Аналого-цифровой преобразователь для рентгеновского вычислительного томографа Советский патент 1981 года по МПК H03K13/02 H05G1/60 A61B6/02 

Изобретение относится к .конструкциям аналого-1шфровых преобразователей (АЦП) и предназначено для использования в рент геновских вычислительных томографах. Известен АЦП с двойным интегрированием, предназначенный для использования в ЦВМ рентгеновского вычислительно го томографа и содержащий входные ключи и ключ обнуления, интегрирующие усилитель У1 конденсатор, схему сравнения, триггер, управляющий ключами, и счетчиК импульсов t lНедостатками этого устройства являются погрешность интегрирования, обусловленная конечным сопротивлением ключа обнуления в закрытом состоянии, а также погрешность измерения напряжения которую вносит входной ключ, являкмнийся нелинейным элементом, например поле вым транзистором. Ключи, выполненные на полевых транзисторах, имеют низкую помехозащищённость и быстродействие. Кроме того, точность .восстановления изо ограничена низким , быстродействием схемы счета АЦП. . Наиболее близким к изобретению техническим решением является АЦП рентгеновского вычислительного томографа, содержащий входной усилитель, схему двойного интегрирования, в состав которой входят зарядный и разрядный резисторы, интегрирующий усилитель и схема сравнения, к входам которых подключен интегрирующий конденсатор, триггер, подключенный к выходу схемы сравнения, истЪчник опорного напряжения и подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета, состоящую из коммутатора, вход которого подключен к выходу триггера, и счетчика импульсов 2. Недостатками известного устройства являются сложность схемы двойного интегрирования АЦП и ее погрешность, что снижает точность восстановления изображения. Ограниченное быстродействие схемы счета АЦП не позволяет уменьшить время сканирования, равное для СТ 1О10 4 мин. Цепь изобретения - повышение точности восстановления томографического изображения за счет повышения точности пре- . образования сигнала детектора. Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровом преобразователе для рентгеновского вычислительного томографа, содержащем входной усилитель, схему двойного интегрирования, в состав которой входят зарядный и разрядный резисторы, интегрирующий усилитель и схема сравнения, к входам которых подключен интегрирующий конденсатор, подключенный к выходу схемы сравнения триггер, источник опорного напряжения, а также подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета, состоящую из коммутатора, вход которого подключен к выходу триггера, и счетчика импульсов, в схему двоййого интегрирования введены управляемый источник тока, подключенный к второму выходу схемы сравнения и включенный между общей точкой резисторов и источником опорного напряжения, и соединённые последовательно с интегрирующим усилителем преобразователь напряжение/ток и источник тока общая точка которых подключена к входу схемы сравнения, а в схему счета введены второй коммутатор, вход и выход которого соединены соответственно с входом U выходом первого коммутатора, и R 9 -триггер, включенный между коммутаторами и счетчиком импульсов. На чертеже показана схема рентгеновского вычислительного томографа с предложенным АЦП. Рентгеновский томограф содержит рент геновский излучатель 1, излучение которого проходит через исследуемый объект 2 и попадает на блок детекторов 3. К каждому детектору подключен АЦП 4, со единенный через мультиплексор каналов 5 к ЦВМ 6 с индикатором изображения 7. АЦП 4 содержит входной усилитель 8 к выходу которого подключен зарвдный р зистор 9, соединенный с разрядным резистором 1О, причем в общую точку резисторов включен управляемый источник 11 тока с источником опорного напряжения УОП- резистору 10 подключены один вывод интегрирующего конденсатора 12 и вход интегрирующего усилителя 13, вы ход которого соединен с входом преобразователя напряжение/ток 14. К выходу последнего подключен источник 15 тока, причем в общую точку источника 15 и преобразователя 14 включены второй вывод интегрирующего конденсатора 12 и ОДИН вход схемы 16 сравнения. АЦП 4 также содержит ключи 17 и 18, 1 5-триггер 19, коммутаторы 20 и 21, R5-триггер 22 и счетчик 23. Один выход схемы сравнения 16 подключен к 9 -входу триггера 19, а другой выход - к общей точке ключей 17 и 18 и к управляемому источнику тока 11. Триггер 19 R-выходом подключен к ключу 18, а Т-выходом - к ключу 17 и коммутаторам 20 и 21, Общая точка коммутаторов 20 к 21 подклю чена к сГ -входу триггера 2 2, выходы которого подключены к входам счетчика 23. Устройство работает следующим образом. Рентгеновский излучатель 1, жестко связанный с блоком детекторов 2, перемещается относительно неподвижного исследуемого объекта 3. Интенсивность излучения перед объектом измеряется с помощью опорного детектора , установленного в корпусе излучателя, а за объектом регистрируется в блоке детекторов 3, каждый из которых подключен к соответствующему каналу 4 АЦП (на чертеже представлен канал одного из детекторов). Сигнйл с детектора, поступающий на вход канала, усиливается входным усилителем 8 и начинает заряжать интегри- рующий конденсатор 12 при поступлении позиционного импульса с частотой ly, вырабатываемого в системе сканирования (на чертеже не показана), на ключ 18. При этом закрывается управляемый источник тока 11 и входной сигнал поступает на вход интегрирующего усилителя 13 через резисторы 9 и 1О. Зарядный ток конденсатора 12, образующийся в преобразователе напряжение/ток 14. равен напряжению входного сигнала, деленному на сопротивление последовательно соединенных резисторов 9 и 10. В момент окончания действия позиционного импульса переключается триггер 19 в состояние и происходит переключение ключей: .ключ 18 размыкается, а ключ 17 замыкается. При этом открывается управляемый источник 11 тока, а разрядный резистор 10, через который разряжается интегрирующий конденсатор 12, подключается к источнику опорного напряжения Unp-B тот момент когда напряжение на входе схемы сравнения 16 станет равным О (интегрирующий конденсатор 12 разрядился), на ее первом выходе вырабатывается напряжение, перебрасывающее триггер 19 в состояние О. Проис;содит размыкание ключа 17. Таким образом, в режиме обнуления ключи 17 и 18 разомкнуты и сигнал со второго выхода схемы сравнения 16 поступает беспрепятственно на вход управляемого источника тока 11, образуя при этом цепь отрицательной обратной связи по напряже нию. В этом случае ток Зп вырабатываемый источником 11„ равен гоку Д про ходящему через резистор 9, независимо от величины напряжения входного сигнала Выработанная, на выходе триггера 19 1, длительность которой пропорциональна интегралу напряжения входного сигнала за время действия позиционного импульса, включает коммутаторы 2 О и 21, пропускающие на вход R 9-триггера 22 соответственно только 1 или только О, равной длительности с частотой у. Для обеспечения синхронной работы коммутаторов 20 и 21 их входы подключают ся к инверсным выходам f задающего генератора. С выхода -Rs -триггера 22 импульсы с частотой 5ут) поступают на вход двоичного счетчика импульсов 23. При Переходе триггера 19 в состояние. О коммутаторы 2О и 21 отключаются от входа R 5 -триггера 22, на входе кото .рого запоминается последнее состояние 1 или О, образукщее младший разряд двоичного хода. Одновременно «а выходе. счетчика импульсов 23 запоминаютйй старшие разрядь от 2 до vi- Затем муль типлексор каналов 5 подключает выходы.. схемы счета к памяти ЦВМ 6, Сигналом О обнуляются 1 9-триггер 22 и счетчик импульсов 23. После этого цикл измереНИН повторяется с частотой позиционных импульсов у1. длительность которых соответствует времени перемещения детектора относительно границ дискретных объемов, на которые разбит исследуемый объект. После обработки измерительных данных в ЦВМ вычисляется плотность каждого дискретного объема исследаемого сечения объекта путем многократных измерений ослабления рентгеновского излучения объ«ектом при сканировании с различныхуглов. Затем изображение сечения объекта выводится на экран индикатора 7, на котором определенной плотности -каждого элемента сечения соответствует определен ная яркость изображения. Точность восстановления изображения в рентгеновском вычислительном томографе зависит, в основном, от точности схемы двойного интегрирования АЦП, которая связана с коэффициентом нелинейности интегрирующего усилителя, определяемым по уравнению 26 где К - коэффициент усиления; 32.- коэффициент нелинейности. Для получения заданных параметров изображения необходимо иметь коэффициент нелинейности k 104, т.е, коэффициент усиления интегрирующего усилителя должен быть 1C / 10. В известных устройствах для обеспечения устойчивости усилителя необходимо снижать усиление на высоких частотах с помощью корректирующих конденсаторов, а так как время интегрирования, определяемое частотой позиционных импульсов у, мало, например 1 мс, то наличие корректирующих конденсаторов приводит к значительней динамической ошибке интегрирования, Примоненне преобразователя напряжения в ток 14 и источника тока 15 позволяет снизить коэффициент усиления на два порядка, так как их коэффициент непи-« нейности ,01. В этом случае интегрирующий усилитель всегда устойчив и не требует кqppeкции. Введение одного управляемого источника тока 11, вьшолненного, например, на бипо/шрном транзисторе, вместо трех ключей на полевых транзисторах в известных устройствах (1. 2) обеспечивает лучшие быстродействие, линейность, помеозацщщенность и более точное обнуление, а также технологичность при серийном иэготовлении интегральной микросхемы, так как. число каналов АЦП достигает 1 тыс. в одном томографе. Применение R S-триггера .22 в качестве двоичного счетчика позволяет полностью использовать временную информацию с генератора тактовой частоты уу,.1;Сроме того, R5-триггер может работать на более высокой частоте, чем обычный счетчик. Время разрешения Рб,-а-риггера bv«i i 3wi 4 тогда как у Т - триггера, используемого в счетчиках ,-t miц - ,,,,. Введение FfS триггера в АЦП предпа гаемого томографа дает возможность увеличить выходное число в два раза при той же скорости сканирования, что эквивалентно увеличению в два раза разреша.ющей способности изображения по плотности исследуемого объекта. 7 Формула изобретения Аналого-цифровой преобразователь для рентгеновского вычислительного томографа, содержащий входной усилитель, схему двойного интегрирования, в состав которой входят зарядный и разрядный резисторы, интегрирующий усилитель и схеМа сравнения, к входам которых подключен интегри рующий конденсатор, подключенный к выходу схемы сравнения триггер, источник опорного напряжения, а также подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета состоящую из коммутатора, вход которого подключен к выходу триггера, и счетчика импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности восстановления томографического изображения за счет повышения точности преобразования сигнала детектора, в схему двойного интегрирования введены управляемый источник то24ка, подключенный к второму выходу схемы сравнения и включенный между Ъбщей точкой резисторов и источником опорного напряжения, и соединенные последовательно с интегрирующим усилителем преобразователь напряжение/ток и источник тока, общая точка которых подключена к входу схемы сравнения, а в схему счета введены второй коммутатор, вход и выход которого соединены соответственно с входом и выходом первого коммутатора, и R 5 триггер, включенный между коммутаторами и счетчиком импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Балакай В, Г. и др. Интегральные схемы АЦП и ЦАП, М., Энергия, 1978, с. 62. 2.Техническое описание ЕМ K-Scavine СТ 1О10, Фирма ЕМ: , Великобритания (прототип).