Симонов Томографические измерителные информационные системы 2011

Ток детектора в интеграторе (И на рис. 5.6) системы сбора данных ССД, пройдя через усилитель Ус, преобразуется на емкости С в напряжение Uc, пропорциональное заряду Qg, вызванному током ig, и которое, в свою очередь, пропорционально количеству квантов

nx , упавших на окно детектора за время τи

τи

Uc C = Qg = ∫ig (t) dt ~ nx .

0

Заряд на емкости С как функция радиуса объекта исследования изменяется в пределах Qg ≈ (3,5·10–11Кл–5,6·10–8Кл) ±0,16%.

Напряжение Uс с каждого интегратора поочередно подключается электронным коммутатором К на АЦП, который преобразует

аналоговый сигнал с Uс в код КАЦП, пропорциональныйnx . Для увеличения помехоустойчивости АЦП на его выходе при нулевом входном сигнале (nx Uc=0) задается код “подставки”, равный 8000 единиц.

В итоге на выходе АЦП в течении сканирования образуется

разрядных слов.

Ниже представлено более детально образование матрицы кодов

К . На рис. 5.7 представлена циклограмма сигналов Запуск

АЦП

при сканировании.

Ось времени

Рис. 5.7. Циклограмма сигналов Запуск при сканировании

391

Первые 64 импульса запуска ССД не сопровождаются запуском рентгеновской трубки. ССД преобразует в коды “темновые” токи детекторов (“подставка”). Последующие 600 (1200) запусков сопровождаются синхронными запусками рентгеновской трубки.

На рис. 5.8. представлена циклограмма работы ССД при его запуске: τз = 0,4 мс – время задержки сигнала стробирования интеграторов, компенсирующее время выхода на режим рентгеновской трубки после ее запуска, которая запускается одновременно с ССД; τи = 3,5 мс – время, в течение которого каждым из 512 интеграторов производится интегрирование выходных токов детекторов; τх = = 512×12 = 6,144 мс – время хранения интеграторами результата интегрирования, оно используется для последовательного преобразования в АЦП напряжения интегратора в 16-зарядный параллельный двоичный код; τс = 0,3 мс – время обнуления интеграторов

перед очередным интегрированием.

Ось времени

Рис. 5.8. Циклограмма работы ССД при ее запуске

Выходные данные ССД поступают в линию связи с реконструктором и представляют собой последовательные синхронизированные 24-разрядные последовательные двоичные коды.

На рис. 5.9. представлена циклограмма вывода данных в реконструктор: τсз = 2 мс – время задержки вывода стартового слова; τзв =

=3,9 мс – время задержки слов данных 512 интеграторов; τв = τх =

=6,144 мс – время вывода слов данных (результатов преобразования

392

в двоичные коды заряда на емкостях интеграторов); τзс = 16 мкс – время задержки вывода стопового слова. 512 слов данных пред-

24 разрядных слов, 16 разрядов из которых измерительные. Измерительные слова являются результатом преобразования KАЦП = = М 22р, где M – мантисса слова, M = 214 – 1, а p – порядок слова, p = 22– 1.

Ось времени

Рис. 5.9. Циклограмма вывода данных в реконструктор

Данные с ССД поступают в блок предварительной обработки данных (ПОД) реконструктора. Как было отмечено в начале гл. 5, от алгоритма предварительной обработки “сырых” измерительных данных во многом зависит выполнение требований табл. 5.1. Как правило, некорректная предварительная обработка приводит к различным типам артефактов (кольцевые артефакты, нелинейности изображения, различные виды асимметрии в изображении).

Рентгенооптический тракт томографа РКТ-01, как показали исследования, дает коррелированные “сырые” данные рабочих и калибровочных измерений с коэффициентом корреляции свыше r > 0,9 . Это свойство “сырых” данных можно использовать при получении проекций, применяя так называемую матричную обработку.

393

В табл. 5.2. представлены различные схемы получения проекций из “сырых” данных рабочих и калибровочных измерений с применением векторной и матричной обработки.

Таблица 5.2

Схемы получения проекций

394

строка “темнового” тока, полученная как среднее значение по ракурсам (64

ветственно рабочих, воздушного и водяного фантома, полученный как среднее значение опорных детекторов (1–4, 509–512) для 600 ракурсов;

Jcal(1) – матрица калибровочных измерений водяного или воздушного фантома без “темнового” тока; Kс – матрица калибровочных коэффициентов.

395

Всхемах алгоритмов (см. табл. 5.2) предусмотрено:

-вычитание “темнового” тока в рабочих, калибровочных измерениях для уменьшения влияния систематической погрешности этого фактора;

-нормировка по опорным детекторам для уменьшения влияния изменения интенсивности источника излучения от ракурса к ракур-

су путем деления (умножения) на Jопор;

- нормировка измерительных каналов путем деления (умножения) на измерения воздушного фантома ( J0(1) или J0(1) );

- калибровки измерительных каналов с целью уменьшения влияния рассеянного излучения, спектра путем деления (умноже-

ния) на измерения водяного фантома ( Jв(1) или Jв(1) ). Применяется в схемах также нормировка и калибровка по сред-

нему значению логарифмов: (ln J(1) ) . Погрешность

δ(P) = mσ((PP)) 100%

характеризует относительную погрешность проекций по всем 600 (1200) ракурсам, Δδ(Р) – разброс проекций по всем каналам.

Наименьшей погрешностью по ракурсам обладает схема алгоритма № 1 (см. табл. 5.2), а наименьшей погрешностью по каналам

– схема № 4 и № 5. “Средними” значениями погрешности одновременно по ракурсами и каналам обладает схема № 7 и № 9.

Можно заметить, что там, где используется нормировка и калибровка по вектору-столбцу опорных детекторов Jхопор , по век-

тору-строке воздушного и водяного фантома J0(1) , Jв , достигается минимальный уровень погрешности влияния ракурсов. Где используется нормировка и калибровка по матрице J0(1) , Jв ,

достигается минимальная погрешность влияния каналов. В РКТ-01 используется схема алгоритма № 5.

396

На рис. 5.10. показаны данные δ(Р) % для схемы № 5 при ска-

нировании водяного фантома ( Jx(1) , Jx опор ) и калибровочных данных воздушного J0(1) и водяного Jв(1) фантомов.

Рис. 5.10. Экспериментальная кривая относительной погрешность проекции схемы алгоритма № 5

Весь алгоритм предварительной обработки данных РКТ-01 с учетом коррекции сбоев измерительных данных (медианная и пороговая фильтрация), коррекции нелинейности μ (полиномиальная

коррекция влияния полиэнергетичности излучения) показан в приложении.

После получения проекций в ПОД они направляются на реконструкцию изображения.

Свыхода реконструктора матрица восстановленных значений

μ(х, у) сечения объекта исследования отображается на терминале

ввиде полутонового изображения с характеристиками качества

х, Δμμ, σш , Не .

397

На рис. 5.11 показаны томограммы и топограммы головного мозга и поясничной области человека, полученных на РКТ-01.

Рис. 5.11. Томограммы и топограммы головного мозга а), в), д) и поясничной области б), г), ж), з) человека, полученные на томографе РКТ-01

Для анализа рассмотренной выше измерительно-информаци- онной схемы томографа РКТ-01 было создано программное обеспечение (пакеты программ):

398

программы, осуществляющие расчет проекционных данных для заданного фантома с учетом шумов и погрешностей, моделируемых для отдельных узлов и систем томографа, а именно влияние:

-спектра излучения источника;

-радиального и осевого биения подшипника сканера;

-изменения интенсивности излучения и квантового шума;

-нежесткости рентгенооптического тракта;

программы, осуществляющие моделирование геометрии сканирования и реконструкцию томограмм;

программы, осуществляющие расчет сворачивающих функций (ядер фильтрации);

программы, осуществляющие визуализацию томографического изображения;

программы оценки качества томографического изображения; программы, осуществляющие анализ погрешности этапов предварительной обработки данных и определения допустимости погрешности “сырых” и проекционных данных.

5.5. Система настройки и калибровки

5.5.1.Методы и способы настройки рентгенооптического тракта

Рентгеновский компьютерный томограф является сложной прецизионной физической системой, требующей точной ориентации веерного пучка излучения в пространстве, специальных калибровок, приближающих интерпретацию томографического параметра физической модели объекта исследования (фантома) и самого объекта (человека), определения специальных способов пространственного и плотностного разрешения томографического изображения. Это требует специальной настройки и калибровки рентгенооптического тракта (РОТ).

Настройка РОТ заключается в определении и регулировании:жесткости РОТ (смещение детекторного блока или рентге-

новской трубки, или того и другого вместе в плоскости веерного пучка во время сканирования относительно первоначальной оси,

399

соединяющей фокус трубки, центр сканирования и центр одного из единичных детекторов (см. рис. 3.48));

координаты (номер) центрального единичного детектора во время сканирования, через который проходит выше отмеченная ось; центральный (нулевой) детектор является реперной точкой отсчета угла γi в алгоритме реконструкции;

перпендикулярности плоскости веерного пучка излучения мнимой оси вращения сканера; невыполнение этого условия приводит к “размазыванию” томографического изображения.

В основе измерения жесткости РОТ лежит измерение координаты проекции цилиндрического стального стержня на линейке детекторов.

Рис. 5.12. поясняет определение жесткости РОТ. Стальной стержень диаметром ~5 мм жестко закрепляется с трубкой перпендикулярно плоскости веерного пучка. В начальном положении сканера максимальное значение проекции стержня (тени) будет приходится на номер детектора lj, где j – номер ракурса, j =1,..., M .

Рис. 5.12. К определению жесткости РОТ и центрального детектора

При сканировании (повороте на 360°) координата lj будет изменяться некоторым образом из–за относительного смещения трубки и линейки детекторов (рис. 5.13).

Величина ж = ljmax – ljmin,, j =1,..., M служит критерием жесткости РОТ, где l j max , l j min – соответственно, максимальное и мини-

мальное отклонение координаты lj во время сканирования.

400