Рентгеновский вычислительный томограф Советский патент 1985 года по МПК G01N23/08 

Изобретение относится к измерительным схемам, использующимся в при кладной ядерной физике, и может най ти применение в конструкциях рентгеновских вычислительных томографов предназначенных для исследования внутренней структуры объектов путем пропускания ионизирующего излучения с последующим определением его поглощения. Известны рентгеновские вычислител ные томографы, содержание неподвижный детектирую1ций комплекс, выполнен ный в виде набора детекторов, установленных по окружности, охватывающей исследуемый объект, рентгеновскую трубку с веерной коллимацией пуч ка, установленную с возможностью вра щения вокруг объекта по вписанной ко центрической окружности, причем детекторы соединены с блоками регистрации и вычислительно-отображающим комплексом, а рентгеновская трубка соединена с источником питания и блоком управления. Известные томогра фы относятся к томографам четвертого поколения и являются наиболее быстродействующими из серийно выпускаемых Qlj . Однако несмотря на то, что время Ькспозиции томографов четвертого поколения составляет 1-5 с они непригодны для большинства кардиологи ческих исследований в силу недостаточного быстродействия. Особенностью кардиологических исследований является подвижность и сложность структу ры сердца и сердечно-сосудистой системы. Наиболее близким техническим реше нием к изобретению является рентгеновский вычислительный томограф с динамической пространственной реконструкцией, содержащий набор рентгеновских трубок с узкой коллимацией пучка и набор детекторов, установленных по окрул ности, охватывающей исследуемый объект, причем выходы детекторов соединены через блоки регистрации с вычислительно-отобража щими комплексом, рентгеновские тру ки соединены с блоками питания и управления, входы которых связань с управляющим выходом вычислительноотображающего комплекса, а кольцо, образованное детекторами и рентгеновскими трубками, установлено с возможностью вращения вокруг исследу емого объекта. При работе томографа, узкоколлимированным лучом каждой рентгеновской трубки поочередно электронным образом сканируют каждьм из детекторов при одновременном совместном вращении рентгеновских трубок- и набора детекторов вокруг исследуемого объекта. Если набор детекторов состоит из N.p штук, Ng - число рентгеновских трубок, Т - полное время измерений при заданном положении набора детекторов и рентгеновских трубок, то время отдельного измерения составляТоет to .Поскольку время кажD 5 дого измерения постоянно, а интенсивность прошедшего излучения меняется на три порядка в зависимости от плотности исследуемого объекта, то погрешность измерений таклсе меняется в широком диапазоне, что приводит к ухудшению выявления мелких деталей на томографических изображениях |2 . Томограф имеет большее быстродействие по сравнению с томографами четвертого поколения, однако и оно недостаточно для количественного анализа регионального кровообращения и наполнения сосудов при кардиологических исследованиях. Целью изобретения является повышение быстродействия томографа при одновременном обеспечении равноточное ти измерений. Указанная цель достигается тем, что в рентгеновский вычислительный томограф, содержащий набор управляемых источников рентгеновского излучения и набор детекторов, расположенных по окружности и установленных с возможностью совместного вращения, блок регистрации, вход которого coe-f динен с выходами детекторов, а выход - с входом вычислительно-отображающего комплекса с управляющим выходом, блоки питания и управления, выходы которых соединены с источниками рентгеновского излучения, дополнительно введены управляющие ключи, кольцевые счетчики с установочными входами и генератор тактовых импульсов, причем выходы управляющих ключей связаны с входами блоков питания и управления ширококоллимированных источников рентгеновского излучения, управляющие входы ключей соединены с выходами кольцевых счетчиков, входы которых соединены с. выходом генератора тактовых импульсов, управляющий выход вычислительно-отображающего комплекса соединен с входами управляющих ключей и генератором тактовых импульсов, причем число разрядов кольцевых счетчиков равно количеству источников рентгеновского излучения N, попадаемых в поле зренияКаждого детектора, а начальное состояние каждого кольцево го счетчика задано в виде циклических перестановок псевдослучайной последовательности, состоящей из М единиц и нулей. Кроме того, при М 2 - 1, где п - натуральное число, в качестве кольцевых счетчиков используют регистры сдвига с логической обратной связью в виде сумматора по модулю два. Быстродействие томографа достигается за счет обеспечения интегрально го режима измерений при получении топографического изображения, при котором каждым детектором регистрируют излучение, прошедшее через исследуемый объект одновременно от нескольких источников рентгеновского излучения. При последующей численной обработке результатов измерений и предложенном выборе одновременно вкл чаемых источников рентгеновского излучения, удается разделить вклады каж,цого источника в результат измерения каждым детектором. Пусть интенсивность прошедшего через объект излучения от S-ro источ ника рентгеноБског-о излучения и зарегистрированного i-тым детектором равна NI. При одновременном включе нии К из М источников, показания момент времени 1-детектора п ,. в длительностью М где i 1, 2, . . . Njj, A матрица, состоящая из 1 и О, полученная циклической перестановкой первой строки, совпадающей с псевдослучайной последовательностью, состоящей из К единиц и М-Кнулей. Мат рица описывает порядок включения .источников рентгеновского излучения Требуемые для численной реконструкции томографического изображения значения N находят из решения системы линейных алгебраических уравнений (1), причем дисперсия значений N составляет I(Ni) к(1 - С) 1 - 2С) Nis + (1-|)р, где N р - фоновая интенсивность импульсов, включающая вклад рассеянного в объекте излучения, фонового излучения и шумов регистрирующей аппаратуры. - относительное число одновременно включаемых источников . Решение уравнения (1) не составляет трудностей, так как матрица А по своим свойствам близка к ортогональной. При включении половин:, Время, необходимое для получения анных Ng с дисперсией, определяемой соотношением (3), составляет .M.NS Т С, так как одновременно задействовано детекторов из всего набора N-p. Аналогичные данные, полученные ри измерениях с помощью известного томографа равны DO(N;«) N так как фон опреР Р ричем еляется в основном вкладом рассеянного излучения, который пропорциоален количеству одновременно вклюенных источников рентгеновского изучения. Дисперсия DO(N- ) зависит т интенсивности N прошедшего излуения . Таким образом, при измерениях с омощью предлагаемого томографа врея измерений уменьшается в М раз. дисперсии результатов равны между собой и не зависят от интенсивности прошедшего излучейия. Однако суммарная дисперсия результатов каждого детектора, при измерениях предлагаемым томографом превышает суммарную дисперсию результатов каждого детектора при измерениях известным томографом в 2 раза, согласно соотношению (5) 2.M.(N,,.P) в 2. (5 ГСДЩдУ При увеличении времени измерений Т в четьфе раза, т.е. при Т Лт , ° достигается равенство суммарно дисперсии при измерениях с помощью предлагаемого и известного.томографов . На фиг. 1 изображена схема рентге новского вьгаислительного томографа, на фиг, 2 схема регистра сдвига с логической обратной связью сумматора по модулю два при М - 2 - 1 15, Псевдослучайные последовательности, состоящие из 8-единиц 7 нулей (7 + + 8 15), описьшающие закон (матрица ) чередования включенных источ ников рентгеновского измерения A.SJ: О О О 1 О О 1 1 О 1 О .-1 1 1 О О 1 О О 1 1 О 1 О 1 1 1 1 01001101011110 10011010111100 00110101111000 01101011110001 11010111100010 10101 1 11000101 01011110001011 10111100010111 01111000101110 11110001011101 11100010111010 11000101110101 10001011101011 Рентгеновский вычислительный томограф содерзкит набор управляемых источников 1 рентгеновского излучения, набор детекторов 2, установленных по окружности, блок 3 регистрации, вход которого соединен с выходами детекторов, а выход - с входом вычислительно-отображающего комплек- са 4, управляющий выход которого соединен с- входом генератора 5 тактовых импульсов и входами ключей 6, выходы которых соединены последовательно с блоками 7 питания и управления, источников 1 рентгеновского излучения. Выход генератора 5 тактовых импульсов соединен с входами кольцевых счетчиков 8 с установочными входами, выходы которых соединены с управляющими входами ключей 6, ЕС пи число источников рентгеновского излучения, одновременно попадающих в поле зрения каждого детектора равно М 2 - 1, где п - натуральное число, в качестве кольцевых счетчиков предпочтительнее использовать регистры сдвига с логической обратной связью в виде сумматора по модулю два, схема которого приведена на фиг, 2, позиция 9, При подаче тактовых импульсов от генератора 5 на его выходе формируется набор из 1 и О, описывающихся матрицей Agj , Томограф работает следующим образом. Перед началом работы, черезуста- , новочные входы в каждый кольцевой счет счетчик 8 заносятся последовательные циклические перестановки псевдослучайной последовательности длины М. С приходом управляющего сигнагш с вычислительно-отображающего комплекса 4-, тактовый сигнал генератора 5 циклически сдвигает состояние кольцевых счетчиков 8, выходные сигналы которых управляют прохождением управляющего сигнала на блоки 7 питания и управления через ключи 6, С приходом управляющего сигнала соответствующий блок питания и управления включает источ1-шк 1 рентгеновского излучения, которое после прохождения через объект регистрируется набором детекторв 2, соединенных с блоком 3 peгиcтpaIJ и, данные с которого поступают в вычислительноотображающий комплекс 4, Спустя заданное время регистрации t, вычислительно-отображающий комплекс вырабатьшает очередной сигнал управления и цикл измерений повторяется.

Для получения набора проекций в диапазоне углов п ; 360 предусмотрено механическое вращение набора источ- НИКОВ рентгеновского излучения одновременно с набором детекторов вокруг оси, проходящей через центр окружности, на которой они установлены. Расположение детекторов и источников рентгеновского излучения на одной окружности обеспечивает одинаковые геометрическое условия для регистрации излучения каждым детектором. Детекторы предпочтительно вьтолнять, например, на основе сцинтилляторов из германата висмута, обладающего высокой эффективностью поглощения излучения и практически постоянной угловой эффективностью регистрации в относительно широком диапазоне углов. Для дополнительного выравнивания угловой зависимости эффективности регистрации можно использовать такие известные технические решения, как вьтолнение сцинтиллятора в виде усеченной пирамиды, установленной под углом к оси падения излучения, При установке набора детекторов на гпервой половине окружности и набора источников на второй половине, ма максималь 1ый угол коллимации источников составляет 90, что вполне доетижимо в современных рентгеновских трубках. Управление работой источника рентгеновского излучения, если в их качестве используют рентгеновские трубки с управляющей сеткой достигается, например, путем включения источника смещения между накалом и сеткой рентгеновской трубки.

При использовании в томографе комбинированных детекторов, позволяющих раздельно регистрировать низкои высокоэнергетичные компоненты излучения, предположительнее не выключать рентгеновскую трубку при приходе на управляющий вход клюса сигнала О, а снижать напряжение питания анода, для смещения спектра излучения в нкзкоэнергетичную область. При таком режиме измерения, обеспечивающие получение большей информации об объекте, получены вдвое быстрее, чем при работе известного томографа.

Таким образом, предлагаемый быстродействующий рентгеновский вычислительньй томограф позволяет обеспечить равноточность измерений и повысить быстродействие. При использовании 28 рентгеновских трубок, как и в известном томографе быстродействие повы28

шается в -г - I раз при угле коллимации каждой рентгеновской трубки, равном 90 ,

1. РЕНТГЕНОВСКИЙВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ, содержащий набор управляемых источников рентгеновского излучения и набор детекторов, расположенных по окружности и установленных с возможностью совместного вращения, блок регистрации, вход которого соединен с выходами детекторов, а выход - с входом вьгаислительно-отображающего комплекса с управляющим выходом, блоки питания и управления, выходы которых соединены с источниками рентгеновского излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия томографа при одновременном обеспечении равноточности измерений, в него дополнительно введены управляющие ключи, кольцевые счетчики с установочными входами и генератор тактовых импульсов, причем выходы управляющих ключей связаны с входами блоков питания и управления широколлимированньк источников рентгеновского излучения, управляющие входы ключей соединены с выходам кольцевых счетчиков, входы которых соединены с выходим генератора тактовых импульсов, управляющий выход вычислительно-отображающего комплек(О са соединен с входами управляющих (Л ключей и генератором тактовых имс пульсов, причем число разрядов каждого кольцевого счетчика равно количеству источников рентгеновского излучения J-i, попадаемых в поле зрения каждого детектора, и начальное состояние каждого кольцевого счетчика задано в виде цикличегских перестановок псевдослучайной послеО5 довательности, состоящей из Л. еди00 ниц и нулей. 00 2. Томограф по п. 1, о т л и 00 00 чающийся тем, что при М 2 - 1, где п - натуральное число, в качестве кольцевых счетчиков используют регистры сдвига с логической обратной связью в виде сумматора по модулю два.