов. В частном варианте, для обеспечения сбора данных со всех детекторов в системе сбора данных используется 258 плат интерфейсных плиточных (ПИП) на базе энергоэффективных ПЛИС, обеспечивающих пропускную способность более 5 Гб/с. Каждая считывающая плата после сбора данных получает прямой доступ к памяти сервера сбора данных и осуществляет запись собранных данных в память сервера.
Заявляемый способ спектральной компьютерной томографии осуществляют следующим образом.
Управляющий сигнал электрического напряжения, генерируемый источником управляющих синхроимпульсов в виде чередования высокого и низкого уровней напряжения, подают на вход импульсного источника тока. При попадании на вход импульсного источника тока высокого уровня напряжения, импульсный источник тока генерирует ток в режиме меандра, подавая последовательно чередующийся высокий и низкий уровни тока на электронную пушку, формирующую пучок электронов высокой энергии при высоком уровне тока и пучок электронов низкой энергии при низком уровне тока, соответственно. При этом пучок электронов, падающий на мишень, вызывает излучение в рентгеновском диапазоне (прохождение электронного луча вдоль мишени генерирует веерные пучки излучения) высокой энергии в случае пучка электронов высокой энергии и рентгеновское излучение низкой энергии в случае пучка электронов низкой энергии. Положение пучка электронов на мишени изменяют магнитными системами 8. Рентгеновское излучение, испускаемое мишенью, проходит последовательно через щель-коллиматор (с формированием конического пучка излучения) и исследуемый объект, падая на детекторную систему, сигнал с которой поступает на блок формирования изображения (систему реконструкции изображений). Блок формирования изображения обеспечивает формирование рентгенографического изображения исследуемого объекта на основе сигналов с детекторной системы.
В соответствии с предлагаемым изобретением формируют пучки электронов высокого уровня энергии последовательно двумя источниками электронов (пушками) и проводят сканирование по всей длине мишени, затем формируют пучки электронов низкого уровня энергии и повторяют сканирование (например, в соответствии с диаграммой на Фиг. 8). При этом во время одного цикла сканирования с помощью первой электронной пушки формируют пучок электронов высокого уровня энергии, который направляют сначала на первую часть мишени (предназначенную для облучения первым источником электронов), затем формируют пучок электронов высокого уровня энергии с помощью второй электронной пушки, который направляют на оставшуюся часть мишени (предназначенную для облучения вторым источником электронов), с генерацией первой и второй частями кольцеобразной мишени рентгеновского излучения высокого уровня энергии. Затем аналогичным образом повторяют сканирование с помощью пучков электронов низкого уровня энергии, с генерацией первой и второй частями кольцеобразной мишени рентгеновского излучения низкого уровня энергии.
Таким образом в рамках проведения одного цикла сканирования обеспечивают поочередное перемещение пучков электронов по дугообразным частям мишени 4, обеспечивая тем самым движение источника рентгеновского излучения вокруг исследуемого объекта. По мере движения источника рентгеновского излучения вокруг исследуемого объекта осуществляют регистрацию измеренных значений сигнала в детекторных пикселях и передачу набора этих значений в виде двумерных проекций в блок формирования изображения. По завершению одного полного цикла обращения источника рентгеновского излучения, осуществляют переключение уровня анодного напряжения и процесс сканирования со сбором данных от детектора излучения повторяют.
Изменение положения пучка на первой части 6 мишени осуществляют первой магнитной системой, состоящей, предпочтительно, из четырех дипольных магнитов, обеспечивающей перемещение пучка вдоль всей первой части мишени, а изменение положения пучка на второй части 7 мишени осуществляют второй магнитной системой, также состоящей из четырех дипольных магнитов и обеспечивающей перемещение пучка вдоль всей второй части мишени. За один цикл сканирования пучок электронов проходит вдоль всей кольцеобразной мишени (всю длину мишени), при этом направление движения пучка электронов может быть реализовано, в частности, следующим образом - начиная с верхней точки мишени до ее нижней точки - для первого источника и, для обеспечения непрерывности развертки, с нижней точки мишени до противоположной верхней точки -для второго источника; или в обратном направлении.
Коллимированные рентгеновские лучи, испускаемые мишенью, принимаются матрицей детекторов после прохождения через область пациента между мишенью и детектором. Система сбора данных, входящая в состав электронно-лучевого компьютерного томографа, обеспечивает считывание и передачу данных с детекторной системы на сервер сбора данных и осуществляет запись собранных данных в память сервера. Полученные наборы данных двух (или более) циклов сканирования обрабатываются системой реконструкции данных с помощью известных из уровня техники алгоритмов реконструкции (см. например, статьи и библиографии к ним: [1] Spectral Computed Tomography: Fundamental Principles and Recent Developments, Aaron So, PhD, Sawas Nicolaou, MD, Korean J Radiol Jan; 22(1): 86 96; [2] Spectral CT imaging: Technical principles of dual-energy CT and multi-energy photon-counting CT, Joel Greffier et al, Diagnostic and Interventional Imaging Volume 104, Issue 4, April 2023, Pages 167-177), позволяющих получить медицинские рентгеновские 3D-изображения исследуемого объекта, которые затем с помощью алгоритмов сравнения позволяют картировать состав тканей или симулировать изображения объекта при различных значениях анодного напряжения без реального выполнения сканирования с облучением.
Для оптимизации подбора параметров системы магнитного отклонения, включая расчет токов в соленоиде, квадрупольных и дипольных магнитных катушках, которые обеспечивают необходимую фокусировку пучка, а также размер и ориентацию пятна пучка в произвольной точке мишени, при развертке пучка на мишени, используют, в частности, численное моделирование (метод конечных элементов) и аналитические расчеты на основе матричного подхода (см. например, Principles of Charged Particle Acceleration, Stanley Humphries, John Wiley and Sons, 1999). При этом подбирают временные зависимости токов в катушках, которые для разных режимов сканирования обеспечивают фокусировку и развертку пучка на мишени, требуемые размеры осей эллипса (1 мм на 7 мм) и ориентацию (большая ось эллипса должна быть направлена в сторону изоцентра гентри) пятна пучка в каждой точке мишени. Параметры токов в катушках задают исходные требования к электронике управления разверткой пучка. В дальнейшем производят экспериментальную подстройку токов катушек.
Типовые параметры сканирования, обеспечиваемые заявляемой группой изобретений: анодное напряжение от -70 кВ до -140 кВ; ток пучка, определяемый первеансом источника электронов, равен 1,5 А при напряжении на катоде -140 кВ; вакуум в источнике электронов – 10-9 Торр, в сканирующей трубке в области мишени - 10-8 Торр; время пробега пучка по мишени (длительность одного сканирования) 30 мс; размер осей эллипса пятна пучка на мишени составляет 1 мм и 7 мм соответственно. Время переключения уровней напряжения на выходе модулятора составляет около 50 мкс, при этом величина пиковой выходной мощности источников напряжения составляет 210 кВт на канал. В одном из примеров, для формирования пучков электронов высокого и низкого уровней энергии значения уровней анодного напряжения составляли 120 кВ и 80 кВ, соответственно.
Указанные при описании способа значения параметров являются примерами, не ограничивающими настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники могут быть понятны и произведены другие изменения в раскрытых вариантах осуществления, вытекающие из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.
Реализация заявляемого способа спектральной компьютерной томографии возможна в силу сверхмалых (десятки миллисекунд) времен сканирования, при которых исследуемая анатомия не успевает сколько-либо значительно изменить свое положение в пространстве, что позволяет проводить сравнительный анализ последовательно выполняемых рентгеновских снимков без дополнительных коррекций.
Исследуемым объектом может выступать любая анатомическая зона человека, но наибольшее преимущество при использовании заявляемого способа, с учетом скоростных характеристик, можно получить при исследовании сердца и сосудов.
Различные логические блоки, модули и технологические этапы (функциональные возможности), описанные в связи с раскрытыми вариантами осуществления изобретения, могут быть реализованы в виде электронного аппаратного обеспечения, компьютерного программного обеспечения или их комбинации. Конкретные функции или этапы могут быть перенесены из одного устройства, модуля или блока, не выходя за рамки изобретения. В частности, заявляемый способ может быть реализован в виде компьютерной программы или набора программ (модулей), написанных на любом языке программирования, включая компилируемые или интерпретируемые языки, материально воплощенные в носителе информации, например, в машиночитаемом запоминающем устройстве или в машиночитаемом носителе данных для выполнения или управления работой устройства обработки данных, например, программируемого процессора, компьютера или нескольких компьютеров. Этапы способа могут выполняться одним или несколькими программируемыми процессорами, выполняющими компьютерную программу для выполнения последовательности операций заявляемого способа путем обработки входных данных и генерации выходных данных. Этапы способа могут быть реализованы с помощью процессора общего назначения, процессора цифровых сигналов (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой пользователем микросхемы, вентильной матрицы (FPGA) или любого другого программируемого логического устройства или их комбинации. Процессор может быть микропроцессором, контроллером, микроконтроллером, конечным автоматом, а также может быть реализован как комбинация вычислительных устройств, например, комбинация DSP и микропроцессора, множество микропроцессоров, один или несколько микропроцессоров в сочетании с DSP или любая другая подобная конфигурация. Программный модуль может находиться в оперативной памяти, флэш-памяти, постоянной памяти, памяти EPROM, памяти EEPROM, жестком диске, съемном диске, компакт-диске или любой другой форме машиночитаемого или компьютерного носителя информации. Носитель информации может быть соединен с процессором так, что процессор может считывать информацию с носителя данных и записывать на него информацию. В другом варианте носитель данных может являться неотъемлемой частью процессора.
Реализация аппаратного и программного обеспечения, способного выполнять описанные функции, очевидна специалистам в соответствующей области техники. Специалистам в данной области техники также должно быть понятно, что в группу изобретений могут быть внесены различные модификации и усовершенствования, не выходящие за рамки формулы изобретения. Заявляемая система может быть изготовлена с использованием известных материалов, оборудований и технологий, и может найти широкое применение для получения томографических изображений различных объектов для медицины (кардиологических исследований) и промышленного неразрушающего контроля.
Группа изобретений относится к области спектральной компьютерной томографии и может быть использована как в медицине, так и в области промышленного неразрушающего контроля. Способ спектральной электронно-лучевой компьютерной томографии с использованием по меньшей мере двух источников, генерирующих пучки электронов, направленных на кольцеобразную мишень, характеризуется тем, что формируют управляющий сигнал, обеспечивающий генерацию электрического тока в виде меандра, формирующего пучок электронов высокого уровня энергии сначала первым источником электронов, который направляют на первую часть мишени, затем вторым источником электронов, который направляют на вторую - оставшуюся часть мишени, с последовательной генерацией рентгеновского излучения высокого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени. Аналогично формируют пучок электронов низкого уровня энергии первым и вторым источниками электронов, с последовательной генерацией рентгеновского излучения низкого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени. Положение пучка на частях мишени изменяют магнитными системами, обеспечивающими перемещение пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени. Сгенерированное рентгеновское излучение направляют на исследуемый объект, с последующим детектированием отраженного сигнала рентгеновского излучения высокого и низкого уровней энергии и реконструкцией изображения исследуемого объекта. Система для осуществления способа включает вакуумную камеру; по меньшей мере два источника электронов, расположенных на задней части вакуумной камеры; кольцеобразную мишень, расположенную на передней части вакуумной камеры; магнитную систему вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков; окно выхода рентгеновского излучения; детекторную систему; коллиматор; блок формирования изображения. Техническим результатом является обеспечение сверхмалого времени сканирования исследуемого объекта (не превышающего нескольких десятков миллисекунд). 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.
1. Способ спектральной электронно-лучевой компьютерной томографии с использованием по меньшей мере двух источников, генерирующих пучки электронов, направленных на кольцеобразную мишень, характеризующийся тем, что
- формируют управляющий сигнал, обеспечивающий генерацию электрического тока в виде меандра, формирующего пучок электронов высокого уровня энергии сначала первым источником электронов, который направляют на первую часть мишени, затем вторым источником электронов, который направляют на вторую - оставшуюся часть мишени, с последовательной генерацией рентгеновского излучения высокого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени;
- аналогично формируют пучок электронов низкого уровня энергии сначала первым источником электронов, который направляют на первую часть мишени, затем вторым источником электронов, который направляют на вторую - оставшуюся часть мишени, с последовательной генерацией рентгеновского излучения низкого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени;
- при этом положение пучка на частях мишени изменяют магнитными системами, обеспечивающими перемещение пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени;
- сгенерированное рентгеновское излучение направляют на исследуемый объект, с последующим детектированием рентгеновского излучения высокого и низкого уровней энергии и реконструкцией изображения исследуемого объекта.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что время перемещения пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени составляет не более 30 мс, генерацию электрического тока, формирующего пучки электронов высокого и низкого уровней энергии, осуществляют посредством переключение соответствующих уровней анодного напряжения за время, не превышающее 50 мкс.
3. Способ по п.2, характеризующийся тем, что высокий и низкий уровни энергии пучков электронов формируют за счет переключения соответствующих уровней анодного напряжения, значения которых отличаются не менее чем на 40 кВ.
4. Система для осуществления способа по п.1 для проведения спектральной электронно-лучевой компьютерной томографии, включающая вакуумную камеру, установленную на несущей раме; по меньшей мере два источника электронов, расположенных на задней части вакуумной камеры, выполненные с возможностью поочередной генерации сначала пучков электронов высокого уровня энергии, затем пучков электронов низкого уровня энергии; кольцеобразную мишень, расположенную на передней части вакуумной камеры и предназначенную для облучения её первой части – первым источником электронов и второй - оставшейся части, вторым источником электронов, с обеспечением генерации рентгеновского излучение последовательно первой и второй частями мишени; магнитную систему вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков, выполненную с возможностью последовательного изменения положения пучка электронов на соответствующей части кольцеобразной мишени с обеспечением перемещения пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени за один цикл сканирования; окно выхода рентгеновского излучения, выполненное на вакуумной камере напротив мишени с обеспечением распространения рентгеновского излучения на исследуемый объект; детекторную систему, расположенную на несущей раме и выполненную с возможностью детектирования рентгеновского излучения низкого и высокого уровней энергии; коллиматор, установленный на несущей раме между мишенью и детекторной системой; блок формирования изображения, выполненный с возможностью формирования рентгенографического изображения исследуемого объекта на основе сигналов с детекторной системы.
5. Система по п.4, характеризующаяся тем, что генерацию пучков электронов высокого и низкого уровней энергии реализуют с использованием источника высоковольтного питания с трехуровневым модулятором.
