Способ вычислительной томогра-фии и томограф для его реализа-ции

Способ вычислительной томогра-фии и томограф для его реализа-ции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТВЛЬСТВУ

< «807173 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 15.03. 79(2«) 2738558/18-25 (51)М. Кл з с присоединением заявки ¹â€”

G N 23/08

А 61 В 6/02

Государственный комитет

СССР ио делаю изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23«3281. Бюллетень М 7

Дата опубликования описания 2 3. 02. 81 (53) УДК 621. 386 (088. 8) В. П. Курозаев, М. Г. Рейнберг и 10. M. (72) Авторы изобретения (71) Заявитель ° :

Также известны томографы, которые содержат кольцевую матрицу детекторов и источник веерного пучка, причем матрица детекторов неподвижна, а источник вращается вокруг исследуемого тела внутри кольца детекторов 14)

Недостатком таких устройств является необходимость использования .большого количества детекторов, вслед ствие чего повышается стоимость устройства, усложняется процесс его настройки и падает надежность работы.

Кроме того, в томографах с совмест ным вращением источника и детекторов необходимо использовать импульсное излучение, что усложняет систему питания источника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ вычислительной томографии, заключающийся в том, что объект сканируют узким пучком рентгеновского излучения в заданном угловом диапазоне, регистрируют прошедшее через объект излучение с помощью набора детекторов, производят поворот источника и детекторов вокруг исследуемого объекта, производят преобразование эарегистриИзобретение относится к рентгеновской вычислительной томографии.

Известны вычислительные томографы, в которых произ водится линейное сканирование исследуемого объекта узким пучком рентгеновского излучения при линейном перемещении источника и детектора и последовательный поворот сборки источник-детектор пос10 ле каждого цикла сканирования на заданный угол (1).

Также известны вычислительные томографы, в котврых используется источник с расходящимся.веерным пучком и набор детекторов,.охватывающий

° угловой диапазон веерного пучка, причем в этих томографах также осуществляется сканирование узким пучком за счет введения между источником и объектом (или между объектом и детек- 2О торами) подвижных щелевых коллиматоров (2).

Такие томографы характеризуются большим временем исследования иэ-за сложного характера движения.

Известны томографы, в которых производят вращение сборки, содержащие источник широкорасходящегося веерного пучка и матрицу детекторов вокруг исследуемого тела (Зj. ЗО (54 ) СПОСОБ В61ЧИСЛИТЕЛЬНОИ TOl"1OÃÐÀÔÈÈ И ТОМОГРАФ

ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

807173 рованных сигналов и их обработку в

ЭВМ для восстановления изображения слоя исследуемого объекта.

Томограф для реализации указанного способа содержит источник веерного рентгеновского пучка, поворотную опору источника, вращающийся обтюратор с равномерно распределенными по

его окружности щелями, установленный вокруг источника, привод вращения обтюратора, держатель исследуемого объекта, набор детекторов в виде удлиненной ионизационной камеры, неподвижной относительно излучателя, кольцо с коллимационными отверстиями, вращающееся вокруг объекта, средства поворота источника и набора детекто- t5 ров в виде отдельного двигателя„ схему регистрации и преобразования сигналов детекторов и ЭВМ (5).

Недостаток известного технического решения заключается в сложности сис- Щ темы коллимации н детектирования излучения.

Цель изобретения — упрощение системы детектирования излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе вычислительной томографии, заключающемся в том, что исследуемый объект сканируют узким пучком рентгеновского излучения в заданном угловом диапазоне, регистрируют прошедшее через объект излуче- ЗО ние с помощью набора детекторов, производят поворот источника и детекторов вокруг исследуемого объекта,производят преобразование зарегистрированных сигналов и их обработку в

ЭВМ для восстановления изображения слоя исследуемого объекта, регистрацию излучения производят с помощью дискретного набора детекторов, равномерно распределенных по окружности 4О вокруг исследуемого объекта, осуществляют независимое от поворота источника вращение набора детекторов вокруг исследуемого объекта, причем отношение угловой скорости вращения набора детекторов и скорости углового сканирования выбирают равнь|м

360 /М т, где 0C — угловой диапазон сканирования, а m — количество де- . текторов в наборе.

При этом в томографе для реализации способа вычнслительной томографии, содержащем источник веерного рентгеновского пучка, поворотную опору источника, вращающийся обтюратор с равномерно распределенными по его окружности щелями, установленный вокруг источника, привод вращения обтюратора, держатель исследуемого объекта, набор детекторов, средства поворота источника и детекторов во- 46 круг исследуемого объекта„ схему регистрации и преобразования сигналов детекторов и ЭВМ,детекторы установлены дискретно на кольцевой опоре, средства поворота источника и детек- 45 торов выполнены в виде независимых приводов поворота источника и вращения кольцевой опоры с детекторами, причем в томограф введены средства согласования угловых ско" ростей вращения и угловых положений обтюратора и кольцевой опоры с детекторами.

Кроме того, количество детекторов в наборе равно шести.

Кроме того, радиус кольцевой опоры с детекторами меньше радиуса окружности поворота источника.

Кроме того, радиус кольцевой опоры с детекторами, а также средства согласования установлены на поворотf ной опоре источника.

На фиг.1 показана кинематическая схема томографа; на фиг.2 — геометрия реализации способа томографии; на фиг.3 — графические зависимости радиуса орбиты детекторов и угла раствора веерного пучка излучения от радиуса орбиты источника при типовой величине радиуса поля исследования.

Томограф содержит неподвижную станину 1, поворотную опору 2 излучателя, рентгеновский излучатель 3 с фокусом F многогранный обтюратор

4 с рентгенонепроэрачными стенками и коллимационными щелями 5, кольцевую вращающуюся опору 6 детекторов, детекторы 7 рентгеновского излучения, входные коллиматоры 8, электродвигатель 9, основной редуктор 10 с передаточным числом и дополнительные редукторы 11 и 12 с передаточными числс ми .л g и I 3

Опора 2 излучателя может поворачиваться относительно оси 00 отверстия станины на угол до 360 о со скоростью A. Возможность поворота обеспечивается шарикоподшипником 13 большого диаметра. Излучатель 3 жестко закреплен на поворотной опоре 2. Фокус F излучателя при повороте перемещается по окружности радиуса R.

Кольцевая опора б детекторов может вращаться относительно оси 55 отверстия горловины поворотной опоры 2 излучателя со скоростью йР„ . Воэможность вращения обеспечивается шарикоподшипником 14. При вращении кольцевой опоры центры чувствительных площадок детекторов 7 перемещаются по окружности радиуса p . Ось 55 отверстия горловины отклонена от центральной оси системы на угол t.Ïoýòoìó и плоскость орбиты детекторов на тот же угол отклонена от плоскости орбиты фокуса излучателя 3. Поскольку детекторы расположены на вращающейся кольцевой опоре, возникает задача передачи сигналов от них в неподвижно стоящие электронные устройства. Эта задача может быть разрешена различными способами, которые здесь не рассматриваются..усилители должны быть

807173 расположены рядо,л с детекторами так, чтобы далее передавались усиленные сигналы.

Электродвигатель 9 установлен на поворотной опоре 2 излучателя. Благодаря этому схема привода вращающихся частей томографа значительно упрощена, а масса излучателя и обтюратора частично уравновешена массой двигателя. Подача напряжения питания на электродвигатель осуществляется гибким кабелем, который-образует один виток, поскольку опора,2 совершает только один оборот. Вращающий момент от двигателя передается через .понижающий основной червячный редуктор 10 к зубчатому колесу станины 1 и через редуктор 10 и,цополнительный понижающий редуктор 11 к зубчатому колесу кольцевой опоры 6 детекторов.

Стенки многогранного обтюратора

4 изготовлены из свинца и имеют узкие калиброванные щели, с помощью которых иэ веерообразного пучка с углом раствора „„ формируются коллимированные лучи. Обтюратор приводится во вращение со скоростью Ыобт повышающим редуктором 12 с передаточным числом i з, который получает вращающий момент от зубчатого колеса горловины станины 1 при повороте опоры 2 излучателя относительно станины.

Передаточные числа всех редукторов определяются следующими соотношениями: от двигателя к излучателю q" As!ЮЛ= /< )ДВ, от двигателя к детекторам

1р A, AET ДЕТ )ДВ) от двигателя к обтюратору

1дв /06Т ОБт Т дву от детекторов к обтюратору 4 AFT/06Т

Ж т дДГТ И где m — число детекторов, п — число щелей в обтюраторе, которое равно 360 lК, где о — раствор веерного пучка, который определяет угловой интервал сканирования.

В состав томографа входят также серийные аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ и устройства представ" ления синтезированного при помощи

ЭВМ изображения. Все перечисленные средства являются типовыми и далее не рассматриваются.

Для обеспечения непрерывности съема измерительйых данных сканирование осуществляется не одним, а несколькими детекторами, расставленными по окружности с равномерным шагом так, что при уходе одного детектора из зоны измерения в нее поступает

Так как радиус поля исследования для томографа является величиной заданной, необходимо знать зависимость между радиусами орбит излучателя (R) и детекторов (f ) при числе детекторов m = 6. Излучатель с фокусом в точке F формирует веерообразный рентгеновский пучок с углом расхождения ) „„с, охватывающим круглое поле исследования радиусом г (фиг.2).

Граничные лучи пучка CF u DF пересекаются с орбитой детекторов в точках

А и В. Через эти же точки проходят отрезки AO и ВО, являющиеся сторонами угла М. = 60 . Отрезок АЕ одновремено но входит в и АЕО идАЕР .

Из треугольника АЕО имеем AF. = 0,5;

АО = 0,5 f .

Из треугольника REF имеем АЕ = AF зin +"-, но AF = АК =- KF, где

АК = P ° sin (g --(г — ))i к,«„,,к

Рассмотрим соотношения между углами:

1. Иэ треугольника КОС

2 г откуда и =- - . -г

2. Из треугольниког РОК, КОС и

СОН Х

2q г — )Г

Я поставив q иэ предыдущего уравнения. в последнее, получаем = 4;3. Аргумент синуса в формуле для

АК равен й- Ф )

K X, r " X x

Т2 г 2 2 6

Учитывая последний результат, мы записываем

АК -Реп(+ ). следующий. Оптимальное число детекторов равно шести. При меньшем их числе и реальных соотношениях между диаметрами поля исслег вания орбчты вращения излучателя и орбиты вращения детекторов остаются эоны холостого пробега, а большее число нежелательно.

Радиус р орбиты детекторов берется меньшим, чем радиус R орбиты излучателя потому, что упрощается кинематическая схема привода детекторов. по сравнению со случаем, когда P > й, и уменьшается момент инерции детекторов, что важно, поскольку их приходится вращать в несколько раэ быстрее

15 излучателя. Кроме того, так как детекторы оказываются ближе к объекту, чем излучатель, то уменьшаются геометрические полутени в направлении, перпендикулярном плоскости вращения

;Щ детекторов, и сокращаются габаритные размеры. Устройства.

807173

Приравнивая друг к другу выражения для длнны отрезка Ае, получаем и - — p>tepee.

21Г ((NA C

5 Обтюратор должен быть синхронизи рован с кольцом детекторов. Исходное ,положение каждой из и щелей должно быть привязано к такому положению детектора, при котором он принимает

М,луч, касательный к окружности поля исследования.

В реализуемом диапазоне значений

Ммс кс tl = 13 при макс = 0,482 рад к Р

n = 14 при 6 >>яке= О, 448 рад, n = 15 при 7чдкс. = 0,418 рад и n = 16 при

4и кс= 0,39 рад. Только эти точки для лидке на графике 6>дкс f(R) (Фиг, ° 3 ) имеют практический смысл.

;щ Спроецировав значения R, „-оот вет*ствующие выбранным значениям 3 >.>дк

>>яке, на кривую P- f(R) определяем величины р.,Так, при наиболее подходящем n = 16 имеем R = 61? мм, 376 мм и 3м>кс = 0 ° 392 °

У ст ан авли ваем време нные соот ношения, первоначально предположив, что излучатель совершает шаговое вращение. При стороне матрицы изображе,ния М и угловой скорости излучате30 ля и время нахождения излучателя в каждом из N a p>o o>KeHHR сост авляет

r a-Р) ровЂ

0,5-(О,В66 (А F

KF Кl 1

4 изб g q

t 4 ет=

macr ""

КР R-«

1 1

1 1 AЪ тО Hhg д д и N >A>> . и>

Ф> >

50 мбкС

Л"

Графики зависимостей или 1 1 %ет ю ЮОб н

Р"-4Ж) ° 6 ИАКС f 2(R i откуда в практически целесообразном интервале значений R при « = 120 мм приведены на фиг.3. d0

Повороту детекторов на аC>C = 60 соответствует поворот цилиндра обтюратора на < 3„A„ . Число межцелевых интервалов в цилиндре обтюратора должно быть целым, только при этом усло- 65 (>ин(— + >Ф RLDs f 5jsingobp

Х откуда

f} a

gp-sinr3t$)Ь и2 >

НО r 2 « ° (p X — соь (-= 1- stp> += I (")

2 Я <>1Я+Х.) c jP>-, -соз 2+co5 3 Ми 2 .>т Х ° Х

«цвьыЧф + o.5ф .

Отсюда получаем окончательную фор.— мулу, связывающую радиус орбиты детекторов с заданной величиной радиуса поля исследования и с радиусом орбиты фокуса излучателя

Граничный случай имеет место, когда радиусы орбит равны,Р = R. Этому случаю соответствует 4 А В F (фиг.2), основание которого А В является стороной равностороннего центрального треугольника A В О (Х = Х = @).

-Определим отношение г/R для этого

» случая. Из сопоставления лА Е F u

АМОКО следует, что

А Е- R/2 K0=«>F Г =R+R s>O

= -4, 866 R

После подстановки и преобразования имеем

R = 3,86 " или — = 0,259.

«

Если последнее условие подставить в формулу для 3, то выяснится, что

3>мн = R = 3,86«

Угол РасхожДениЯ пУчка 4 „дк© опРеделяется очевидным выражением вии сканирующий луч развертывается равномерно

3а это время детектор совершает движение по дуге АВ = 60

О где to — длительность полного оборота, а Ыдкт — угловая скорость детектора. ТаК как t q A = тдет >

3а это же время щель обтюратора должна пройти угол / с -в овт дет И1к 4)овт. и

>и, AN 05ò >> дет и

При m = 6, n = 16, A =1 об/мин и N = 160 (как в нейродиагностическом томографе CT 1010 фирмы EM1) .

160 — 0,448 об/с;

0,445 6

4Jpgy = — — «0167 об/с.

4Ь

807173

Скорости < и и) имеют вполне

or,r допустимую величину.

3а время прохождения детектором дуги AB (угла с() с детектора снимаются N показаний. Поэтому на каждый отдельный замер излучения детектором приходится время (C) положенный против стороны Ov .

Используя теорему синусов, можно на-, писать

Ь Р РЗ<иА ОЕ

Ми-- 1

Pepin (lF- g -ar.Ñ× È -у — )

are

Л 1 М = Я вЂ”вЂ”

При ia) Eg = 0 445 об/с и h. = 160 идти = 14 мс

По полученным выше формулам определяем передаточные числа редукторов для выбранных конструктйвных па. раметров, полагаясд„ в = 25 об/с: 3$

1 = 1: 1500 3 —— 1: 56,2;

1: 150;, — =- — () 75

И1

- pm5g- у-агсь и у — "11

sfg3r2

Угол - - представляет собой текущий

Y угол между осью вырезанного обтюратора луча и осью симметрии системы (фиг.2)Полный угол f изменяется в пределах угла расхождения исходного пучка,„д . При —— 0; т.е. при

Х совпадении луча с осью симметрии — f + Й или при P =. 376 и R=617 мм — 993 мм, при -Х- =™ roc = 0,195 рад, 376 мм и К = 617 мм = 960 жл.

Изменение длины луча не превышает, таким образом, 3,5: При необходимости это изменение может быть скомпен— сировано в процессе машинного синтеза изображения. Фактически его роль незначительна, так как изменение происходит главным образом в воз— духе, а не в плотных тканях.

Предлагаемый томограф обладает следующими достоинствами, а) в нем используются только вращательные движения, вследствие чего кинематическая схема упрощена; б) с относительно большой скоростью (0,4 — 0,5 об/c ) вращается только кольцо с детекторами, масса и радиус этого устройства относительно невелики; в) томограф содержит минимальное число детекторов рентгеновского излучения и электронных трактов, определяемое только условием непрерывности сканирования; г) излучатель томографа может работать на непрерывном излучении от более дешевого питающего устройства, чем импульсное.

В случае необходимости для повышения точности томографа можно осуществлять электронное стробирование сигналов с детекторов.

P B =- — R 5 = — М. = —, (— + — + C, )

И Ь <

2р 2p 2р 2. 2 1

45 но

И = p (- соэ зо ) - о, з4 р.

Тогда PB = 0,067 (у > g +С), и

Если а/2 = 7 мм; в/2 = 12 мм и с = 5 мм, то РВ 1,6 мм, т.е. детектор с чувствительной площадкой шириной 14 мм смещения луча не почувствует. о

Угол Г = агcsin с" Р-= 2 K S

Формула изобретения

1. Способ вычислительной томографии, заключающийся в том, что исследуемый объект сканируют узким пучком рентгеновского излучения в заданном угловом диапазоне, регистрируют прошедшее через объект излучение с помощью набора детекторов, Поскольку центры орбит излучателя и детекторов не совпадают, длина лу- 60 ча до встречи с детектором при движении луча по дуге АВ изменяется.

Рассмотрим OVF, в котором заданы стороны QF = Я, OV = P и угол $, рас» 65

Чтобы детектор, попадающии на нерабочем участке орбиты (дуга WW ) в Ю угол раствора излучения 4 „„не затенял излучение, орбита детекторов должна быть отклонена от орбиты излучателя на угол r- таким образом, чтобы г конец луча Frj в любом положении в пределах У„д попадал на чувствительную площадку детектора (фиг. 2б ) .

Если вертикальный луч F Е попадает в центр этой площадки, то луч FB при повороте детектора относительно центрального положения на 30 попао дает в точку В. Смещение конца луча по приемной плоскости детектора равно отрезку PB = EZ ми .Величина угла Г выбирается такой, чтобы пассивные детекторы, движущиеся в пределах угла раствора пучка, не затеняли излучение.

Если полутолщина пучка равна С1/2, полуширина детектора с арматурой

Ь /2 и интервал надежности — C. то о 40 =2 + + С . Из а 5 смещение луча определится как

80 71 73 произ водят поворот источника и детекторов вокруг исследуемого объекта, производят преобразование зарегистрированных сигналов и их обработку в ЗВМ для восстановления изображения слоя исследуемого объекта, отли чающий сятем, что, с целью упрощения системы детектирования„ регистрацию излучения производят с помсщью дискретного набора детекторов, равномерно распределенных по окружности вокруг исследуемого объекта, осуществляют независимое от поворота источника вращение набора детекторов вокруг исследуемого объекта, причем отношение угловой скорости вращечия набора детекторов к скорости сканирования выбирают равным +, где М. - угловой

О4 диапазон сканирования, а е - количество детекторов в наборе.

2. томограф для реализации способа по ц.1, содержащий источник веерного рентгеновского пучка, поворотную опору источника, вращающийся обтюратор с равномерно распределенными по его окружности щелями, установленный вокруг источника, привод вращения обтюратора, держатель исследуемого объекта, набор детекто-. ров, средства поворота источника и детекторов вокруг исследуемого объекта, схему регистрации и преобразования сигналов детекторов и ЭВМ,, .отличающийся тем, что детекторы установлены дискретно на кольце вой опоре, средст ва поворота источника и детекторов выполнены в ви- де независимых приводов поворота ис" точника и вращения .кольцевой опоры с детекторами, причем в томограф введены средства согласования угловых скоростей вращения и угловых положе ний обтюратора и кольцевой опоры с детекторами.

3. Томограф по п.2, отличающийся тем, что количество де- . текторов в наборе равно, шести.

4. Томограф по п.2, о т л и ч аю шийся тем, что радиус кольцевой опоры с детекторами меньше ради1ß уса окружности поворота источника.

5. Томограф по пп. 2-4, о т л и ч а ю шийся тем, что радиус кольцевой опоры с детекторами, а также средства согласования, установлены

2О на поворотной опоре источника.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании

Р 1283915, кл. Н 5 Р, опублик. 1972.

2. Патент Великобритании

Р 1462861, кл. Н 5 Ц, опублик. 1977.

3. Выложенная заявка ФРГ 9 2807998, кл. A 61 В 6/00, опублик. 1978.

4. Выложенная заявка ФРГ Р 2728815, кл. А 61 В 6/00, опублик. 1978.

5. Заявка Франции Ф 2362614, кл. А 61 В 6/02, опублик. 1978 (прототип).

807173

Составитель К. Кононов

Редактбр Н. Лазаренко Техред M.Голинка Корректор, В. Синицкая

Заказ 274/Ь7 Тираж 918 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4