Симонов Томографические измерителные информационные системы 2011

Учитывая, что в РКТ-01 минимальное время реконструкции менее 10 с, количество M и N достаточно большое M = 600, 1200; N = 512, а погрешность “сырых” проекционных данных может быть существенной, свыше 1 %, алгоритм реконструкции целесообразно выбрать из класса интегральных преобразований. Для РКТ-01 применен алгоритм обратного проецирования с фильтрацией сверткой (ОПФС), реализация которого осуществляется в специальном процессоре.

В алгоритме ОПФС обеспечивается регулирование устойчивости к погрешности проекционных данных путем выбора сворачивающей функции с соответствующим “окном” фильтрации и регуляризирующим параметром.

Восстановление томограммы проводится в виде матрицы изображения 512 × 512 пикселов.

Программное обеспечение по обработке и анализу томограммы выполняет все необходимые операции, требуемые для врача– диагноста:

-фильтрацию изображения;

-определение геометрических размеров и статистических характеристик томографического параметра заданной области интереса;

-сравнение различных изображений и т. д.

Требования к системам томографа и управлению томогра-

фическим процессом. Управление томографом проводится с центрального терминала путем обмена управляющей информацией между центральным процессором и контроллерами периферийных устройств и систем. С точки зрения точности задания режимов томографирования и поддержания ее в процессе сканирования управление томографом РКТ–01 можно разделить на несколько групп.

Управление режимами рентгенооптического тракта. Ис-

точник излучения – рентгеновская трубка с управляющей сеткой и вращающимся анодом должна работать в импульсном режиме: длительность рентгеновского импульса τи = 3,5мс± 0,1 % , высоко-

вольтное напряжение на трубке Ua =120 кВ± 0,1 % , анодный ток Jа = 60−500 мА± 0,1 % . Точности заданных параметров трубки

поддерживается в течение сканирования – снятия томограммы объекта.

371

Данные параметры трубки обеспечивают необходимую мощность для просвечивания веерным узким пучком объекта (Н2О) диаметром 480 мм с квантовым шумом менее 0,5 %, при минимальной дозе облучения объекта (3,5 рад) и получение достаточного сигнала на ксеноновом детекторе для дальнейшей регистрации, а также требуемую стабильность интенсивности и спектра излучения.

Управление запуском рентгеновского излучения производится сигналом с датчика углового положения рентгенооптического тракта на управляющую сетку трубки.

Коллиматор должен иметь три составные части:

1)алюминиевую пластину толщиной 1,5 мм для “сужения” спектра источника излучения;

2)“фильтр-бабочку” из органического стекла при поле реконструкции диаметром до 250 мм и диаметром с 250 мм и выше для согласования динамического диапазона измерений детектора и электронной системы сбора данных;

3)свинцовую щель для создания веерного пучка толщиной 2; 5

и10 мм ± 0,5 мм в центре объекта и угла веера не менее 46,22°. Уменьшение интенсивности рентгеновского излучения за счет

алюминиевой пластины и “фильтра-бабочки” должно компенсироваться изменением мощности источника излучения.

Выбор необходимого “фильтра-бабочки” и толщины томографического слоя с заданной точностью проводится в зависимости от требуемого режима (параметров) рентгеновской трубки, что определяется объектом исследования (шея, голова, грудная клетка, таз).

Детектор излучения – 512 канальный детектор, состоящий из ионизационных ксеноновых камер, прилегающих друг к другу. Из 512 единичных детекторов – 504 рабочих детектора и 8 (по 4 с одного и другого края блока детекторов) опорных. Рабочие детекторы служат для измерения излучения после объекта, опорные – для измерения излучения источника. Камеры детектора должны обладать коллимирующим свойством от рассеянного излучения, для чего электроды делаются из тантала толщиной 0,15 мм. Апертура единичного детектора равна 1,56 мм ± 10 %. Месторасположение единичного детектора на дуге блока детекторов (см. рис. 5.2) должно выдерживаться с точностью γi ± 1 %, где γi – текущий

угол i-го детектора.

372

Линейность передаточной характеристики в динамическом диапазоне 1–103 должна быть не менее 0,2 %, стабильность высоковольтного питания детектора – 500 В± 0,1 % .

Система сбора данных с детекторов – 512 канальная электронная система измерения аналоговых сигналов с единичных детекторов и преобразования их в цифровой код для дальнейшей обработки в спецпроцессоре.

Система должна работать в реальном масштабе времени: период измерения всех 512 каналов: 3,5 мс – время рентгеновского импульса в одном ракурсе, 6,5 мс – время обработки аналогового сигнала в цифровой код 512 каналов для одного ракурса, передача цифрового кода проекции (512 каналов) для всех ракурсов (600 или 1200) в спецпроцессор для предварительной обработки.

Динамический диапазон измерения сигналов 1–103. Измеряемые токи единичных детекторов ~1 нА – 1 мкА. Погрешность измерения минимального тока этого диапазона должна быть меньше квантового шума и составлять не более 0,3 %.

Линейность измерения должна быть не меньше 0,2 %. Управление запуском системы производится сигналом с датчи-

ка углового положения рентгенооптического тракта, определяющего ракурсный угол Δβ . Рентгенооптический тракт томографа РКТ-

01 является наиболее сложной и ответственной за точность томографического изображения системой.

Требования к точности его функционирования вытекают непосредственно из требований к качеству изображения и требований к физической схеме сканирования. Требования к остальным узлам и системам томографа являются производными и вытекают из требований к рентгенооптическому тракту.

Управление системой сканирования. Система сканирования при своем равномерном движении должна определять текущий ракурсный угол β ± 1 % с заданной дискретностью Δβ = 0,6° для количества ракурсов М = 600 и Δβ = 0,3°для М = 1200.

Текущий ракурсный угол определяет круговая масштабно– координатная линейка и датчик углового положения, который выдает сигнал на очередной запуск рентгеновского импульса и запуск системы сбора данных с детекторов.

373

Управление системой выбора томографического слоя.Для определения необходимого томографического слоя на объекте исследования проводится первоначально обзорная топограмма объекта (рентгеновский боковой снимок), для этого ложемент стола совместно с объектом движется через поле сканирования при боковом положении работающего рентгенооптичес-кого тракта без его кругового движения. По обзорной топограмме объекта определяется координата томографического слоя, и объект исследования по этой координате подводится к полю реконструкции для снятия томограммы.

Точность позиционирования томографического слоя по заданной координате топограммы в диапазоне 520 мм должна быть не менее ±0,5 мм. Позиционирование осуществляет датчик положения ложемента стола пациента.

Для “обхода” рентгеновским излучением определенных областей исследуемого объекта проводят наклонные томографические срезы (саггитальные сечения). Система управления по получению наклонных срезов по обзорной топограмме аналогична получению аксиальных томограмм. Различие в том, что обзорная топограмма получается при наклонном сканере (наклонной области реконструкции), и наклонное сечение планируется по обзорной топограмме в виде наклонной линии, проходящей через заданную точку объекта.

Наклон сканера от вертикальной линии осуществляется на ±25° с точностью 5 %.

Требования к калибровкам и предварительной обработке измерительных данных перед реконструкцией. В гл. 3 и 4 рас-

сматривались вопросы задания требований к измерительным и проекционным данным, исходя из требований к точности реконструкции томографического параметра.

Для томографа РКТ-01 эти требования отражены в табл. 5.1.

допустимую дозу, получаемую объектом исследования (Н2О) диаметром 480 мм за одну томограмму.

374

Таблица 5.1

Требования к точности основных систем томографа РКТ-01

Примечание: δ(μ) – заданная относительная погрешность реконструкции томографического параметра (ее значение соответствует значению шума на изображении); δ(Р) – необходимая относительная точность проекционных данных Pij (данные после логарифмирования рабочих и калибровочных измерений), которые идут на реконструкцию изображения. Точность проекционных данных δ(Р) должна быть в заданных пределах по всей матрице проекционных данных М×N; δ(nx) – необходимая относительная точность результатов измерений с системы сбора данных детекторов для каждого единичного детектора от ракурса к ракурсу. Точность δ(nx) для каждого ракурса от детектора к детектору может не выполняться, если имеется линейная передаточная характеристика каждого измерительного канала; п0 – среднее количество рентгеновских фотонов, испус-

каемых источником в сторону единичного детектора в одном ракурсе; пх

– среднее количество рентгеновских фотонов, зарегистрированных единичным детектором после объекта исследования в одном ракурсе.

Требования к погрешности δ(nx) определяют практические требования к погрешности функционирования всего томографа, причиной которой могут быть:

-нестабильность высоковольтного источника питания рентгеновской трубки;

-погрешность и нелинейность детекторов и системы сбора данных;

-нестабильность высоковольтного источника питания детекто-

ров;

-шумы от микрофонного эффекта электродов детекторов, вызванного вибрацией сканера;

-механическая нежесткость рентгенооптического тракта;

-осевое и радиальное биение подшипника сканера;

-недостаточная синхронизация запуска рентгеновского импульса и запуска на измерение сигнала с детекторов.

375

Для уменьшения влияния полиэнергетичности и рассеянного излучения проводят калибровочные измерения водяных фантомов, и эти измерения участвуют в получении проекционных данных.

Для уменьшения влияния разброса от канала к каналу измерительного тракта и от ракурса к ракурсу на значение проекций проводят нормировочные измерения:

-вычитание значений “темнового тока” (ток детектора при отсутствии рентгеновского излучения) из рабочих и калибровочных измерений;

-деление рабочих измерений объекта исследования на измерения воздушного фантома для уменьшения влияния разброса передаточных коэффициентов от канала к каналу измерительного тракта;

-деление рабочих измерений объекта исследования на измерения опорных детекторов для уменьшения влияния вибуляции рентгеновского излучения во время сканирования от ракурса к ракурсу;

-деление рабочих измерений объекта исследования на поправочные коэффициенты, учитывающие нелинейность измерительных каналов.

На рис. 5.3 показана обобщенная схема предварительной обработки измерительных данных.

Рис. 5.3. Схема предварительной обработки измерительных данных:

1 – вычитание подставки “темнового тока” Jт из рабочих Jx, нормировочных измерений воздушного фантома J0, калибровочных измерений водяного фантома Jв; 2 – логарифмирование; 3 – нормировка каналов по воздушному фантому; 4 – калибровка по водяному фантому; 5 – нормировка ракурсов по опорным детекторам; 6 – нормировка на нелинейность каналов; 7 – калибровка по уменьшению влияния полиэнергетичности излучения

376

5.2.Структура построения и принципы взаимодействия систем

На рис. 5.4 показана общая структурная схема расположения томографа РКТ-01.

Рис. 5.4 Структурная схема расположения томографа РКТ-01

377

При аппаратной реализации томографического принципа получения изображения в “срезе” необходимо, по крайней мере, создавать две системы: систему томографических измерений (СТИ) и систему обработки результатов моделирования и отображения их в виде изображения (СОРИ). Поэтому по целевому назначению исходя из принципов КТ при создании томографа РКТ-01 разрабатывались две вышеуказанные системы.

ВСТИ можно отнести следующие комплексы:

электромеханический (ЭМК);

рентгеновского излучения и коллимации (РИК);

детекторный (Д);

управления и автоматики (УА);

вычислительно-отображающий (ВОК);

математического обеспечения (МО);

первичного электропитания (ПЭ);

центральный пульт (ЦП);

устройство твердой копии (УТК).

Эти комплексы разделены на более мелкие функциональные узлы и системы, которые можно разделить в свою очередь на блоки и элементы. Все это свидетельствует о сложности томографических систем таких, как РКТ-01.

На рис. 5.5 представлена функциональная схема томографа РКТ-01.

Комплекс первичного питания (ПЭ) ЗЭМК-2 мощностью 18 кВт, 380 В, 50 Гц обеспечивает высоковольтным электропитанием 120 кВ, током до 500 мА рентгеновскую трубку 60БД 33-120 типа “Кертом” или (G 1094 “Вариан”, США) через систему питания 4УВДК.565.316.000 и низковольтным питанием (переменным и постоянным) различные блоки.

Системы и блоки томографа:

коллиматор 1 Р13.04.000/200;

блок детекторов 2 РЮ5–Р18;

блок сбора данных 3 Р801–Р13;

вычислительно–отображающий комплекс ВОК Р13.11.600;

блок управления и автоматики УА Р803–Р3;

стол пациента 13 Р13.10.000;

система вращения платформы сканера 16 РИФЦ.303.251.00;

378

центральный пульт ЦП Р13.11.000;

система наклона сканера 12 Р87–Р13.03.000.

Рис. 5.5. Функциональная схема томографа РКТ-01:

1 – коллиматор; 2 – блок детекторов; 3 – блок сбора данных; 4 – система питания; 5 – спецпроцессор томографического изображения; 6 – дисплей высокого разрешения; 7 – блок архивирования; 8 – центральный процессор; 9 – дисплей; 10 – лазерный принтер; 11 – пленочная камера; 12 – устройство наклона сканера 13 – стол пациента; 14 – ложемент; 15 – датчик ракурсов; 16 – подшипник вращения сканера; 17 – рентгеновская трубка

379

Рентгеновская трубка 17 (см. рис. 5.5) совместно с высоковольтной системой питания 4 обеспечивает рентгеновское излучение в виде импульсов τи =3,5 мс и частотой fи = 100 Гц посредст-

вом подачи сигнала с 4 на отпирающую сетку трубки 17. В свою очередь, информация для обеспечения излучения поступает с датчика ракурсов 15 Р13.00.420 сканирующего устройства.

Рентгеновское излучение коллимируется необходимой толщины 2; 5; 10 мм, развала веера (≈47°), спектра (Аl 1,5 мм) коллиматором 1. Управление необходимыми параметрами коллиматора проводится через УА.

Излучение поступает на блок детекторов 2, проходя через объект исследования, который вводится в гентри сканера на рентгенопризрачном ложементе 14 ФЕКЕ305 стола пациента 13. Управление подъемом стола на необходимую высоту (до 400 мм) и вводом ложемента в гентри (до 1200 мм) проводится как в режиме топографирования, так и томографирования через УА и дисплей 9 с центральным процессором 8 центрального пульта ЦП.

В блоке детекторов излучение преобразуется в аналоговый сигнал, пропорциональный заряду, накопленному за время импульса излучения, на собирающем электроде.

Аналоговые сигналы с единичных детекторов ( N =512) поступают в блок сбора данных 3, где преобразуются в цифровой код (14 разрядов мантисса, 2 разряда порядок). Цифровые коды единичных детекторов (N = 512) для каждого ракурса (М = 600 или 1200) образуют “сырые” данные проекции, т. е. вектор-строку 1×512 16 разрядных слов, а для всех ракурсов – матрицу “сырых” данных 600×512 (или 1200×512) 16 разрядных слов. Управление блоком сбора данных (запуск, сброс) осуществляется от датчика ракурсов 15.

Цифровые коды “сырых” данных в масштабе реального времени сканирования поступают в спецпроцессор реконструкции изображения вычислительно-отображающего комплекса ВОК.

Спецпроцессор проводит:

предварительную обработку рабочих, нормировочных и калибровочных “сырых” данных с образованием матрицы проекционных данных Pij 600×512 или (600×1200) 28 разрядных слов;

380